当前课程知识点:量子力学(上) > 第二章 波函数与薛定谔方程 > 2.1波函数 > 2.1.5 动量分布几率
作为态叠加原理的一个应用
我们来考虑
动量分布几率的问题
按照德布罗意假说
如果一个自由粒子
以动量 p 和能量 E 运动的话
它的状态用平面波来描写
这里的因子就是指数上
-i(E t-p·r)/hbar
如果我们先不考虑
这里面的时间因子
只把它的空间部分提取出来
那么是这样的一个表达式
作为空间函数
就是e指数上
i p·r/hbar
前面这个因子的作用
在于把几率归一
这一点我们以后就会看清
那么根据叠加原理
任何波函数都可以写成
这样的波函数的线性组合
由于我现在的 p 可以连续变化
所以说
求和变成求积分
就是把 p 作为一个变量
不同的 p 的成分
用前面的这个函数 Φ(p,t)
作为它的系数
再对所有的 p 的可能值做积分
这里把动量空间的积分元
就是dp_x dp_y dp_z
简单地记为 d³p
这就是叠加原理的一个
具体体现
也就是说
任何波函数都可以写成
各种不同动量的
平面波的一个叠加
刚才我们写下的是用 Φ(p,t)
来表达 Ψ(r,t) 的式子
也可以反过来问
如何由 Ψ(r,t)
来决定 Φ(p,t) 呢
这就是上面的变换的反变换
这个式子是这个样子的
这时候我们要注意
第一
这里的指数因子
多了一个负号
尤其重要的是
刚才的积分是对 p 的积分
而这里的积分是对 r 的积分
结果出来的是 p 的函数
事实上这样的一个变换
在数学上早已有它的原型
那就是
数学上的傅立叶变换
只不过在数学上
提出傅立叶变换的时候
最早是把和时间有关的信号
变成和频率有关的信号
我们发现
这里的 Ψ(r,t)
和 Φ(p,t)
可以唯一地互相求出
这意味着它们
包含了同样多的信息
既然 Ψ(r,t)
描写了体系的状态
因此 Φ(p,t)
也一样
完全描写了体系的状态
那么 Φ(p,t) 的
物理意义是什么呢
它的意义就是
动量几率振幅
也就是说它的模平方
代表了动量几率密度
就是下边这个等式 Φ(p,t) 的模平方
乘以动量空间的体积元
也就是 dp_x*dp_y*dp_z
就等于在动量空间中的
点 p 附近的
这里体积元里面
发现粒子的几率
刚才我们写的是
三维空间的情形
如果是一维情形
公式就变得比较简单
从 Φ(p,t)
决定 Ψ(x,t) 的积分
只不过把前面的积分
这里面只有 p 和 x 的乘积
这个系数没有那个三次方
它的反变换也做相应的改变
这个式子在分析
一维粒子的运动的时候
有很多应用
我们前面已经指出过 Ψ(r)
模平方
在坐标空间中的积分
表达了粒子
在坐标空间中的总几率
现在我们又定义了粒子
在动量空间中的几率密度
因此也可以求出
粒子在动量空间中的总几率
那么
这两个总几率是一样的吗
在数学上可以证明这个等式
这表明粒子
在坐标空间中的总几率
就等于它在
动量空间中的总几率
所以
如果 Ψ(r) 是归一的
那么 Φ(p) 也自然而然
是归一的
这里要强调一点
通常在谈到波函数的
统计解释的时候
最经常想到的就是 Ψ
的模平方
代表粒子的空间几率密度
但是准确地说
只说这一句话
并没有完全地表达了
波函数的统计解释
刚才我们还定义了 Φ
的模平方
代表粒子的动量几率密度
这句话也应该包括在
波函数的统计诠释当中
以后我们还会讲到
用 Ψ 表达任何力学量的
测量几率的原理和方法
把所有这些陈述加在一起
才是波函数的
统计诠释的
完整的含义
-引言
--引言
-1.1 普朗克的光量子假说
-1.2 玻尔的原子结构模型
-1.3 德布罗意的物质波假说
-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业
-2.1波函数
-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业
-2.2 薛定谔方程
-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业
-3.1一维运动问题的一般分析
-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业
-3.2 方势阱
-3.3 δ函数势阱
-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业
-3.4 线性谐振子
-3.5 一维散射问题
-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业
-*3.6 δ势的穿透
-*3.7 周期性势场中的能带结构
--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业
-4.1 算符及其运算
-第四章 力学量用算符表示--第8周作业
-4.2 厄密算符的主要性质
-第四章 力学量用算符表示--第9周作业
-4.3 动量本征函数的归一化
-4.4 角动量算符的本征值和本征态
-第四章 力学量用算符表示--第10周作业
-5.1 量子力学中的守恒量
-5.2 对称性与守恒量
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第11周作业
-5.3 全同粒子系统波函数的交换对称性
-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业
-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质
-*6.2 球无限深势阱
-第六章 中心力场--第13周作业
-6.3 三维各向同性谐振子
-6.4 氢原子和类氢离子
-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程
-*7.2 朗道能级
-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应