当前课程知识点:量子力学(上) > 第二章 波函数与薛定谔方程 > 2.2 薛定谔方程 > 2.2.2 几率守恒定律
下面我们要指出
薛定谔方程导致一个
非常重要的守恒定律
这说是几率守恒定律
我们前面已经指出
粒子的空间几率密度
是ψ的模平方
也就是ψ的复共轭乘以ψ
如果我们做几率密度的
对时间的偏微分
那么 应该出两项
其中一项包含Ψ
对t的偏微分
另外一项包含Ψ
的复共轭对t的偏微分
根据薛定谔方程
我们可以写下Ψ
对t的偏微分
原来这个方程的左边
有一个ihbar
我们把它除到右边来
再取这个方程的复共轭
这里要注意势能函数V
是一个实函数 所以说
它的复共轭就是它的本身
其它各量当然都要取复共轭
于是我们又得到了Ψ
的复共轭对时间的偏微分
我们把刚才得到的Ψ
和Ψ复共轭对t的偏导数
代入几率密度对t的
偏导数的表达式里
那么
一开始得到的是这个式子
下面我们要对这个式子
进行一个恒等变换
那就是
把这里的二次偏导拆成
两个一次偏导的乘积
这里边有一个技巧
我们可以从
后面的这个式子
推导到前面的这个式子
比如说 注意
这项再做一次偏导的时候
应当出两项
一项是它不动
它再做次偏导
正好得的是这一项
它还有另外一项
是它不动
它再做一次偏导
得到的是ψ的梯度点乘ψ
星星的梯度
完全类似的
后面这一项再做一次偏导
除去出现这一项之外
也有一项
那就是ψ
的梯度
乘以Ψ复共轭的梯度
注意这里是个减号
是多余出来的那个两项
恰好互相消掉
只有这两项留下来了
这样一来
我们就出现了一个
这样的矢量
就是把这个拿掉不要
并且前面添一个负号
我引入一个记号叫做J
来记这个表达式
那么
我们就发觉
出现了一个这样的方程
那就是ρ
对t的偏导数
加上j的散度等于零
这个式子表达的
就是一个守恒定律
假如我们
在一个给定的体积上
对这个式子进行积分
左边就是直接的ρ
对t的偏导数的积分
右边一开始
也是这个样子
但是
右边这个表达式
我们可以用高斯定理
把它重新化一下
那就是把体积分变成
包围这个体积的
面上的面积分
S就是V的表面
那么根据高斯定理
这里的
体积分里的J的散度
换到面积分上
就变成了J自己
然后要点乘上
这个矢量的面积元
至于方程的左边
我们发觉
t在这个积分里是一个参数
所以
可以把对t的微分
拿到积分号外边
剩下来的部分
当然就是在体积V里边
发现粒子的总几率
所以
我们对于这样的方程
可以做这样的一个解释
在体积V里发现粒子的
总几率的减少
恰好等于J
穿过包围这个体积的表面
向外的总通量
而这就表明
几率这个量
在这个体积里的减少
正好等于它向外的流出
所以
如果我们把J定义为
几率流密度
这个式子表达的
就是几率的守恒
如果考虑到
波函数要满足归一化
这个要求
薛定谔方程导致几率守恒
还一个很重要的结果
如果ψ(r,t)
是一个一般的函数
那么
我们把它的模平方
在无穷大体积中做积分
将会得到一个
和时间有关的函数
你不能够保证它是常数
也就是说
即使你在t等于零的时候
把波函数做好了归一化
一但时间变化
归一化条件
可能就不再能够满足
但是
如果你拿来的波函数
是满足薛定谔方程的
那么
你可以先在无穷空间里
给它作积分
然后求它对t的导数
根据刚才的方程
它就会化成一个
j点dS在一个
无穷大的曲面上的面积分
我们可以证明
只要左边的这个积分
是收敛的
那么右边的这个积分
一定等于零
这样一来Ψ
的模平方
在无穷大空间里的积分
不再随着时间而变化
这样一来
波函数的归一
只要在t等于零的时候做好
以后在任何时候都满足
也就是说
归一化可以永远被保持
从这里我们可以
对于几率守恒
做一个进一步的理解
其实
它就是粒子数守恒
因为
对于单粒子系统而言
所谓的在全空间中的几率
其实就是粒子数
所以
这个全空间中的积分保持不变
也就意味着粒子数
是一个不变的量
换句话说
一个粒子既不可能凭空产生
也不可能凭空消失
从这个角度我们可以
更进一步的理解
几率守恒的物理意义
至于说几率流密度的
具体表达式
我们可以
以德布罗意波为例子
得到一些概念
把这样的ψ
代入那个J的定义
我们发觉
它就是A的模平方
A就是德布罗意波的系数
乘以p除以m
p就是这里边的
德布罗意波的动量
如果我们直接把ψ做模平方
其实
它就等于A的模平方
因为
后边的指数因子的模是1
所以说
这里可以用ψ的模平方
代替A的模平方
而ψ的模平方的意义
就是几率密度
而p除以m的意义
是粒子的经典速度
对于这样的一个表达式
其实我们还是很熟悉的
假如这里的ρ是电荷密度
v是电荷的平均速度
那么这个J等于ρv
恰好就是电流密度
由此我们可以
进一步的体会
J的这个表达式的合理性
-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