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Chap. 3: 力学量用算符表达

Course NotesQuantum MechanicsAbout 10 minAbout 2983 words

3.1 算符的运算规则

(a) 线性算符

A^(c1ψ1+c2ψ2)=c1A^ψ1+c2A^ψ2 \hat{A} (c_1 \psi_1 + c_2 \psi_2) = c_1 \hat{A} \psi_1 + c_2 \hat{A} \psi_2

(b) 算符之和

(A^+B^)ψ=A^ψ+B^ψ \pqty{\hat{A} + \hat{B}} \psi = \hat{A} \psi + \hat{B} \psi

© 算符之积

(A^B^)ψ=A^(B^ψ) \pqty{\hat{A} \hat{B}} \psi = \hat{A} \pqty{\hat{B} \psi}

一般来说, 算符之积不满足交换律, 即 A^B^B^A^\hat{A} \hat{B} \neq \hat{B} \hat{A}. 这是算符与通常数的运算规则的 唯一不同之处.

量子力学的基本对易式

定义 对易式 (commutator)

\commA^B^=A^B^B^A^ \comm{\hat{A}}{\hat{B}} = \hat{A} \hat{B} - \hat{B} \hat{A}

\commxαpβ=iδαβ \comm{x_{\alpha}}{p_{\beta}} = i \hbar \delta_{\alpha \beta}

不难证明, 对易式满足下列代数恒等式:

\commA^B^=\commB^A^\commA^B^+C^=\commA^B^+\commA^C^\commA^B^C^=B^\commA^C^+\commA^B^C^\commA^B^C^=A^\commB^C^+\commA^C^B^\commA^\commB^C^+\commB^\commC^A^+\commC^\commA^B^=0(Jacobi 恒等式) \begin{align*} & \comm{\hat{A}}{\hat{B}} = - \comm{\hat{B}}{\hat{A}} \\ & \comm{\hat{A}}{\hat{B} + \hat{C}} = \comm{\hat{A}}{\hat{B}} + \comm{\hat{A}}{\hat{C}} \\ & \comm{\hat{A}}{\hat{B} \hat{C}} = \hat{B} \comm{\hat{A}}{\hat{C}} + \comm{\hat{A}}{\hat{B}} \hat{C} \\ & \comm{\hat{A} \hat{B}}{\hat{C}} = \hat{A} \comm{\hat{B}}{\hat{C}} + \comm{\hat{A}}{\hat{C}} \hat{B} \\ & \comm{\hat{A}}{\comm{\hat{B}}{\hat{C}}} + \comm{\hat{B}}{\comm{\hat{C}}{\hat{A}}} + \comm{\hat{C}}{\comm{\hat{A}}{\hat{B}}} = 0 & \qq{(Jacobi 恒等式)} \end{align*}

角动量的对易式

\vbl^=\vbr\cp\vbp^ \hat{\vb*{l}} = \vb*{r} \cp \hat{\vb*{p}}

\comml^αxβ=εαβγixγ \comm{\hat{l}_{\alpha}}{x_{\beta}} = \varepsilon_{\alpha \beta \gamma} i \hbar x_{\gamma}

式中 εαβγ\varepsilon_{\alpha \beta \gamma} 称为 Levi-Civita 符号, 是一个三阶反对称张量, 定义如下:

{εαβγ=εβαγ=εαγβε123=1 \begin{cases} \varepsilon_{\alpha\beta\gamma} = -\varepsilon_{\beta\alpha\gamma} = -\varepsilon_{\alpha\gamma\beta} \\ \varepsilon_{123} = 1 \end{cases}

类似可以证明,

\comml^αp^β=εαβγipγ \comm{\hat{l}_{\alpha}}{\hat{p}_{\beta}} = \varepsilon_{\alpha\beta\gamma} i \hbar p_{\gamma}

还可以证明

\comml^αl^β=εαβγil^γ \comm{\hat{l}_{\alpha}}{\hat{l}_{\beta}} = \varepsilon_{\alpha\beta\gamma} i \hbar \hat{l}_{\gamma}

这就是 角动量各分量的对易式, 是很重要的, 必须牢记.

