2025-05-05
量子力学原理习题解
00

目录

第5章 一维中的简单问题
5.1 自由粒子
5.2 箱中粒子
5.3 概率的连续性方程
5.4 单阶跃势:一个散射问题
5.5 双缝实验
5.6 一些定理

第5章 一维中的简单问题

5.1 自由粒子

习题 5.1.1 证明方程 (5.1.9) 可以改写为对 EE 的积分以及对 ±\pm 指标的求和:

U(t)=α=±0[m(2mE)1/2]E,αE,αeiEt/dEU(t)=\sum_{\alpha= \pm} \int_0^{\infty}\left[\frac{m}{(2 m E)^{1 / 2}}\right]|E, \alpha\rangle\langle E, \alpha| \mathrm{e}^{-\mathrm{i} E t / \hbar} \mathrm{d} E

解答:

E=p22mp=α2mEdp=αm2mEdE\begin{aligned} E=\dfrac{p^{2}}{2m} \rightarrow p&=\alpha\sqrt{2mE}\\ \mathrm{d}p&=\dfrac{\alpha m}{\sqrt{2mE}}\mathrm{d}E \end{aligned}

其中 α=±1\alpha=\pm 1。因此

U(t)=+dpppeiEt/=0dpppeiEt/+0+dpppeiEt/=0dEm2mEE,E,eiEt/+0+dEm2mEE,+E,+eiEt/=0+dEm2mEE,E,eiEt/+0+dEm2mEE,+E,+eiEt/=α=±0[m(2mE)1/2]E,αE,αeiEt/dE\begin{aligned} U(t)&=\int_{-\infty}^{+\infty} \mathrm{d}p\,|p\rangle\langle p| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}\\&=\int_{-\infty}^{0}\mathrm{d}p\,|p\rangle\langle p| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}+\int_{0}^{+\infty}\mathrm{d}p\,|p\rangle\langle p| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}\\ &=\int_{-\infty}^{0}\mathrm{d}E \dfrac{-m}{\sqrt{2mE}}\,|E, -\rangle\langle E, -| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}+\int_{0}^{+\infty}\mathrm{d}E\dfrac{m}{\sqrt{2mE}}\,|E, +\rangle\langle E, +| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}\\ &=\int_{0}^{+\infty}\mathrm{d}E \dfrac{m}{\sqrt{2mE}}\,|E, -\rangle\langle E, -| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}+\int_{0}^{+\infty}\mathrm{d}E\dfrac{m}{\sqrt{2mE}}\,|E, +\rangle\langle E, +| \mathrm{e}^{-\mathrm{i}Et/\hbar}\\ &=\sum_{\alpha= \pm} \int_0^{\infty}\left[\frac{m}{(2 m E)^{1 / 2}}\right]|E, \alpha\rangle\langle E, \alpha| \mathrm{e}^{-\mathrm{i} E t / \hbar} \mathrm{d} E \end{aligned}
 ~\tag*{$\blacksquare$}

习题 5.1.2 通过在 XX 基底中求解本征值方程 (5.1.3),重新得到方程 (5.1.8),也就是说,证明能量为 EE 的一般解为

ψE(x)=βexp[i(2mE)1/2x/](2π)1/2+γexp[i(2mE)1/2x/](2π)1/2\psi_E(x)=\beta \frac{\exp \left[i(2 m E)^{1 / 2} x / \hbar\right]}{(2 \pi \hbar)^{1 / 2}}+\gamma \frac{\exp \left[-i(2 m E)^{1 / 2} x / \hbar\right]}{(2 \pi \hbar)^{1 / 2}}

[因子 (2π)1/2(2 \pi \hbar)^{-1 / 2} 是任意的,可以吸收到 β\betaγ\gamma 中。] 尽管当 E<0E<0ψE(x)\psi_E(x) 仍然满足该方程,但这些函数属于 Hilbert 空间吗?

解答:

XX 基底中,(5.1.3) 为

xHE=ExE\langle x\mid H\mid E\rangle=E\langle x\mid E\rangle

它变为

22mψE=EψE-\dfrac{\hbar^{2}}{2m}\psi_{E}^{\prime\prime}=E\psi_{E}

一般解具有如下形式

ψE(x)=A+ei2mEx+Aei2mEx\psi_{E}(x)=A_{+}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\sqrt{2mE}x}+A_{-}\mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\sqrt{2mE}x}

因此,

xE=βxE,++γxE,\langle x\mid E\rangle=\beta\langle x\mid E,+\rangle+\gamma\langle x\mid E,-\rangle

如果记

β=A+2πkγ=A2πk\begin{aligned} \beta&=A_{+}\sqrt{2\pi k}\\ \gamma&=A_{-}\sqrt{2\pi k} \end{aligned}

