当前课程知识点:量子力学(上) > 第六章 中心力场 > 6.1 中心力场中粒子运动的一般性质 > *6.1.3 二体问题的分解 相对运动
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我们来解释一下
二体问题的分解
刚才我们所考虑的
称之为三维空间里的
单体运动问题
但是事实上
这样的问题经常是从
一个二体问题当中
约化出来的
那么在经典物理里边
我们已经知道
一个二体系统
可以分解为
质心运动和相对运动的
两个部分
我们这里
可以用氢原子作为例子
那么
氢原子核
和围绕着氢原子核转动的
那个电子
就构成了一个二体系统
那么在量子力学里
也有类似的结论
那就是
一个二体系统的运动
可以分解成为质心运动
和相对运动的和
具体地说
我们假设一个系统里
有两个粒子
这两个粒子坐标
分别记作 r1 和 r2
它们的质量
分别是 m1 和 m2
那么第一步
我们先引入两个新的坐标
一个是 R,它就是
分子上是 m1r1 + m2r2
分母上是 m1 + m2
大家知道
这个 R 称之为
这两个粒子的质心坐标
另外一个就比较简单
就是 r1 和 r2 的差
我们把它称之为相对坐标
另一方面
我们也在质量上做一些变换
先引入一个 M
它就是 m1 + m2
当然
这就是这两个粒子的总质量
另外一个要仔细看一下
它是一个比值
分子上是两个质量的乘积
分母上是两个质量的和
这个质量称之为
这两个粒子的约化质量
那么我们来看一下
在薛定谔方程里
应该出现这两个粒子的
动能项之和
分别地是
-ℏ2/2m
拉普拉斯算符
当然
这里要把粒子 1 和粒子 2
都写出来
并且把它们相加
由于刚才我们对于 m
和两个坐标都进行了变换
我们就应该把这样两项
重新表达为
用新的两个坐标
就是质心坐标和相对坐标
以及新的两个质量
就是总质量和约化质量
所表达的一个算符运算
非常巧妙的是
这样运算的结果
正好重新得到了
两个标准的动能项的表达式
其中一项是质量取总质量
坐标取质心坐标
第二项是
质量取约化质量
坐标取相对坐标
这两个形式上看起来
完全相同的动能之和
就恰好代替了
原来的这两个粒子的
动能之和
再加上如果这两个粒子只有
彼此之间的相互作用的话
那么原来这个势能应该和
两个粒子的坐标都有关
而现在它只和
两个粒子的相对坐标有关
也就是说
V 只和这个 r 有关
那么我们的哈密顿量算符
就原来是这个样子
而现在就变成了这个样子
仔细看一下
那么大家就知道
原来这是两个粒子的
动能之和
现在就变成了
质心动能和相对动能之和
而这个 V
只和相对坐标有关
那么
我们就可以再进一步地
去对波函数
也做分离变量处理
原来波函数应该和
r1、r2 有关
现在
在这个哈密顿量的形式之下
就可以写为
这样的一个分离变量的形式
那就是
这样的两个波函数的乘积
其中的一个波函数的自变量
是质心坐标 R
另外一个它的自变量
是相对坐标 r
我们再看一下
在这个哈密顿量里边
这个势能实际上是和
R 没有关系的
所以质心是自由运动
现在我们就可以考虑
一个特殊的参考系
叫做质心系
它的定义就是
在这样的参考系中
质心的动量是零
那么很明显就知道
这个时候所谓的
质心运动的波函数
实际上仅仅是一个常数
于是我们的问题就变成了
只需要去解相对运动的
薛定谔方程
而这个方程
和单粒子的薛定谔方程
其实是一样的
只不过其中的质量
现在是约化质量
也就是说我应该用
这个哈密顿量
列出薛定谔方程
这就是我们
在本节一开始的时候
给出的那个薛定谔方程
-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