\vbl^\cp\vbl^=i\vbl^ \hat{\vb*{l}} \cp \hat{\vb*{l}} = i \hbar \hat{\vb*{l}}

\comm\vbl^2l^α=0,α=x,y,z \comm{\hat{\vb*{l}}^2}{\hat{l}_{\alpha}} = 0 \qc \alpha = x, y, z

在球坐标系中, 利用坐标变换关系, 即

{x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosθ,{r=x2+y2+z2θ=arctan(x2+y2/z)φ=arctan(y/x) \begin{cases} x = r \sin\theta \cos\varphi, \\ y = r \sin\theta \sin\varphi, \\ z = r \cos\theta, \end{cases} \quad \begin{cases} r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2} \\ \theta = \arctan(\sqrt{x^2 + y^2} / z) \\ \varphi = \arctan(y / x) \end{cases}

可以把 \vbl^\hat{\vb*{l}} 各分量表示为

l^x=i(sinφ\pdvθ+cotθcosφ\pdvφ)l^y=i(cosφ\pdvθ+cotθsinφ\pdvφ)l^z=i\pdvφ\vbl^2=2\bqty1sinθ\pdvθsinθ\pdvθ+1sin[2]θ\pdv[2]φ \begin{align*} \hat{l}_x & = i \hbar \pqty{\sin{\varphi} \pdv{\theta} + \cot{\theta} \cos{\varphi} \pdv{\varphi}} \\ \hat{l}_y & = i \hbar \pqty{- \cos{\varphi} \pdv{\theta} + \cot{\theta} \sin{\varphi} \pdv{\varphi}} \\ \hat{l}_z & = - i \hbar \pdv{\varphi} \\ \hat{\vb*{l}}^2 & = - \hbar^2 \bqty{\frac{1}{\sin{\theta}} \pdv{\theta} \sin{\theta} \pdv{\theta} + \frac{1}{\sin[2]{\theta}} \pdv[2]{\varphi}} \end{align*}

(d) 逆算符

设算符 A^\hat{A} 之逆算符存在, 不难证明

A^A^1=A^1A^=I,\commA^A^1=0 \hat{A} \hat{A}^{-1} = \hat{A}^{-1} \hat{A} = I \qc \comm{\hat{A}}{\hat{A}^{-1}} = 0

(A^B^)1=B^1A^1 \pqty{\hat{A} \hat{B}}^{-1} = \hat{B}^{-1} \hat{A}^{-1}

(e) 算符的函数

定义一个量子体系的任意两个波函数 (态) ψ\psiφ\varphi 的 “标积”

(ψ,φ)=\ddτψφ (\psi, \varphi) = \int \dd{\tau} \psi^* \varphi

可以证明

{(ψ,ψ)0(ψ,φ)=(φ,ψ)(ψ,c1φ1+c2φ2)=c1(ψ,φ1)+c2(ψ,φ2)(c1ψ1+c2ψ2,φ)=c1(ψ1,φ)+c2(ψ2,φ) \begin{cases} (\psi, \psi) \geqslant 0 \\ (\psi, \varphi)^* = (\varphi, \psi) \\ (\psi, c_1 \varphi_1 + c_2 \varphi_2) = c_1 (\psi, \varphi_1) + c_2 (\psi, \varphi_2) \\ (c_1 \psi_1 + c_2 \psi_2, \varphi) = c_1^* (\psi_1, \varphi) + c_2^* (\psi_2, \varphi) \end{cases}

(f) 转置算符

(ψ,A^~φ)=(φ,A^ψ) \pqty{\psi, \tilde{\hat{A}} \varphi} = \pqty{\varphi^*, \hat{A} \psi^*}

(A^B^)~=B^~A^~ \widetilde{\pqty{\hat{A} \hat{B}}} = \tilde{\hat{B}} \tilde{\hat{A}}

(g) 复共轭算符与厄米共轭算符

A^ψ=(A^ψ) \hat{A}^* \psi = \pqty{\hat{A} \psi^*}^*

算符 A^\hat{A}^* 的表达式与表象有关.

(ψ,A^+φ)=(A^ψ,φ) \pqty{\psi, \hat{A}^+ \varphi} = \pqty{\hat{A} \psi, \varphi}

A^+=A^~ \hat{A}^+ = \tilde{\hat{A}}^*

(A^B^C^)+=C^+B^+A^+ \pqty{\hat{A} \hat{B} \hat{C} \cdots}^+ = \cdots \hat{C}^+ \hat{B}^+ \hat{A}^+

(h) 厄米算符

(ψ,A^φ)=(A^ψ,φ),A^+=A^ \pqty{\psi, \hat{A} \varphi} = \pqty{\hat{A} \psi, \varphi}, \qq{或} \hat{A}^+ = \hat{A}

(A^B^)+=B^+A^+=B^A^ \pqty{\hat{A} \hat{B}}^+ = \hat{B}^+ \hat{A}^+ = \hat{B} \hat{A}

只当 \commA^B^=0\comm{\hat{A}}{\hat{B}} = 0 时, 上式才等于 A^B^\hat{A} \hat{B}, 即 A^B^\hat{A} \hat{B} 为厄米算符.

