量子力学第2章课件.ppt

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1、2.1 波函数的统计解释 The Wave function and its statistic explanation 2.2 态叠加原理 The principle of superposition 2.3 薛定谔方程 The Schrdinger equation 2.4 粒子流密度和粒子数守恒定律 The current density of particles and conservation laws 2.5 定态薛定谔方程 Time independent Schrdinger equation 2.6 一维无限深势阱 The infinite potential well 2.

2、7 线性谐振子 The linear harmonic oscillator 2.8 势垒贯穿 The transmission of potential barrier,微观粒子因具有波粒二象性，其运动状态的描述必有别于经典力学对粒子运动状态的描述，即微观粒子的运动状态不能用坐标、速度、加速度等物理量来描述。这就要求在描述微观粒子的运动时，要有创新的概念和思想来统一波和粒子这样两个在经典物理中截然不同的物理图像。,2.1 波函数的统计解释,一、微观粒子状态的描述,德布罗意指出：微观粒子的运动状态可用一个复函数 来描述，函数 称为波函数。,描述自由粒子的波是具有确定能量和动量的平面波,如果粒子

3、处于随时间和位置变化的力场 中 运动，他的动量和能量不再是常量（或不同时为常量）粒子的状态就不能用平面波描写，而必须用较复杂的波描写，一般记为：,三个问题？,(1)是怎样描述粒子的状态呢？,(2)如何体现波粒二象性的？,(3)描写的是什么样的波呢？,电子单缝衍射实验,电子小孔衍射实验,二、波函数的统计解释,电子究竟是什么东西呢？是粒子？还是波？,电子既不是经典的粒子也不是经典的波。,粒子性：只是经典粒子概念中的“原子性”或“颗粒性”，即：具有一定质量、电荷等属性的客体。,波动性：波动性中最本质的东西，即：波的相干叠加性。,电子既是粒子也是波，它是粒子和波动二重性矛盾的统一,电子究竟是什么东西呢

4、？是粒子？还是波？,电子的衍射实验,玻恩的解释：,衍射实验事实：,（1）入射电子流强度小，开始显示电子的微粒性，长时间亦显示衍射图样;,（2）入射电子流强度大，很快显示衍射图样.,1926年,玻恩(M.Born)首先提出了波函数的统计解释：,波函数在空间中某一点的强度（波函数模的平方）与粒子在该点出现的概率成比例。,可见，波函数模的平方 与粒子 时刻在 处附近出现的概率成正比。,设粒子状态由波函数 描述，波的强度是,则微观粒子在t 时刻出现在 处体积元d内的几率,这表明描写粒子的波是几率波(概率波),反映微观客体运动的一种统计规律性，波函数 也称为几率幅。,按Born提出的波函数的统计解释,粒

5、子在空间中某一点 处出现的概率与粒子的波函数在该点模的平方成比例,令,时刻，在空间任意两点 和 处找到粒子的相对几率是：,和 所描写状态的相对几率是相同的。,粒子在空间各点出现的几率只取决于波函数在空间各点强度的相对比例，而不取决于强度的绝对大小。,可见，和 描述的是同一几率波，所以波函数有一常数因子不定性。,这里的 是常数,为消除波函数有任一常数因子的这种不确定性，利用粒子在全空间出现的几率等于一的特性，提出波函数的归一化条件：,和 描述同一状态,这与经典波截然不同。对于经典波，当波幅增大一倍（原来的 2 倍）时，则相应的波动能量将为原来的 4 倍，因而代表完全不同的波动状态。,非相对论量子

6、力学仅研究低能粒子，实物粒子不会产生与湮灭。这样，对一个粒子而言，它在全空间出现的几率等于一。,1波函数的归一化条件,满足此条件的波函数 称为归一化波函数。,又因,于是,归一化条件消除了波函数常数因子的一种不确定性。,2.单值条件任意时刻概率密度是唯一的。,有限、连续和单值称为波函数的标准化条件。,必须注意,（1）“微观粒子的运动状态用波函数描述，描写粒子的波是几率波”，这是量子力学的一个基本假设（基本原理）。知道了描述微观粒子状态的波函数，就可知道粒子在空间各点处出现的几率，以后的讨论进一步知道，波函数给出体系的一切性质，因此说波函数描写体系的量子状态（简称状态或态）（2）波函数一般用复函数

