3-第3章 中心力场
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第3章 中心力场
1. 氢原子处在基态0/301
),,(a r e a r ?=π?θψ，求：
(1)r 的平均值；
(2)势能r
e 2
?的平均值； (3)最概然半径。
2. 更一般地，对于氢原子的()m n n ,1,?态，求最概然半径以及r r r Δ,,2.
3. 对于氢原子的基态，计算p x Δ?Δ. （注：基态波函数可以直接调用）。
4. 试证明：处于2p态的氢原子的电子在离原子核的距离分别为
4a的球壳内被
a为第一玻尔轨道半径 ) （注：径向波函数可以直接调用）。发现的概率最大(
5. 设氢原子处于态
),()(2
3),()(21),,(1,1210,121?θ?θ?θψ??=Y r R Y r R r ， 求氢原子能量，角动量平方及角动量z 分量的可能值，这些可能值出现的概率和这些力学量的期望值.
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高等量子力学复习题
上册 1.3 粒子在深度为0V ,宽度为a 的直角势阱(如图1.3)中运动,求 (a)阱口刚好出现一个束缚态能级(即0V E ≈)的条件; (b)束缚态能级总和,并和无限深势阱作比较 . 解 粒子能量0V E 小于时为游离态,能量本征值方程为: []0)(22''=-+ ψψx V E m (1) 令002k mV = ,β=- )(20E V m (2) 式(1)还可以写成 ?? ???≥=-≤=+）（阱外）（阱内4)(2,03)(2,022''2''a x a x mE ψβψψψ 无限远处束缚态波函 数应趋于0，因此式(4)的解应取为()2,a x Ce x x ≥=-βψ 当阱口刚好出现束缚态能级时,0,0≈≈βV E ,因此 2,0)('a x Ce x x ≥≈±=-ββψ （6） 阱内波函数可由式(3)解出,当0V E ≈解为 ()()2,s i n ,c o s 00a x x k x x k x ≤?? ?==ψψ奇宇称 偶宇称 （7） 阱内、外ψ和ψ应该连续，而由式（6）可知，2a x =处，0'=ψ， 将这条件用于式（7），即得 ,5,3,,02cos ,6,4,2,02 sin 0000ππππππ====a k a k a k a k 奇宇称偶宇称(8) 亦即阱口刚好出现束缚能级的条件为 ,3,2,1, 0==n n a k π （9） 即2 22202π n a mV = （10） 这种类型的一维势阱至少有一个束缚能级，因此，如果 2 2202π< a mV ，只存在一个束缚态，偶宇称（基态）。如果22202π = a mV ，除基态外，阱口将再出现一个能级（奇宇称态），共两个能级。如() 222022π= a mV ，阱口将出现第三个能级(偶宇称)。依此类推，由此可知，对于任何20a V 值，束缚态能级总数为 其中符号[A]表示不超过A 的最大整数。 当粒子在宽度为a 的无限深方势阱中运动时，能级为 ,3,2,1,212 =?? ? ??=n a n m E n π 则0V E ≤的能级数为 120-=?? ????=N mV a n π （12） 也就是说，如果只计算0V E ≤的能级数，则有限深)(0V 势阱的能级数比无限深势阱的能级数多一个。注意，后者的每一个能级均一一对应的高于前者的相应能级。
第五章微扰理论习题
第五章 微扰理论 第一部分：基本概念与基本思想题目 1. 定态微扰理论主要研究什么样的物理体系？ 2. 00//????? 在微扰理论中，中的和各应满足什么条件？H H H H H =+ 3. 讨论无简并微扰理论的适用条件，说明其表达式的物理意义。 4. 何为吸收和发射? 说明自发发射和受激发射? 为什么量子力学无法解释自发发射? 5. 讨论原子中的电子与光的相互作用时,为什么忽略电子和磁场间的相互作用? 6. 与定态微扰理论相比,含时微扰理论所要解决的问题有何不同? 7. 何为Stark 效应? 8. 试述变分法的基本思想及其所解决的问题? 9. 中心力场中电子跃迁选择定则是什么? 第二部分: 基本技能训练题 1. 设氢原子中价电子所受有效作用势为 222 2020 () 014s s s e e a e U r e r r λλπε=--=<≤其中 试用微扰理论求基态能量(准确到一级). 2. 00102030000123100()()**()()()()()?, : H , |||| ,设在表象中的矩阵表示为其中和试用微扰理论求能量本征方程的本征值准确到二级。 H H E a E b a b E E E E a b E ????=??????<<<<
3. 转动惯量为I 电偶极矩为D 的空间转子处于均匀电场ε中，若电场很小，用微扰法计算转子基态能量的二级修正。 4. 设体系未受微扰时只有二个能级E 10及E 20， 现在受到微扰H /作用, 微扰矩阵元为12211122////, ; a,b ,H H a H H b ====都是实数用微扰公式计算能量到二级修正. 5. 基态氢原子处于平行电场中,若电场是均匀的且随时间按指数下降,即 0t -0 t 0e t 0 ( 0 ) τεετ?当当的参数 求经过长时间后氢原子处于2p 态的几率。 6. 粒子处于宽为a 的一维无限深势阱中，若微扰为 /a 0x 2()a x a 2 b H x b ?-≤≤??=??<≤??求粒子能量的一级修正。 7. 计算氢原子由第一激发态到基态的自发发射几率。 8. 用狄拉克符号求线性谐振子偶极跃迁的选择定则。 9. 对于处于宽度为a 的一维无限深势阱中的粒子（质量为m 0），受到微扰 V(x)＝V 0cos (2π/a)x 求体系的能量(准确到二级)。 10. 设在H 0表象中0102()() E a b H b E a ??+= ?+?? （a,b 为实数）
