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 > 4.2.3 本征函数系的正交性
上一小节中
我们探讨了
厄密算符的
本征值的一些性质
那么这个小节
我们来探讨一下
厄密算符的
本征函数的性质
及本征函数系的正交性
什么叫正交呢
正交的定义就是
如果两个函数ψ_1和ψ_2
满足下面的等式
也就是
ψ_1的共轭乘上ψ_2
再对全空间求积分等于零
那么这两个函数ψ_1和ψ_2
就是正交的
彼此正交的两个函数的
几何意义
就是彼此垂直
如果我们想做一下类比的话
那么这两个函数ψ_1和ψ_2
就对应
平面直角坐标系里边的
x方向的矢量
和y方向上的矢量
它们是彼此垂直的
接下来
我们要讨论一下
厄密算符的
本征函数的正交性的问题
及正交性定理
同一个厄密算符的
属于不同本征值的
本征函数彼此正交
我们接下来要对
这个正交性定理进行证明
设厄密算符
有两个本征函数ψ_1和ψ_2
它们是分别属于
本征值λ_1和λ_2的函数
并且λ_1不等于λ_2
那么下面
我们就写出两个本征方程
及F作用在ψ_1上
等于λ_1乘上ψ_1
F作用在ψ_2上
等于λ_2乘上ψ_2
下面证明的过程 和刚才
我们证明厄密算符的
本征值是实数的证明
是一样的
我们要利用
厄密算符的定义
由于F是厄密算符
因此有如下的表示
我们在证明
厄密算符的本征值
是实数的证明中
也用到了类似的等式
下面我们将上面
提到的两个本征方程
代入到等式的左右两边
因此F作用在ψ_2上
就等于λ_2乘上ψ_2
F作用在ψ_1的共轭
就等于λ_1的共轭
乘上ψ_1的共轭
由于
我们知道F是厄密算符
厄密算符的本征值
都是实数
因此λ_1的共轭就等于λ_1
因此我们就得到了下面的
这个等式
而且
由于之前我们提到了λ_1
并不等于λ_2
因此要使以上的等式成立
那么只有这个积分等于零
也就是ψ_1的共轭乘上ψ_2
对全空间的积分等于零
这样我们就证明了
ψ_1和ψ_2是正交的
因此我们也证明了
正交性定理
也就是
同一个厄密算符的
属于不同的
本征值的本征函数
是正交的
从整个的证明过程中
我们发现
无论厄密算符F的本征值谱
是分立的
还是连续的
正交性定理都是成立的
但是本征值谱是分立的
还是连续的
却影响着
本征函数的归一性
如果算符F的本征值谱
是分立的
而且本征函数
是非简并的
那么
本征函数可以平方可积
因此可以有限的归一化
这个结论
我们不做具体的证明
本征函数的非简并
是指不存在
两个或两个以上的
线性无关的本征函数
同属于
同一个本征值的情况
那么关于简并的定义
我们将在下一小节中
具体说明
如果我们假设
F的本征值谱是分立的
而且本征函数是非简并的
那么我们可以将
本征函数的
正交性和归一性
归纳为以下的表达式
即ψ_k的共轭乘上ψ_l
对全空间的积分等于δ_kl
这里边的δ_kl是Kronecker δ
当k等于l的时候
这个函数等于1
当k不等于l的时候
这个函数等于0
k和l是正整数
它对应
算符F的所有的本征值
当k不等于l的时候
那么ψ_k和ψ_l
就是两个
属于不同的
本征值的本征函数
它们之间是正交的
当k等于l的时候
这个公式就给出了
本征函数的归一性条件
因此
这个表达式也称为
函数系ψ_1ψ_2等等的
正交归一关系
或正交归一性
为了简单起见
我们将这一个积分及ψ
的共轭乘上φ
对全空间的积分
写成
括号ψ逗号φ括号完毕
并称为ψ和φ的内积
这就相当于在矢量计算中
两个矢量的标记
因此
正交归一性可以表达为
ψ_k和ψ_l的内积
等于δ_kl
这里我们不要忘记
这个表达式成立的条件
是厄密算符F的本征值谱
是分立谱
而且本征函数是非简并的
那么如果算符F的本征值谱
是连续谱
那么本征函数
就不是平方可积的
但是本征函数系
仍可以按照δ函数归一化
也就是我们把Kronecker δ
换作狄拉克δ函数
关于这方面的内容
我们将在下一节
及4.3节中
做具体的说明
下面我们罗列一下
内积的主要性质
第一
波函数自身的内积
大于等于零
以上等式
等于零的充分必要条件
就是波函数ψ本身等于零
第二个性质是这样的
复数c_1乘上波函数ψ_1
加上复数c_2乘上波函数ψ_2
和φ的内积
等于复数c_1的共轭
乘上ψ_1和φ的内积
加上复数c_2的共轭
乘上ψ_2和φ的内积
那第三个性质
是ψ和复数c_1乘上ψ_1
加上复数c_2乘上φ_2的内积
等于复数c_1乘上ψ
和φ_1的内积
加上复数c_2乘上ψ
和φ_2的内积
那最后一个性质
是ψ和φ的内积的共轭
等于φ和ψ的内积
这些性质
我们都可以很容易的
从内积的定义中得到
我们也可以
把厄密共轭算符的定义
写成内积的形式
即φ和算符F
作用在波函数ψ上的内积
等于算符F的
厄密共轭算符F^dagger
作用在波函数φ
和波函数ψ的内积
这里φ和ψ
都是任意的两个函数
如果F是个厄密算符
那么F^dagger等于F
这样我们也就得到了
厄密算符定义的内积的
表达形式
-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