当前课程知识点:量子力学(上) >  第三章 一维势场中的粒子 >  3.3 δ函数势阱 >  3.3.1 函数的定义和主要性质

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3.3.1 函数的定义和主要性质在线视频

3.3.1 函数的定义和主要性质

下一节:3.3.2 一维δ函数势阱中的束缚态

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3.3.1 函数的定义和主要性质课程教案、知识点、字幕

这一节我们来介绍δ

函数势阱

δ函数

是一个非常奇异的函数

首先

我们来介绍一下它的定义

和主要的性质

这个函数的提出

其实有非常物理的考虑

我们来考虑一些电荷

连续的分布在一条直线上

那么

就可以用

线电荷密度ρ(x)

来描写这个分布

取一个小的空间间隔Δx

假设其中有Δq

这么多的电荷

那么Δ

q除以Δx

在Δx趋于零的极限

就是线电荷密度ρ(x)

所以

这条直线上的总电荷

大Q就是

ρ(x)对dx的积分

但是

假如我们这里有一个

点电荷大Q

处在x等于a的这一点

又如何来理解

它的电荷密度的值呢

那么很显然

如果你所取的间隔

不包含量这个点电荷

那么ρ

就等于零

而如果这个小间隔

包含了这个点电荷Q

ρ就会变得无穷大

这当然很难用通常的

连续函数来描写

于是狄拉克就有个建议

我们这样来定义这个ρ(x)

它的目的是表明两件事情

第一

这个点电荷处在什么位置

第二

这个点电荷的电量有多大

只有把这两个因素表达出来

这样的一个电荷分布

已经就清楚了

于是

狄拉克就引用了

这样一个函数

命名为δ函数

它前面的系数Q

就是这个点电荷的电量

δ函数里边的自变量

是x-a

这个a这一点

就表明

点电荷所在的位置

如果把它当成一个函数

来理解的话

我们可以这样讲δ

括号x-a它的值

当x不等于a的时候是零

而x等于a的时候

是无穷大

另外

假如我们把这个函数

在整个实轴上进行积分

它给出的值是1

当然

无穷大本身并不是一个数

在这个意义上δ

函数并不能按照通常的

函数的定义来理解

我们把它

称之为一种广义函数

而且事实上

这里的积分

也不是普通的积分

而是一种特别的积分

从这个角度来理解的话

δ函数似乎非常奇怪

但是

在我们以后的应用当中

我们发觉

其实δ函数

可以看作是一些

含有参数的

连续函数的极限情形

比如说这样一个例子

首先我们定义一个

δ(x, α)的这样一个函数

这里x是变量α

是参数

它是系数是根号

π分之一乘以α

函数的部分是e

指数上负的α平方x平方

现在我们考虑

让这个参数α

趋近于正无穷的时候

这个函数

有些什么样的表现

那么首先

当α趋于正无穷的时候

我们就发觉

只要x不等于零

那么

这个极限就是零

而如果x等于零

这个极限是无穷大

然后

我们来做

这个函数的积分

它正好是1

所以

我们就可以这样说

这个函数

在参数α

趋近于正无穷的

极限之下

给出的就是δ函数

类似于这样的

函数极限称为δ函数的

还有下面的这样一些例子

这些例子

都将会在我们以后的

课程当中分别的用到

在数学上

我们可以有一个

更准确的说法

来表达δ函数

那就是

假设有一个函数f(x)

在整个实轴上是连续的

那么

这样的一个积分

就是f(x)乘以δ(x-a)

对dx积分

它的结果是f(a)

也就是f(x)

在a那一点的值

这就是说

δ函数事实上

是一种积分核

它的作用

就是把一个连续函数

在x等于a的那一点的值

提取出来

下面我们介绍

和δ函数有关的一些公式

第一

δ(x)可以看作是

单位阶跃函数的一个导数

所谓单位阶跃函数ε(x)

