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2003年哈尔滨工业大学量子力学试题
2003年量子力学试题解答
一、(30分)回答下列问题
1、何谓微观粒子的波粒两象性?
解:微观粒子既不是粒子,也不是波。更确切地说,它既不是经典意义下的粒子,也不是经典意义下的波,但是,它即具有经典粒子的第一条属性(具有确定的质量、电荷与自旋),又具有经典波动的第三条属性(具有干涉与衍射现象)。严格地说,电子就是电子,粒子与波只是微观粒子的两种不同的属性。如果硬是要用经典的概念来理解它的话,那么,它既具有经典粒子的属性又具有经典波动的属性,是经典粒子与经典波动这一对矛盾的综合体。
2、波函数是用来描述什么的?它应该满足什么样的自然条件?的物理含义是什么?
解:波函数是用来描述体系的状态的复函数,除了应满足平方可积的条件之外,它还应该是单值、有限和连续的。表示在时刻附近体积元中粒子出现的几率密度。
3、分别说明什么样的状态是束缚态、简并态与负宇称态?
解:当粒子的坐标趋向无穷远时,波函数趋向零,称之为粒子处于束缚态。若一个本征值对应一个以上的本征态,则称该本征值是简并的,所对应的本征态即为简并态,本征态的个数就是相应的简并度。将波函数中的坐标变量改变一个负号,若新波函数与原波函数相差一个负号,则称其为负宇称态。
4、物理上可观测量应该对应什么样的算符?为什么?
解:物理上可观测量对应线性厄米特算符。线性是状态叠加原理要求的,厄米特算符的本征值是实数,可与观测值比较。
5、坐标分量算符与动量分量算符的对易关系是什么?并写出两者满足的测不准关系。
解:对易关系为,测不准关系为
6、厄米算符的本征值与本征矢分别具有什么性质?
解:本征值为实数,本征矢为正交、归一和完备的函数系。
二、(20分)(见习题选讲6.1)设氢原子处于
的状态上,求其能量、角动量平方及角动量分量的可能取值与相应的取值几率,进而求出它们的平均值。
解:选为描述体系的力学量完全集,氢原子的本征解为
其中,量子数的取值范围是
利用归一化条件求出归一化常数为
氢原子的能量只与主量子数有关,以题意可知,的可能取值只有两个,即,于是
角动量量子数的可能取值只有一个,即,故有
角动量磁量子数的可能取值有两个,即,于是
三、(25分)有一质量为的粒子,在如下势场中运动
试求出束缚能级所满足的方程。
解:当时,四个区域的波函数分别为
式中,
;
由处波函数连续可知,,由处波函数连续可知
再利用处波函数及其一阶导数连续的条件
求出
此即时能量本征值满足的超越方程。
当时,四个区域的波函数分别为
式中,
;
由处波函数连续条件可知,
或者
再利用处波函数及其一阶导数连续的条件
利用与的关系式,将上两式改写为
最后,得到时能量满足的超越方程
四、(25分)设厄米特算符的本征矢为,构成正交归一完备系,定义一个算符
计算对易子;
证明 ;
计算迹,其中,算符的迹定义为
;
若算符的矩阵元为,证明
解:
(1)对于任意一个态矢,有
故
(2)
(3)算符的迹为
(4)算符
而
(25分)自旋为、固有磁矩为(其中为实常数)的粒子,处于均匀外磁场中,设时,粒子处于的状态,
求出时的波函数;
求出时与的可测值及相应的取值几率。
解:体系的哈密顿算符为
在泡利表象中,哈密顿算符的本征解为
在时,粒子处于的状态,即
为了求出在泡利表象中的具体形式,需要求解满足的本征方程
解之得
于是,有
由于,哈密顿算符不显含时间,故时刻的波函数为
(2)因为,所以是守恒量,它的取值几率与平均值不随时间改变,换句话说,只要计算时的取值几率就知道了时的取值几率。
由于
;
故有
而的取值几率为
而
六、(25分)(类似习题选讲9.4)已知二维谐振子的哈密顿算符为,在对其施加微扰后,利用微扰论求基态能量至二级修正、第二激发态能量至一级修正。
提示:,其中,,为线谐振子的第个本征矢。
解:体系的哈密顿算符为
其中,
已知的解为
其中,
将前三个能量与波函数具体写出来,
对于基态而言,,,体系无简并。
利用公式
可知
显然,求和号中不为零的矩阵元只有
于是得
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