量子力学习题课2

量子力学教程课后习题答案量子力学习题及解答第一章量子理论基础1．1 由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长与温度T成反比，即T=b（常量）；并近似计算b的数值，准确到二位有效数字。

解根据普朗克的黑体辐射公式，（1）以及，（2），（3）有这里的的物理意义是黑体内波长介于λ与λ+dλ之间的辐射能量密度。

本题关注的是λ取何值时，取得极大值，因此，就得要求对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作。

但要注意的是，还需要验证对λ的二阶导数在处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的就是要求的，具体如下：如果令x= ，则上述方程为这是一个超越方程。

首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有把x以及三个物理常量代入到上式便知这便是维恩位移定律。

据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。

1．2 在0K附近，钠的价电子能量约为3eV，求其德布罗意波长。

解根据德布罗意波粒二象性的关系，可知E=h，如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（），那么如果我们考察的是相对性的光子，那么E=pc 注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有在这里，利用了以及最后，对作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。

1．3 氦原子的动能是（k为玻耳兹曼常数），求T=1K时，氦原子的德布罗意波长。

Introduction to Quantum MechanicsOverviewQuantum Mechanics is a branch of Physics that describes the behavior of matter and energy at a microscopic level. This discipline has had a significant impact on modern science and technology, and its principles have been applied to the development of various fields, such as computing, cryptography and medicine. The study of Quantum Mechanics requires a basic understanding of the principles of Mathematics and Physics. The m of this document is to provide an introduction to Quantum Mechanics and to provide a set of practice exercises with answers that will allow students to test their knowledge and understanding of the subject.Fundamental PrinciplesThe fundamental principles of Quantum Mechanics are based on the concept of a wave-particle duality, which means that particles can behave as both waves and particles simultaneously. The behavior of particles at the microscopic level is probabilistic, and it is described by a wave function. A wave function is a complex function that describes the probability of finding a particle at a givenlocation. The square of the amplitude of the wave function gives the probability density of finding the particle at that point in space. The wave function can be used to calculate various physical quantities, such as the position, momentum and energy of a particle.Operators and ObservablesIn Quantum Mechanics, physical quantities are represented by operators. An operator is a mathematical function that acts on a wave function and generates a new wave function as a result. Operators are used to represent physical observables, such as the position, momentum and energy of a particle. The eigenvalues of an operator correspond to the possible results of a measurement of the corresponding observable. The eigenvectors of an operator correspond to the possible states of a particle. The state of a particle is described by a linear combination of its eigenvectors, which is called a superposition.Schrödinger EquationThe Schrödinger Equation is a mathematical equation that describes the time evolution of a wave function. It is based on the principle of conservation of energy, and it representsthe motion of a quantum system in terms of its wave function. The equation is given by:$$\\hat{H}\\Psi=E\\Psi$$where $\\hat{H}$ is the Hamiltonian operator, $\\Psi$ is the wave function, and E is the energy of the system. The Schrödinger Equation is the foundation of Quantum Mechanics, and it is used to calculate various physical properties of a particle, such as its energy and momentum.Practice Exercises1.Calculate the wave function for a particle that isin a 1D box of length L.–Answer: The wave function for a particle in a 1D box is given by:$$\\Psi(x)=\\sqrt{\\frac{2}{L}}\\sin{\\frac{n\\pi x}{L}}$$where n is a positive integer.2.Derive the time-dependent Schrödinger Equation.–Answer: The time-dependent SchrödingerEquation is given by:$$i\\hbar\\frac{\\partial\\Psi}{\\partialt}=\\hat{H}\\Psi$$3.Calculate the momentum operator for a particle in1D.–Answer: The momentum operator for a particle in 1D is given by:$$\\hat{p_x}=-i\\hbar\\frac{\\partial}{\\partial x}$$4.What is the uncertnty principle?–Answer: The uncertnty principle is afundamental principle of Quantum Mechanics thatstates that the position and momentum of a particlecannot be measured simultaneously with arbitraryprecision. Mathematically, it is given by: $$\\Delta x\\Delta p_x\\geq\\frac{\\hbar}{2}$$5.Calculate the energy of a particle in a 1D box oflength L with quantum number n.–Answer: The energy of a particle in a 1D box is given by:$$E_n=\\frac{n^2\\pi^2\\hbar^2}{2mL^2}$$ConclusionQuantum Mechanics is a fascinating and challenging fieldof study that has provided a deeper understanding of the behavior of matter and energy at the microscopic level. Theprinciples of Quantum Mechanics have been applied to various fields of study, including computing, cryptography and medicine, and they have contributed to significant advances in these fields. The practice exercises provided in this document are intended as a tool for students to test their knowledge and understanding of Quantum Mechanics. By solving these exercises, students will gn a deeper understanding of the fundamental principles of Quantum Mechanics and strengthen their problem-solving skills in this exciting field of study.。