最终得到能量为 EE 的一般解

ψE(x)=βexp[i(2mE)1/2x/](2π)1/2+γexp[i(2mE)1/2x/](2π)1/2\psi_E(x)=\beta \frac{\exp \left[\mathrm{i}(2 m E)^{1 / 2} x / \hbar\right]}{(2 \pi \hbar)^{1 / 2}}+\gamma \frac{\exp \left[-\mathrm{i}(2 m E)^{1 / 2} x / \hbar\right]}{(2 \pi \hbar)^{1 / 2}}

如果 E<0E<0,这些解不属于 Hilbert 空间,因为此时当 x+x\to+\inftyxx\to-\infty 时,其中一项会指数发散。

 ~\tag*{$\blacksquare$}

习题 5.1.3 我们已经看到,U(t)U(t) 还有另一种表达式,即 U(t)=eiHt/U(t)=e^{-i H t / \hbar}。对于自由粒子,它变为

U(t)=exp[i(2t2md2dx2)]=n=01n!(it2m)nd2ndx2n(5.1.18)U(t)=\exp \left[\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\left(\frac{\hbar^2 t}{2 m} \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d} x^2}\right)\right]=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!}\left(\frac{\mathrm{i} \hbar t}{2 m}\right)^n \frac{\mathrm{d}^{2 n}}{\mathrm{d} x^{2 n}}\tag{5.1.18}

考虑方程 (5.1.14) 中的初始状态,取 p0=0p_0=0,并令 Δ=1\Delta=1t=0t^{\prime}=0

ψ(x,0)=ex2/2(π)1/4\psi(x, 0)=\frac{\mathrm{e}^{-x^2 / 2}}{(\pi)^{1 / 4}}

利用上面的方程 (5.1.18) 求 ψ(x,t)\psi(x, t),并与方程 (5.1.15) 比较。

[提示:(1) 将 ψ(x,0)\psi(x, 0) 写成幂级数:

ψ(x,0)=(π)1/4n=0(1)nx2nn!(2)n\psi(x, 0)=(\pi)^{-1 / 4} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2 n}}{n!(2)^n}

(2) 求下列前几项

1,(it2m)d2dx2,12!(it2md2dx2)21,\quad \left(\frac{\mathrm{i} \hbar t}{2 m}\right) \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d} x^2}, \quad \frac{1}{2!}\left(\frac{\mathrm{i} \hbar t}{2 m} \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d} x^2}\right)^2

等等作用在该幂级数上的结果。

(3) 收集具有相同 xx 次幂的各项。

(4) 在 x2nx^{2 n} 的系数中寻找如下级数展开:

(1+itm)n1/2=1(n+1/2)(itm)+(n+1/2)(n+3/2)2!(itm)2+\left(1+\frac{\mathrm{i} t \hbar}{m}\right)^{-n-1/2}=1-(n+1 / 2)\left(\frac{\mathrm{i} \hbar t}{m}\right)+\frac{(n+1 / 2)(n+3 / 2)}{2!}\left(\frac{\mathrm{i} \hbar t}{m}\right)^2+\cdots

(5) 反复整理,直到得到答案。]

解答:

 ~\tag*{$\blacksquare$}

习题 5.1.4 考虑波函数

ψ(x,0)=sin(πxL),xL/2=0,x>L/2\begin{aligned} \psi(x, 0) & =\sin \left(\frac{\pi x}{L}\right), & & |x| \leqslant L / 2 \\ & =0, & & |x|>L / 2 \end{aligned}

显然,对这个函数求任意阶导数都会得到另一个仍局限在区间 xL/2|x| \leqslant L / 2 内的函数。因此,算符

U(t)=exp[i(2t2m)d2dx2]U(t)=\exp \left[\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\left(\frac{\hbar^2 t}{2 m}\right) \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d} x^2}\right]

作用在该函数上,似乎仍然得到一个局限于 xL/2|x| \leqslant L / 2 的函数。那么波包的扩散又该如何理解?

