《量子力学》波函数与薛定谔方程

选自曾谨言


附录:波包,群速度,相速度

傅里叶变换基础

小记:从实空间到倒空间,是顺时针,乘上e^{-ikx}

\psi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int \psi(k)e^{ikx}dk \psi(k)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int \psi(x)e^{-ikx}dx

对于普通的单色平面波有,\psi_{k}(x)=e^{ikx} 其傅里叶变换则有
\psi(k)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int e^{i(k'-k)x}dx \psi(k)=2\pi\delta(k-k_0)

如果是Gauss波包,其傅里叶变换也是一个波包。且波包宽度\Delta x\Delta k之间满足不确定性关系。

除此以外,傅里叶变换可以保留波函数的归一化性质。

群速度与相速度

相速度:等相面运动的速度
u=\omega /k

\varphi = kx-\omega t= constant d\varphi=0

群速度:波包中心的运动速度

波包用单色平面波展开 \phi(x,t)=\frac{1}{2\pi}\int \phi(k) exp[i(kx-\omega t)]dk
认为波包中心出现在相位取极值处,即\varphi = kx-\omega(k)t
对波数求导,有x_c = \frac{d\omega}{dk}t
再次求导则得到群速度

总结:相速度是相位的移动速度,实际上就是振幅的传播速度。
而群速度是振幅的变化的移动速度,可以理解为波包的传播速度。

推广到de Brogile波,有E=\hbar \omega, p = \hbar k (k=2\pi / \lambda),可得
\omega = \hbar k^2/2m u=\omega /k = p/2m v_g= d\omega/dk = p/m
发现,物质波的群速度就是经典粒子的运动速度。

同样,一个物质波可以看做一个波包,由多个单色平面波叠加而成。因此,根据de Brogile关系,可以认为
E=\hbar \omega,能量(动量)是不确定的,具有一个分布。波包的概念天然得适应不确定性关系。

参考:


波包扩散

推导思路:
色散关系可以用Taylor展开式展开到二阶,代入到波包的单色平面波傅里叶展开式中。波包可以简单取Gauss波包(k空间),得到最终\psi(x,t),计算其强度分布|\psi(x,t)|^2和宽度\Delta x,发现宽度是随着时间不断增大的,即不断扩散。

基于这个结论,我们发现,物质波的色散关系是存在二阶项系数的,这就意味着,物质波包必然要扩散,这是反常理的。


第二章:波函数与薛定谔方程

概率波

波函数的统计诠释:|\psi(r)|^2\Delta x\Delta y\Delta z正比于在该点附近小体积元处找到粒子的概率,该统计诠释解决了物质波包扩散、单个电子波动性、粒子性与波动性统一的问题
实际上,电子表现出的粒子性只是其中一部分:即有确切的质量、电荷,但是并不意味着有确定运动轨道;电子的波动性也只是相干叠加性。

波函数根据统计诠释,有归一化条件\int |\psi(r)|^2 d^3x =1 同时,由于我们更关注相对的概率分布,因此,通常表示为平方可积条件:\int |\psi(r)|^2 d^3x =A >0
除了相对概率,波函数还存在相位不定性,即系数乘上e^{ia}依然是归一化的,所以我们认为相位有无,其都描述的是同一个概率波。

对于多粒子体系,其波函数表示为\psi(r_1,r_2,...,r_N),即多维位形空间中的概率波。

动量分布概率

入射粒子可以看做是一个物质波波包,由许多单色平面波叠加而成。而动量具有关系p=\hbar k
因此,我们可以将波函数进行平面波(按照动量)展开,有\psi(r)=\frac{1}{(2\pi\hbar)^{3/2}}\int \varphi(p) exp(ip\bullet r/ \hbar)d^3p 其具有对应的逆变换就是\varphi(p)|\varphi(p)|^2 就代表了波函数\psi(r) 中所含平面波exp(ip\bullet r/\hbar)的成分。

实验实现粒子的动量分布测量:电子衍射实验有sin\theta_n = n\lambda /a=nh/pa,即衍射出射角度\theta_n与入射粒子的动量p有关。而该动量的概率就是入射波的对应Fourier分波波幅\varphi(p),其越大,则衍射强度越大。所以我们可以根据衍射波谱得到衍射前粒子动量的分布概率。

笔记要脱离教材来写

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