薛定谔方程与它的基本意义(3)

2018-12-22 23:38

所以,

代入方程 (4) ,

在无穷远的极限,符合物理实际的波函数必须等于 0 。所以,

薛定谔方程的波函数的归一化不会随时间而改变。

[编辑] 完备基底

能量本征函数形成了一个完备基底。任何一个波函数可以表达为离散的能量本征函数的线性组合,或连续的能量本征函数的积分。这就是数学的谱定理 (spectral theorem) 。在一个有限态空间,这表明了厄米算符的本征函数的完备性。

[编辑] 相对论性薛定谔方程

主条目:相对论量子力学

薛定谔方程并没有将相对论效应纳入考虑范围内。对于伽利略变换,薛定谔方程是个不变式;可是对于洛伦兹变换,薛定谔方程的形式会改变。为了要包含相对论效应,必须将薛定谔方程做极大的改变。试想能量质量关系式,

其中, 是光速, 是静止质量。 直接地用这关系式来推广薛定谔方程:

或者,稍加编排,

其中, , 是达朗贝尔算符。

这方程,称为克莱因-高登方程,是洛伦兹不变式。但是,它是一个时间的二阶方程。所以,不能成为波函数的方程。并且,这方程的解答拥有正频率和负频率。一个平面波函数解答遵守

其中, 是角频率,可以是正值或负值。

对量子力学来说,正负角频率或正负能量,是一个很严峻的问题,因为无法从底端限制能量的最低值。虽然如此,加以适当的诠释,这方程仍旧能够正确地计算出相对论性的,自旋为零的粒子的波函数。 保罗·狄拉克发明的狄拉克方程,是时间的一阶微分方程,一个专门描述自旋-?粒子量子态的波函数方程:

其中,是自旋-? 粒子的质量, 与 分别是空间和时间的坐标。

狄拉克方程方程仍旧存在负能量的解答。为了要除去这麻烦的瑕疵,必须用到多粒子图案,把波动方程当作一个量子场的方程,而不是一个波函数的方程。因为,相对论与单粒子图案互不相容。一个相对论性粒子不能被局限于一个小区域,除非粒子的数量变为无穷多。 假若,一个粒子被局限于一个长度为 的一维盒子里,根据不确定性原理,动量的不确定性

。假若,因为粒子的动量足够的大,质量可以被忽略,则能量的不确定

性大约为 等于粒子的质能

。当盒子的长度 。当盒子的长度

等于康普顿波长 时,能量的不确定性

小于康普顿波长时,我们无法确定盒子内只有

一个粒子。因为,能量的不确定性,足够从真空制造更多的粒子。我们用来测量盒子内粒子位置的机制,也可以从真空制造更多的粒子。

[编辑] 解析方法

一般来说,解析薛定谔方程会用到下述这些方法:

? 量子微扰理论(perturbation theory (quantum mechanics)) 。 ? 变分原理(variational principle) 。 ? 量子蒙特·卡罗方法(Quantum Monte Carlo methods) 。 ? 密度泛函理论。

? WKB 近似(WKB approximation) 与半经典扩展。 对于某些特殊的状况,可以使用特别方法:

? 有解析解量子系统列表(List of quantum mechanical systems with analytical solutions) 。

? 哈特里-福克方法与越哈特里-福克方法。

? 离散 delta 位势方法(Discrete delta-potential method) 。

[编辑] 实例

[编辑] 自由粒子

主条目:自由粒子

当位势为 0 时,薛定谔方程为

解答是一个平面波:

其中, 是波矢量, 是角频率。

代入薛定谔方程,这两个变量必须遵守以下关系:

由于粒子存在的几率必须等于 1 ,波函数

必须先归一化,然后才能够表达出正

确的物理意义。对于一般的自由粒子而言,这不是一个问题。因为,自由粒子的波函数,在位置或动量方面,都是局部性的。 在量子力学里,一个自由粒子的动量与能量不必须拥有特定的值。自由粒子的波函数可以表示为一个波包的函数。:

其中,积分的区域是所有的 -空间。 为了简化计算,只思考一维空间,

其中,因子

是由傅里叶转换的常规而设定,振幅

是线性叠加的系数函数。

逆反过来,系数函数可以表达为

其中,

是波函数在时间

的函数形式。

所以,知道波函数在时间 波函数在任何时间的形式

的形式 。

,借由傅里叶转换,我们可以推演出

[编辑] 一维谐振子

主条目:量子谐振子

能量最低的八个束缚本征态的波函数表征 (图未经归一化。

) 。横轴表示位置

。此

在一维谐振子问题中,一个质量为 子的哈密顿算符

的粒子,受到一位势 。此粒

其中, 为位置。

为了要找到能阶以相对应的能量本征态,我们必须找到本征能量薛定谔方程:

我们可以在座标基底下解这个微分方程,用到幂级数方法。可以见到有一族的解:

最先八个解(n = 0到5)展示在右图。函数

为厄米多项式 (Hermite polynomials) :

相应的能阶为

值得注意的是能谱,理由有三。首先,能量被“量子化”(quantized),而只能有离散的值,即

乘以1/2, 3/2, 5/2……等等。这是许多量子力学系统的特征。再者,可有的最低能量(当n = 0)不为零,而是

,被称为“基态能量”或零点能量。在基态中,根据量子力学,

一振子执行所谓的“零振动”,且其平均动能是正值。这样的现象意义重大但并不那么显而易见,因为通常能量的零点并非一个有意义的物理量,因为可以任意选择;有意义的是能量差。虽然如此,基态能量有许多的意涵,特别是在量子引力。最后一个理由式能阶值是等距的,不像玻尔模型或盒中粒子问题那样。

[编辑] 球对称位势

主条目:球对称位势

一个单粒子运动于球对称位势的量子系统,可以用薛定谔方程表达为

其中, 是普朗克常数, 是粒子的质量, 是粒子的波函数, 是位势, 是径向距离,

是能量。

,将拉普拉斯算子

展开:

采用球坐标

满足薛定谔方程的本征函数

的形式为:

其中,

,都是函数。

时常会合并为一个函数,

的形式变为:

称为球谐函数,

[编辑] 角部分解答

。这样,本征函数

相依于天顶角 和方位角 的球谐函数 ,满足角部分方程


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