量子力学第三章优秀PPT.ppt
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1、量子力学第三章第一页,本课件共有59页1 1 一维无限深势阱一维无限深势阱(一)一维运动(一)一维运动(二)一维无限深势阱(二)一维无限深势阱(三)宇称(三)宇称(四)讨论(四)讨论第二页,本课件共有59页(一)(一)一维运动一维运动所谓一维运所谓一维运动就是指在动就是指在某一方向上某一方向上的运动。的运动。此方程是一个二阶偏微分方程。若势可写成:此方程是一个二阶偏微分方程。若势可写成:V(x,y,z)=VV(x,y,z)=V1 1(x)+V(x)+V2 2(y)+V(y)+V3 3(z)(z)形式,则形式,则 S-S-方程可在直角坐标系中分离变量。方程可在直角坐标系中分离变量。令令 (x,y
2、,z)=X(x)Y(y)Z(z)(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z)E=E E=Ex x+E+Ey y+E+Ez z于是于是S-S-方程化为三个常微分方程:方程化为三个常微分方程:当粒子在当粒子在势场 V(x,y,z)中运中运动时,其,其 Schrodinger 方程方程为:第三页,本课件共有59页其中其中第四页,本课件共有59页(二)一维无限深势阱(二)一维无限深势阱求解求解 S S 方程方程 分四步:分四步:(1 1)列出各势域的一维)列出各势域的一维S S方程方程 (2 2)解方程)解方程 (3 3)使用波函数标准条件定解)使用波函数标准条件定解 (4 4)定归一化系数)定归一化系数
3、-a 0 aV(x)IIIIII第五页,本课件共有59页(1 1)列出各势域的)列出各势域的 S S 方程方程方程可方程可 简化为:简化为:-a 0 aV(x)IIIIII势势V(x)V(x)分为三个区域,分为三个区域,用用 I I、II II 和和 III III 表示,表示,其上的波函数分别为其上的波函数分别为 I I(x),(x),IIII(x)(x)和和 IIIIII(x)(x)。则方程为:。则方程为:2 2第六页,本课件共有59页(3 3)使用波函数标准条件)使用波函数标准条件从物理考虑,粒子不能透过无穷高的势壁。从物理考虑,粒子不能透过无穷高的势壁。根据波函数的统计解释,要求在阱壁
4、上和阱壁根据波函数的统计解释,要求在阱壁上和阱壁 外波函数为零,特别是外波函数为零,特别是 (-a)=(a)=0(-a)=(a)=0。-a 0 aV(x)IIIIII 1 1。单值,成立;。单值,成立;2 2。有限:当。有限:当x x -,有限条件要求有限条件要求 C C2 2=0=0。第七页,本课件共有59页使用标准条件使用标准条件 3 3。连续:。连续:2 2)波函数导数连续:)波函数导数连续:在边界在边界 x=-a x=-a,势有无穷跳跃,波函数微商不连续。这是因为:,势有无穷跳跃,波函数微商不连续。这是因为:若若I I(-a)(-a)=IIII(-a)(-a),则有,则有,0=A co
5、s(-a+)0=A cos(-a+)与上面波函数连续条件导出的结果与上面波函数连续条件导出的结果 A sin(-a+)=0 A sin(-a+)=0 矛矛盾,二者不能同时成立。所以波函数导数在有无穷跳跃处不连续。盾,二者不能同时成立。所以波函数导数在有无穷跳跃处不连续。1 1)波函数连续:)波函数连续:-a 0 aV(x)IIIIII第八页,本课件共有59页(1)+(2)(2)-(1)两种情况:两种情况:由(由(4 4)式)式第九页,本课件共有59页讨论讨论状态不存在状态不存在描写同一状态描写同一状态所以所以 n n 只取正整数,即只取正整数,即于是:于是:或或第十页,本课件共有59页于是波于
