当前课程知识点:量子力学(上) > 第六章 中心力场 > *6.2 球无限深势阱 > *6.2.1球坐标系中的自由粒子波函数
下面这一节
也是一个打*号的节
是选修内容
我们在这一节里要介绍一下
球无限深势阱
首先我们研究一下
球无限深势阱里边的波函数
写成一个解析的形式
球无限深势阱
是这样的一个势能函数
它只和r有关
也就是说是一个中心力场
当半径r小于a的时候
这个势能等于0
而当r大于a的时候
这个势能是正无穷
这种所谓
势能为正无穷的情形
我们在一维问题里
已经做过一个解释
就是应该把它想象成为一个
完全不可进入的一个区域
或者说是完全钢性的一个壁
所以
这个所谓的球无限深势阱
可以想象成为一个
具有完全钢性壁的球形空间
因此我们的问题
实际上只需要去解
球内的方程
而它就是
自由粒子的薛定谔方程
因为这个时候
V是等于零的
对于这个方程
一个更方便的形式
是下面这个样子
就是拉普拉斯算符作用于ψ
再加上一个常数k2乘以ψ
等于零
这里的k就是
根号2μE除以ℏ
这里的μ可以直接理解为
粒子的质量
之所以仍然采用μ
是因为我们把m这个字母
保留为表达磁量子数
这个方程是一个
数学上很著名的方程
叫做亥姆霍斯方程
由于现在
我们仍然观察的是一个
中心势场问题
所以说仍然把球坐标系里的
拉普拉斯算符的形式
代入这个方程
并且假设波函数
是径向波函数和
球谐函数的乘积
再注意
球谐函数满足的是
这样的一个方程
我们就得到了径向波函数
大R(r)所满足的一个方程
就是这一部分是有微分的项
这一项是没有微分的项
更方便的我们可以再做一个
自变量的代换
把r这个径向距离
乘上一个k
结果是一个无量纲的变量
我们把它记作x
那么这个径向方程
就变成了以x为自变量
R(x)为未知函数的一个
二阶常微分方程
就是一个这样的方程
这个方程在数学上称为
球贝赛尔方程
这个方程有两个线性独立解
一个解
是在x等于0的这个地方
发散的
那样的解
在物理上没有意义
我们舍掉不要
只保留它在
x等于零这个地方
正则的解
这个解称之为球贝赛尔函数
记为小j右下角指标l(x)
这个l
可以取所有的非负整数
就出现在
这个方程的这个位置
所以现在的径向波函数
就正比于球贝赛尔函数
它的自变量是kr
它的阶次是l
也就是
这里出现的这个阶次
再回到全部的波函数
它就成为球贝赛尔函数
和球谐函数的乘积
这里边的参数k
是用能量
以及质量和普适常数ℏ
来表达的
现在我们再进一步研究一下
球贝赛尔函数
实际上
球贝赛尔函数是
贝赛尔函数的一个变形
它可以通过
贝赛尔函数表达出来
这里的大J
是贝赛尔函数的记号
右下角写的是
贝赛尔函数的阶次
我们发觉
这里的小j球贝赛尔函数
如果它的阶次是l的话
它实际上
包含了这样两个因子
一个因子是贝赛尔函数
但是注意
它的阶次是l加上二分之一
然后前面再乘上一个
这个因子
就变量的关系而言
它是根号x分之一
但是另外还包含一个常数
是根号二分之π
因此我们就发觉
在实质上
球贝赛尔函数是和所谓的
半整数阶
贝赛尔函数相联系的
那么现在我们就先来问
半整数阶贝赛尔函数
是什么样的函数呢
在一般情况下
贝赛尔函数是特殊函数
是非初等函数
但是半整数阶贝赛尔函数
却是例外
因为它们是初等函数
比如说二分之一阶的
贝赛尔函数
实际上
它包含一个因子就是sinx
就是这样的一个初等函数
还乘上一个根号x分之一
还有一个系数
这是二分之一阶的
贝赛尔函数
如果我们在这上边再加1
就是二分之三阶的
贝赛尔函数的话
那么这个因子是没有变的
后边是sinx除以x
减去cosx
sinx当然在x=0的地方
是正则的
至于说这个因子
那么你也会发觉
当我在这里取x=0的时候
这个地方应当理解为
x趋近于零的极限
它是1
而在x=0的时候
cosx也是1
所以说
这二者相减
出来的是零
这也保证了这个函数
在x趋近于的零的时候
是正则的
而其它的半整数阶的
贝赛尔函数
可以通过贝赛尔函数的
递推公式
求出来
好
有了这样的准备
我们就不难写出
球贝赛尔函数
比如说
零阶球贝赛尔函数
它不是别的
就是sinx除以x
而一阶球贝赛尔函数
是sinx除以x2
减去cosx除以x
表面上看来
这里都会出现
x在分母上
但是呢
很容易用所谓的
洛必达法则来证明
当x趋近于零的时候
这样的表达式
都是有限的
也就是说
这样的函数
在x=0的这一点
并不发散
它是正则的
再利用
贝赛尔函数的递推公式
我们就可以写下
球贝赛尔函数的任意阶的
一个解析表达式
这个解析表达式
是通过对sinx除以x
做若干次微分
而得到的
对于这个表达式的来源
我们就不再做
进一步的解释了
但是从这个表达式
我们可以总结出
球贝赛尔函数的
很多有用的性质
比如说
球贝赛尔函数的递推公式
这个式子就把
l+1阶的球贝赛尔函数
用l阶的
球贝赛尔函数的导数
以及l阶球贝赛尔函数
再除以x
这样的一个函数的一个组合
表达出来了
因此只要我们知道了
比如说零阶贝赛尔函数
这个式子
就可以给出我们
一阶球贝赛尔函数
知道了一阶就可以知道二阶
如此等等
还有一个就是
我们可以得到
所谓的
球贝赛尔函数的渐近公式
也叫做渐近行为
那就是
我们观察
x趋近于无穷的这种极限
那么当x这个自变量
趋近于无穷远的时候
l阶的球贝赛尔函数
实际上是一个正弦函数
注意其中的自变量是x
减去一个二分之一lπ
这个叫做正弦函数的初位相
前面还要乘一个x分之一
所以
如果我们观察在很远的地方
也就是
在kr大于大于1的时候
自由粒子的定向波函数的话
它可以近似的写为
kr分之一
sin括号kr减去二分之一lπ
-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