解答: 答案在 Shankar 中已经给出:考虑边界处的导数。这里给出了一个算符幂级数(指数算符)不收敛的例子。注意,算符幂级数是否收敛,不仅取决于算符本身,也取决于它所作用的对象。因此并不存在矛盾:如果函数像上面那样突然截断,看起来似乎会产生矛盾,那么它在边界处的导数是奇异的;而如果它连续衰减,那么只要时间足够长,无论衰减得多么迅速,波函数最终一定会向外泄露。

此外,还应当意识到,这不可能是 Schrödinger 方程的解。Schrödinger 方程的解应满足下列条件:

(1) 波函数连续;

(2) 对于有限势,波函数的一阶导数通常连续。

因此,给定的波函数并不具有物理意义(它在 x=±L2x=\pm\dfrac{L}{2} 处不连续)。

 ~\tag*{$\blacksquare$}

5.2 箱中粒子

习题 5.2.1 一个粒子处于长度为 LL 的一维无限深势箱的基态。突然间,势箱关于中心对称地扩展为原来的两倍,而波函数来不及发生变化。证明在新势箱中发现粒子处于基态的概率为 (8/3π)2(8 / 3 \pi)^2

习题 5.2.2 (a) 证明对于任意归一化的 ψ|\psi\rangle,都有 ψHψE0\langle\psi|H| \psi\rangle \geqslant E_0,其中 E0E_0 是最低能量本征值。(提示:将 ψ|\psi\rangleHH 的本征基底中展开。)

(b) 证明下列定理:一维中的任何吸引势至少存在一个束缚态。提示:由于 VV 是吸引势,如果定义 V()=0V(\infty)=0,则对所有 xx 都有 V(x)=V(x)V(x)=-|V(x)|。为了证明存在一个 E<0E<0 的束缚态,考虑

ψα(x)=(απ)1/4eαx2/2\psi_\alpha(x)=\left(\frac{\alpha}{\pi}\right)^{1 / 4} e^{-\alpha x^2 / 2}

并计算

E(α)=ψαHψα,H=22md2dx2V(x)E(\alpha)=\left\langle\psi_\alpha|H| \psi_\alpha\right\rangle, \quad H=-\frac{\hbar^2}{2 m} \frac{d^2}{d x^2}-|V(x)|

证明通过适当选择 α\alpha,可以使 E(α)E(\alpha) 为负。所需结论便由上面证明的定理得到。

习题 5.2.3 考虑 V(x)=aV0δ(x)V(x)=-a V_0 \delta(x)。证明它存在一个能量为 E=ma2V02/22E=-m a^2 V_0^2 / 2 \hbar^2 的束缚态。是否还存在其他束缚态?提示:对 E<0E<0,在势以外求解 Schrödinger 方程,只保留在无穷远处具有正确行为并且在 x=0x=0 处连续的解。画出波函数,可以看到在 x=0x=0 处有一个尖点,也就是斜率发生不连续变化。计算斜率的变化,并将其与

ε+ε(d2ψdx2)dx\int_{-\varepsilon}^{+\varepsilon}\left(\frac{d^2 \psi}{d x^2}\right) d x

相等起来,其中 ε\varepsilon 为无穷小,而上式由 Schrödinger 方程确定。

习题 5.2.4 考虑质量为 mm 的粒子处于长度为 LL 的势箱中的状态 n|n\rangle。假设随着势箱尺寸变化,粒子始终保持在该势箱的第 nn 个状态,求缓慢向内推动箱壁时所遇到的力 F=E/LF=-\partial E / \partial L。再考虑该势箱中能量为 EnE_n 的经典粒子。求它的速度、与某一指定箱壁碰撞的频率、每次碰撞的动量传递,并由此求出平均力。将其与上面计算得到的 E/L-\partial E / \partial L 比较。

习题 5.2.5 如果势箱的范围是从 x=0x=0LL(而不是从 L/2-L / 2L/2L / 2),证明 ψn(x)=(2/L)1/2sin(nπx/L)\psi_n(x)=(2 / L)^{1 / 2} \sin (n \pi x / L)n=1,2,,n=1,2, \ldots, \infty,并且 En=2π2n2/2mL2E_n=\hbar^2 \pi^2 n^2 / 2 m L^2

习题 5.2.6 方势阱。考虑粒子处于如下方势阱中:

V(x)={0,xaV0,xaV(x)= \begin{cases}0, & |x| \leqslant a \\ V_0, & |x| \geqslant a\end{cases}

由于当 V0V_0 \rightarrow \infty 时就得到无限深势箱,让我们先猜测降低势垒高度会对各个状态产生什么影响。首先,我们只关心束缚态,而所有束缚态都满足 EV0E \leq V_0。其次,低能级的波函数看起来会类似于箱中粒子的波函数,明显的区别是 ψ\psi 在势阱边界处不再为零,而是以指数尾的形式延伸到阱外。本征函数仍然会依次具有偶、奇、偶等宇称。