高等量子力学习题汇总(可编辑修改word版)
2 i i i j i j ± 第一章 1、简述量子力学基本原理。 答：QM 原理一 描写围观体系状态的数学量是 Hilbert 空间中的矢量,只相差一个复数因子的两个矢量，描写挺一个物理状态。QM 原理二 1、描写围观体系物理量的是 Hillbert 空间内的厄米算符( A ? )；2、物理量所能取的值是相应算符 A ? 的本征值；3、 一个任意态总可以用算符 A ? 的本征态 a i 展开如下： = ∑C i a i i C i = a i ；而 物理量 A 在 中出现的几率与 C i 成正比。原理三 一个微观粒子在直角坐标下的位置 算符 x ? 和相应的正则动量算符 p ? 有如下对易关系： [x ? , x ? ]= 0 ， [p ? , p ? ] = 0 ， [x ?i , p ? j ]= i ij 原理四 在薛定谔图景中，微观体系态矢量 (t ) 随时间变化的规律由薛定谔方程给 i ? ?t (t ) = H ? (t ) 在海森堡图景中，一个厄米算符 A ?(H ) (t ) 的运动规律由海森堡 方程给出： d A ?(H ) (t ) = 1 [A ?(H ), H ? ] 原理五 一个包含多个全同粒子的体系，在 dt i Hillbert 空间中的态矢对于任何一对粒子的交换是对称的或反对称的。服从前者的粒子称为玻色子，服从后者的粒子称为费米子。 2、薛定谔图景的概念？ 答： (x, t ) =< x |(t )>式中态矢随时间而变而 x 不含 t ，结果波函数ψ(x ，t )中的宗量 t 来自 ψ(t ) 而 x 来自 x ，这叫做薛定谔图景. ?1 ? ? 0? 3、 已知 = ?,= ?. 0 1 (1)请写出 Pauli 矩阵的 3 个分量； (2)证明σ x 的本征态 ? ? ? ? 1 ?1 ? 1 | S x ± >= ? = ? 1? (± ). 4、已知：P 为极化矢量，P=<ψ|σ|ψ>，其中ψ=C 1α+C 2β，它的三个分量为： 求 证： 2 2
量子力学期末考试试卷及答案
量子力学期末试题及答案 红色为我认为可能考的题目 一、填空题： 1、波函数的标准条件：单值、连续性、有限性。 2、|Ψ（r,t）|^2的物理意义：t时刻粒子出现在r处的概率密度。 3、一个量的本征值对应多个本征态，这样的态称为简并。 4、两个力学量对应的算符对易，它们具有共同的确定值。 二、简答题： 1、简述力学量对应的算符必须是线性厄米的。 答：力学量的观测值应为实数，力学量在任何状态下的观测值就是在该状态下的平均值，量子力学中，可观测的力学量所对应的算符必须为厄米算符；量子力学中还必须满足态叠加原理，而要满足态叠加原理，算符必须是线性算符。综上所述，在量子力学中，能和可观测的力学量相对应的算符必然是线性厄米算符。 2、一个量子态分为本征态和非本征态，这种说法确切吗？ 答：不确切。针对某个特定的力学量，对应算符为A，它的本征态对另一个力学量（对应算符为B）就不是它的本征态，它们有各自的本征值，只有两个算符彼此对易，它们才有共同的本征态。 3、辐射谱线的位置和谱线的强度各决定于什么因素？ 答：某一单色光辐射的话可能吸收，也可能受激跃迁。谱线的位置决定于跃迁的频率和跃迁的速度；谱线强度取决于始末态的能量差。 三、证明题。
2、证明概率流密度J不显含时间。 四、计算题。 1、
第二题： 如果类氢原子的核不是点电荷，而是半径为0r 、电荷均匀分布的小球， 计算这种效应对类氢原子基态能量的一级修正。 解：这种分布只对0r r <的区域有影响，对0r r ≥的区域无影响。据题意知 )()(?0 r U r U H -=' 其中)(0r U 是不考虑这种效应的势能分布，即 2004ze U r r πε=-（） )(r U 为考虑这种效应后的势能分布，在0r r ≥区域， r Ze r U 024)(πε-= 在0r r <区域，)(r U 可由下式得出， ?∞ -=r E d r e r U )( ???????≥≤=??=)( 4 )( ,43441 02 003003303 420r r r Ze r r r r Ze r r Ze r E πεπεπππε ??∞ --=0 )(r r r Edr e Edr e r U ?? ∞ - - =00 20 2 3 002 144r r r dr r Ze rdr r Ze πεπε )3(84)(82 203 020*********r r r Ze r Ze r r r Ze --=---=πεπεπε )( 0r r ≤ ?? ???≥≤+--=-=')( 0 )( 4)3(8)()(?00022 2030020r r r r r Ze r r r Ze r U r U H πεπε
量子力学问答题
