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 E E E 的积分以及对 ± \pm ± 指标的求和:
U ( t ) = ∑ α = ± ∫ 0 ∞ [ m ( 2 m E ) 1 / 2 ] ∣ E , α ⟩ ⟨ E , α ∣ e − i E t / ℏ d E U(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 U ( t ) = α = ± ∑ ∫ 0 ∞ [ ( 2 m E ) 1/2 m ] ∣ E , α ⟩ ⟨ E , α ∣ e − i E t /ℏ d E
解答:
E = p 2 2 m → p = α 2 m E d p = α m 2 m E d E \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} E = 2 m p 2 → p d p = α 2 m E = 2 m E α m d E
其中 α = ± 1 \alpha=\pm 1 α = ± 1 。因此
U ( t ) = ∫ − ∞ + ∞ d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t / ℏ = ∫ − ∞ 0 d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t / ℏ + ∫ 0 + ∞ d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t / ℏ = ∫ − ∞ 0 d E − m 2 m E ∣ E , − ⟩ ⟨ E , − ∣ e − i E t / ℏ + ∫ 0 + ∞ d E m 2 m E ∣ E , + ⟩ ⟨ E , + ∣ e − i E t / ℏ = ∫ 0 + ∞ d E m 2 m E ∣ E , − ⟩ ⟨ E , − ∣ e − i E t / ℏ + ∫ 0 + ∞ d E m 2 m E ∣ E , + ⟩ ⟨ E , + ∣ e − i E t / ℏ = ∑ α = ± ∫ 0 ∞ [ m ( 2 m E ) 1 / 2 ] ∣ E , α ⟩ ⟨ E , α ∣ e − i E t / ℏ d E \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} U ( t ) = ∫ − ∞ + ∞ d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t /ℏ = ∫ − ∞ 0 d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t /ℏ + ∫ 0 + ∞ d p ∣ p ⟩ ⟨ p ∣ e − i E t /ℏ = ∫ − ∞ 0 d E 2 m E − m ∣ E , − ⟩ ⟨ E , − ∣ e − i E t /ℏ + ∫ 0 + ∞ d E 2 m E m ∣ E , + ⟩ ⟨ E , + ∣ e − i E t /ℏ = ∫ 0 + ∞ d E 2 m E m ∣ E , − ⟩ ⟨ E , − ∣ e − i E t /ℏ + ∫ 0 + ∞ d E 2 m E m ∣ E , + ⟩ ⟨ E , + ∣ e − i E t /ℏ = α = ± ∑ ∫ 0 ∞ [ ( 2 m E ) 1/2 m ] ∣ E , α ⟩ ⟨ E , α ∣ e − i E t /ℏ d E
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习题 5.1.2 通过在 X X X 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 E E E 的一般解为
ψ E ( x ) = β exp [ i ( 2 m E ) 1 / 2 x / ℏ ] ( 2 π ℏ ) 1 / 2 + γ exp [ − i ( 2 m E ) 1 / 2 x / ℏ ] ( 2 π ℏ ) 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}} ψ E ( x ) = β ( 2 π ℏ ) 1/2 exp [ i ( 2 m E ) 1/2 x /ℏ ] + γ ( 2 π ℏ ) 1/2 exp [ − i ( 2 m E ) 1/2 x /ℏ ]
[因子 ( 2 π ℏ ) − 1 / 2 (2 \pi \hbar)^{-1 / 2} ( 2 π ℏ ) − 1/2 是任意的,可以吸收到 β \beta β 和 γ \gamma γ 中。] 尽管当 E < 0 E<0 E < 0 时 ψ E ( x ) \psi_E(x) ψ E ( x ) 仍然满足该方程,但这些函数属于 Hilbert 空间吗?
