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1、量子力学学习计划docx量子力学总结量子力学研究对象：微观粒子运动规律第一章一、经典物理学的困难1、黑体辐射问题2、光电效应问题3、原子的线状光谱和原子结构问题4、固体在低温下的比热问题二、量子力学的两个发展阶段1、旧量子论（ 1900-1924）以普朗克、爱因斯坦、玻尔为代表2、新量子论（ 1924年建立）以德布罗意、薛定谔、玻恩、海森堡、狄拉克为代表三 .光的波动性典型的实验： 1802年的杨氏干涉实验和后来的单缝、双缝衍射实验。四 .黑体辐射如果一个物体能全部吸收投射到它上面的辐射而无反射，这种物体为绝对黑体（简称黑体），它是一种理想化模型。五、光电效应1、在光的作用下，电子从金属表面逸

2、出的现象，称为光电效应。2、自 1887年 Hertz 起，到 1904 年 Milikan 为止，光电效应的实验规律被逐步揭露出来。其中，无法为经典物理学所解释的有：（ 1）对一定的金属，照射光存在一个临界频率 ，低于此频率时，不发生光电效应。（不论光照多么强，被照射的金属都不发射电子）（ 2）光电子的动能与照射光的频率成正比（ ），而与光的强度无关。（ 3）光电效应是瞬时效应（ ）六、康普顿效应定义：短波电磁辐射 (如 X 射线，伽玛射线 )射入物质而被散射后，除了出现与入射波同样波长的散射外，还出现波长向长波方向移动的散射现象 公式推导：公式是又康普顿提出的，有康普顿和吴有训用实验证实的

3、。七：玻尔理论的两个基本假设（ 1）量子条件： （且存在定 ）（ 2） 率条件： ，有（ 1 ）、（2）可得量子化通 ： n=1， 2， 3 玻 理 不能解 多 子原子和 的 度。玻 理 是半 典半量子的理 。八、德布 意假 德布 意 1924 年提出：微 粒子也具有波粒二象性。德布 意关系式： 种表示自由粒子的平面波称 德布 意波或 “物 波 ”。九、平面波方程或 种波（自由粒子的平面波）称 德布 意波。十、德布 意波的 1. 子的衍射 1927 年美国科学家戴 （ Davisson）和革末（ Germer）用 了德布 意波的正确性。后来， 姆 又用 子通 金箔得到了 子的衍射 。2. 子的

4、干涉 3.它是由 江希太特和杜开 在1954 年作出。后来又由法盖特和 特在1956 年做出。4.其他 表面：一切微 粒子都具有波粒二象性5.物 波的 用 子 微 （ 分辨率的普 遍表达式）第二章一、 典力学 点的描述（坐 和 量） 律：二、自由粒子的波函数（德布 意假 ）三、波函数的 解 Born 首先提出了波函数意 的 解 ：波函数在空 某点的 度（振幅 的平方）和在 点找到粒子的几率成比例，即描写粒子的波可以 是几率波。四、波函数的性 1.表示：在 t 刻 ,在 r 点，在 d = dxdydz 体 内，找到由波函数 (r,t)描写的粒子的几率 是。2.几率密度：3.粒子在全空间出现的几

5、率（归一化）：则：4. ，描写的是同一态6.归一化波函数令：则：为归一化条件满足上式的波函数称为归一化波函数，使 变为 的常数称为 称为归一化常数。注意：1） .波函数在归一化后也还不是完全确定的，还存在一个相因子的不确定。因为：2） .不是所有的波函数都可按上述归一化条件求一化，即要求为有限（平方可积的），如果是发散的，则无意义。例如：自由粒子的波函数，注意：波函数是时间位置的函数，即五、经典波的态迭加原理两个可能的波动过程的线形迭加的结果也是一个可能的波动过程。六、态迭加原理如果是体系的可能状态，那么，它们的线形迭加也是这个体系的可能状态七、两种迭加原理的区别1.在状态中，对某力学量Q 进

6、行测量，测到Q 值可能是，也可能是，但绝对不会是其他的值（和抛硬币的情形差不多）。2.若，则，这时与是同一态，这与经典波的迭加不同3.当粒子处于态和态的线形迭加态时，粒子是既处于态，又处于态，例如抛正六面体的塞子。八、态迭加原理的一般表达式, 为复数九、薛定谔方程应该满足的条件1、方程应当是 对时间的一阶微分方程（这是由波函数 完全描写的基本假设所决定）2、方程是线性的即如果 和 是方程的解，那么它们的线性迭加 也是方程的解，这是态迭加原理的要求。3、这个方程的系数不应该包含状态的参量。如动量、能量等。但可含有 ，因为 由外场决定，不是粒子的状态参量。十、薛定谔方程1、能量算符和动量算符（能量