1. 经典物理学遇到哪些困难？从中得到哪些启示？ 2. 普朗克为了解释自己提出的经验公式，作了怎样的假定？这一假定的思想与经典思想有何区别？ 3. 爱因斯坦重新肯定光的粒子性与牛顿的光的微粒说有何区别？ 4. 普朗克--爱因斯坦关系式有何意义？ 5. 玻尔量子论的两个重要概念和它的缺陷，玻尔量子理论是否可能揭示出微观粒子运动本质？这什么？ 6. 在康普顿效应的初步理论中指出，当散射的时候，波长的改变与散射物理性质无关，这个结论是否正确？这个效应与物质的性质有什么关系？ 7. 徳布罗意提出的实物粒子具有波粒二象性的基本思想是什么？德布罗意关系式与普朗克--爱因斯坦关系式有何区别？ 8. 德布罗意关系式在有外场时是否成立？怎样理解？ 9. 微观粒子具有什么特征？有无根据？ 10. 自由粒子的动能E，若它的速度远小于光速C，则该粒子的德布罗意波长为多少？ 11. 人们曾经对波的理解有哪两种观点？是否正确？ 12. 波和粒子的关系究竟如何？电子是粒子还是波？怎样理解？ 13. 玻恩的统计解释怎样？为什么波函数能描写粒子的一切性质？怎样理解？ 14. 归一化条件的物理意义是什么？波函数的标准条件是什么？ 15. 几率波有哪些重要性质？经典波与几率波的根本区别是什么？ 16. 如何用实验装置来测量粒子的动量？ 17. 为什么薛定谔方程必须是线性方程？ 18. 薛定谔方程在量子力学中的地位，如何来建立它？ 19. 叙述几率流密度矢量的物理意义？ 20. 什么是定态？处于定态下的粒子具有怎样的特征？ 21. 在力场中运动的粒子是否可用定态波来描述？ 22. 薛定谔方程应满足什么条件？ 23. 自由粒子是什么？ 24. 人们对物质粒子的波动性早期理解有哪两种较为普遍的观点？为什么这些现象都是片面的，是不正确的？ 25. 波和粒子的关系究竟如何？怎样理解几率波，为什么说几率波正确地把物质粒子的波动性和原子性统一起来？ 26. 证明一维运动束缚定态都是不简并的？ 27. 为什么一维运动束缚定态波函数是实数？ 28. 什么是束缚态？什么是自由态？什么是基态？束缚态与自由态以能级怎样？ 29. 什么是能量本征值？什么是能量本征函数？H不变，即能量守恒是否意味着能量一定处于能量本征态中？为什么？ 30. 何谓透射系数和反射系数，何谓遂道效应，怎样求出透射系数和反射系数？怎样理解反射系数？ 31. 在什么情况下发生共振透射？怎样理解共振透射？ 32. 线性谐振子的能谱怎样？与旧量子论有何区别？ 33. 在几率分布中有波节存在，粒子怎样通过几率为0的点？ 34. 什么叫算符？量子力学的算符有何性质？ 35. 量子力学中为什么要引进算符来表示力学量？ 36. 证明在任何状态下，厄密算符的平均值都是实数，其定理也成立。
高等量子力学考试知识点
1、黑体辐射： 任何物体总在吸收投射在它身上的辐射。物体吸收的辐射能量与投射到物体上的辐射能之比称为该物体的吸收系数。如果一个物体能吸收投射到它表面上的全部辐射，即吸收系数为1时，则称这个物体为黑体。 光子可以被物质发射和吸收。黑体向辐射场发射或吸收能量hv的过程就是发射或吸收光子的过程。 2、光电效应（条件）： 当光子照射到金属的表面上时，能量为hv的光子被电子吸收。 临界频率v0满足 （1）存在临界频率v0，当入射光的频率v 7、一维无限深势阱（P31） 8、束缚态：粒子只能束缚在空间的有限区域，在无穷远处波函数为零的状态。 一维无限深势阱给出的波函数全部是束缚态波函数。 从（2.4.6）式还可证明，当n分别是奇数和偶数时，满足 即n是奇数时，波函数是x的偶函数，我们称这时的波函数具有偶宇称；当n是偶数时，波函数是x的奇函数，我们称这时的波函数具有奇宇称。 9、谐振子（P35） 10、在量子力学中，常把一个能级对应多个相互独立的能量本征函数，或者说，多个相互独立的能量本征函数具有相同能量本征值的现象称为简并，而把对应的本征函数的个数称为简并度。但对一维非奇性势的薛定谔方程，可以证明一个能量本征值对应一个束缚态，无简并。 11、半壁无限高（P51例2） 12、玻尔磁子 13、算符 对易子 厄米共轭算符 厄米算符：若，则称算符为自厄米共轭算符，简称厄米算符 性质：（1）两厄米算符之和仍为厄米算符 （2）当且仅当两厄米算符和对易时，它们之积才为厄米算符，因为 只在时，，才有，即仍为厄米算符 第一章 1、简述量子力学基本原理。 答：QM 原理一 描写围观体系状态的数学量是Hilbert 空间中的矢量,只相差一个复数因子的两个矢量，描写挺一个物理状态。QM 原理二 1、描写围观体系物理量的是Hillbert 空间内的厄米算符(A ?)；2、物理量所能取的值是相应算符A ?的本征值；3、一个任意态 总可以用算符A ?的本征态i a 展开如下：ψψi i i i i a C a C ==∑,；而物理量A 在 ψ 中出现的几率与2 i C 成正比。原理三 一个微观粒子在直角坐标下的位置算符i x ?和相应的正则动量算符i p ?有如下对易关系：[]0?,?=j i x x ，[]0?,?=j i p p ，[] ij j i i p x δ =?,? 原理四 在薛定谔图景中，微观体系态矢量()t ψ随时间变化的规律由薛定谔方程给 ()()t H t t i ψψ?=?? 在海森堡图景中，一个厄米算符() ()t A H ?的运动规律由海森堡 方程给出： ()()()[] H A i t A dt d H H ? ,?1? = 原理五 一个包含多个全同粒子的体系，在Hillbert 空间中的态矢对于任何一对粒子的交换是对称的或反对称的。服从前者的粒子称为玻色子，服从后者的粒子称为费米子。 2、薛定谔图景的概念？ 