6、是波函数:函数:由(由(3 3)式)式类似类似 I I 中关于中关于 n=n=m m 的的讨论可知:讨论可知:第十一页,本课件共有59页综合综合 I I、II II 结果,最后得:结果,最后得:对应对应 m=2 n m=2 n对应对应 m=2n+1 m=2n+1第十二页,本课件共有59页能量最低的态称为基态,其上为第一激发态、第二激发态依次类推。能量最低的态称为基态,其上为第一激发态、第二激发态依次类推。第十三页,本课件共有59页由此可见,对于一维无限深方势阱,粒子束缚于有限空间范围,在由此可见,对于一维无限深方势阱,粒子束缚于有限空间范围,在无限远处,无限远处,=0 =0。这样的状态,称为束
7、缚态。一维有限运动能量本征值。这样的状态,称为束缚态。一维有限运动能量本征值是分立能级,组成分立谱。是分立能级,组成分立谱。(4 4)由归一化条件定系数)由归一化条件定系数 A A第十四页,本课件共有59页 小结小结 由无穷深方势阱问题的求解可以看由无穷深方势阱问题的求解可以看 出,解出,解S S方程的一般步骤如下:方程的一般步骤如下:一、列出各势域上的一、列出各势域上的S S方程;方程;二、求解二、求解S S方程;方程;l三、利用波函数的标准条件(单值、有限、连续)定三、利用波函数的标准条件(单值、有限、连续)定未知数和能量本征值;未知数和能量本征值;l四、由归一化条件定出最后一个待定系数(
8、归一化系四、由归一化条件定出最后一个待定系数(归一化系数)。数)。第十五页,本课件共有59页(三)宇称(三)宇称(1 1)空间反射:空间矢量反向的操作。)空间反射:空间矢量反向的操作。(2 2)此时如果有:)此时如果有:称波函数具有称波函数具有正宇称(正宇称(或偶宇称或偶宇称);称波函数具有称波函数具有负宇称(负宇称(或奇宇称或奇宇称);(3 3)如果在空间反射下,)如果在空间反射下,则波函数没有确定的宇称。则波函数没有确定的宇称。第十六页,本课件共有59页(四)讨论(四)讨论一维无限深一维无限深 势阱中粒子势阱中粒子 的状态的状态(2)n=0,E=0,=0,态不存在,无意不存在,无意义。而而
9、n=k,k=1,2,.可见,可见,n n取负整数与正整数描写同一状态。取负整数与正整数描写同一状态。(1 1)n=1,n=1,基态,基态,与经典最低能量为零不同,与经典最低能量为零不同,这是微观粒子波动性的表这是微观粒子波动性的表 现,因为现,因为“静止的波静止的波”是没是没 有意义的。有意义的。第十七页,本课件共有59页(4 4)n n*(x)=(x)=n n(x)(x)即波函数是实函数。即波函数是实函数。(5 5)定定 态 波波 函函 数数(3 3)波函数宇称)波函数宇称第十八页,本课件共有59页作作 业周世周世勋:量子力学教程第二章:量子力学教程第二章 2.3、2.4、2.8第十九页,本
10、课件共有59页2 2 线性谐振子线性谐振子(一)引言(一)引言(1 1)何谓谐振子)何谓谐振子 (2 2)为什么研究线性谐振子)为什么研究线性谐振子 (二)线性谐振子(二)线性谐振子 (1 1)方程的建立)方程的建立 (2 2)求解)求解 (3 3)应用标准条件)应用标准条件 (4 4)厄密多项式)厄密多项式 (5 5)求归一化系数)求归一化系数 (6 6)讨论(三)实例(三)实例第二十页,本课件共有59页(一)引言(一)引言(1 1)何谓谐振子)何谓谐振子量量子子力力学学中中的的线线性性谐谐振振子子就就是是指指在在该该式式所所描描述述的的势势场场中运动的粒子中运动的粒子。在经典力学中,当质量
11、为在经典力学中,当质量为 的粒子,受的粒子,受弹性力弹性力F=-kxF=-kx作用,由牛顿第二定律可作用,由牛顿第二定律可以写出运动方程为:以写出运动方程为:其解为其解为 x=Asin(t+)x=Asin(t+)。这种运动称为简谐。这种运动称为简谐振动,振动,作这种运动的粒子叫谐振子。作这种运动的粒子叫谐振子。若取若取V V0 0=0=0,即平,即平衡位置处于势衡位置处于势 V V=0=0 点,则点,则第二十一页,本课件共有59页(2 2)为什么研究线性谐振子)为什么研究线性谐振子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,例如分子振自然界广泛碰到简谐振动,任何体系在平衡位置附近的