7、算符）（动量算符）（劈行算符）2、薛定谔方程：3、多粒子体系的薛定谔方程十一、十二、质量密度和质量流密度（守恒定律）1.质量密度：2.质量流密度：3.质量守恒定律：4.电荷守恒定律：其中：十三、波函数的标准条件：单值，有限，连续十四、定态：定态波函数：定态的特点：1、粒子的几率密度和几率流密度与时间无关2、 显然，3、能量具有确定的值（可由自由粒子的波函数进行验证）4、各力学量的平均值不随时间变化十五、哈密顿算符的本征方程：（ 被称为算符的本征值，称为算符的本征方程）十六、一维谐振子的能量可能取值为：第三章微观粒子的波粒二象性 表示微观粒子的力学量 算符一 .算符1.定义：算符是指作用在一个函

8、数上得出另一个函数的运算符号2.算符的作用：算符作用在一个函数 u 上，使之变成另一个新的函数 v：二 .算符的运算规则1.算符相等：如果，则（ u 为任意函数） .算符相加：若 ，则且 （满足加法交换律）（满足加法结合律） .算符相乘：若 .算符的对易关系，则如果 ，一般来说，算符之积并不一定满足对易律，即一般地三.线性算符若则称 为线性算符，其中为两个任意函数，是常数（复数）。四 .厄密算符如果对于任意两个函数 和 ，算符 满足下列等式：两个厄密算符之和仍为厄密算符，但两个厄密算符之积却不一定是厄密算符，除非两者可以对易。波函数的标积，定义：五 .算符的本征值和本征函数如果算符作用在一个函

9、数，结果等于乘上一个常数：则称为的本征值，为属于的本征函数，上面方程叫本征方程。本征方程的物理意义：如果算符表示力学量，那么当体系处于的本征态时，力学量有确定值，这个值就是在 态中的本征值。六 .力学量的算符表示 .几个例子：（表示为坐标的函数时，）动量：能量 E：坐标 ： （可写成等式）.基本力学量算符：动量和坐标算符：.其他力学量算符：量子力学中表示力学量的算符都是厄密算符：所有力学量的数 都是 数，既然表示力学量的算符的本征 是 个力学量的可能 ，因而表示力学量的算符，它的本征 必 是 数，而厄密算符就具有 个性 。七、 量算符1、 量算符的本征 方程是：（ 是 量算符的本征 ， 相 的

10、本征函数）上式的三个分量方程是：它 的解是：2、角 量算符角 量 ：角 量平方算符是：本征方程：的本征 是 ，所属本征函数是 ：的本征方程：八：1.主量子数 n ：决定能量量子化2.n,l,m 之 的关系：n=1,2,3 l=0,1,2 ,3, n-1m=0，3.能量的 并度 离子的状 由波函数来完全描述，在中只要有一个脚 不同，就代表不同的状 ，而 只与n有关，所以能 是 并的， 并度 ：九.函数正交性的意义：如果两函数和满足关系式：则称 和 相互正交。十 .定理：厄密算符的属于不同本征值的两个本征函数相互正交。正交归一条件：分立谱：连续谱：满足上述条件的函数系 或 ，被称为正交归一系。十一

11、、正交归一函数系实例1.动量本征函数组成正交归一系2.线性谐振子能量本征函数组成正交归一系3.角动量本征函数组成正交归一系4.氢原子波函数组成正交归一系十二 .力学量的可能值1.力学量算符的本征值函数组成完全系，即：为任意函数， 为力学量算符的本征函数， 为展开系数：2.力学量的可能值和相应的几率以 表示体系的状态波函数（它不一定是本征态），且 已归一化，则：即 的绝对平方之和等于 1具有几率的意义，它表示在 态中测量力学量 得到的结果是 的本征值 的几率。十三、泊松括号 “ ”1定义：2性质：十四、量子力学的基本对易式：将以上式子写成通式有：其中由上可知：动量分量和它所对应的坐标是不对易的，

12、而和它不对应的坐标是对易的；动量各分量之间也是对易的。十五、角动量算符的对易式写成通式：可见， 分别和 中的每一个都对易。十六、不同力学量算符有共同本征函数系的充要条件1定理：如果算符 和 有共同的完全的本征函数系，则算符 和 对易。2逆定理：如果两算符对易，则这两个算符有共同的完全的本征函数系。3推论：一组算符有完全的共同本征函数系的充要条件是：这组算符中的任意两个算符都可对易。十七、不同力学量同时确定值的必要条件1体系处于 的本征态时，测量 才有确定值；2.两力学量同时有确定值的条件是：两力学量算符具有共同的本征函数（或处于共同的本征态）或两力学量算符 和 对易，即：3.一组力学量同时有确