答：()()t x t ψψ|,x =<>式中态矢随时间而变而x 不含t ，结果波函数()t x ，ψ中的宗量t 来自()t ψ而x 来自x ，这叫做薛定谔图景. 3、 已知.10,01??? ? ??=???? ??=βα (1)请写出Pauli 矩阵的3个分量； (2)证明σx 的本征态).(211121|βα±=??? ? ??±>=±x S 4、已知：P 为极化矢量，P=<ψ|σ|ψ>，其中ψ=C 1α+C 2β，它的三个分量为： 求证： 答案：设：C 1=x 1+iy 1,C 2=x 2+iy 2 第六章 中心力场 一、内容提要 1、径向方程的求解 粒子在中心力场中()V r 中运动时, 体系的哈密顿量为 2222??1??()22r p L H V r p r μμ??=+=- ???, 其中1?r p i r r ???=-+ ???? 描述体系运动状态的力学量完备组取为{} 2 ???,,z H L L , 而定态波函数的一般形式为: () (,,)()(,)(,)l l lm lm r r R r Y Y r χψθ?θ?θ?==, 径向波函数()l R r 满足的径向方程为: ()22022(1)()()()()0()l l l l r l l R r R r E V r R r r r R r μ=?+??'''++--=???????=?有限值 或()l r χ满足的径向方程为: ()2202(1)()()()0()0 l l l r l l r E V r r r r μχχχ=?+??''+--=???????=? 2、类氢离子 电子在势场2 ()Ze V r r =-中运动, 定态能级和定态波函数分别为: (1)、束缚态能级公式: 222 1 1,2,2n Z e E n a n =-= 分立谱 (2)、束缚态能级间距: 22122112(1)n n Z e E E E a n n +?? ?=-=-- ?+?? , 即随着n 的增加，能级间距将减小。因此能级越来越密。 (3)、能级简并度：2 f n =。 (4)、定态波函数为: (,,)()(,)nlm nl lm r R r Y ψθ?θ?=, 其中径向波函数为 ()2()1, 2(1), 2l Zr na nl nl Zr R r N e F l n l Zr na na -??=+-+ ??? , 其中归一化系数为 nl N =21, 2(1), Zr F l n l na ? ?+-+ ?? ?是合流超几何函数， 而2 2 a e μ=是玻尔半径。 (5)、描述波函数的几个好量子数为： 主量子数： 1,2,3n = 角量子数： 0,1,2, ,1l n =- 磁量子数： 0,1,2,,m l =±±±。 3、三维各项同性谐振子 势函数为221 ()2 V r m r ω= ，定态能级和定态波函数分别为: (1)、能级公式：()32 20,1,2, N r E N N n l ω= +=+= (2)、能级简并度为：1 (1)(2)2 N g N N = ++。 (3)、能级是等间距的，即1N N E E E ω+?=-=。 (4)、波函数为(,,)()(,)r n l lm r R r Y ψθ?θ?=，其中径向归一化的波函数为 () ()2212 2322 22(),32,r r l n l r n l r R r r e F n l r αααα+--? ?=-+ 而α=。 r n 表示径向波函数的节点数（0,r =∞两点除外）。 (5)、两个最低的径向波函数分别为： 当0r n =时，() 22 12322 0()l l r l R r r e α αα+-??= ； 当1r n =时，()()22 12 332 22 1()32l l r l R r r e l r α ααα+-??=+-。 4、三维各项异性谐振子 第五章 中心力场 §5.1 中心力场中粒子运动的一般性质 一、角动量守恒与径向方程 设质量为μ的粒子在中心力场中运动，则哈密顿量算符表示为： 2??()2p H V r μ=+ 22 ()2V r μ =-?+ ， 与经典力学中一样，角动量 l r p =? 也是守恒量，即 ?0l t ?=? ??[,]0l H = 2 22221?()22l H r V r r r r r μμ????=-++ ????? 2,0z l l ??=???? ； 2?,0l H ??=???? ； ( ) 2?,,z H l l 构成力学量完全集，存在共同本征态； 定态薛定谔(能量本征方程)：2 22 22 1()22l r V r E r r r r ψψμμ????????-++= ????????? 上式左边第二项称为离心势能，第一项称为径向动能算符。 取ψ为 () 2,,z H l l 共同本征态，即：()()(),,,l lm r R r Y ψθ?θ?= (),lm Y θ?是() 2 ,z l l 共同本征态：0,1,2,...l =，0,1,2,...,m l =±±± 分离变量：()()2222 2120l l l E V l l d d R R R r dr dr r μ-+?? ++-= ??? 径向方程可写为：()()2222 2()120l l l E V r l l dR d R R dr r dr r μ-+?? ++-=???? ，0,1,2,...l = (1) 为求解径向方程，引入变换：() ()l l r R r r χ= ； 径向方程简化为：()()2 222 2()10l l E V r l l d dr r μχχ-+??