习 题 课例：求下列各粒子相关的de Broglie 波的波长： （1） 能量为100ev 的自由电子； （2） 能量为0.1ev 的自由中子； （3） 能量为0.1ev,m=1g 的质点；（4） T =1K 时，具有动能E=KT3/2(K Bolzman 常数)的氮原子。

解：在V «C 的情况下，mE h p h mE P 2//,2===λ (1) E=100ev=1.6×10-10erg,因为m=9×10-28g h=6.6×10-27erg.s 所以 2.1102.1106.11092106.68102827=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=----cm λÅ（2） E=0.1ev = 1.6×10-13erg, m=1.675×10-24g9.0109.0106.11068.12106.68132427=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=----cm λÅ(3) E=0.1ev = 1.610-13erg, m=1g121327107.1106.12106.6---⨯=⨯⨯⨯=λ Å（4） E =1.5×1.38×10-16erg, m=4×1.67×10-24=6.68×10-24g6.121038.15.11068.62106.6162427=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---λ Å星体光谱的成分与绝对黑体光谱十分相近。

估计黑体表面温度的方法之一，在于确定黑体光谱中辐射强度λU 的最大值所对应的波长。

太阳的这2个波长等于0.5μm,北极星的波长等于0.35μm,天狼星的等于0.29μm 。

试计算这些星体的温度。

解：根据黑体辐射的Plank 公式，物体在温度为T 的热平衡态下，辐射的能谱密度λU 与热辐射频率ν之间的关系为)1(1)/exp(833-=kT h C h U ννπλ将（1）式中的辐射频率ν换成辐射波长λ表示，)2(1)/exp(181,52-=-==kT hc hCU d Cd Cλλπλλνλνλ）改写成将（由d λU /d λ=0,可得λU （max ）所应的波长λ：)3(]1)/[exp()/exp(50)1)/exp(18(5-==-=kT hc kT kT hc hc kT hc hc d d d dU λλλλλπλλλ得若令x=hc/λkT, 则（3）改写成 15-=x xe xeXe x =5e x -5, e -x +(x/5)-1=0, e -x =1-(x/5) (4) (4)式是一个超越方程，做图法求解，⎪⎩⎪⎨⎧=-=)6()5(51xe y x y 曲线（5）和（6）的交点的横坐标便是所求的解，如图： 求得 x=4.97, (7) 既hc/kT (8) 或T λmax=hc/4.97k=b (9)次式为Wien 位移公式（wien formula ），其b=hc/4.97k=2.9×10-3m.℃ 由（9）式可估计星体表面温度如下： （a ） 太 阳：λmax=0.55μm=0.55×10-6m, T max =b/λmax=5.27×103℃（b ） 北极星：λmax=0.35μm=0.35×10-6m, T max =b/λmax=8.27×103℃ （c ） 天狼星：λmax =0.29μm=0.29×10-6m, T max =b/λmax=10×103℃例：如果我们观测一个大小为2.5Å的物体，可用的光子的最小能量是多少？若把光子改成电子呢？解：为了发生散射，光波的波长必须与所观测物体的大小同数量级或更小。

一.微观粒子的波粒二象性1、在温度下T=0k 附近，钠的价电子能量约为3电子伏特，求其德布罗意波长。

2、求与下列各粒子相关的德布罗意波长。

（1）能量为100电子伏特的自由电子；（2）能量为0.1电子伏特的自由中子；（3）能量为0.1电子伏特，质量为1克的自由粒子； （4）温度T=1k 时，具有动能kTE 23=的氦原子，其中k 为玻尔兹曼常数。

