曾谨言量子力学第4章.pptVIP

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§4.1 力学量随时间的演化 §4.2 波包的运动,Ehrenfest定理 §4.3 Schrödinger 图像与Heisenberg图像 §4.4 * 守恒量与对称性的关系 §4.5 全同粒子体系与波函数的交换对称性 第4 章 力学量随时间的演化与对称性 §4.1 力学量随时间的演化 4.1.1 守恒量 1. 经典物理中的守恒量 动量守恒: 质点受的合外力为零 机械能守恒:外力和内非保守力不做功 角动量守恒:质点所受到的合外力矩为零 2. 量子力学中的守恒量 守恒量:在任意态下力学量的平均值不随时间变化 守恒量:力学量的值不随时间变化 在任意量子态ψ下,力学量A的平均值为 守恒的条件? 若力学量不显含时间,即 则 若 Note 可见:若力学量A与体系的哈密顿量对易,则A为守恒量。 选包括H和A在内的一组力学量完全集,则 体系的任意量子态可表示为 3. 守恒量的性质 在Ψ态下,测力学量A的Ak的概率为 则该概率随时间的变化为 结论: 如果力学量A不含时间,若[A, H]=0(即为守恒量),则 无论体系处于什么状态,A的平均值和测值概率均不随时间变化。 4. 经典与量子力学中的守恒量间的关系 5. 守恒量与定态 (1) 定态是体系的一种特殊状态,即能量本征态,而守恒量则 是一种特殊的力学量,与体系的Hamilton量对易。 (2) 在定态下一切力学量的平均值和测值概率都不随时间改变; 而守恒量则在一切状态下的平均值和测值概率都不随时间 改变 (1) 与经典力学中的守恒量不同,量子力学中的守恒量不一定取 确定的数值. 若初始时刻体系处于守恒量A的本征态,则体系 将保持在该本征态。此态对应的量子数将伴随终生,因此守 恒量的本征态对应的量子数称为好量子数。 (2) 量子体系的各守恒量并不一定都可以同时取确定值。 例题1 判断下列说法的正误 (1)在非定态下,力学量的平均值随时间变化(错) (2) 设体系处在定态,则不含时力学量测值的概率不随时间变化(对) (3)设哈密顿量为守恒量,则体系处在定态(错) (4) 中心力场中的粒子处于定态,则角动量取确定的数值(错) (5) 自由粒子处于定态,则动量取确定值(错) (能级是二重简并的) (6)一维粒子的能量本征态无简并(错) (一维束缚态粒子的能量本征态无简并) 证明: 对于属于能量E的任何两个束缚态波函数有 则 两边同时积分得 4.1.2 能级简并与守恒量的关系 定理 设体系有两个彼此不对易的守恒量F和G,即 [F,H]=0,[G,H]=0,[F,G]≠0, 则体系能级一般是简并的。 证明: [F, H]=0,则F, H有共同的本征函数ψ 又因为 [G, H]=0, 则 即GΨ也是H的本征函数,对应的本征值也是E, 即体系的能级是简并的。 推论: 如果体系有一守恒量F,而体系的某条能级并不 简并,即对应某个能量本征值E只有一个本征态 ΨE,则ΨE必为F 的本征态。 证明:设ΨE是一能量本征态。因F是守恒量,则[F, H]=0 即FΨE也是一个能量本征态,对应的本征值也是E. 根据假定能级不简并,则必有 即ΨE也是F的本征态,对应的本征值是F´. 例如: 一维谐振子势中粒子的能级并不简并,空间反射算符P为 守恒量, [P,H]=0, 则能量本征态必为P的本征态,即有确 定的宇称。事实上,也确是如此, 结论: 体系的守恒量总是与体系的某种对称性相联系,而能级 简并也往往与体系的某种对称性相联系。在一般情况下, 当能级出现简并时,可以根据体系的对称性,找出其守 恒量。 位力定理: 设粒子处于势场V(r),其哈密顿为 r·p的平均值随时间的变化为 对定态有 则 证明: 思考题: r·p并不是厄米算符,应进行厄米化 这是否会影响位力定理得证明。 答:从位力定理的证明可以看出,将r·p厄米化后并不能影响 到定理的证明。 例题1 设V(x,y,z)是x,y,z的n次齐次函数,即 证明 如谐振子 库仑势 δ势 证明: 两边对c求导数得 令c =1得 则由位力定理得 例题2 求一维谐振子在态Ψn下的动能和势能的平均值 解: 一维谐振子的能量本征值为 由位力定理知: 则 所以 1. 波包的运动与经典粒子运动的关系 设质量为m的粒子在势场V(r)中运动,用波包Ψ(r,t)描述,显然Ψ(r,t)必为非定态,因此处于定态的粒子的概率密度是不随时间变化的:与经典粒子运动对应的量子态为非定态 设粒子

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