+-=??? ? (2) 不同的中心力场中粒子的能量本征波函数的差别仅在于径向波函数R l (r )或χl (r )，它们由中心势V (r )的性质决定。一般而言，中心力场中粒子的能级是2l +1重简并的。 在一定边条件下求解径向方程(1)或(2)，即可得出能量本征值E 。对于非束缚态，E 是连续变化的。对于束缚态，则E 取离散值。在求解径向方程时，由于束缚态边条件，将出现径向量子数n r ， 2008~2009郑州大学物理工程学院电子科学与技术专业 光电子方向量子力学试题（A 卷） （说明：考试时间120分钟，共6页，满分100分） 计分人： 复查人： 一、填空题：（每题 4 分，共 40 分） 1. 微观粒子具有 波粒 二象性。 2．德布罗意关系是粒子能量E 、动量P 与频率ν、波长λ之间的关系，其表达式为： E=h ν, p=/h λ 。 3．根据波函数的统计解释，dx t x 2 ),(ψ的物理意义为：粒子在x —dx 范围内的几率 。 4．量子力学中力学量用 厄米 算符表示。 5．坐标的x 分量算符和动量的x 分量算符x p 的对易关系为：[],x p i =h 。 6．量子力学关于测量的假设认为：当体系处于波函数ψ(x)所描写的状态时，测量某力学量 F 所得的数值，必定是算符F ?的 本征值 。 7．定态波函数的形式为： t E i n n e x t x η -=)(),(?ψ。 8．一个力学量A 为守恒量的条件是：A 不显含时间，且与哈密顿算符对易 。 9．根据全同性原理，全同粒子体系的波函数具有一定的交换对称性，费米子体系的波函数是_反对称的_____________,玻色子体系的波函数是_对称的_______ _。 10．每个电子具有自旋角动量S ρ，它在空间任何方向上的投影只能取两个数值为： 2 η± 。 二、证明题：（每题10分，共20分） 1、（10分）利用坐标和动量算符的对易关系，证明轨道角动量算符的对易关系： 证明： z y x L i L L? ] ?, ?[η = ] ? ? , ? ? [ ] ?, ?[ z x y z y x p x p z p z p y L L- - = ] ? ? , ? [ ] ? ? , ? [ z x y z x z p x p z p z p x p z p y- - - = ] ? , ? [ ] ? , ? [ ] ? , ? [ ] ? , ? [ z y x y z z x z p x p z p z p z p x p y p z p y+ - - = ] ? , ? [ ] ? , ? [ z y x z p x p z p z p y+ = y z z y z x x z p p x z p x p z p p z y p z p y?] ? , [ ] ? , ?[ ?] ? , [ ] ? , ?[+ + + = y z x z p p x z p z p y?] ? , [ ] ? , ?[+ = y z y z x z x z p p x z p p z x p z p y p p yz? ?] , [ ?] ?, [ ?] , ?[ ] ?, ?[+ + + = y x p i x p i y?) ( ?) (η η+ - = ] ? ? [ x y p y p x i- =η z L i?η = 高等量子力学复习 主讲老师：张盈 记录整理：王宏辉 开始第一节课我们告诉大家了，什么是高等量子学，它和普通量子学的一个区别。其实按理说这门课学完，我们应该回过头来想一想，为什么？至少你可以通过描述一个问题来回答清楚，比如说量子力学适用于研究怎样的对象？ 这个问题并不是那么好回答，不能简单的说低速的就可以，微观的就行，不是这么简单。那么它有几个层次。 一个就是量子力学和薛定谔方程实际上是不一样，不能把薛定谔方程适用的对象看成是量子力学的对象。这个我给大家说过吧，因为你像狄拉克方程啊，克莱因-戈登方程都属于量子力学。所以量子力学适用于研究的对象是量子力学搭建的这个理论构架所适用研究的对象。这是我们说的第一个层次，你要区分量子力学和薛定谔方程。 第二个层次，你要从量子力学的基本原理，或者说薛定谔方程里面，其他的方面看出来，它适用研究的对象，为什么具有这个特点。也就是说，你说它适用于微观，我们从薛定谔方程或者狄拉克方程里面，怎么能看出来它适用微观。你说它适用于也就是这种粒子数不变的体系，你要能说明这一点，这个方程的体系里面，要能把这些东西对应上。这是第二个层次。 所以回答这个问题的时候应该是站在高等量子的高度，从你们学过的这个课程的基础之上来回答，不再是像以前那个量子力学低速微观OK。简单是这样子。所以这个问题有时候蛮复杂的。 首先我们说这门课的时候，你要理清几个大块，也就是我们这几章。 在第一个大章里面，我们给大家介绍的是量子力学的一个理论的构架。在这个理论构架里面，我们先给大家讲了三条基本假设，大家还能举起来吗？第一条：态，就是关于希尔伯特空间的。第二条：厄米算符是力学量的候选者，第三条：统计解释。 那么我们一个一个来回顾一下。 第一条假设，物理的状态对应希尔伯特空间中的一个矢量，更准确的说，实 研究生课程教学大纲 高等量子力学 一、课程编码：21-070200-B01-17 课内学时： 64 学分： 4 二、适用学科专业：理学，工学 三、先修课程：数理方法，理论力学，电动力学，量子力学，热力学统计物理 四、教学目标 通过本课程的学习，使研究生掌握希尔伯特空间，量子力学基本理论框架，了解狄拉克 方程，量子力学中的对称性与守恒定律，二次量子化等理论知识，提升在微观体系中运用量 子力学的基本能力。 