当x小于零的时候

它是零

x大于零的时候它是1

当然

这里边所谓的导数

也是广义的

第二

有的时候我们需要对

δ(x)函数的

自变量进行一定的变换

最简单的变换

是这个自变量

乘以一个常数

那么

结果仍然是δ函数

但是前面乘了一个系数

注意这里边的常数λ

在右方是要取绝对值

并且取它的倒数

由此我们可以知道

δ函数是一个偶函数

那是因为

把x换成负x

δ(x)是不变的

更一般的这种

自变量代换的情形

是下边的这个公式

那就是

把自变量x

换成x的某个函数

那么

结果是一系列的δ

函数的组合

这个公式有个前提

那就是

方程f(x)等于零

只有一系列的单实根

也就是说

不考虑有重根的情形

第三个

δ(x)也可以求导

我们把它记成δ''

那么δ''

也是一个积分核

它的作用

是把连续可微函数f(x)的

一阶导数

在x等于a的那一点的值

提取出来

并且加一个负号

更一般的情形是

δ(x)的n阶导数

那么它就会提取出

f(x) 的n阶导数

在a的那一点的值

同时

前面加一个系数

是负1的n次方

第四个性质

是这样的一个积分

也给出了δ函数

这个积分的被积函数是

e指数上ikx

对x的全实轴积分

结果应该是一个

k的函数

那么

它正好是k的δ函数

前边再乘一个系数2π

它实际上可以是这样来的

这个积分

因为它是从

负无穷到正无穷的一个

旁义积分

应该理解为

有限区间上的积分

在积分限趋于无穷时的

一个极限

所以第一步

我们把它换写成为一个极限

而从负m到正m

e指数上ikx对dx的积分

是可以解析的做出来的

它就是SinkM除以k

因此

我们应当

把这样的一个比值

取m趋近于无穷时候的极限

这个极限

我们前面已经给出了

它就是k的δ函数

量子力学(上)课程列表:

序言

-引言

--引言

第一章 量子力学的历史渊源

-1.1 普朗克的光量子假说

--1.1.1 黑体辐射的能谱

--1.1.2 普朗克假说

--1.1.3 光电效应

--1.1.4 康普顿效应

-1.2 玻尔的原子结构模型

--1.2.1 氢原子光谱和弗兰克-赫兹实验

--1.2.2 玻尔模型

--1.2.3 索末菲量子化条件

-1.3 德布罗意的物质波假说

--1.3.1 德布罗意假说

--1.3.2 微观粒子波动性的实验

-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业

第二章 波函数与薛定谔方程

-2.1波函数

--2.1.1 波粒二象性的意义

--2.1.2 波函数的统计诠释

--2.1.3 波函数的归一化

--2.1.4 态叠加原理

--2.1.5 动量分布几率

--2.1.6 不确定关系

--2.1.7 力学量的平均值和力学量的算符表示

--2.1.8波函数应满足的要求

-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业

-2.2 薛定谔方程

--2.2.1 薛定谔方程的引入

--2.2.2 几率守恒定律

--*2.2.3量子力学的初值问题 自由粒子的传播子

--2.2.4 定态薛定谔方程 能量本征方程

--2.2.5 非定态 薛定谔方程的一般解

--2.2.6 一般系统的薛定谔方程

--2.2.7 量子力学的表象

--2.2.8 量子力学中的测量 波包坍缩

-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业

第三章 一维势场中的粒子

-3.1一维运动问题的一般分析

--3.1.1 一维定态薛定谔方程的解的一般特征

--3.1.2 关于一维定态薛定谔方程的解的基本定理

--3.1.3 一维定态的分类 束缚态和非束缚态

--3.1.4一维束缚态的一般性质

-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业

-3.2 方势阱

--3.2.1 一维无限深势阱

--3.2.2 对称有限深方势阱

-3.3 δ函数势阱

--3.3.1 函数的定义和主要性质

--3.3.2 一维δ函数势阱中的束缚态

--3.3.3 δ函数势阱与方势阱的关系

-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业

-3.4 线性谐振子

--3.4.1 方程的无量纲化和化简

--3.4.2 厄密多项式

--3.4.3 线性谐振子的能级和波函数

-3.5 一维散射问题

--3.5.1 一维散射问题的一般描述方法

--3.5.2 方势垒的量子隧穿

--3.5.3 方势阱的共振透射

-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业

-*3.6 δ势的穿透

--3.6.1 δ势垒的穿透

--3.6.2 δ势阱的穿透

-*3.7 周期性势场中的能带结构

--*3.7.1 有限平移不变性,弗洛盖-布洛赫定理

--*3.7.2克勒尼希-彭尼模型,能带的形成

--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业

第四章 力学量用算符表示

-4.1 算符及其运算

--4.1.1 基本的和导出的力学量算符

--4.1.2 线性算符

--4.1.3 算符的运算和厄密算符

--4.1.4算符的对易关系

-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

--4.2.1 算符的本证方程

--4.2.2 厄密算符的本征值

--4.2.3 本征函数系的正交性

--4.2.4 简并情形 共同本征函数

--4.2.5 力学量的完备集

--4.2.6 一般力学量的测量几率

--4.2.7 不确定关系的准确形式

-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

--4.3.1 动量本征函数在无穷空间中的归一化

--*4.3.2 动量本征函数的箱归一化

-4.4 角动量算符的本征值和本征态

--4.4.1角动量算符的球坐标表示

--4.4.2 角动量算符z的本征值和本征函数

--4.4.3 角动量平方算符的本征值和本征函数

--4.4.4 球谐函数的基本性质

-第四章 力学量用算符表示--第10周作业

第五章 量子力学中的对称性与守恒量

-5.1 量子力学中的守恒量

--5.1.1 力学量的平均值随时间的演化

--5.1.2 量子力学里的守恒量 好量子数

--*5.1.3 能级简并与守恒量

--*5.1.4 维里定理

-5.2 对称性与守恒量

--5.2.1体系的对称变换 幺正变换

--5.2.2 空间平移不变性与动量守恒

--5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒

--5.2.4 离散对称性及离散守恒量

-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

--5.3.1多粒子体系的描写

--5.3.2 全同粒子的不可区别性

--5.3.3波函数的变换对称性和粒子的统计性质

--5.3.4交换对称或反对称波函数的构成 泡利不相容原理

--5.3.5 自由电子气 费米面

-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画

--*5.4.1 薛定谔方程初值问题的形式解

--*5.4.2 薛定谔图画

--*5.4.3 海森堡图画

-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业

第六章 中心力场

-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质

--6.1.1中心力场中薛定谔方程的约化

--6.1.2约化径向方程与一维薛定谔方程的比较

--*6.1.3 二体问题的分解 相对运动

-*6.2 球无限深势阱

--*6.2.1球坐标系中的自由粒子波函数

--*6.2.2球无限深势阱中能级的确定

-第六章 中心力场--第13周作业

-6.3 三维各向同性谐振子

--6.3.1 三维各向同性谐振子在直角坐标系中的解

--6.3.2球坐标系中的解 缔合拉盖尔多项式

-6.4 氢原子和类氢离子

--6.4.1 径向方程的化简及其解

--6.4.2 氢原子和类氢原子的能级和波函数

--6.4.3 氢原子的轨道磁矩 g因子

--6.4.4 碱金属原子的能级

--*6.4.5 电子偶素 电子偶素湮灭的EPR佯谬

第七章 带电粒子在电磁场中的运动

-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程

--7.1.1 带电粒子在电磁场中的经典哈密顿量 正则动量

--7.1.2 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程 规范条件

--7.1.3 经典的和量子的规范不变性

-*7.2 朗道能级

--7.2.1 带电粒子在均匀磁场中的经典运动

--7.2.2 带电粒子在均匀磁场中的量子运动 朗道能级

--*7.2.3 朗道能级的简并度

-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应

--*7.3.1 费曼的路径振幅

--*7.3.2 无线长螺线管的矢量势

--*7.3.3 阿哈罗诺夫-博姆效应和不可积相因子

3.3.1 函数的定义和主要性质笔记与讨论

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