7、表示。（3）波函数一般满足连续性、有限性、单值性。,归一化常数,Solve:,归一化的波函数,(1).求归一化的波函数,（2）几率分布：,（3）由几率密度的极值条件,由于,故 处，粒子出现几率最大。,微观粒子具有波动性，会产生衍射图样。而干涉和衍射的本质在于波的叠加性，即可相加性，两个相加波的干涉的结果产生衍射。因此，同光学中波的叠加原理一样，量子力学中也存在波叠加原理。因为量子力学中的波，即波函数决定体系的状态，称波函数为状态波函数，所以量子力学的波叠加原理称为态叠加原理。,2.2 态叠加原理,开1闭2，衍射花样（兰曲线）,开2闭1，衍射花样（紫红曲线）,同时开1，2，衍射花样（黑曲线）,实

8、 验 事 实,显然,一.电子双缝衍射实验,表明几率不遵守迭加原则，而波函数（几率幅）遵守迭加原则：,物理意义,当两个缝都开着时，电子既可能处在 态，也可能处在 态，也可处在 和 的线性迭加态。可见，若 和 是电子的可能状态，则 也是电子的可能状态。,反言之，电子经双缝衍射后处于 态，则电子部分地既可处于 态，也可部分地处在 态。,迭加态的概率:,电子穿过狭缝出现在点的几率密度,电子穿过狭缝出现在点的几率密度,当两个缝的几何参数或电子束相对位置不完全对称时，迭加态,其概率为,态的迭加原理是量子力学的一个基本假设，它的正确性也依赖于实验的证实。,1.若 是粒子的可能状态，则粒子也可处在它们的线性迭

9、加态,二、态迭加原理,2.当体系处于 态时，发现体系处于 态的几率是，并且,Ex:电子在晶体表面的衍射，动量空间的波函数,电子从晶体表面出射后，既可能处在 态，也可能处在、等状态，按态迭加原理，在晶体表面反射后，电子的状态 可表示成 取各种可能值的平面波的线性叠加，即,电子沿垂直方向射到单晶表面，出射后将以各种不同的动量运动，出射后的电子为自由电子，其状态波函数为平面波。,考虑到电子的动量可以连续变化,因此,显然,二式互为Fourer变换式,所以 与 一一对应,是同一量子态的两种不同描述方式。,一维情况下，与 的Fourer变换关系：,2.3 薛定谔方程,一、微观粒子运动方程应具有的特点,（1

10、）含有波函数对时间的一阶导数（2）方程必为线性的（3）质量为 的非相对性粒子(即低速运动的粒子),其总能为,本节研究量子力学的动力学问题，建立量子力学的动力学方程 Schrdinger方程,又,二、自由粒子的运动方程,将（1）和（2）式代入（3）式，得,（4）,（4）,满足运动方程应具有的三个特点，此即自由粒子的Schrdinger方程。,如果将能量关系式E=p2/2写成如下方程形式：,再做替换：,即得自由粒子的Schrdinger方程（4）。,三、势场中运动粒子的Schrdinger方程,设势场 中运动粒子的状态波函数为,用能量关系式 乘以波函数,做替换：,即得Schrdinger方程,（6

11、）,哈密顿算符,（6）,将Schrdinger方程（6）写成另一形式,（7）,四、多粒子体系的Schrdinger方程,Schrdinger方程,（9）,注意,（1）Schrdinger作为一个基本假设提出来，它的正确性已为非相对论量子力学在各方面的应用而得到证实。,（2）Schrdinger方程在非相对论量子力学中的地位与牛顿方程在经典力学中的地位相仿,只要给出粒子在初始时刻的波函数，由方程即可求得粒子在以后任一时刻的波函数。,2.4粒子流密度和粒子数守恒定律,一、概率守恒定律,由Schrdinger方程,（1）,则,设 是粒子状态的归一化波函数,讨论粒子在一定空间区域内出现的几率将怎样随时

