Field note

量子

量子力学

光的本质

!!! note “黑体辐射”

黑体辐射指一种理想化的物体(称为黑体)在热平衡状态下发出的电磁辐射.黑体能够吸收所有入射的电测辐射,而不反射或透射任何辐射

**普朗克辐射定律**

$$
R(\lambda,T)=\frac{2\pi hc^2}{\lambda^5}\frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda kT}}-1}\notag
$$

$h=6.63\times 10^{-34}J\cdot s$

约化普朗克常数$\overline{h}=\frac{h}{2\pi}$

光子的性质

波:

E⃗=Em⃗cos⁡(k⃗⋅r⃗−ωt)或者E⃗=E⃗mei(k⃗r⃗−ωt)\vec{E}=\vec{E_m}\cos{(\vec k \cdot \vec r - \omega t)}或者\vec E=\vec E_me^{i(\vec k \vec r-\omega t)}\notag

粒子:

E=hν=hω2π=h‾ωE=h\nu=h\frac{\omega}{2\pi}=\overline{h}\omega E=mc2=pcE=mc^2=pc 动量p=Ec=hνc=hλ=h‾k动量p=\frac Ec=\frac{h\nu}{c}=\frac h \lambda=\overline h k\notag

光电效应

K=12mv2=eV0K=\frac12 mv^2=eV_0 V0是截止电压V_0是截止电压
  • 阈值频率:只有当入射光的频率高于某个特定值的时候,才会发生光电效应;

  • 能量关系:光子能量一部分用于克服逸出功,剩下的转化为电子的动能.

    • hν=K+ϕ=12mv2+ϕh\nu=K+\phi=\frac12 mv^2+\phi

物质波

一个粒子速度为vv,质量为mm

  • 动量p=mvp=mv;
  • 动能Ek=12mv2E_k=\frac12 mv^2

其波性质

  • E=hν=h‾ωE=h\nu=\overline{h}\omega
  • p=hλ=h‾kp=\frac{h}{\lambda}=\overline{h}k

波长为

λ=hp=hmv=h2mEk\lambda=\frac hp=\frac{h}{mv}=\frac{h}{\sqrt{2mE_k}}

我们有了频率和波长,就可以写出波函数:

Ψ=Ccos⁡(kx−ωt)\Psi=C\cos{(kx-\omega t)} Ψ=Cei(kx−ωt)=Ceih‾(px−Et)\Psi=Ce^{i(kx-\omega t)}=Ce^{\frac{i}{\overline h}(px-Et)}

波函数的物理解释

波恩:ΨΨ∗⋅dx\Psi\Psi^*\cdot dx表示从xx到x+dxx+dx这段距离内,找到粒子的几率

定义几率密度P(x)=ΨΨ∗P(x)=\Psi\Psi^*

如果要求粒子在x1x_1到x2x_2之间被找到的几率,那么

P(x1,x2)=∫x1x2P(x)dxP(x_1,x_2)=\int_{x_1}^{x_2}P(x)dx\notag

归一化∫−∞+∞P(x)dx=1\int_{-\infty}^{+\infty}P(x)dx=1.

对于自由粒子:

P(x)=[ψ0ei(kx−ωt)][ψ0∗e−i(kx−ωt)]=∣ψ0∣2P(x)=[\psi_0e^{i(kx-\omega t)}][\psi_0^*e^{-i(kx-\omega t)}]=|\psi_0|^2

在负无穷到正无穷找到的概率都是一样的

算符

  • 期望算符

虽然我们不能准确描述一个粒子的位置,但是我们可以有期望位置

x‾=∫−∞+∞xΨ∗Ψdx∫−∞+∞Ψ∗Ψdx=∫−∞+∞Ψ∗xΨdx∫−∞+∞Ψ∗Ψdx=∫−∞+∞Ψ∗xΨdx=⟨ψ∣x∣ψ⟩=⟨∣x∣⟩\overline{x}=\frac{\int_{-\infty}^{+\infty}x\Psi^*\Psi dx}{\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\Psi dx}=\frac{\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*x\Psi dx}{\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\Psi dx}=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*x\Psi dx=\langle\psi|x|\psi\rangle=\langle|x|\rangle\notag
  • 势能平均值
U‾=∫−∞+∞Ψ∗U(x)Ψdx=⟨ψ∣U(x)∣ψ⟩\overline{U}=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*U(x)\Psi dx=\langle\psi|U(x)|\psi\rangle\notag
  • 动量算符
首先我们有波函数Ψ=ψ0ei(kx−ωt)首先我们有波函数\Psi=\psi_0 e^{i(kx-\omega t)} ∂Ψ∂x=ikψ0ei(kx−ωt)\frac{\partial \Psi}{\partial x}=ik\psi_0 e^{i(kx-\omega t)} −ih‾∂Ψ∂x=(−ih‾)ikψ0ei(kx−ωt)=h‾kψ0ei(kx−ωt)-i\overline{h}\frac{\partial \Psi}{\partial x}=(-i\overline{h})ik\psi_0 e^{i(kx-\omega t)}=\overline{h}k\psi_0 e^{i(kx-\omega t)} ⇒−ih‾∂∂xΨ=pψ0ei(kx−ωt)=pΨ\Rightarrow -i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x}\Psi=p\psi_0 e^{i(kx-\omega t)}=p\Psi