解答:
在 X X X 基底中,(5.1.3) 为
⟨ x ∣ H ∣ E ⟩ = E ⟨ x ∣ E ⟩ \langle x\mid H\mid E\rangle=E\langle x\mid E\rangle ⟨ x ∣ H ∣ E ⟩ = E ⟨ x ∣ E ⟩
它变为
− ℏ 2 2 m ψ E ′ ′ = E ψ E -\dfrac{\hbar^{2}}{2m}\psi_{E}^{\prime\prime}=E\psi_{E} − 2 m ℏ 2 ψ E ′′ = E ψ E
一般解具有如下形式
ψ E ( x ) = A + e i ℏ 2 m E x + A − e − i ℏ 2 m E x \psi_{E}(x)=A_{+}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\sqrt{2mE}x}+A_{-}\mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}\sqrt{2mE}x} ψ E ( x ) = A + e ℏ i 2 m E x + A − e − ℏ i 2 m E x
因此,
⟨ x ∣ E ⟩ = β ⟨ x ∣ E , + ⟩ + γ ⟨ x ∣ E , − ⟩ \langle x\mid E\rangle=\beta\langle x\mid E,+\rangle+\gamma\langle x\mid E,-\rangle ⟨ x ∣ E ⟩ = β ⟨ x ∣ E , + ⟩ + γ ⟨ x ∣ E , − ⟩
如果记
β = A + 2 π k γ = A − 2 π k \begin{aligned}
\beta&=A_{+}\sqrt{2\pi k}\\
\gamma&=A_{-}\sqrt{2\pi k}
\end{aligned} β γ = A + 2 π k = A − 2 π k
最终得到能量为 E E E 的一般解
ψ E ( x ) = β exp [ i ( 2 m E ) 1 / 2 x / ℏ ] ( 2 π ℏ ) 1 / 2 + γ exp [ − i ( 2 m E ) 1 / 2 x / ℏ ] ( 2 π ℏ ) 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}} ψ E ( x ) = β ( 2 π ℏ ) 1/2 exp [ i ( 2 m E ) 1/2 x /ℏ ] + γ ( 2 π ℏ ) 1/2 exp [ − i ( 2 m E ) 1/2 x /ℏ ]
如果 E < 0 E<0 E < 0 ,这些解不属于 Hilbert 空间,因为此时当 x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ 或 x → − ∞ x\to-\infty x → − ∞ 时,其中一项会指数发散。
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习题 5.1.3 我们已经看到,U ( t ) U(t) U ( t ) 还有另一种表达式,即 U ( t ) = e − i H t / ℏ U(t)=e^{-i H t / \hbar} U ( t ) = e − i H t /ℏ 。对于自由粒子,它变为
U ( t ) = exp [ i ℏ ( ℏ 2 t 2 m d 2 d x 2 ) ] = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! ( i ℏ t 2 m ) n d 2 n d x 2 n (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} U ( t ) = exp [ ℏ i ( 2 m ℏ 2 t d x 2 d 2 ) ] = n = 0 ∑ ∞ n ! 1 ( 2 m i ℏ t ) n d x 2 n d 2 n ( 5.1.18 )
考虑方程 (5.1.14) 中的初始状态,取 p 0 = 0 p_0=0 p 0 = 0 ,并令 Δ = 1 \Delta=1 Δ = 1 、t ′ = 0 t^{\prime}=0 t ′ = 0 :
ψ ( x , 0 ) = e − x 2 / 2 ( π ) 1 / 4 \psi(x, 0)=\frac{\mathrm{e}^{-x^2 / 2}}{(\pi)^{1 / 4}} ψ ( x , 0 ) = ( π ) 1/4 e − x 2 /2
利用上面的方程 (5.1.18) 求 ψ ( x , t ) \psi(x, t) ψ ( x , t ) ,并与方程 (5.1.15) 比较。
[提示:(1) 将 ψ ( x , 0 ) \psi(x, 0) ψ ( x , 0 ) 写成幂级数:
ψ ( x , 0 ) = ( π ) − 1 / 4 ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x 2 n n ! ( 2 ) n \psi(x, 0)=(\pi)^{-1 / 4} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2 n}}{n!(2)^n} ψ ( x , 0 ) = ( π ) − 1/4 n = 0 ∑ ∞ n ! ( 2 ) n ( − 1 ) n x 2 n
