:第一章 量子论基础
第三章矩阵力学基础(?)――力学量和算符
一、概念与名词解释
1. 希尔伯特空间
2. 希尔伯特空间中矢量的内积
3. 转置算符、复共轭算符、厄米共轭算符、厄米算符、幺正算符
4. 不确定性定理
5. 维里定理
二、计算
1. 计算对易关系
2. 设λ是一个小量,求算符
3. 求在x表象中的算符
4. 利用不确定性原理估算氢原子基态能量.
5. 一维运动的粒子处在
6. 粒子处在Ylm态,求:
(1) Lx和Ly的平均值
(2) <(ΔLx)2>,<(ΔLy)2>.
7. 线谐振子处于基态
8. 设体系处于φ=C1Y11+C2Y10态,且|C1|2+|C2|2=1,求:
(1) 力学量
(2) 力学量
(3) 力学量Lx和Ly的可能值.
9. 设体系处在某一状态,在该状态中测量力学量L2得到的值是6?2,测量力学量Lz得到的值是- ?,求测量Lx和Ly可能得到的值.
10. 设体系的哈密顿算符为
11. 求在
12. 在t=0时氢原子的波函数为
(1) 求体系能量的平均值;
(2) 求在t时刻体系处在l=1,m=1态的概率;
(3) 求在t=0时,电子处在d=10-10cm范围内的概率;
(4) 假定做一次测量后发现L2=2?2,Lx= ?,求测量后的瞬间体系的波函数.
13. 一电子处在一维谐振子的基态,使得
四、证明
1. 若算符
(1)
(2) 用数学归纳法证明:
2. 若算符
3. 若算符
4. 设[x,p]=i?,f(x)是x的可微函数,证明:
5. 证明:
6.
7. 设
8. 证明算符
9. 定义算符
10. 证明:
(1) 在任意一维归一化的实束缚态φn(x)上,
(2) 若哈密顿算符
11. 设哈密顿算符
12. 证明在
13. 证明空间转动不变性对应角动量守恒.
14. 若算符
15. 证明
16. 若算符
17. 粒子处于宽度为a的一维非对称无限深方势阱中,在其第n个本征态下,证明
五、综合题
1. 质量为m的自由粒子作一维运动.在t=0时的归一化波函数是高斯波包,满足
(1) 求
(2) 证明在t>0时,粒子的概率密度满足
(3) 用不确定性原理解释(1)和(2)的结果.
2. 考虑一质量为m的粒子在一维势场U(x)=U0(x/a)2n中运动,其中n是正整数,U0>0,定性讨论能量本征值的分布和相应的本征函数的宇称.用不确定性原理估计基态能量的数量级,并讨论n=1和n→∞两种特殊情况.
3. 在t=0时,处在谐振子势U=kx2/2中的一粒子的波函数是
其中β和A是实常数,
(1) 写出φ(x,t);
(2) 求在φ(x,t)态中测量粒子的能量的可能值和相对概率;
(3) 求t=0时的
4. 考虑一维对称势阱中的粒子,熟知,在这种情形下至少有一个能级.现在在给定势阱深度U0的情况下,减少势阱宽度a是使满足不等式a2<2/mU0,初看起来,束缚在势阱中的粒子的空间位置将越来越精确(Δx~a),然而在任何情况下,动量的不确定度Δp应限制在数量级
5. 一粒子的波函数是φ=k(x+y+2z)e-αr,式中
(1) 粒子的角动量是多少?
(2) 角动量z分量的平均值;
(3) 若角动量的z分量Lz被测量,问测得Lz=+ ?的概率是多少?
(4) 发现粒子在θ,φ方向上dΩ立体角内的概率是多少?θ,φ是通常球坐标中的方向角.
六、思考题
1. 量力力学参量与经典物理的力学量有何区别?
2. 经典物理中的理论力学、电动力学、统计力学有哪些主要物理量?
3. 量子力学的算符概念和
4. 量子力学的基本算符是什么?为什么?
5. 算符的定义是什么?跟数学的算子有何区别?
6. 量子力学算符的基本性质是什么?
7. 算符的对易关系有什么物理意义?为什么?
8. 量子力学算符原理是什么?
9. 量子力学的力学量取值与经典物理力学量有何区别?
10. 为什么说量子力学算符必须是厄米算符?为什么?
11. 为什么说薛定谔定态方程是能量本征方程?
12. 构造算符的基本法则是什么?[包括算符函数]
13. 算符的对易关系算式有哪几个是最重要的?
14. 为什么算符本征值有哪点跟经典力学是不同?
15. 算符本征值在宏观实验测量中有无实验意义?如果没有,那么解算本征值还有什么意义?
16. 力学量的宏观测量值跟本征值有何联系?为什么?
17. 为什么算符本征值只能单次实验测量?
18. 量子力学算符作用在任意状态上得到的数值是唯一的么?
19. 算符本征函数性质是什么?
20. 为什么本征函数系列可以构造数学函数空间?这个函数空间是完全的么?
21. 同一个状态中的两个算符有什么关系?哪一个是量子力学的特点?
22. 写出你知道的算符表达式?
23. 量子力学力学量的测不准原理是什么?谁发现的?
24. 为什么说测不准原理是量子力学的重大发现?
25. 写出能量与时间的测不准关系,并说明原因。
26. 测不准关系与测不准原因区别在哪里?
27. 为什么测不准关系式中的两个力学量都是平均值?
28. 两个力学量的本征值都是量子化取值,是否存在测不准关系?
29. 一个能量有确定值的状态,还存在测不准关系么?
30. 推导测不准原理使用的初等数学方法是什么?
31. 为什么测不准关系用测量精度表示?测量精度的概念是什么?
32. 量子力学的角动量算符定义是什么?
33. 为什么?两个算符存在测不准关系的条件是什么?
34. 什么情况下动量本征值是连续的?方箱中的粒子也是自由运动为什么是量子化的?
35. 算符本征值量子化产生的条件是什么?
36. 动量和角动量算符的对易关系是什么?两者有无差别?为什么?
37. 初等量子力学的存在原理是什么?用什么实验验证?
38. 自旋算符与动量、角动量和能量算符有何区别?
39. 自旋算符是推导出来的么?为什么?
40. 为什么力学量向经典力学过渡必须计算平均值?