12、间变化,代入（1）式后，有,（2）,几率连续性方程与经典电动力学中的电荷守恒方程 具有相同的形式。,几率连续性方程,对空间V作体积分,(4)式表明:粒子单位时间在内出现的几率的增量等于单位时间内流入内的几率(负号表示流入)。(3)式是几率守恒守律的积分形式。,当 时,即,电荷密度,质量流密度,电流密度,质量密度,二、电荷守恒定律，粒子数守恒,设粒子的电荷为，质量为,电荷守恒律,物质守恒律,三、波函数的标准条件,（1）根据Born统计解释，是粒子在时刻出现在 点的几率，这是一个确定的数，所以要求应是 的单值函数且有限。,（2）根据粒子数守恒定律:,此式右边含有及其对坐标一阶导数的积分，由于积分区

13、域是任意选取的，所以是任意闭合面。要是积分有意义，必须在变数的全部范围，即空间任何一点都应是有限、连续且其一阶导数亦连续。,波函数在全空间每一点应满足单值、有限、连续三个条件，该条件称为波函数的标准条件。,一、定态、定态波函数,（1）,（2）,若 与 无关，则可以分离变量，令,(2)代入(1)式，两边同除，得到,（3）,（4）,2.5 定态薛定谔方程,（6）,(5)代入(2)式，得到,令,可见分离变量中引入的常数 为粒子的能量，当粒子处在由波函数（6）所描述的状态时，粒子的能量 有确定的值，这种状态称为定态；描述定态的波函数（6）称为定态波函数。,二、定态Schrdinger方程,当粒子处在定

14、态中时，具有确定的能量，其空间波函数 由方程（3），即由,称为定态Schrdinger方程。,当体系处在能量本征波函数所描写的状态(又称本征态)中时，粒子的能量有确定的值。,讨论定态问题就是要求出体系可能有的定态波函数及这些态中的能量；解能量算符本征方程；求定态波函数,本征波函数,任意状态,四、求解定态问题的步骤,（1）列出定态Schrodinger方程,（2）根据波函数三个标准条件求解能量 的本征值问题，得：,（4）通过归一化确定归一化系数,（3）写出定态波函数即得到对应第 个本征值 的定态波函数,与 无关,五、定态的性质,（2）几率流密度与时间无关,（1）粒子在空间几率密度与时间无关,与

15、无关,判别定态的方法：,（1）能量是否为确定值（2）几率与时间无关（3）几率流密度与时间无关,2.6 一维无限深势阱,在继续阐述量子力学基本原理之前，先用Schrodinger 方程来处理一类简单的问题 一维定态问题（一维无限深势阱，线性谐振子，势垒贯穿）。,一、定态Schrdinger方程,哈密顿算符,考虑一维粒子的运动，其势能为:,利用 的连续性，由（3）和（5）得,二、定态Schrdinger方程的解,当，有,当，有,(6)和(7)两式统一写成,（8）,本征能量：（9）,本征函数,(10)和(11)两式统一写成,由归一化条件求得归一化常数,or,由此可见：粒子的每个定态波函数 是由两个沿

16、相反方向传播的平面波叠加而成的驻波。,三、粒子的定态波函数,四、几率幅与几率密度曲线图,五、宇称,空间反射：空间矢量反向的操作。,称波函数具有正宇称（或偶宇称）,称波函数具有负宇称（或奇宇称）,讨论,基态能量,（3）取负整数与正整数描写同一状态。,（1）能量 取分离谱，即能量是量子化的。,(2)粒子能量最低的态 称为基态,与经典最低能量为零不同，这是微观粒子波动性的表现，因为“静止的波”是没有意义的，亦即 的态不存在，无意义。,本征函数具有确定宇称是由势能对原点对称：而导致的。,（5）束缚态通常将在无穷远处为零的波函数所描写的状态称为束缚态。,（4）当 为偶数时，即 具有负宇称（奇宇称）。当