(2) 求下列前几项
1 , ( i ℏ t 2 m ) d 2 d x 2 , 1 2 ! ( i ℏ t 2 m d 2 d x 2 ) 2 1,\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 1 , ( 2 m i ℏ t ) d x 2 d 2 , 2 ! 1 ( 2 m i ℏ t d x 2 d 2 ) 2
等等作用在该幂级数上的结果。
(3) 收集具有相同 x x x 次幂的各项。
(4) 在 x 2 n x^{2 n} x 2 n 的系数中寻找如下级数展开:
( 1 + i t ℏ m ) − n − 1 / 2 = 1 − ( n + 1 / 2 ) ( i ℏ t m ) + ( n + 1 / 2 ) ( n + 3 / 2 ) 2 ! ( i ℏ t m ) 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 ( 1 + m i t ℏ ) − n − 1/2 = 1 − ( n + 1/2 ) ( m i ℏ t ) + 2 ! ( n + 1/2 ) ( n + 3/2 ) ( m i ℏ t ) 2 + ⋯
(5) 反复整理,直到得到答案。]
解答:
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习题 5.1.4 考虑波函数
ψ ( x , 0 ) = sin ( π x L ) , ∣ x ∣ ⩽ L / 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} ψ ( x , 0 ) = sin ( L π x ) , = 0 , ∣ x ∣ ⩽ L /2 ∣ x ∣ > L /2
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 ∣ x ∣ ⩽ L / 2 |x| \leqslant L / 2 ∣ x ∣ ⩽ L /2 内的函数。因此,算符
U ( t ) = exp [ i ℏ ( ℏ 2 t 2 m ) d 2 d x 2 ] 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] U ( t ) = exp [ ℏ i ( 2 m ℏ 2 t ) d x 2 d 2 ]
作用在该函数上,似乎仍然得到一个局限于 ∣ x ∣ ⩽ L / 2 |x| \leqslant L / 2 ∣ x ∣ ⩽ 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 = ± L 2 x=\pm\dfrac{L}{2} x = ± 2 L 处不连续)。
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5.2 箱中粒子
习题 5.2.1 一个粒子处于长度为 L L L 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 / 3 π ) 2 (8 / 3 \pi)^2 ( 8/3 π ) 2 。
习题 5.2.2 (a) 证明对于任意归一化的 ∣ ψ ⟩ |\psi\rangle ∣ ψ ⟩ ,都有 ⟨ ψ ∣ H ∣ ψ ⟩ ⩾ E 0 \langle\psi|H| \psi\rangle \geqslant E_0 ⟨ ψ ∣ H ∣ ψ ⟩ ⩾ E 0 ,其中 E 0 E_0 E 0 是最低能量本征值。(提示:将 ∣ ψ ⟩ |\psi\rangle ∣ ψ ⟩ 在 H H H 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 V V V 是吸引势,如果定义 V ( ∞ ) = 0 V(\infty)=0 V ( ∞ ) = 0 ,则对所有 x x x 都有 V ( x ) = − ∣ V ( x ) ∣ V(x)=-|V(x)| V ( x ) = − ∣ V ( x ) ∣ 。为了证明存在一个 E < 0 E<0 E < 0 的束缚态,考虑
ψ α ( x ) = ( α π ) 1 / 4 e − α x 2 / 2 \psi_\alpha(x)=\left(\frac{\alpha}{\pi}\right)^{1 / 4} e^{-\alpha x^2 / 2} ψ α ( x ) = ( π α ) 1/4 e − α x 2 /2
并计算
E ( α ) = ⟨ ψ α ∣ H ∣ ψ α ⟩ , H = − ℏ 2 2 m d 2 d x 2 − ∣ V ( 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)| E ( α ) = ⟨ ψ α ∣ H ∣ ψ α ⟩ , H = − 2 m ℏ 2 d x 2 d 2 − ∣ V ( x ) ∣