五、教学方式：课堂讲授 六、主要内容及学时分配 1 希尔伯特空间10学时 1.1 矢量空间 1.2 算符 1.3 本征矢量和本征值 1.4 表象理论 1.5 矢量空间的直和与直积 2 量子力学基本理论框架20学时 2.1 量子力学基本原理 2.2 位置表象和动量表象 2.3 角动量算符和角动量表象 2.4 运动方程 2.5 谐振子的相干态 2.6 密度算符 3 狄拉克方程 6学时 4 量子力学中的对称性 5学时 5 角动量理论简介 5学时 6 二次量子化方法16学时 6.1 二次量子化 6.2 费米子 6.3 玻色子 复习 2学时七、考核与成绩评定：以百分制衡量。 成绩评定依据: 平时作业成绩占30%，期末笔试成绩占70%。 八、参考书及学生必读参考资料 1. 喀兴林，《高等量子力学》，.[M]北京：高等教育出版社，2001 2. Franz Schwabl,《Advanced Quantum Mechanics》，.[M]北京：世界图书出版公司：2012 3. 曾谨言，《量子力学》，.[M]北京：科学出版社：第五版2014或第四版2007 4. https://www.360docs.net/doc/bc7024099.html,ndau, M.E.Lifshitz，《Quantum Mechanics (Non-reativistic Theory)》，.[M]北京：世界 图书出版公司：1999 5. 倪光炯，《高等量子力学》，. [M]上海：复旦大学出版社：2005 九、大纲撰写人：曾天海 《高等量子力学》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：高等量子力学 英文名称：Advanced Quantum Mechanics 二、课程代码及性质 课程编码： 课程性质：学科(大类)专业选修课/选修 三、学时与学分 总学时：64（理论学时：64学时） 学分：4 四、先修课程 先修课程：无 五、授课对象 本课程面向物理学各专业学生开设 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 量子力学理论是20世纪物理学取得的两个（相对论和量子理论）最伟大的进展之一，以研究微观物质运动规律为基本出发点建立的量子理论开辟了人类认识客观世界运动规律的新途径，开创了物理学的新时代。 本课程是物理学专业本科课程《量子力学》的后续课程，用以弥补量子力学课程与学生实际进入科研前沿之间的知识鸿沟。其内容分为两部分：第一部分是在量子力学课程的基础上归纳阐述量子力学的基本原理（公设）及表述形式。第二部分主要是讲述量子力学的基本方法及其应用。在分析清楚各类基本应用问题的物理内容基础上，掌 握量子力学对一些基本问题的处理方法。 课程的教学目的是使得学生掌握微观粒子的运动规律、量子力学的基本假设、基本原理和基本方法，掌握量子力学的基本近似方法及其对相关物理问题的处理，并了解量子力学所揭示的互补性认识论及其对人类认识论的贡献。 七、教学重点与难点： 课程重点：本课程所讲授的内容均为学生从事前沿科学研究所必备，因此所有内容均为重点 课程难点：本课程所讲授的内容抽象程度较高，理论推导计算量大，因此所有内容均为难点 八、教学方法与手段： 教学方法：采用课堂讲授、讨论、习题等多种授课形式相结合的教学新模式。课堂讲授基本概念、基本原理，通过讨论课加深学生对基本内容的理解，通过习题课提高学生运用基本理论分析问题、解决问题的能力。 教学手段：采用多媒体与板书相结合的教学手段，传统授课手段与现代教育技术手段相互取长补短，相得益彰。特别的，将Mathematica 和Matlab等计算软件引入本课程的教学，以实现抽象复杂的数学物理问题的直观展现，提高学生的学习兴趣。重要理论推导采用板书与多媒体相结合的手段，以形成师生的良好互动。 九、教学内容与学时安排 （一）量子力学的公理体系（教师课堂教学6小时+ 学生课后学习12小时） 教学内容：Hilbert空间、左矢、右矢、算符矩阵表示与表象变换 第七章 中心力场 7-1 对于库仑场证明E T E U ==,2，其中E 是总能量。 7-2 中心力场)(r U 中的经典粒子的哈密顿量为)(222 22r U r L p H r ++=μμ，其中P r r P r ?=1，当过渡到量子力学时，r P 要换为)()11(21r r i r r P P r r P r +??-=?+?= ，试问P r r r i ?=??-1是否厄米算符？r P 是否厄米算符？ 7-3 设氢原子处于状态),()(2 3),()(21 ),,(11211021?θ?θ?θψ--=Y r R Y r R r ，试求氢原子的能量，2?L 及z L 的可能值及其几率，并由此求出它们的平均值。 7-4 某类氢原子的波函数表示如下（r 以a 0为单位）：θπψcos )6(812 3/2/3Zr Zre Zr Z --= （1）通过对ψ的考察，求量子数l n ,和m 的数值。（2）从ψ产生具有相同l n ,值，但磁量子数等于1+m 的另一个本征函数。（3）当1=Z 时，求为ψ所规定的状态中某电子的最可几r 值。 7-5 氢原子处于基态0301),,(a r e a r -= π?