13、定值的条件是：这组力学量算符两两对易。（它们有共同的完全的本征函数系）十八 .测不准关系测不准关系的普遍表达式若 则 或其中这就是坐标和动量的测不准关系或十九、守恒量：凡不显含时间，且其算符与体系的哈密顿算符对易的力学量，称为该体系的守恒量。特点：1、在体系任意状态下，平均值不随时间变化2、在体系的任意状态下，几率分布不随时间改变守恒量是量子力学中一个极其主要和应用极为广泛的概念，初学者往往把它与定态概念混淆起来。应当指出，定态是体系的一种特殊状态，而守恒量则是体系的一种特殊的力学量，它与体系的哈密顿量对易。在定态之下，一切力学量（不显含时间，但不管是否守恒量）的平均值及概率分布不随时间改变；

14、而力学量只要是体系的守恒量，则在体系的一切状态下（不管是否定态），它的平均值和几率分布都不随时间改变。由此可知，只有当体系不处于定态，而力学量又非体系的守恒量，力学量的平均值和几率分布才随时间改变。二十、几个重要的守恒量1、能量守恒若体系的哈密顿算符不显含时间：2、动量守恒：3、角动量守恒：4、宇称守恒：（偶宇称）（奇宇称）第四章表象：量子力学中态和力学量的具体表示方式成为表象一、平均值公式代入平均值公式：上式写成矩阵相乘形式为：或者简写为：二、本征方程久期方程：它是 的多次方程，解之可得到一组 值： , , ., , . 就是 F 的本征值 ;把求得的 值分别代入，就可以求得与每个 相对应的

15、本征矢（函数） 三 .表象基矢的变换设算符 的正交归一本征函数 算符 的正交归一本征函数系为 则算符在 A 表象和 B 表象中的矩阵元分别为：A表象：() , ,1,2,FFx dxB表象：x将 (x) 按完全系 ( ), ( ),x12 展开：S( x) (x)nnn(x) S(x)mmm式中展开系数 Sn 及 Sm 由下式给出：S*( x) (x)dxnn( x) (x)dxSm m变换矩阵 S 的一个基本性质： S* S(kkkS S)(S) S(S* )Skkkkkk| * |k kk| |k kk|I所以：SSS S S(S)mn m nn nSnS*( x )dxn(x )* (x

16、) ( x)dxnmn* ( x)c ( x)dxnm* (x)dxnc* (x) ( x)dxnmmn即SS I四 . 力学量算符的表象变换* m (x)S * m F SFnmnSF dxS* *m m nmn*S F Sm mn nmnFS FS(x)dxnSFSmn*mnnm五、么正变换的主要性质1.么正算符不改变算符的本征值设 F在 A表象中的本征方程为：Fa = a ， 则在 B表象中：11F bSFSS a1SFaSa111Sab1,1（因为 FSFS bS a）可见，不同的表象中，力学量算符F 对应同一状态（ a 和 b 描写同一状态）的本征值不变，基于这一性质，解F 的本征值

17、问题就好是把该力学量从某一表象变到自身表象，使F 矩阵对角化。2.么正变换不改变矩阵的迹设经过么正变换后，矩阵F变为 F，则：F1S FS因为：S (S1FS)pS Fp1Sp (SS F )S F即： F的迹等于 F的p迹3.矩阵方程式经过么正变换保持不变若矩阵方程表象 A：F(F）则表象 B：F(F）4.么正变换不改变厄密矩阵的厄密性六、狄喇克符号狄喇克符号优点：一是运算简捷，二是无须用具体表象讨论问题。1、左矢和右矢右矢：左矢：表示A在 Q的共轭矢量，二者的性质不同，不能相加，它们在同一表象中互为共轭函数。例如：如果12A 在 Q 表象中的分量为 a *,*,*1 aa a ,，。aan

18、2n表象中的分量为那么2、标积ABABB A矢 量和在同一表象中相应分量的乘积之和称为和的标积，用符号表示，以b1*,bb *,*B2 表示n在 Q 表象中的分量，那么：A a b * a b * anb * a b *B1 1 2 2 n n nnBA AB *且若若BAB 正交，A=0 ，则称矢量和AA1A，归一化的，则因此力学量 F 的本征态的F的正交归一条件可以表示为：i对分立谱：Fn| FnmmFF对连续谱：|()例如坐标 x 的本征矢正交归一化条件是：动量 p 的本征矢正交归一化条件是：x| x (x x)p| p ( p p)七、量子力学公式用狄喇克符号表示： I平均值公式：本征方程：F| F?|，很容易求得他们在具体表象中的表示。?F |i Ht薛定谔方程：| |n n利用波函数、算符在具体表象中的表示和八、占有数表象nN的物理意义N? |? ? |a? n | n 1n (n1) 1 |nn | nnaa n上式表明：n 是 N 算符的本征值，描写粒子的数目，故N 称为粒子数算符。占有数表象以 |n 为基矢的表象称为占有数表象1.湮灭算符 an| a? | nnnn| n1a2.产生算符nn 1n| a? | nn 1nn| n11n n 13.粒子数 NnN? | nn a? a? | nn n a? | n 1nn(nn| nn n4.线性谐振子哈密顿算符：