证明通过适当选择 α \alpha α ,可以使 E ( α ) E(\alpha) E ( α ) 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 ) = − a V 0 δ ( x ) V(x)=-a V_0 \delta(x) V ( x ) = − a V 0 δ ( x ) 。证明它存在一个能量为 E = − m a 2 V 0 2 / 2 ℏ 2 E=-m a^2 V_0^2 / 2 \hbar^2 E = − m a 2 V 0 2 /2 ℏ 2 的束缚态。是否还存在其他束缚态?提示:对 E < 0 E<0 E < 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 = 0 x=0 x = 0 处连续的解。画出波函数,可以看到在 x = 0 x=0 x = 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 ( d 2 ψ d x 2 ) d x \int_{-\varepsilon}^{+\varepsilon}\left(\frac{d^2 \psi}{d x^2}\right) d x ∫ − ε + ε ( d x 2 d 2 ψ ) d x
相等起来,其中 ε \varepsilon ε 为无穷小,而上式由 Schrödinger 方程确定。
习题 5.2.4 考虑质量为 m m m 的粒子处于长度为 L L L 的势箱中的状态 ∣ n ⟩ |n\rangle ∣ n ⟩ 。假设随着势箱尺寸变化,粒子始终保持在该势箱的第 n n n 个状态,求缓慢向内推动箱壁时所遇到的力 F = − ∂ E / ∂ L F=-\partial E / \partial L F = − ∂ E / ∂ L 。再考虑该势箱中能量为 E n E_n E 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 − ∂ E / ∂ L 比较。
习题 5.2.5 如果势箱的范围是从 x = 0 x=0 x = 0 到 L L L (而不是从 − L / 2 -L / 2 − L /2 到 L / 2 L / 2 L /2 ),证明
ψ n ( x ) = ( 2 / L ) 1 / 2 sin ( n π x / L ) \psi_n(x)=(2 / L)^{1 / 2} \sin (n \pi x / L) ψ n ( x ) = ( 2/ L ) 1/2 sin ( nπ x / L ) ,n = 1 , 2 , … , ∞ n=1,2, \ldots, \infty n = 1 , 2 , … , ∞ ,并且
E n = ℏ 2 π 2 n 2 / 2 m L 2 E_n=\hbar^2 \pi^2 n^2 / 2 m L^2 E n = ℏ 2 π 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 , ∣ x ∣ ⩽ a V 0 , ∣ x ∣ ⩾ a V(x)= \begin{cases}0, & |x| \leqslant a \\ V_0, & |x| \geqslant a\end{cases} V ( x ) = { 0 , V 0 , ∣ x ∣ ⩽ a ∣ x ∣ ⩾ a
由于当 V 0 → ∞ V_0 \rightarrow \infty V 0 → ∞ 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 E ≤ V 0 E \leq V_0 E ≤ 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 ψ 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
k tan k a = κ (5.2.23) k \tan k a=\kappa\tag{5.2.23} k tan k a = κ ( 5.2.23 )
而奇解的能量满足
k cot k a = − κ (5.2.24) k \cot k a=-\kappa\tag{5.2.24} k cot k a = − κ ( 5.2.24 )
其中 k k k 和 i κ i \kappa iκ 分别是势阱内部和外部的实波数与复波数。注意 k k k 和 κ \kappa κ 满足关系
k 2 + κ 2 = 2 m V 0 / ℏ 2 (5.2.25) k^2+\kappa^2=2 m V_0 / \hbar^2\tag{5.2.25} k 2 + κ 2 = 2 m V 0 / ℏ 2 ( 5.2.25 )
验证当 V 0 V_0 V 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 = k a , β = κ a ) (\alpha=k a, \beta=\kappa a) ( α = k a , β = κa ) 平面上,设想一个满足方程 (5.2.25) 的圆。束缚态便由曲线 α tan α = β \alpha \tan \alpha=\beta α tan α = β 或 α cot α = − β \alpha \cot \alpha=-\beta α cot α = − β 与该圆的交点给出。(记住 α \alpha α 和 β \beta β 都为正。)