定理

体系的任何状态下, 其厄米算符的平均值必为实数.

逆定理

在任何状态下平均值均为实的算符必为厄米算符.

实验上可观测量, 当然要求在任何态下平均值都是实数, 因此 相应的算符必须是厄米算符.

推论

A^\hat{A} 为厄米算符, 则在任意态 ψ\psi 之下,

A2=(ψ,A^2ψ)=(A^ψ,A^ψ)0 \overline{A^2} = \pqty{\psi, \hat{A}^2 \psi} = \pqty{\hat{A} \psi, \hat{A} \psi} \geqslant 0

3.2 厄米算符的本征值与本征函数

涨落定义为

ΔA2=(A^A)2=ψ(A^A)2ψ\ddτ \overline{\Delta{A}^2} = \overline{\pqty{\hat{A} - \overline{A}}^2} = \int \psi^* \pqty{\hat{A} - \overline{A}}^2 \psi \dd{\tau}

如果体系处于一种特殊的状态, 测量 AA 所得结果是唯一确定的, 即涨落 ΔA2=0\overline{\Delta{A}^2} = 0, 则称这种状态为力学量 AA本征态.

A^ψn=Anψn \hat{A} \psi_n = A_n \psi_n

AnA_n 称为 A^\hat{A} 的一个本征值, ψn\psi_n 为相应的 本征态. 量子力学中的一个基本假定是: 测量力学量 AA 时所有可能出现的值, 都是相应的线性厄米算符 A^\hat{A} 的本征值.

定理 1

厄米算符的本征值必为实.

定理 2

厄米算符的属于不同本征值的本征函数, 彼此正交.

例 1

求角动量 zz 分量 l^z=i\pdvφ\hat{l}_z = - i \hbar \pdv{\varphi} 的本征值与本征函数.

lz=m,m=0,±1,±2,ψm(φ)=12πeimφ,m=0,±1,±2, \begin{gather*} l_z' = m \hbar \qc m = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots \\ \psi_m(\varphi) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{i m \varphi} \qc m = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots \end{gather*}

例 2

平面转子的能量本征值与本征态.

ψm(φ)=12πeimφ,m=0,±1,±2,Em=m22/2I0 \begin{gather*} \psi_m(\varphi) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{i m \varphi} \qc m = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots \\ E_m = m^2 \hbar^2 / 2 I \geqslant 0 \end{gather*}

例 3

求动量的 xx 分量 p^x=i\pdvx\hat{p}_x = - i \hbar \pdv{x} 的本征态.

ψpx(x)=12πeipxx/ \psi_{p_x'}(x) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi \hbar}} e^{i p_x' x / \hbar}

例 4

一维自由粒子的能量本征态.

ψE(x)e±ikx,k=2mE/0E=2k2/2m0 \begin{gather*} \psi_E(x) \sim e^{\pm i k x} \qc k = \sqrt{2 m E} / \hbar \geqslant 0 \\ E = \hbar^2 k^2 / 2 m \geqslant 0 \end{gather*}

3.3 共同本征函数

3.3.1 不确定度关系的严格证明

ΔA\vdotΔB12\abs\commAB \Delta{A} \vdot \Delta{B} \geqslant \frac{1}{2} \abs{\overline{\comm{A}{B}}}

这就是 任意两个力学量 AABB 在任意量子态下的不确定度 (涨落) 必须满足的关系式, 即不确定度关系 (uncertainty relation).

若两个力学量 AABB 不对易, 则一般来说 ΔA\Delta{A}ΔB\Delta{B} 不能同时为零, 即 AABB 不能共同测定 (但注意 \commAB=0\overline{\comm{A}{B}} = 0 的特殊态可能是例外), 或者说 它们不能有共同本征态. 反之, 若两个厄米算符 A^\hat{A}B^\hat{B} 对易, 则可以找出这样的态, 使 ΔA=0\Delta{A} = 0ΔB=0\Delta{B} = 0 同时满足, 即可以找出它们的共同本征态.

