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第三章 力学量的算符表示
1.如果算符、满足条件,
求证:,
,
[证] 利用条件,以左乘之得
则有
最后得 。
再以左乘上式得
, 即
则有
最后得
应用数学归纳法可以证明 :
先设 成立,
以左乘上式得
则有
最后得
2.证明
[证] 应用 及,
则
同理可证
则
3.若算符满足
,
求证:
其中,
[证] 方法一:把直接展开,比较系数法。
而
…………
因此,把展开式的的同次幂的系数合并之后,我们容易得到:
方法二:定义算符
其中S是辅助参数。则算符对S的微商给出
…………
取,得
将展开为麦克劳林级数
按定义,,所以我们最后得到
4.如果都是厄密算符,但,向:
(1)是否厄密算符?
(2)是否厄密算符?
[解] 利用厄密算符具有的性质
及
(1)令
则
当 时,,故不是厄密算符。
(2)因,故
因此 是厄密算符。
例如,和都是厄密算符,且,所以不是厄密算符,事实上显然不可能是厄密的。
但是在 中,把它改写为
,显然左方是厄密算符。
5.如果都是厄密算符,而算符,求证:。
[证] 。
6.试证明力学量所对应的算符是,并进一步用数学归纳法证明力学量所对应的算符是。
[证] 先证明一维情况,按定义
而 ,
,
利用恒等式
故
由于:
故
同理
故
对于,可先设成立,然后写出的表示式,进行一次分部积分后,不难得出
7.求:
并由此推出、、分别与的对易关系。
[解] ,,
且
以及 之间均可对易。
故
同理
同理可证,对于分别有
,,
及 ,,
一般地,我们可以将上述各式合并写为:
其中为循环指标,而
8.求
并由此推出分别与的对易关系。
[解]
同理可证:
,
,
一般地,可以把上面的式子合并为
9.一维谐振子处于基态,
其中
求
[解] 。
利用第二章第3题的结果,我们知道是已归一化了的,故
同理,
注意到一维情况下,只须考虑,因此
最后得
讨论:①通过上面的计算看到,在一维谐振子的特殊情况下,其结论与测不准关系
一致。
②的结论,可以从动量几率分布函数得出,利用第二章第3题的结果,处于基态的一维谐振子的动量几率分布函数为
,
它是的偶函数,,这从物理上看是很清楚的。这种对称性(坐标空间和动量空间)是一维谐振子的主要特征之一。
③也可以从动量空间中求平均而得到。
在以为自变量的表示式中,一维谐振子的薛定谔方程为
,
令 代入上式可得
在以为自变量的表示式中,考虑到算符,故薛定谔方程为
同理可令 ,于是有
显然的解只须在中以代替即得:
而
故
和上面得出的结果一致。
10.一维运动的粒子处在
,
求
[解]由第二章第1题知归一化系数为
在上面的计算中利用了积分公式
最后得
讨论:①,满足测不佳关系。
②用及求得的结果也和上面的结果一致。
显然,在已知的情况下,把用算符代替,直接用坐标几率分布函数表计算或,比先由求动量几率分布函数,再由
来或简单得多,由此可见,力学量用算符表示,非但有深刻的物理意义,而且也给计算带来方便。
③在第四章将看到,一个力学量,不管用作自变数,还是用或其它量作自变数,计算出来的平均值都相同。从物理上看来,这也是明显的,因为平均值正是实验测量的值,它不应当和计算方法有关。
11.求粒子处在态时角动量的分量和角动量分量的平均值;并证明:
[解](1)先证明两个普遍的关系:
可以用两种方法来证明。
(a)从角动量算符所满足的对易关系出发:
或
由一式与二式乘i后相加减可得:
或
用算符对运算得:
另外,注意到和均可对易,故有:
所以
从上面二式可见既是的本征函数,本征值为,又是的本征函数,本征值为,亦即,具有的形式。
令
它的共轭复式是
二式相乘,对积分,再注意到的正交性,得:
(b)用直接求微分的方法证明
而 ;
其中
故
同样,对也有
其中
可证明如下:
因为勒襄德多项式满足方程
对上式求微商次后得到
或
故有
(2)现在来求和
注意到的正交性,亦即
令
同理可知
故
(3)
注意到的正交性,得:
同理可证:
故
方法三:在固定z轴不变的情况下,进行坐标旋转,把原来的y轴变为x轴,仍然保持右旋坐标,这时角不变,唯一的改变是变为,注意到和的对称性,不难由在球坐标中的算符表示式看出
而
讨论:①为了证
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