θψ，试求（1）r 的平均值；（2） 最可几半径。 7-6 试证明：处于1S ，2P 和3d 态的氢原子的电子在离原子核距离分别为a 0 ,4a 0 和9a 0 的球壳内被发现的几率最大（a 0 为第一玻尔轨道半径） 7-7 氢原子处于基态，（1）求距核二倍玻尔轨道半径以外发现电子的几率。（2）如果我们画一个球面，使得在此球面内发现电子的几率为90% ，那么这个球面的半径是多少？ 7-8 如坐标轴绕z 轴旋转一个α角，试问氢原子波函数的角度部分),(?θlm Y 将如何变化？此种变化是否观察到？ 7-9 试求出在10Y 及21Y 态下，电子按角度的分布几率取极大值和极小值 的θ角。 7-10 试证明： ±==z L L ,6的氢原子中的电子在045=θ和1350方向上被发现的几率最大。 7-11 原子中的电子束缚态，作为z L L H ?,?,?2的共同本征态，),()(?θψlm Y r R =，求相应的电流密度和磁矩。 7-12 求出氢原子基态波函数在动量表象中的表示。 7-13 由于发生原子核的β衰变，原子核的电荷突然由e Z Ze )1(+→ 。对于衰变前处于原子Z 的K 层（1S 层）的电子，在原子核衰变后仍旧处于原子（Z+1）的K 层的几率等于多少？ 7-14 粒子在半径为a ，高度为h 的圆筒中运动，在筒中粒子是自由的，在筒壁及筒外势能为无限大，求粒子的能量本征值及本征函数。 7-15 单价原子中的价电子（最外层电子）所受原子实（原子核及内层电子）的作用可近似表示为)10(,)(2022<<<--=λλr a e r e r U s s ，式中04πεe e s =，0a 为玻尔半径，求价电子的能级，并与氢原子能级相比 较。 1.一个包含两个质量和频率都相同的线性谐振子系统，它们之间存在相互作用，其哈密顿算符为： 1212 2 2222???()()1?()...(1,2)22i i i H H x H x x x H x m x i m x λω=++?=-+=? (1) 试证明该系统可以表述为两个非耦合谐振子系统 (2) 求出该系统的能量 2.由李普曼-许温格方程01V E H i ?ε ±±ψ=+ψ-± 试计算下列关系式： (1) b a ++ ψψ (2) b a -+ψψ 3.已知混沌场密度算符1H k T B Z e ρ--=，其中H k T B Z Tre -=，系统的哈密顿量1?()2 H a a ω+=+，求此混沌场系统中?N a a +=和2?N 平均值。 4.设两种系统的哈密顿能量分别为：221?????()()2 H b b b b ωα++=+++和?????????(1)()H a a b b ab a b ωα++++=++++，其中??a b 、和++??a b 、为玻色子算符，求两种系统的元激发谱。 5.已知位移算符*???()exp()D b b ααα+=-，α为非零复数，?b +是声子产生算符，?b 是声子消灭算符。 (1) 试计算关系式4 ()()?D b D αα+= (2) 将位移算符作用于声子真空态得到相干态()0D αα=，试证明相干态α就是?b 的本征态，对应的本征值为α。 (3) 计算相干态在坐标表象中的结果：?x α= (4) 试证等式*()b αααααα+?=+ ?和*()b αααααα?=+? (5) 试判断声子产生算符?b +是否存在本征态，并证明你的判断。 量子计算机中的量子力学 ——量子力学理论在现代科技中的应用 06级物理学2班 张洪（40606085） 从1946年第一台计算机诞生以来，其在冯·诺依曼体系结构上已经走过了60余年，其采用Alan Turing 于1936年提出的图灵机模型为计算模型。但随着科学的不断发展，以及计算机制造工艺的不断进步，计算机的尺寸也越来越小，其集成度也越来越高。按照摩尔定律，计算机芯片的集成度不久将达到原子分子量级，但是当电子器件小到原子分子量级的时候，这便受到了量子效应的干扰，这便把量子力学引入了计算机。物理学家Feynman 于1982年提出量子计算机的概念，并指出量子计算机在速度上对于传统计算机可能有本质的超越。 所谓量子计算机，是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。某种条件下，原子世界存在着多现实态，即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处和彼处，可以同时表现出高速和低速，可以同时向上和向下运动。如果用这些不同原子状态分别代表不同的数字或数据，就可以利用一组具有不同潜在状态组合的原子，在同一时间对某一问题的所有答案进行探寻，就可以使代表正确答案的组合快速脱颖而出。 量子计算机的存储原理 传统计算机信息系统采用物理上最容易实现的二进制数据位存储数据或程序，每一个二进制数据位由0或1表示，成为一个比特（bit ）或位，以其作为最小的信息单元。在传统计算机中，每一个数据位要么是0，要么是1，二者必取其一。而量子计算机是根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置，其计算方式是量子计算。在量子计算机中，量子位（量子计算机的数据位）可以是0或者1，也可以是0和1的任何线性叠加它以一定的概率存在于0和1之间。 