大学物理3 期末复习

1.1 光量子、玻尔原子

1.1.1 黑体辐射与普朗克的量子假设

热辐射

基尔霍夫辐射定律

普朗克量子假说,假设谐振子能量只能取 ε 的倍数

M0(λ,T)=2πhc2λ51ehc/kBTλ1|M0(λ,T)dλ|=|M0(ν,T)dν|M0(ν,T)=cν2M0(λ,T)=2πhν3c21ehν/kBT1u(λ,T)=4cM0(λ,T)=8πhcλ51ehc/λkBT1

波长短时可以近似为韦恩公式 M0(λ,T)=2πhc2λ5ehc/kBTλ
波长长时可以近似为瑞丽公式 M0(λ,T)=2πckBTλ4

1.1.2 光的波粒二象性

光电效应

光子理论:

康普顿效应

波尔原子理论

1.2 物质波

1.2.1 德布罗意关系

1.2.2 不确定度关系

1.3 薛定谔方程

1.4 波函数和态叠加原理

hrome## 1.4.1 波函数的概率意义

ρ(r,t)=Ψ(r,t)Ψ(r,t)Ωρ(r,t)dV=1

1.4.2 概率守恒

ρt=ΨΨt+ΨtΨΨt=i2m2ΨiUΨΨt=i2m2Ψ+iUΨρt=Ψ(i2m2ΨiUΨ)+(i2m2Ψ+iUΨ)Ψρt=i2m(Ψ2ΨΨ2Ψ)J=i2m(ΨΨΨΨ)ρt+J=0

20 量子力学的基本原理

20.1 波函数及其统计解释

20.1.1 德布罗意物质波假设

波的基础复习

u(x,t)=u(0,tx/v)=Acos(ω(txv)+ϕ0)=Acos(wtkx+ϕ1)=Re[ψ0exp(i(wtkx))]=Re[ψ0exp(i(Etpx))]

假设内容:关联频率和波数到能量和动量

E=hνp=h/λ=hν~

为什么比例是普朗克常数?

为什么波的时间维度关联到能量而空间维度关联到动量?

实验验证:

20.1.3波函数

这个被德布罗意假设关联到的 "虚拟的波" 的直接物理意义?

意义1:其波函数在某一点处的模长平方为为粒子空间分布在该点的概率密度 ρ(r,t)=|ψ(r,t)|2,满足归一化条件。

20.2 不确定关系

20.2.1 位置与动量不确定性关系

海森堡不确定性原理:ΔxΔpx/2

例子1:电子单缝衍射,单缝宽度 Δx,中央亮纹的半角宽度 ψsinϕλ/Δx=h/pΔx,动量不确定度 Δpxptanϕ=pϕ=h/Δx

例子2:激光的谱线宽度 Δλ 决定 Δp=h/λ2Δλ,相干长度为 Δx

例子3:线性谐振子的基态能量(利用弹性系数 k=mω2x=0p=0

E=p22m+12mω2x2=(Δp)22m+12mω2(Δx)2(AM-GM)ωΔpΔx2ω

20.2.2 能量与时间不确定性关系

对于光子 Δx=cΔt,ΔE=cΔp,有 ΔEΔt2

例子1:粒子处于某量子态的寿命和该量子态能量不确定范围,能量不确定范围可以转化为原子谱线自然宽度。

20.3 薛定谔方程

20.3.1 猜测波函数满足的方程

机械波波函数满足波动方程 yt2=v2yx2

我们通过自由粒子的波函数一维形式 ψ(x,t)=ψ0exp(i(Etpx)) 来推导自由粒子波函数满足的波动方程并推广到(猜测)非自由粒子。

自由粒子的薛定谔方程

(1)iψ(x,t)t=Eψ(x,t)(2)iψ(x,t)x=pψ(x,t)2ψ(x,t)x2=p22ψ(x,t)(3)22m2ψ(x,t)x2=Eψ(x,t)(Final)22m2ψ(x,t)x2=iψ(x,t)t

推广到非自由粒子,在 3 式的推导中 p22m=E 需要替换为 p22m=EU(x,t),得到含时薛定谔方程

H^ψ(x,t)=iψ(x,t)tH^=22m2x2+U(x,t)