17、为奇数时，即 具有正宇称（偶宇称)。,2.7 线性谐振子,在经典力学中，当质量为 的粒子，受弹性力 作用，由牛顿第二定律可以写出运动方程为：,其解为。这种运动称为简谐振动，作这种运动的粒子称为（线性）谐振子。,经典允许的振动范围,谐振子在运动中能量守恒。其能量是振幅的连续函数。,1.经典谐振子,谐振子哈密顿量：,引言,谐振子能量：,量子力学中的线性谐振子是指在势场 中运动的质量为 的粒子,2.量子谐振子,例如双原子分子，两原子间的势 是二者相对距离 的函数，如图所示。,自然界广泛碰到简谐振动，任何体系在平衡位置附近的小振动，例如分子振动、晶格振动、原子核表面振动以及辐射场的振动等往往都可以分解

18、成若干彼此独立的一维简谐振动。简谐振动往往还作为复杂运动的初步近似，所以简谐振动的研究，无论在理论上还是在应用上都是很重要的。,Hamilton operator,定态Schrdinger方程：,一、Schrdinger方程,（3）,二、方程的求解,当 时，方程（4）的渐近形式为,（5）,方程（5）在 处的有限解为,代入方程（4）可得 满足的微分方程,(8),是发散的,令,代入厄米方程，比较同幂项的系数，得：,本征函数:,用常微分方程的幂级数解法求厄密方程（7）满足有限性条件（8）的有限解，可得厄密方程本征值问题的本征值：,(9),厄密多项式的微分形式,几个厄密多项式：,由归一化条件,(11)

19、,并运用积分公式：,三、线性谐振子的能量本征函数,本征波函数,(14),四、线性谐振子的本征能量,由(2)和(9)式,即由 和,1 能量的本征值：,（1）能量谱为分离谱，两能级的间隔为,（2）对应一个谐振子能级只有一个本征函数，即一个状态，所以能级是非简并的，每个能级的简并度为1（一能级对应的量子态数称为该能级的简并度）,（3）基态能量：（又称零点能）,零点能不等于零是量子力学中特有的，是微观粒子波粒二相性的表现，能量为零的“静止的”波是没有意义的，零点能是量子效应，已被绝对零点情况下电子的晶体散射实验所证实。,讨论,基态能量：,基态本征函数：,2.基态,在 处的势能：,在 范围内动能,由几率

20、密度,看出,粒子在 处出现的几率最大；在 范围内，粒子出现的几率不为零。对其它各能级状态下的波函数可作类似的分析。,在经典情形下，粒子将被限制在 范围中运动。这是因为振子在 处，其势能，即势能等于总能量，动能为零，经典的粒子动能不可以小于零，因此粒子被限制在 内。,可见，量子与经典情况完全不同。,3.具有 宇称,上式谐振子波函数所包含的 是 的偶函数，所以 的宇称由厄密多项式 的宇称决定。由于 的最高次项是。当 偶数，则厄密多项式只含的偶次项(偶宇称)；当 奇数，则厄密多项式只含的奇次项(奇宇称)。所以,具有 宇称,4本征函数与几率密度,n=10时谐振子的几率密度,从以上本征函数与几率密度曲线