(1) 证明偶解的能量满足超越方程

ktanka=κ(5.2.23)k \tan k a=\kappa\tag{5.2.23}

而奇解的能量满足

kcotka=κ(5.2.24)k \cot k a=-\kappa\tag{5.2.24}

其中 kkiκi \kappa 分别是势阱内部和外部的实波数与复波数。注意 kkκ\kappa 满足关系

k2+κ2=2mV0/2(5.2.25)k^2+\kappa^2=2 m V_0 / \hbar^2\tag{5.2.25}

验证当 V0V_0 趋于 \infty 时,可以重新得到无限深势箱中的能级。

(2) 方程 (5.2.23) 和 (5.2.24) 必须通过图解法求解。在 (α=ka,β=κa)(\alpha=k a, \beta=\kappa a) 平面上,设想一个满足方程 (5.2.25) 的圆。束缚态便由曲线 αtanα=β\alpha \tan \alpha=\betaαcotα=β\alpha \cot \alpha=-\beta 与该圆的交点给出。(记住 α\alphaβ\beta 都为正。)

(3) 证明总是存在一个偶解,并且除非 V02π2/8ma2V_0 \geqslant \hbar^2 \pi^2 / 8 m a^2,否则不存在奇解。当 V0V_0 恰好达到这一要求时,EE 是多少?注意习题 5.2.2(b) 中的一般结论仍然成立。

5.3 概率的连续性方程

习题 5.3.1 考虑 V=VriViV=V_r-i V_i 的情形,其中虚部 ViV_i 是常数。Hamilton量是 Hermitian 的吗?重新推导连续性方程,并证明发现粒子的总概率按 e2Vit/e^{-2 V_i t / \hbar} 指数衰减。这类复势常用于描述粒子被汇吸收的过程。

习题 5.3.2 说明:如果 ψ=cψ~\psi=c \tilde{\psi},其中 cc 为常数(实数或复数),而 ψ~\tilde{\psi} 为实函数,那么相应的 j\mathbf{j} 为零。

习题 5.3.3 考虑

ψp=(12π)3/2ei(pr)/\psi_{\mathbf{p}}=\left(\frac{1}{2 \pi \hbar}\right)^{3 / 2} e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}) / \hbar}

j\mathbf{j}PP,并将它们之间的关系与电磁学方程 j=ρv\mathbf{j}=\rho \mathbf{v} 比较,其中 v\mathbf{v} 为速度。由于 ρ\rhoj\mathbf{j} 都是常数,注意连续性方程 (5.3.7) 显然自动满足。

习题 5.3.4 在一维中考虑 ψ=Aeipx/+Beipx/\psi=A e^{i p x / \hbar}+B e^{-i p x / \hbar}。 证明 j=(A2B2)p/mj=\left(|A|^2-|B|^2\right) p / m。 由于 ψ\psi 中向右传播和向左传播的两部分之间不存在交叉项,我们可以把 jj 的两部分分别与 ψ\psi 的相应两部分联系起来。

5.4 单阶跃势:一个散射问题

习题 5.4.1 计算方程 (5.416) 中的第三部分,并将所得的 TT 与方程 (5.4.21) 比较。[提示:在 k1=k0k_1=k_0 附近展开因子 (k122mV0/2)1/2\left(k_1^2-2 m V_0 / \hbar^2\right)^{1 / 2},Taylor 级数中只保留一阶导数项。]

习题 5.4.2 (a) 对势 V(x)=V0aδ(x)V(x)=V_0 a \delta(x) 的散射,计算 RRTT

(b) 对下列情形做同样的计算:当 x>a|x|>aV=0V=0,当 x<a|x|<aV=V0V=V_0。假设能量为正但小于 V0V_0

习题 5.4.3 考虑一维中受到恒力 ff 作用的粒子。在动量空间中求传播子,并得到

U(p,t;p,0)=δ(ppft)ei(p3p3)/6mfU\left(p, t ; p^{\prime}, 0\right)=\delta\left(p-p^{\prime}-f t\right) e^{i\left(p^{\prime 3}-p^3\right) / 6 m\hbar f}

再变换回坐标空间,得到

U(x,t;x,0)=(m2πit)1/2exp{i[m(xx)22t+12ft(x+x)f2t324m]}U\left(x, t ; x^{\prime}, 0\right)=\left(\frac{m}{2 \pi \hbar i t}\right)^{1 / 2} \exp \left\{\frac{i}{\hbar}\left[\frac{m\left(x-x^{\prime}\right)^2}{2 t}+\frac{1}{2} f t\left(x+x^{\prime}\right)-\frac{f^2 t^3}{24 m}\right]\right\}

[提示:将 ψE(p)\psi_E(p) 归一化,使得 EE=δ(EE)\left\langle E \mid E^{\prime}\right\rangle=\delta\left(E-E^{\prime}\right)。注意 EE 不要求为正。]

5.5 双缝实验

5.6 一些定理