普通物理-量子力学习题解-第三章
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第三章:一维定态问题[1]对于无限深势阱中运动的粒子(见图3-1)证明并证明当时上述结果与经典结论一致。
[解]写出归一化波函数:
(1)
先计算坐标平均值:
利用公式:
(2)
得(3)
计算均方根值用以知,可计算
利用公式(5)
(6)
在经典力学的一维无限深势阱问题中,因粒子局限在(0,a)范围中运动,各点的几率密度看作相同,由于总几率是1,几率密度。
故当时二者相一致。
#
[2]试求在不对称势力阱中粒子的能级。
[解] (甲法):根据波函数标准条件,设定各区间的波函数如下:
(x<0区):(1)
(0 (x>a区):(3) 但 写出在连接点x=0处连续条件 (4) (5) x=a处连续条件 (6) (7) (4)(5)二式相除得 (6)(7)二式相除得 从这两式间可消去B,C,得到一个间的关系 解出,得 (8) 最后一式用E表示时,就是能量得量子化条件:(乙法)在0 现在和前一法相同写出边界条件: (在x=0处)(9) (10) (在x=a处) (11) (12) (9)(10)相除得 (13) (11)(12)相除得 (14) 写出(13)(14)的反正切关系式,得到: 或 前述两法的结果形式不同,作为一种检验,可以用下述方法来统一。试将第二法所得的量子化条件,等号左右方取其正切: 左方 此结果与第一法相同。 # [3]设质量为m的粒子在下述势阱中运动: 求粒子的能级。 (解)本题是在半区中的一维谐振子,它的薛定谔方程式 在x>0的半区内与普通谐振子的相同,在负半区中。 一般谐振子的函数ψ(x)满足薛氏方程式: (1) 作自变量变换() 并将波函数变换: 得u的微分方程:(2) 但 (3) 设(2)的解是级数:(4) 将(4)代入(2)知道,指标s的值是s=1或s=0。 此外又得到相同的二个未定系数之间的关系有二种: s=0时,(5) s=1时,(6) 为了使波函数ψ(x)满足标准条件,级数(4)必需中断。此外由于本题情形中应满足边界条件(波函数连续性),x=0时ψ(x)=0,即u(0)=0。因而必需取s=1,它的递推式是(6),因此如果级数(4)中断,而(4)的最高幂是n=2m,在(4)式中取s=1,,,则在(6)式中取n为最高幂时: 由(3)得 (7) 式中的m=0,1,2,3,4,…… (7)式即我们需求的粒子的能级。 本题的波函数是 但 是归一化常数,是奇阶数厄米多项式。 # [4]考虑粒子在下列势阱壁(x=0)处的反射系数。(解)本题中设想粒子从左侧入射。 在(x〈0〉区中有入射反射波 (1) 在(x>0区)中仅有透射波 (2) 但 考虑在原点0(x=0)处波函数(x)和一阶倒数(x)的连接性,有: 即(3) 即(4) 因按题意要计算反射系数R, 同理(5) ,若求比值,可从(3)(4)消去C,得到: # [5]试证明对于任意势垒,粒子的反射系数T满足R+T=1。 (解)任意的势垒是曲线形的,如果V(x)没有给定,则(x)不能决定,因而无法计算各种几率流密度。但如果附图所示V(x)满足二点特性: (1) (2) 我们近似地认为当时波函数的解是 时波函数的解是 但由于粒子几率流的守恒(V(x)是实数函数):在数量上入射几率流密度应等于反射的和透射的的和,即: (1) 仿前题的算法,不必重复就可以写出: (2) 这里的(1)(2)是等效的,将(1)遍除得: 即得证 将(2)式遍除得另一种形式: # [6]设在一维无限深势阱中运动的粒子的状态用: 描述,求粒子能量的可能植及相应的几率。 (解)(甲法)一维无限深势阱的本征态波函数是 (1) 题给波函数可用本征函数展开: 因此是非本征态,它可以有二种本征态,处在 态上的几率是。这时能量是,处在 态上的几率是,这时能量是。 (乙法)可以运用叠加原理的展开式的系数的决定法来求C,其余同。按一般原理,将已知函数展开成算符的分立本数谱时,有 在本题中,有 按罗比达法则最后一式只有有贡献相当于m=1,或3。 ,其余与甲法同。 # [7]设一谐振子处于基态,求它的并验证测不准关系:(解)由对称性知道,同理也由对称性知道对谐振子而言,应先写出归一化波函数: 但(1) 于是(2) 为了计算这个积分,利用厄米多项式不同阶间的递推式: (3) 此式作为已知的,不证。将前式遍乘ξ,重复用公式 (4) 将此式代入(2) 此式最后一式第一项。第三项都和的正交化积分式成比例,都等于零。第二项和归一化积分成比例;可以简化 再计算,这可以利用波函数满足的微分方程式: (是振子质量) 将此遍乘对积分