21、图看出，量子力学的谐振子波函数n有 n 个节点，在节点处找到粒子的几率为零。而经典力学的谐振子在-a,a 区间每一点上都能找到粒子，没有节点。,势垒贯穿是能量为E的粒子入射被势场散射的问题,2.8 势垒贯穿,一、定态薜定谔方程,令,EU0 情形,则方程变为,分区取解,二、方程的求解,由左向右的透射波,三式均为两个左右传播的平面波的叠加,可得透射波振幅 及反射波振幅 与入射波振幅 间的关系,联立这四个方程式，消除 与,（4）,（5）,利用几率流密度公式:,求得入射波 的几率流密度,透射波 的几率流密度,反射波 的几率流密度,为了定量描述入射粒子透射势垒的几率和被势垒反射的几率，定义透射系数和反射

22、系数。,三、透射系数和反射系数,透射系数,（6）,反射系数,（7）,以上二式说明入射粒子一部分贯穿势垒到 的III区域，另一部分则被势垒反射回来。,表明粒子数守恒,是虚数,令,在(4)和(6)式中，把 换为，得到,透射波振幅:,（8）,EU0情形,隧道效应（tunnel effect）,粒子能够穿透比它动能更高的势垒的现象称为隧道效应.它是粒子具有波动性的生动表现。当然，这种现象只在一定条件下才比较显著。右图给出了势垒穿透的波动图象。,此结果表明，即使，透射系数 一般不等于零。,讨论,式(9)化成,1.低能粒子穿透,当 很小，或，而 又不太小时，有，,则,2.任意形状的势垒,可把任意形状的势垒

23、分割成许 多小势垒，这些小势垒可以近 似用方势垒处理。,对每一小方势垒透射系数,则贯穿整个势垒的 透射系数等于贯穿这些小方势垒透射系数之积，即,四、应用实例,1962年,Josephson发现了Josephson节。将两块超导体用一绝缘层隔开,如果绝缘层较厚,电流则不易通过绝缘层。但如果绝缘层够薄，则超导体中的也库珀电子对按一定几率穿透绝缘层形成电流。Josephson节是宏观量子隧道效应的一个典型例子 量子力学提出后，Gamow 首先用势垒穿透成功的说明了放射性元素的衰变现象。,隧道效应在固体物理学中得到广泛的应用，它已经用来制造一些不同种类的电子器件。扫描隧道显微镜就是利用穿透势垒的电流对

24、于金属探针尖端同待测物体表面的距离很敏感的关系，可以探测到 量级高低起伏的样品表面的“地形图”,例1:入射粒子为电子。,设 E=1eV,U0=2eV,a=2 10-8 cm=2，算得 D 0.51。,若a=5 10-8cm=5，则 D 0.024，可见 透射系数迅速减小。,质子与电子质量比 p/e 1840。对于a=2 则 D 2 10-38。可见透射系数明显的依赖于 粒子的质量和势垒的宽度。,例2:入射粒子为质子。,由例1、2看出，只有粒子的质量和势垒宽度比较小时，隧道效应才显著,1波函数及其统计解释,（2）坐标表象中的波函数:,第二章 小结,（1）波函数又称为几率幅，它的模方给出粒子的几率

25、。几率幅无直接可测的意义，其模方才有直接可测的意义。,给出t 时刻粒子处在位置 处的几率,给出t 时刻粒子动量为 的几率,动量表象中的波函数：,(3)波函数的归一化问题,2态迭加原理及其实验基础,3Schrdinger方程及其建立的基本思路,动量算符 的引入,4定态Schrdinger方程及定态的特征。,能量算符 的引入。Hamilton（能量）算符及本征值方程。,能量算符的本征值与本征波函数。定态的判断。,5几率流密度与守恒律。,6三个典型实例（一维无限深势阱，一维线性谐振 子，一维势垒）的研究。,掌握一维薛定谔方程求解。对于求解一维薛定谔方程，应掌握边界条件的确定和处理方法。关于一维定态问题要求如下：a掌握一维无限深势阱的求解方法及其物理讨论；b掌握一维谐振子的能谱及其定态波函数的一般特点；c了解势垒贯穿的讨论方法及其对隧道效应的解释。,2.1证明定态概率流密度与时间无关,证明：,（1）,沿着径向传播；,（2）,沿着径向反向传播。,可能用到的公式,