我们就求得了动量算符p=−ih‾∂∂xp=-i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x}

利用动量算符求动量的平均值

p‾=∫−∞+∞Ψ∗(−ih‾∂∂x)Ψdx=∫−∞+∞Ψ∗(−ih‾∂∂x)ψ0ei(kx−ωt)dx=∫−∞+∞Ψ∗(−ih‾)ikψ0ei(kx−ωt)dx=h‾k∫−∞+∞Ψ∗ψ0ei(kx−ωt)dx=h‾k∫−∞+∞Ψ∗Ψdx=h‾k\begin{align*} \overline{p}&=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(-i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x})\Psi dx \\ &=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(-i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x})\psi_0e^{i(kx-\omega t)} dx\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(-i\overline{h})ik\psi_0e^{i(kx-\omega t)} dx=\overline{h}k\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\psi_0e^{i(kx-\omega t)}dx\\ &=\overline{h}k\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\Psi dx=\overline{h}k \end{align*}
  • 能量算符
波函数Ψ=ψ0ei(kx−ωt)波函数\Psi=\psi_0 e^{i(kx-\omega t)} 对t求偏导: ∂Ψ∂t=−iωψ0ei(kx−ωt)对t求偏导: \ \frac{\partial \Psi}{\partial t}=-i\omega \psi_0 e^{i(kx-\omega t)} ih‾∂Ψ∂t=(ih‾)(−iω)ψ0ei(kx−ωt)=h‾ωψ0ei(kx−ωt)=EΨi\overline{h}\frac{\partial \Psi}{\partial t}=(i\overline{h})(-i\omega) \psi_0 e^{i(kx-\omega t)}=\overline{h}\omega \psi_0 e^{i(kx-\omega t)}=E\Psi

我们得到能量算符E=ih‾∂∂tE=i\overline{h}\frac{\partial}{\partial t}

然后一样求平均

E‾=∫−∞+∞Ψ∗(ih‾∂∂t)Ψdx=∫−∞+∞Ψ∗(ih‾∂∂t)ψ0ei(kx−ωt)dx=∫−∞+∞Ψ∗(ih‾)(−iω)ψ0ei(kx−ωt)dx=h‾ω∫−∞+∞Ψ∗ψ0ei(kx−ωt)dx=h‾ω∫−∞+∞Ψ∗Ψdx=h‾ω\begin{align*} \overline{E}&=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(i\overline{h}\frac{\partial}{\partial t})\Psi dx \\ &=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(i\overline{h}\frac{\partial}{\partial t})\psi_0e^{i(kx-\omega t)} dx\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*(i\overline{h})(-i\omega)\psi_0e^{i(kx-\omega t)} dx=\overline{h}\omega \int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\psi_0e^{i(kx-\omega t)}dx\\ &=\overline{h}\omega \int_{-\infty}^{+\infty}\Psi^*\Psi dx=\overline{h}\omega \end{align*}

薛定谔方程

一个粒子的总能量

E=12mv2+U=P22m+UE=\frac12mv^2+U=\frac{P^2}{2m}+U\notag

方程两边同时乘以Ψ\Psi

EΨ=P22mΨ+UΨE\Psi=\frac{P^2}{2m}\Psi+U\Psi\notag

我们前边又求出了动量和能量算符,带入

ih‾∂∂tΨ=12m(−ih‾∂∂x)(−ih‾∂∂x)Ψ+UΨ=−h‾2m∂2∂x2Ψ+UΨ\begin{align*} i\overline{h}\frac{\partial}{\partial t}\Psi&=\frac{1}{2m}(-i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x})(-i\overline{h}\frac{\partial}{\partial x})\Psi+U\Psi\\ &=-\frac{\overline{h}}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}\Psi+U\Psi \end{align*}

然后我们就得到了一维含时薛定谔方程

ih‾∂Ψ(x,t)∂t=[−h‾2m∂2∂x2+U(x,t)]Ψ(x,t)i\overline{h}\frac{\partial \Psi(x,t)}{\partial t}=[-\frac{\overline{h}}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}+U(x,t)]\Psi(x,t)

只要我们知道势能U(x,t)U(x,t),我们就能解出Ψ(x,t)\Psi(x,t)

我们把上边的薛定谔方程改写一下

ih‾∂Ψ(x,t)∂t=H^Ψ(x,t)i\overline{h}\frac{\partial \Psi(x,t)}{\partial t}=\hat{H}\Psi(x,t)

H^\hat{H}称为能量算符,也叫哈密顿算符

  • 如果是一维,H^=−h‾2m∂2∂x2+U(x,t)\hat{H}=-\frac{\overline{h}}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}+U(x,t)
  • 如果是三维,H^=−h‾2m∇2+U(x,t)\hat{H}=-\frac{\overline{h}}{2m}\nabla^2+U(x,t)

如果能量是确定的(UU不随时间变化),那么波函数可以写成

Ψ(x,t)=ψ(x)e−iωt=ψe−iωt\Psi(x,t)=\psi(x)e^{-i\omega t}=\psi e^{-i\omega t}

带回去得到定态薛定谔方程

−h‾2md2ψ(x)dx2+U(x)ψ(x)=Eψ(x)-\frac{\overline{h}}{2m}\frac{d^2 \psi(x)}{d x^2}+U(x)\psi(x)=E\psi(x)

!!! note “势垒隧道与测不准原理”

势垒隧道

在经典力学中,如果有一个势能壁垒,我想要跨过这个壁垒,那我的能量必须要大于这个壁垒.

但是在量子力学中,即使粒子的能量小于壁垒,仍然有概率穿过这个势垒,就像走了隧道一样.

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测不准原理

- $\Delta x\Delta p\ge\frac{\overline{h}}{2}$
- $\Delta E\Delta t\ge\frac{\overline{h}}{2}$