其中 H^ 被称为哈密顿算符

以上两个方程都可以简单地推广到三维情形。

薛定谔方程对于时间和坐标的导数不对称?没有考虑相对论效应

20.3.2 定态薛定谔方程

势函数与时间无关 U(r,t)=U(r),此时含时薛定谔方程可以用分离变量法求解

\begin{gather} \psi(\boldsymbol{r},t) = \phi(\boldsymbol{r})T(t) \tag{1}\\ i\hbar \frac{1}{T(t)} \frac{ \mathrm{d} T(t) }{ \mathrm{d} t } = \frac{1}{\phi(\boldsymbol{r})} \hat{H}\phi(\boldsymbol{r})\tag{2} \\ \frac{1}{T(t)}\mathrm{d} T(t) = -\frac{i}{\hbar}E \mathrm{d} t \\ T(t) = C_{1}\exp\left( -\frac{i}{\hbar}Et \right) \tag{3} \\ \left( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + U(\boldsymbol{r}) \right)\phi(\boldsymbol{r}) = E\phi(\boldsymbol{r}) \tag{4} \\ |\psi(\boldsymbol{r},t)|^2=\left| \phi(\boldsymbol{r})\exp\left( -\frac{i}{\hbar}Et \right)\right|^2 = \left| \phi(\boldsymbol{r}) \right| { #2} \tag{5} \end{gather}

其中 4 式被称为定态薛定谔方程、哈密顿算符的本征方程。求解定态问题等价于求解定态薛定谔方程。

20.4 量子力学的基本假设

假设1:粒子的运动状态完全由波函数决定,两个波函数决定相同的粒子运动状态当且仅当它们仅仅相差一个常数虚数指数 exp(iα)(整体旋转的全局相位因子)
假设2:波函数满足薛定谔方程
假设3:力学量的算符表示
假设4:叠加态原理

20.4.1 力学量的算符表示

x^=x,r^=rp^x=ix,p^=iEk^=p^22m=p^p^2m=22m2H^=p^22m+U(r)=itL^=r^×p^=(ijkxyzpxpypz)L^x=ypz^zpy^L^y=zpx^xpy^L^z=xp^yyp^xL^2=L^L^=L^x2+L^y2+L^z2

算符 F^ 的本征值 λ 本征波函数 ϕ 满足 F^ϕ=λϕ(这就是算符的定义),算符的本征值就是力学量的可能取值

20.4.2 叠加态原理

力学量对应的算符本征态是粒子的可能状态,叠加态为满足归一化条件的本征态的线性组合 ψ=iICiϕi。根据不同特征值对应的特征向量相互正交的特性,|ψ|2=iI|Ci|2

对叠加态进行测量,出现 ϕi 的概率为 |Ci|2。测量会使叠加态以对应的概率坍缩到某一个本征态。

20.5 一维定态问题

20.5.1 一维无限深势阱中的粒子

U(x)={0,0xa,x>ax<0ϕ(x)={2asinnπax,0xa0,xa,x0En=n2π222mL2U(x)={0,a2xa2,x>a2x<a2ϕ(x)={2asinnπax,|x|a2,n is even2acosnπax,|x|a2,n is odd0,|x|a

20.5.2 一维谐振子(抛物线势阱)

20.6 氢原子量子理论

利用球坐标系求解

本征值

En=me422(4πε0)21n2=13.61n2eVL2=l(l+1)2Lz=ml

n 为主量子数,l 为角量子数,ml 为磁量子数。二者必须满足

电子的角度波函数为球谐函数 Ylm(θ,φ),与角量子数和磁量子数有关,它是 L2^Lz^ 的共同本征函数,本征方程为

L2^Ylm(θ,φ)=l(l+1)2Ylm(θ,φ)Lz^Ylm(θ,φ)=mYlm(θ,φ)

径向波函数与主量子数和角量子数有关,为 Rnl(r)

电子在空间点 (r,θ,φ)dV 出现的概率为 |ψ|2r2sinθdrdθdφ=|rRnl(r)|2|Ylm(θ,φ)|2sinθdrdθdφ,对方向积分之后给出在 rr+dr 球壳的概率 Wnl(r)dr=Rnl2(r)r2(|Ylm(θ,φ)|2sinθdΩθ,φ)=Rnl2(r)r2drunl2(r)=r2Rnl2(r) 称为电子的径向概率密度。电子沿径向的概率分布是连续的,rn=n2a0 是其极大值位置