3.3.2 (\vbl2,lz)(\vb*{l}^2, l_z) 的共同本征态, 球谐函数

由于角动量的三个分量不对易, 一般无共同本征态. 但由于 \comm\vbl2,lα=0(α=x,y,z)\comm{\vb*{l}^2, l_{\alpha}} = 0 (\alpha = x, y, z), 我们可以找出 \vbl2\vb*{l}^2 与任何一个分量 (如 lzl_z) 的共同本征态.

采用球坐标, \vbl2\vb*{l}^2 表示为

\vbl2=\bqty1sinθ\pdvθsinθ\pdvθ+1sin[2]θ\pdv[2]φ=2sinθ\pdvθsinθ\pdvθ+1sin[2]θlz2 \begin{equation*} \begin{split} \vb*{l}^2 & = - \hbar \bqty{\frac{1}{\sin{\theta}} \pdv{\theta} \sin{\theta} \pdv{\theta} + \frac{1}{\sin[2]{\theta}} \pdv[2]{\varphi}} \\ & = - \frac{\hbar^2}{\sin{\theta}} \pdv{\theta} \sin{\theta} \pdv{\theta} + \frac{1}{\sin[2]{\theta}} l_z^2 \end{split} \end{equation*}

Y(θ,φ)=Θ(θ)ψm(φ) Y(\theta, \varphi) = \Theta(\theta) \psi_m(\varphi)

Θlm(θ)=(1)m(2l+1)2\vdot(lm)!(l+m)!Plm(cosθ)m=l,l1,,l+1,l \begin{gather*} \Theta_{l m}(\theta) = (-1)^m \sqrt{\frac{(2 l + 1)}{2} \vdot \frac{(l - m)!}{(l + m)!}} P_l^m(\cos{\theta}) \\ m = l, l - 1, \cdots, - l + 1, -l \end{gather*}

(\vbl2,lz)(\vb*{l}^2, l_z) 的正交归一的共同本征函数表示为

Ylm(θ,φ)=(1)m2l+14π(lm)!(l+m)!Plm(cosθ)eimφ Y_{l m}(\theta, \varphi) = (-1)^m \sqrt{\frac{2 l + 1}{4 \pi} \frac{(l - m)!}{(l + m)!}} P_l^m(\cos{\theta}) e^{i m \varphi}

YlmY_{l m} 称为球谐 (spherical harmonic) 函数, 它们满足

\vbl2Ylm=l(l+1)2YlmlzYlm=mYlml=0,1,2,,m=l,l1,,l+1,l02π\ddφ0πsinθ\ddθYlm(θ,φ)Ylm(θ,φ)=δllδmm \begin{gather*} \vb*{l}^2 Y_{l m} = l (l + 1) \hbar^2 Y_{l m} \\ l_z Y_{l m} = m \hbar Y_{l m} \\ l = 0, 1, 2, \cdots \qc m = l, l - 1, \cdots, - l + 1, -l \\ \int_0^{2 \pi} \dd{\varphi} \int_0^{\pi} \sin{\theta} \dd{\theta} Y_{l m}^*(\theta, \varphi) Y_{l' m'}(\theta, \varphi) = \delta_{l l'} \delta_{m m'} \end{gather*}

ll 称为 轨道角动量量子数, mm 称为 磁量子数. 对于给定 ll, \vbl2\vb*{l}^2 的本征函数是不确定的, 因为 m=l,l1,,lm = l, l - 1, \cdots, -l, 共有 (2l+1)(2 l + 1) 个简并态. YlmY_{l m} 就是用 l^z\hat{l}_z 的本征值来区分这些简并态.

3.3.3 对易力学量完全集 (CSCO)

设给定一组量子数 α\alpha 之后, 就能够确定体系的唯一一个可能状态, 则我们称 (A^1,A^2,)(\hat{A}_1, \hat{A}_2, \cdots) 构成体系的一组 对易可观测量完全集.

如体系的 Hamilton 量不显含时间 tt (\pdvHt=0\pdv*{H}{t} = 0), 则 HH 为守恒量. 在此情况下, 如对易力学量完全集中包含有体系的 Hamilton 量, 则完全集中各力学量都是守恒量, 这种完全集又称为 对易守恒量完全集 (CSCCO) 包括 HH 在内的守恒量完全集的共同本征态, 当然是定态, 所相应的量子数都称为 好量子数.

