当前课程知识点:量子力学(上) > 第三章 一维势场中的粒子 > *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
这一节我们来讲一个
比较特殊的问题
就是在周期性势场中的
能带结构
周期性势场问题
是固体物理的基本问题
因为固体的结构
就是晶格结构
在这样的结构中
运动的电子
所面临的势场
就是一种周期性势场
在周期性势场中的能级
是能带的形式
这种能带兼有分立能谱
和连续能谱的特征
下面我们就要来解释一下
这种结构
是怎么出现的
首先我们来考虑
周期性势场中的基本特征
它表达成为
弗洛盖-布洛赫定理
周期性势场就是满足
这样的关系的一个势场
就是U(x+a)等于U(x)
这里的a是一个正数
并且是使得这个关系
能够满足的最小正数
称之为周期
所以
这个时候粒子的哈密顿量
H等于动能项加势能项
就会在x
变成x+a的这样的
有限的平移变换之下
保持不变
这是一个很重要的
不变性
也称之为对称性
虽然这种对称性
并不导致什么守恒量
但是
仍然有非常丰富的物理结果
现在我们就来考虑
周期性势场中的
薛定谔方程
这里有一个非常基本的定理
是弗洛盖定理
就是
周期性势场中的波函数ψ(x)
满足这样的一个条件
ψ(x+a)等于e指数上iKa
乘以ψ(x)
这里的K是一个常数
a就是势场的周期
注意
如果是一个周期函数的话
那么
ψ(x+a)就等于ψ(x)
但是这里出现了一个
另外的位相因子
所以说
这种函数
又称之为准周期函数
很明显
如果我在K上
加上一个a分之2π
那么指数上
只不过多了一个2π
仍然是原来的值
所以说这个K
是以a分之2π为周期的
因此
通常我们把K的取值范围
限制在某一个区间之内
最常用的
是取这样的一个区间
当K介于负的a分之π
和正的a分之π之间
K的这个区域
称为第一布里渊区
对于弗洛盖定理的证明
我们不给予严格的阐述
直观的来理解ψ
的模平方
代表的是粒子出现的几率
既然粒子在一个
周期性势场里运动
那么
粒子出现的几率
也应该表现出一种周期性
也就是说
ψ(x+a)的模平方
应该等于ψ(x)的模平方
把这样一来
这个值本身
就可能差一个相位因子
从弗洛盖定理
又可以推出下面的
布洛赫定理
它把周期性势场中的波函数
直接表达成为
这样的一种形式
就是ψ(x)等于e指数上iKx
再乘以一个Φ_K(x)
由于这个函数
和这个K的值有关
所以说
在Φ这个符号的右下角
加上一个K
其中这个Φ_K(x)
就是一个严格的
周期函数
反过去说我们可以
很容易的看到
就是如果说
ψ(x)具有这种形式的话
那么弗洛盖定理
所表达的
准周期函数的条件
是可以得到满足的
这种波函数
称之为布洛赫波
其中的K
称为布洛赫波数
注意我们这里的K
是用一个大写字母来表达的
怎么理解布洛赫波呢
如果我们把它写成这个样子
那么这个因子
实际上是一个平面波
它前面的这个因子
可以称为是
平面波的振幅
但是
现在这个振幅
不再是一个常数
而是一个周期函数
这种形式的函数
在信号论里边
被称为幅度调制
所以说
布洛赫波可以看作是
平面波的幅度调制的结果
刚才我们已经说
我们用大写字母K
来代表布洛赫波数
这主要是想把它和
德布罗意波里边的波数
进行区别
这里边有两点
需要注意
第一点是
布洛赫波数
是没有绝对意义的
因为
在布洛赫波里边的这个K
如果加上
a分之2π的整数倍
其实代表的是
相同的意义
所以说
K不是一个绝对的值
而且
如果考虑粒子的能量的话
E也不是用
hbar平方K平方除以2m
来表达
这两点
都是和德布罗意波数
非常不一样的
-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