当前课程知识点:量子力学(上) > 第四章 力学量用算符表示 > 4.2 厄密算符的主要性质 > 4.2.2 厄密算符的本征值
厄密算符的本征值
这里我们要证明的定理是
厄密算符的本征值
都是实数
证明如下
我们对本征方程取共轭
得到下面这个方程
我们看到
方程的左侧
就是上面本征方程的
取共轭的结果
那么方程的右侧
就是上面这个方程的右侧
取共轭的结果
那么它的结果
就是λ的共轭
乘上ψ_λ的共轭
我们如果要证明
厄密算符的本征值都是实数
我们就要证明λ
和λ的共轭是相等的
由于这里
我们涉及的是一个
厄密算符
因此
以下的证明我们就要从
厄密算符的定义入手
由厄密共轭算符
以及厄密算符的定义
我们就得到了
下面的两个等式
那么在第一个等式中
我们看到算符
作用到波函数ψ_λ之后
再乘上ψ_λ的共轭
它对全空间求积分
等于F的厄密共轭算符
及F^dagger
作用在波函数ψ_λ上
然后取共轭
再乘上波函数ψ——λ
然后对全空间求积分
这个等式是由
厄密共轭算符的定义
给出的
因为 算符是一个厄密算符
因此F^dagger等于F
这样我们就得到了
第二个等式
如果同学们回想一下
厄密共轭算符的定义
那么我们将看到
原来在F作用下的波函数
以及之后乘上的这个波函数
都是两个任意波函数
那么既然厄密共轭算符
对任意的两个波函数
这个等式都成立
那么
当然也对特殊的波函数成立
这里我们取的特殊的波函数
是F的本征函数ψλ
我们为什么要这么做
这么做的原因
就是我们可以代入
本征方程
以及本征方程的共轭方程
比如我们将本征方程
代入等式的左侧
那么在这个括号中
我们就得到λ
乘上ψ_λ
由于λ是一个数
它可以放到积分号外
那么在积分之内的就是ψ_λ
模的平方
对全空间的求积分
这我们就得到了左式
同理我们也得到了右式
由于这个积分也就是说
对ψ_λ的模的平方
在全空间求积分
不等于零
我们可以设想一下
如果这个积分等于零的话
那么ψ_λ一定是等于零
波函数等于零
在物理上是没有任何意义的
那么在物理上有意义的
是非零的波函数
对于是非零的波函数
它的模的平方
在全空间的积分
一定是不等于零的
因此
要使上式成立
那么我们就得到了λ
等于λ的共轭
也就是
厄密算符的所有本征值
都是实数
这是一个非常重要的性质
这个性质要求量子力学中
所有的物理量
或称可观察量的算符
都是厄密算符
我们下面以动量算符为例
来证明它的厄密性
证明如下
我们从厄密算符的定义出发
如果动量算符是厄密算符
它必须要满足
这样的一个等式
也就是说
动量算符的x分量
作用在波函数φ上
然后再乘上波函数ψ的共轭
对全空间的积分
等于
动量算符的x分量
作用在波函数ψ上
取共轭再乘上波函数φ
对空间的求积分
要证明这个等式成立
我们当然要利用
动量算符的具体的表达形式
那么p_x的具体表达形式
就是负的-ihbar对x求微分
那么就是这样的一个公式
那么接下来
我们要利用分步积分的方法
得到下面的两项
那么第一项就是
负的ihbarψ的星号乘上φ
代入上下限
第二项就是上面的这个积分
将ψ的共轭与φ进行对调
然后取一个负号
我们就得到了这样一项
我们知道任何的波函数
都是归一的
那么这就要求
波函数在无穷远处趋近于零
因此第一项等于零
我们利用
动量算符的具体的形式
我们可以发现
第二项
实际上就是动量算符
作用在波函数ψ上
取共轭再乘上波函数φ
对空间的积分
因此我们就证明了
动量算符的x分量
是厄密算符
用同样的方法
当然我们可以证明
动量算符的其它两个分量
也是厄密算符
也许细心的同学会观察到
在厄密算符的定义中
积分是在全空间的积分
也就是dx dy dz的积分
在这里我们省略了
dy和dz
因为如果我们加上
dy和dz的话
同学们会发现
整个的证明的过程
是不受到影响的
我们不难证明
坐标算符也是厄密算符
另外
在一定的条件下
坐标算符
和动量算符的函数
也是厄密算符
比如
如果F算符和G算符
都是厄密算符
而且它们是对易的
那么F乘上G
和G乘上F这样的算符
都是厄密算符
对于这一结论的证明
我希望同学们
能够自行完成
这个结论有一个重要的推论
那就是角动量算符
也是厄密算符
角动量算符的x分量等于
y算符乘上p_z算符减去
z算符乘上p_y的算符
我们知道
y算符和p_z算符
都是厄密算符
而且y和p_z是对易的
因此y乘上p_z这样的算符
是一个厄密算符
那么同理
z乘上p_y这个算符
也是厄密算符
两个厄密算符的差
当然仍然是厄密算符
用同样的道理
我们可以证明
角动量算符的其它两个分量
也是厄密算符
-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