12、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成若干动、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。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。例如双原子例如双原子分子,两原子间的势分子,两原子间的势V V是二者相对距离是二者相对距离x x的函数,如图所示。在的函数,如图所示。在 x=a x=a 处,处,V V 有一极小值有一极小值V V0 0。在。在
13、 x=a x=a 附近势可以展开成泰勒级数:附近势可以展开成泰勒级数:axV(x)0V0第二十二页,本课件共有59页取新坐标原点为取新坐标原点为(a,V(a,V0 0),则势可表示为标准谐振子势,则势可表示为标准谐振子势的形式:的形式:可见,一些复杂的势场下粒子的运动往往可以用线性谐振动可见,一些复杂的势场下粒子的运动往往可以用线性谐振动来近似描述。来近似描述。第二十三页,本课件共有59页(二)线性谐振子(二)线性谐振子(1 1)方程的建立)方程的建立 (2 2)求解)求解 (3 3)应用标准条件)应用标准条件 (4 4)厄密多项式)厄密多项式 (5 5)求归一化系数)求归一化系数 (6 6)
14、讨论第二十四页,本课件共有59页(1 1)方程的建立)方程的建立线性谐振子的线性谐振子的 Hamilton Hamilton量:量:则 Schrodinger 方程可写方程可写为:为简单计,为简单计,引入无量纲变量引入无量纲变量代替代替x x,此式是一变系数此式是一变系数 二阶常微分方程二阶常微分方程第二十五页,本课件共有59页(2 2)求解)求解为求解方程,我们先看一下它的渐为求解方程,我们先看一下它的渐 近解,即当近解,即当 时波函数时波函数 的行为。在此情况下,的行为。在此情况下,1 1第二十六页,本课件共有59页其中其中 H()H()必须满足波函数的单值、有限、连续的必须满足波函数的单
15、值、有限、连续的标准条件。即:标准条件。即:当当有限时,有限时,H()H()有限;有限;当当时,时,H()H()的行为要保证的行为要保证()0()0。将将()()表达式表达式代入方程得代入方程得 关于关于 待求函数待求函数 H()H()所满足的方程:所满足的方程:2.H()2.H()满足的方程满足的方程第二十七页,本课件共有59页3.3.级数解级数解我们以级数形式来求我们以级数形式来求解。解。为此令:为此令:用用 k k 代替代替 k k第二十八页,本课件共有59页由上式可以看出:由上式可以看出:b b0 0 决定所有角标决定所有角标k k为偶数的系数;为偶数的系数;b b1 1 决定所有角标
16、决定所有角标k k为奇数的系数。为奇数的系数。因为方程是二阶微分方程,应有两个因为方程是二阶微分方程,应有两个 线性独立解。可分别令:线性独立解。可分别令:b0 0,b1=0.Heven();b1 0,b0=0.Hodd().即:即:b bk+2k+2(k+2)(k+1)-b(k+2)(k+1)-bk k 2k+b 2k+bk k(-1)=0(-1)=0 从而导出系数从而导出系数 b bk k 的递推公式:的递推公式:该式对任意该式对任意都成立,都成立,故故同次幂前的系数均应为零,同次幂前的系数均应为零,只含偶次幂项只含偶次幂项只含奇次幂项只含奇次幂项则通解可记为:则通解可记为:H=co Ho
17、dd+ce Heven =(co Hodd+ce Heven e)exp-2/2第二十九页,本课件共有59页(3 3)应用)应用标准条件标准条件(I)=0 exp-2/2|=0=1 Heven()|=0=b0 Hodd()|=0=0 皆有限皆有限(II)需要考需要考虑无无穷级数数H()的收的收敛性性为此考察相邻为此考察相邻 两项之比:两项之比:考察幂级数考察幂级数expexp2 2 的的 展开式的收敛性展开式的收敛性比较二级数可知:比较二级数可知:当当时时,H()H()的渐近的渐近 行为与行为与expexp2 2 相同。相同。单值性和连续性二条件自然满足,单值性和连续性二条件自然满足,只剩下第
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