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 > 2.1.7 力学量的平均值和力学量的算符表示
现在我们考虑
计算力学量的
平均值的问题
因为前边我们已经定义了
力学量的分布几率
所以计算它的平均值
是一件很直接的事情
假如我们用
小写的字母 ψ(r)
代表和时间无关的波函数
而且假设它已经归一
由于 ψ(r) 的模平方
代表坐标几率密度
所以坐标 x 的平均值就是
ψ 的模平方乘以 x
再乘以空间体积元作积分
对于坐标 y 和 z 也是类似的
所以我们可以把它写成一个
用矢量来表达的式子
就是 r 矢量的平均值等于
ψ(r) 的模平方乘以 r 再乘以
空间体积元作积分
为了和后面的表达式比较
我们也可以把它重新写为
ψ^*(r) 乘以 r 再乘以 ψ(r)
对空间体积元的积分
得到 r 的平均值
这里要注意一点
刚才写下的公式的前提
是 ψ(r) 已经归一了
如果我们拿到的波函数
是没有归一的
那么
求平均值的公式
就要略作修改
那就是说它是一个比值
分子上是刚才写下的表达式
还要除以分母上就是 ψ
的模平方的积分
知道了 r 的平均值
对于 r 的任何函数的平均值
其实也就不难求了
比如说
势能 V 是 r 的函数
那么它的平均值就是
下面这个表达式
其中只是在积分里面
用 V(r) 代替了 r
当然 再次强调一下
这个式子是在 ψ
已经归一的条件下
写出来的
下面这个问题略微有些复杂
那就是求动量的平均值
因为这个时候
我们要从动量的分布几率
来计算了
那就是 p 的平均值是
φ(p) 的模平方乘以 p
再对动量空间的积分元
作积分
我们知道 φ(p) 是 ψ(r) 的
傅立叶变换
这里就提出了一个问题
我们能不能用 ψ(r)
来计算 p 的平均值呢
当然
第一步我们先要注意
从 ψ(r) 变换到 φ(p) 的
这个变换式
利用这个式子
我们就可以进行下面的推导
第一步先写出 p 的平均值
用 φ(p) 和它的复共轭
以及 p 的积分的这个表达式
这实际上是 p 的平均值的
原来的定义
第二步
我们把 φ(p) 的复共轭
重新用 ψ(r) 的复共轭的积分
表出 这是傅立叶变换的
复共轭式
我们发觉这个式子里面
是一个二重积分
既对 r 积 也对 p 积
第三步
我们把这两个积分
交换一下顺序
也就是说
在第二个式子里边
先进行对 r 的积分
到了这一步
把两个积分次序交换一下
就是先进行 p 的积分
那么这时候别忘了
这个 p 要拿到这个积分里面来
那么 r 在这个积分里的作用
是什么呢
我们知道它叫参数
就是对 p 进行积分的时候
先把 r 的值取定
因而这个积分是 r 的函数
第四步
我们发觉这里有个 p
乘以这个 φ(p)
而对于这个整个的积分来说
r 是一个参数
我们是可以对参数微分的
那么只要注意对这个 φ(p)
里边的参数 r 作微分
正好就会出一个 p 矢量
所以说
我们把这个表达式
重新写为
这个积分
注意 这个积分里边是
没有这个 p 的
这个 p 通过
对于参数 r 作微分得到的
于是就变成了一个
这样的式子
而这个括号里边的积分
不是别的
恰好又回到了 ψ(r)
经过这么几步推导
我们就发现
动量 p 的平均值
也可以借助
坐标空间的波函数
ψ(r)计算出来
然而这里最关键的
是出现了这样的一个
微分算符
借助于这个算符
我们就可以用坐标的波函数
计算动量的平均值
我们就把这样一个算符
用一个新的符号来代表
那就是 p 矢量
上边加一个帽子符号
此后
我们总是用某一个
字母上面加一个帽子
代表一个算符
这个平常叫做倒三角算符
它实际上一方面是
微分算符
这里包含对 x, y 和 z 的偏微分
另一方面
它又是一个矢量
这是 x, y 和 z 方向上的
单位矢量
这样构造出来的一个东西
我们就可以
用它来计算 p 的平均值
利用的却是
坐标 r 的波函数
这里就引导出一个
重要的量子力学概念
那就是
力学量用算符来代表
而这里的 p 帽子
就是代表动量的算符
当然
我们一定会问
我们会有很多其他的物理量
在原理上
它们都应该用算符来代表
那么怎么能够得到
其它的物理量的算符呢
比如说 动能 T
在经典力学里面
T 可以用动量 p 来表达
那就是 p 平方除以 2m
所以我们就可以推广地说
在量子力学里
代表动能这个物理量的算符
就是把这样一个经典的
动能表达式里边的动量
用它的算符来代表
所以说
T 算符或者说T帽子
等于 p 算符的平方除以 2m
而 p 本身是一个 -i hbar
倒三角算符
因此这里出一个负号
分子 hbar 平方
分母 2m
最重要的是后边这个
倒三角平方算符
数学上叫做拉普拉斯算符
以后我们在量子力学的
问题里边
经常会处理
角动量这个物理量
它的经典力学的定义
就是 r × p
这里叉乘是矢量的叉乘运算
具体地说
如果把 L, r, p 都写成
它们的分量的话
是底下的这三个式子
那就是
L_x 等于
y 乘以 p_z 减去 z 乘以 p_y
对于 L_y 和 L_z 也是类似的
那么
根据刚才的规则
在量子力学里面
L 也是一个算符
L 算符就等于
r 算符叉乘上 p 算符
根据我们刚才引进的
计算 r 平均值的那个公式
就知道
r 算符其实就是 r 自己
而 p 算符是 -i hbar
倒三角算符
所以说
在量子力学里边的
角动量算符
就是这个表达式
总体来说
利用算符这个手段
前面的求平均值的公式
就适用于任何物理量
也就是说
只要我在量子力学里
有一个算符
能够代表力学量 F
那么 F 的平均值
就是这样的一个积分
先写 ψ 的复共轭
然后写 F 的算符
再写 ψ 对空间体积元取积分
当然这个式子的前提是 ψ
自己是归一的
如果 ψ 没有归一
我们就要做一个除法
它的分子就是这个表达式
分母上就是
ψ 的模平方
对空间体积元的积分
由于我们以后经常要计算
力学量的平均值
所以说
同学们要记住
当拿到一个波函数以后
最好先检查一下
它是不是已经归一的
如果已经归一
那么计算平均值就很方便
就是上边这个式子
如果没有归一
那就要小心啦
必须用下边这个式子
才能正确地计算出
力学量的平均值
我们在这里介绍的
用算符代表力学量
这个概念
目前
只是说它能够给出
力学量的平均值
但是事实上
用算符代表力学量
在量子力学
里有更多的意义
这个问题
我们将会继续向大家介绍
-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