当前课程知识点:量子力学(上) > 第四章 力学量用算符表示 > 4.3 动量本征函数的归一化 > *4.3.2 动量本征函数的箱归一化
下面我们来
讲解动量本征函数的
箱归一化
在实际的物理情况中
所涉及的空间虽然很大
却仍然是有限的
而且空间边界的影响
又可以忽略不计
也就是说波函数是局限在
有限的空间中
在4.2节中我们曾经证明了
动量算符是个厄密算符
那么用同样的证明的方法
我们也可以证明
对于涉及有限空间波函数
为了保证
动量算符是厄密算符
应该提出周期性的边界条件
我们以一维空间为例
来具体介绍一下
如何进行箱归一化
我们设
粒子的坐标
局限在一个区间内
这个区间是从 -L/2 到 L/2
那么
动量算符的本征函数
就应该满足周期性边界条件
即在两个边界上 -L/2 和 L/2
动量算符的本征函数
是相等的
那么由于动量算符的
本征方程是不变的
因此它的
本征函数的具体的形式
跟上一小节中的
形式是一样的
也就是说等于
C 是一个复常数
乘上一个 e 指数
指数上是 ipx/ℏ
由于现在波函数
是局限在一个有限的空间里
因此
对它很容易地进行归一化
那么归一化得到的波函数
就等于 1 除上根号下 L
乘上这个 e 指数
在其它的空间里
波函数等于零
将我们得到的波函数
应用于周期性边界条件
我们将会得到
e 指数, 指数上是
ipL/ℏ,等于 1
那么这就意味着
pL/ℏ = 2nπ
其中 n 是整数
那么这就告诉我们
p 这个动量的本征值不再是
一个连续的值
而是一个分立的值
它等于2nπℏ/L
那么我们还要在这里
给它一个下角标来对应于
这个 n,对应于这个量子数
另外由德布罗意关系
也就是
动量和描述这个粒子的
物质波的波长之间的关系
我们也可以得到
L = |n|λ
也就说
长度必须包含整数个波长
这里我们从动量离散化
就得到了波长的离散化
本征函数就可以写成
1 除上根号下 L
乘上一个 e 的指数
那么指数上是
i2nπx/L
我们也会
很容易地得到正交归一条件
那就是两个波函数的内积
等于一个 Kronecker δ 函数
我们将一维的情形
推广到三维的情形
也就是说 x,y,z 分别局限在
-L/2 到 L/2 的区间里
那么这个时候的本征函数
就是
一维情况下的本征函数的
乘积
那么得到的就是
1 除上 L3/2
乘上 e 指数是
ip*r/ℏ
我们还可以把空间的体积
L3 定义成 V
其中
动量算符的本征值的
三个分量 px, py, pz
都是离散化的
n,m,l 是分别对应于
px, py, pz 的一组量子数
它们都是整数
那么正交归一
我们也容易地得到
动量的本征函数的内积
等于三个 Kronecker δ 的相乘
从我们得到的结果
我们可以发现
在动量空间中
动量的本征值是出现在
以 h/L 为常数的
三维的立体晶格的格点上
那么包围格点的晶胞的体积
就是 h/L3
那么这个体积
也就是一个量子态
平均占有的体积
另一方面我们知道
坐标的空间体积是 L3
因此一个量子态在相空间
也就是说在坐标空间和
动量空间一起构成的空间里
平均占有的体积
就是这两个体积的乘积
即 h3
那么它的倒数
就是这个量子态
在相空间中的态密度
这个结论在统计力学中
有着重要的应用
4.3节
就介绍完了
-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