3、若电子和中子的德布罗意波长等于oA 1，试求它们的速度、动量和动能。

4、两个光子在一定条件下可以转化为正负电子对，如果两电子的能量相等，问要实现这种转化，光子的波长最大是多少？5、设一电子为电势差U 所加速，最后打在靶上，若电子的动能转化为一光子，求当这光子相应的光波波长分别为5000oA （可见光）o A 1（x 射线），oA001.0（γ射线）时，加速电子所需的电势差各是多少？二.波函数与薛定谔方程1、设粒子的归一化波函数为 ),,(z y x ϕ，求 （1）在),(dx xx +范围内找到粒子的几率；（2）在),(21y y 范围内找到粒子的几率； （3）在),(21x x 及),(21z z 范围内找到粒子的几率。

2、设粒子的归一化波函数为 ),,(ϕθψr ，求：（1）在球壳),(dr rr +内找到粒子的几率；（2）在),(ϕθ方向的立体角Ωd 内找到粒子的几率； 3、下列波函数所描述的状态是否为定态？为什么？（1）Eti ix Eti ix ex ex t x---+=ψ)()(),(211ψψ[])()(21x x ψψ≠（2）tE i t E i ex ex t x 21)()(),(2--+=ψψψ)(21E E ≠（3）EtiEti ex ex t x)()(),(3ψψ+=ψ-4、对于一维粒子，设 xp i o e xπψ21)0,(=，求 ),(t x ψ。

5、证明在定态中，几率密度和几率流密度均与时间无关。

6、由下列两个定态波函数计算几率流密度。

第二章 力学量算符2.1 证明空间反演算符ˆˆ(()())x x ψψ∏∏=-是厄米算符。

指出在什么条件下，ˆd p i dx =- 是厄米算符。

2.2 动量在径向方向的分量定义为1ˆˆˆ2r p r r ⎛⎫=⋅+⋅ ⎪⎝⎭r r p p ，求出ˆr p 在球坐标系中的表示式。

2.3 证明[][]ˆˆˆ,()();,()()ˆx x x x p f x i f x x f p i f p x p∂∂=-=∂∂ 2.4 设算符ˆA满足条件2ˆ1A =，证明ˆˆcos sin i A e i A ααα=+，其中α为实常数. 2.5 设算符ˆˆˆˆˆˆˆ,1KLM LM ML =-=,又设ϕ为ˆK 的本征矢,相应本征值为λ.求证ˆˆu L v M ϕϕ≡≡和也是ˆK 的本征矢,并求出相应的本征值.2.6 粒子作一维运动,2ˆˆ()2p H V x μ=+,定态波函数为n ,ˆ,1,2,3,n H n E n n == (1)证明ˆnm n pm a n x m =,并求出系数nm a . (2)利用(1)式推导求和公式()22222ˆn m nEE n x m m p m μ-=∑ (3)证明()222n m n EE n x m μ-=∑ 2.7 设ˆF为厄米算符,证明在能量表象中下式成立:()21ˆˆˆ,,2n m nk n E E F k F F H k ⎡⎤⎡⎤-=⎣⎦⎣⎦∑ 2.8 已知(,)lm Y θϕ是2ˆˆZL L 和的共同本征函数，本征值分别为2(1)l l m + 和。

令ˆˆˆx y L L L ±=±. (1)证明ˆ(,)lm L Y θϕ±仍是2ˆˆZ L L 和的共同本征函数,求出他们的本征值.(2)推导公式1ˆ(,)(,)lm lm L Y Y θϕθϕ±± 2.9 证明ˆˆ11ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ,,,,,,2!3!A A e Be B A B A A B A A A B -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=++++⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦2.10 设算符ˆA 与ˆB 同它们的对易关系式ˆˆ,A B ⎡⎤⎣⎦都对易，证明1ˆˆˆˆˆ,,n n A B nB A B -⎡⎤⎡⎤=⎣⎦⎣⎦ 1122ˆˆˆˆˆˆ,,ˆˆˆˆˆˆA B A B A B A B A B A B e e e e e e e ⎡⎤⎡⎤-+++⎣⎦⎣⎦==或2.11 设ˆL 为轨道角动量算符。

第一章 绪论1.1．由黑体辐射公式导出维恩位移定律：C m b bTm3109.2 ,×´==-l 。

证明：由普朗克黑体辐射公式：由普朗克黑体辐射公式：n n p nr n nd ec hd kTh 11833-=， 及ln c=、l ln d c d 2-=得1185-=kThcehc l l l p r ，令kT hc x l =，再由0=l r l d d ，得l .所满足的超越方程为所满足的超越方程为15-=x x e xe用图解法求得97.4=x ，即得97.4=kT hc m l ，将数据代入求得C m 109.2 ,03×´==-b b T ml 1.2．在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ,求de Broglie 波长. 解：010A 7.09m 1009.72=´»==-mEh p h l # 1.3. 氦原子的动能为kT E 23=，求K T 1=时氦原子的de Broglie 波长。