关于 CSCO, 再做几点说明:

  1. CSCO 是限于 最小集合, 即从集合中抽出任何一个可观测量后, 就不再构成体系的 CSCO. 所以要求 CSCO 中各观测量是 函数独立的.
  2. 一个给定体系的 CSCO 中, 可观测量的数目一般等于体系自由度的数目, 但也可以大于体系自由度的数目.
  3. 一个给定体系往往可以找到多个 CSCO, 或 CSCCO. 在处理具体问题时, 应视其侧重点来进行选择. 一个 CSCCO 的成员的选择, 涉及体系的对称性.

3.3.4 量子力学中力学量用厄米算符表达

量子体系的可观测量 (力学量) 用一个线性厄米算符来描述, 也是 量子力学的一个基本假定, 它们的正确性应该由实验来判定. “量子力学中力学量用相应的线性厄米算符来表达”, 其含义是多方面的.

  1. 在给定状态 ψ\psi 之下, 力学量 AA 的平均值 A\overline{A} 由下式决定

    A=(ψ,A^ψ)/(ψ,ψ) \overline{A} = \pqty{\psi, \hat{A} \psi} / \pqty{\psi, \psi}

  2. 在实验上观测某力学量 AA, 它的 可能取值 AA' 就是算符 A^\hat{A} 的某一个本征值. 由于力学量的观测值总是实数, 所以要求相应的算符为厄米算符.

  3. 力学量之间的关系也通过相应的算符之间的关系反映出来. 例如, 两个力学量 AABB, 在一般情况下, 可以同时具有确定的观测值的必要条件为 \commA^B^=0\comm{\hat{A}}{\hat{B}} = 0. 反之, 若 \commA^B^0\comm{\hat{A}}{\hat{B}} \neq 0, 则一般来说, 力学量 AABB 不能同时具有确定的观测值.

特别是对于 HH 不显含 tt 的体系, 一个力学量 AA 是否是守恒量, 可以根据 A^\hat{A}H^\hat{H} 是否对易来判断.

3.4 连续谱本征函数的 “归一化”

3.4.1 连续谱本征函数是不能归一化的

3.4.2 δ\delta 函数

δ\delta 函数定义为

\var(xx0)={0,xx0,x=x0 \var(x - x_0) = \begin{cases} 0, & x \neq x_0 \\ \infty, & x = x_0 \end{cases}

x0εx0+ε\var(xx0)\ddx=+\var(xx0)\ddx=1(ε>0) \int_{x_0 - \varepsilon}^{x_0 + \varepsilon} \var(x - x_0) \dd{x} = \int_{-\infty}^{+\infty} \var(x - x_0) \dd{x} = 1 \quad (\varepsilon > 0)

或等价地表示为: 对于在 x=x0x = x_0 邻域连续的任何函数 f(x)f(x)

+f(x)\var(xx0)\ddx=f(x0) \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \var(x - x_0) \dd{x} = f(x_0)

δ\delta 函数也可表示成

\var(xx0)=12π+\ddkeik(xx0) \var(x - x_0) = \frac{1}{2 \pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \dd{k} e^{i k (x - x_0)}

3.4.3 箱归一化

为了保证动量算符 p^x=i\pdvx\hat{p}_x = - i \hbar \pdv{x} 为厄米算符, 就要求波函数满足周期性边界条件. 动量本征态 ψp(x)eipx/\psi_p(x) \sim e^{i p x / \hbar}, 在周期条件下

ψp(L/2)=ψp(L/2) \psi_p(- L / 2) = \psi_p(L / 2)

正交完备的箱归一化波函数为

ψp(\vbr)=1L3/2ei\vbp\vdot\vbr/ \psi_p(\vb*{r}) = \frac{1}{L^{3 / 2}} e^{i \vb*{p} \vdot \vb*{r} / \hbar}

式中

px=hLn,py=hLl,pz=hLm,n,l,m=0,±1,±2, p_x = \frac{h}{L} n, p_y = \frac{h}{L} l, p_z = \frac{h}{L} m \qc n, l, m = 0, \pm 1, \pm 2, \cdots

\labeleq:22\var(\vbr\vbr)=13+\dd[3]pei\vbp\vdot(\vbr\vbr)/ \begin{equation} \label{eq:22} \var(\vb*{r} - \vb*{r}') = \frac{1}{\hbar^3} \int_{-\infty}^{+\infty} \dd[3]{p} e^{i \vb*{p} \vdot (\vb*{r} - \vb*{r}') / \hbar} \end{equation}

\eqrefeq:22\eqref{eq:22} 表明 相空间一个体积元 3\hbar^3 相当于有一个量子态.