(3) 证明总是存在一个偶解,并且除非 V 0 ⩾ ℏ 2 π 2 / 8 m a 2 V_0 \geqslant \hbar^2 \pi^2 / 8 m a^2 V 0 ⩾ ℏ 2 π 2 /8 m a 2 ,否则不存在奇解。当 V 0 V_0 V 0 恰好达到这一要求时,E E E 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 = V r − i V i V=V_r-i V_i V = V r − i V i 的情形,其中虚部 V i V_i V 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 e − 2 V i t / ℏ e^{-2 V_i t / \hbar} e − 2 V i t /ℏ 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 = c ψ ~ \psi=c \tilde{\psi} ψ = c ψ ~ ,其中 c c c 为常数(实数或复数),而 ψ ~ \tilde{\psi} ψ ~ 为实函数,那么相应的 j \mathbf{j} j 为零。
习题 5.3.3 考虑
ψ p = ( 1 2 π ℏ ) 3 / 2 e i ( p ⋅ r ) / ℏ \psi_{\mathbf{p}}=\left(\frac{1}{2 \pi \hbar}\right)^{3 / 2} e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}) / \hbar} ψ p = ( 2 π ℏ 1 ) 3/2 e i ( p ⋅ r ) /ℏ
求 j \mathbf{j} j 和 P P P ,并将它们之间的关系与电磁学方程 j = ρ v \mathbf{j}=\rho \mathbf{v} j = ρ v 比较,其中 v \mathbf{v} v 为速度。由于 ρ \rho ρ 和 j \mathbf{j} 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 = A e i p x / ℏ + B e − i p x / ℏ \psi=A e^{i p x / \hbar}+B e^{-i p x / \hbar} ψ = A e i p x /ℏ + B e − i p x /ℏ 。
证明
j = ( ∣ A ∣ 2 − ∣ B ∣ 2 ) p / m j=\left(|A|^2-|B|^2\right) p / m j = ( ∣ A ∣ 2 − ∣ B ∣ 2 ) p / m 。
由于 ψ \psi ψ 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 j j j 的两部分分别与 ψ \psi ψ 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 T T T 与方程 (5.4.21) 比较。[提示:在 k 1 = k 0 k_1=k_0 k 1 = k 0 附近展开因子 ( k 1 2 − 2 m V 0 / ℏ 2 ) 1 / 2 \left(k_1^2-2 m V_0 / \hbar^2\right)^{1 / 2} ( k 1 2 − 2 m V 0 / ℏ 2 ) 1/2 ,Taylor 级数中只保留一阶导数项。]
习题 5.4.2 (a) 对势
V ( x ) = V 0 a δ ( x ) V(x)=V_0 a \delta(x) V ( x ) = V 0 a δ ( x )
的散射,计算 R R R 和 T T T 。
(b) 对下列情形做同样的计算:当 ∣ x ∣ > a |x|>a ∣ x ∣ > a 时 V = 0 V=0 V = 0 ,当 ∣ x ∣ < a |x|<a ∣ x ∣ < a 时 V = V 0 V=V_0 V = V 0 。假设能量为正但小于 V 0 V_0 V 0 。
习题 5.4.3 考虑一维中受到恒力 f f f 作用的粒子。在动量空间中求传播子,并得到
U ( p , t ; p ′ , 0 ) = δ ( p − p ′ − f t ) e i ( p ′ 3 − p 3 ) / 6 m ℏ f U\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} U ( p , t ; p ′ , 0 ) = δ ( p − p ′ − f t ) e i ( p ′3 − p 3 ) /6 m ℏ f
再变换回坐标空间,得到
U ( x , t ; x ′ , 0 ) = ( m 2 π ℏ i t ) 1 / 2 exp { i ℏ [ m ( x − x ′ ) 2 2 t + 1 2 f t ( x + x ′ ) − f 2 t 3 24 m ] } 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\} U ( x , t ; x ′ , 0 ) = ( 2 π ℏ i t m ) 1/2 exp { ℏ i [ 2 t m ( x − x ′ ) 2 + 2 1 f t ( x + x ′ ) − 24 m f 2 t 3 ] }
[提示:将 ψ E ( p ) \psi_E(p) ψ E ( p ) 归一化,使得 ⟨ E ∣ E ′ ⟩ = δ ( E − E ′ ) \left\langle E \mid E^{\prime}\right\rangle=\delta\left(E-E^{\prime}\right) ⟨ E ∣ E ′ ⟩ = δ ( E − E ′ ) 。注意 E E E 不要求为正。]
5.5 双缝实验
5.6 一些定理