波长。

解：010A 63.12m 1063.1232=´»===-mkT h mE h p h l其中kg 1066.1003.427-´´=m ，123K J 1038.1--×´=k # 1.4利用玻尔—索末菲量子化条件，求：利用玻尔—索末菲量子化条件，求： （1）一维谐振子的能量。

）一维谐振子的能量。

（2）在均匀磁场中作圆周运动的电子的轨道半径。

）在均匀磁场中作圆周运动的电子的轨道半径。

已知外磁场T 10=B ，玻尔磁子123T J 10923.0--×´=B m ，求动能的量子化间隔E D ，并与K 4=T 及K 100=T 的热运动能量相比较。

的热运动能量相比较。

解：（1）方法1：谐振子的能量222212q p E mw m +=可以化为()12222222=÷÷øöççèæ+mw m E q Ep的平面运动，轨道为椭圆，两半轴分别为22,2mw m Eb E a ==，相空间面积为，相空间面积为,2,1,0,2=====òn nh EE ab pdq nw pp 所以，能量 ,2,1,0,==n nh E n方法2：一维谐振子的运动方程为02=+¢¢q q w ，其解为，其解为()j w +=t A q sin速度为速度为 ()j w w +=¢t A q c o s ，动量为()j w mw m +=¢=t A q p cos ，则相积分为，则相积分为 ()()nh T A dt t A dt t A pdq T T ==++=+=òòò2)cos 1(2cos 220220222mw j w mw j w mw ， ,2,1,0=n nmw nh T nh A E ===222， ,2,1,0=n （2）设磁场垂直于电子运动方向，受洛仑兹力作用作匀速圆周运动。

量子力学中的量子力学力学量守恒练习题及解答量子力学中的量子力学力学量守恒练习题及解答量子力学作为现代物理学的重要分支，探讨了微观粒子的行为和性质。

其中，量子力学力学量守恒是研究的重要内容之一。

本文将为您提供一些量子力学中力学量守恒方面的练习题和相应的解答，帮助您加深对该领域的理解。

练习题一：考虑一个质量为m的自由粒子，其波函数表示为ψ(x,t)。

在不考虑外力作用的情况下，该自由粒子的波函数满足薛定谔方程iħ∂ψ(x,t)/∂t = -ħ²/(2m)∂²ψ(x,t)/∂x²。

请证明在这种情况下，动量算符p = -iħ∂/∂x是守恒量。

解答一：为了证明动量算符p是守恒量，我们需要证明其对时间的导数为零，即d⟨p⟩/dt = 0。

根据动量算符的定义，p = -iħ∂/∂x。

因此，我们需要计算其对时间的导数，即d⟨p⟩/dt。

首先，计算出算符 p 在波函数ψ(x,t) 上的期望值⟨p⟩，即⟨p⟩= ∫ψ*(x,t)·p·ψ(x,t) dx将动量算符 p 的定义代入上式，得到⟨p⟩ = -iħ∫ψ*(x,t)·(∂/∂x)·ψ(x,t) dx接下来，对上式右侧的积分进行分部积分。

令f(x) = ψ*(x,t)，g'(x) = (∂/∂x)·ψ(x,t)。

根据分部积分的公式，我们有∫f(x)·g'(x) dx = [f(x)·g(x)] - ∫f'(x)·g(x) dx将 f(x) 和 g'(x) 代入上式，得到∫ψ*(x,t)·(∂/∂x)·ψ(x,t) dx = [ψ*(x,t)·∂ψ(x,t)/∂x] -∫(∂/∂x)·[ψ*(x,t)·∂ψ(x,t)/∂x] dx将以上结果代入到⟨p⟩的表达式中，得到⟨p⟩ = -iħ·[ψ*(x,t)·∂ψ(x,t)/∂x] + iħ∫(∂/∂x)·[ψ*(x,t)·∂ψ(x,t)/∂x] dx我们可以观察到，上式右侧的两项是一个净的积分。