为了便于量子系统的表示和运算，狄拉克提出用符号|x>来表示量子态，|x>是一个列向量，称为右矢；其共轭转置用 《高等量子力学》课程教学大纲 课程编号: 1352001-04 课程名称：高等量子力学 英文名称：Advanced Quantum Mechanics 课程类型: 课程群（平台课、模块课、课程群） 开课学期：第一学期 课内学时：80学时讲课学时：72 实验学时： 学分：4 教学方式：课堂讲授及课外作业练习 适用对象: 凝聚态物理、理论物理、粒子与原子核、光学、生物物理 考核方式：闭卷考试 预修课程：大学物理、热力学与统计物理、数学物理方法、理论力学、电动力学、 （初等）量子力学 后续课程：量子场论 开课单位：郑州大学物理工程学院 一、课程性质和教学目标 课程性质：本课程为凝聚态物理、理论物理、粒子与原子核等专业硕士研究生必修课。 教学目标：本课程的目的是通过《高等量子力学》课堂授课、课外作业练习及考试，能够使有关学科的研究生系统了解该课程的基本概念、发展历史，掌握其主要内容与研究方法，为学生以后的学习和研究奠定坚实的理论基础，以及学生毕业后应能胜任高等院校、科研机构等部门与物理相关专业的教学、科研、技术等工作，或者为学生继续深造、攻读博士学位等奠定理论知识基础。 本课程的目标主要为凝聚态物理、理论物理、粒子与原子核等专业的深入研究进行理论准备。凝聚态物理是研究由大量微观粒子组成的凝聚态物质的宏观、微观结构和粒子运动规律、动力学过程、彼此间的相互作用及其与材料的物理性质之间关系的一门学科，是一门以物理学各个分支学科、数学 和相关的基础理论知识为基础，并与材料学、化学、生物学等自然科学和现代技术相互交叉的学科。凝聚态物理所研究的新现象和新效应是材料、能源、信息等工业的基础，对当前高技术的带头领域，如新型材料、信息技术和生物材料等有重要影响，对科学技术的发展和国民经济建设有重大作用。理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构、相互作用的物理运动的基本规律的学科，理论物理的研究领域涉及粒子物理与原子核物理、统计物理、凝聚态物理、宇宙学等，几乎包括物理学所有分支的基本理论问题。粒子物理与原子核物理是研究粒子和原子核的性质、结构、相互作用及运动规律，探索物质世界更深层次的结构和更基本的运动规律。它们涉及从最微观领域的规律到天体的形成与演化的规律。这些学科都需要具备《高等量子力学》的基础知识才能够全面理解及深入研究，该课程的讲授能够适应相关专业研究生对基础理论知识需求。 二、教学基本要求 除了系统听讲、对课堂讲解的内容理解之外，要求学生认真复习课堂讲解内容，熟悉量子力学的研究方法和思路，掌握主要方程的建立和推演，全面理解方程的适应条件和物理意义，为进一步从事科研工作进行系统的理论思考训练。 三、教学内容及预期任务 本课程将概括地介绍量子力学基本概念、研究与发展历史；简要回顾主要的经典理论及数学方法；详细而严谨地推导讲解高等量子力学的主要研究内容，包括早期量子力学的经典近似及其适应范围，路径积分方法的建立，多粒子问题的分析计算方法，相对论量子力学，以及辐射场的量子化等等。同时，也介绍一些量子力学理论的特殊应用成就，如BCS理论等等。在课程讲授过程中，拟融入科学研究方法介绍，以及科学探索中的哲学思考。简要介绍物理学主要分支的前沿研究内容及其与量子力学的关系，如宇宙学中的黑洞、暗物质与暗能量，高能物理中的夸克，生物学中的DNA等等，从中揭示量子力学的局限性以及面临的严峻挑战。以期通过本课程的学习，不仅使同学们概括了解量子力学研究的简要历史，了解当前物理学主要分支的前沿知识，明确量子力学面临的任务，开阔学术视野，启发同学们能够自觉探索科学研究的方法。同时，要求学生认真复习课堂讲解内容，完成必要的课外练 III.中心势场中的粒子 1.经典力学中，角动量。量子力学中，轨道角动量算符是否仍有呢？ 解：算符与的矢量积中，不出现有不对易因子，的项。例如， ，而 ， 由于，，故 其他两个分量和也有类似的结果。 因而，在量子力学中仍有。 2. 质量为的粒子在中心力场 （1） 中运动，证明存在束缚态的条件为，再进一步证明在附近存在无限条束缚态能级。 证明：当势能取式（ 1）时，根据维里定理，在任何束缚态中，有下列平均值关系， ，（2） 所以 （3） 由于，而束缚态，所以存在束缚态的条件为 （4） 在这个条件下，式（ 3）还可以写成 （5） 如能构造一个波包，其径向分布几率集中在附近的范围内，而且，则 （6） 只要足够大，就可以小于任意指定正数，这样就得到无限多条密集在附近的能级。 另外，波包的构成必须受测不准关系的制约， （7） 由于束缚定态，所以 （8） （9） 由于必须小于，如，则对于足够大的，上式将给出，不能成为束缚态；反之，如，对于 足够大的，式（9）中的第二项起主要作用，将给出，而且当，，各能级密集在附近 3. 粒子在中心势场中运动，处于能量本征态 （1） 如果已经归一化，则势能平均值等于 （2） 试证明：如为单调上升函数，即，则对于任意给定的距离，均有 （3） 证明：由于是单调上升的，显然对于粒子的任何状态，总可以找到某个，使得 （4） 而且，当时，；当时，。因此，如，式（3）显然成立。如，则 但因 （5） 所以仍得 4. 对于氢原子的基态，求，，验证测不准关系。 解：氢原子基态波函数为 (1) 宇称为偶。由于均为奇宇称算符，所有 （2） 由于各向同性，呈球对称分布，显然有 （3） 容易算出 （4） （5） 因此 （6） （7）高等量子力学习题汇总
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