购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

2 薛定谔方程

我们已经知道相速度的表达式为

这个方程描述的是一个单色波,其满足方程

此方程的解为 [1]

由于单色性的要求,我们需要固定 ω 为常数。

把解代入波动方程,可以得到

将表达式(2.1)代入(2.2)式,得到

由方程的解我们知道有如下的代换关系

于是得到了含时薛定谔方程

整理后,可以得到

其中,要注意 是一个复数。

若方程的解是式(2.2),则我们得到的方程就叫作“定态薛定谔方程”

只有能量为定值 E = ω 的态才满足此方程。

2.1 连续性方程

薛定谔方程(2.4),存在连续性方程。我们首先写出薛定谔方程的共轭方程,对方程两边取复共轭,得到

将方程(2.4)左右两边同时乘以 ,方程(2.6)左右两边同时乘以 后,将得到的两个新方程相减,可以得到

对于方程(2.7)中的物理量,我们给出一种非常有前瞻性的解释

2.2 波函数的归一化

(2.8)式的这种解释决定了 应该满足

其中,d τ 为空间的体积元。上式表示,体系在空间各处出现的概率相加应该是 1。

若要方程(2.10)成立,则需要满足以下条件:

a)在奇点附近, 的增长速度要比 慢;

b)在无限远处, 趋于 0 的速度比 快。

违反条件b)的情况将在后面提到。

2.3 特殊情况概括

下面我们举一些特殊的例子。

2.3.1 一维直线上的点

2.3.2 绕固定轴旋转的点 (其中 I 是转动惯量) [2]

2.3.3 固定重心的球面或哑铃面上的点

我们先定义记号

∧表示球坐标系中拉普拉斯 算符的角向部分。这种情况下的薛定谔方程为

其中 I 为转动惯量,若是一个质点,则 I = mr 2

2.3.4 n 个质点的系统

我们可以把波函数写成 n 个质点坐标的函数,即

此时薛定谔方程为

2.4 一般情况下的动力学系统

我们可以用广义坐标写出动能的普遍形式

这里使用了“爱因斯坦求和” [3] 规则,即对相同的上下标进行求和。

由求和规则,我们可以定义

右边为δ,这表示:只有当 k = l 时, =1;当 k l 时, =0。所以当 k = l 时,我们得到

由逆矩阵的性质,我们知道

其中,adj( m li )表示矩阵元 m li 的代数余子式,分母为矩阵的行列式 [4] ,我们将其记为

最后得到方程

此时体积元可以写成

体系的薛定谔方程为

[1] 原书采用 u 表示空间部分的波函数,现多用 ψ ( r )表示,简写为 ψ 。( r )完整的波函数会写明自变量,即 。后面的推导都使用此套记号,不再做特殊说明。

[2] 原文使用 A 作为转动惯量,按照现代习惯,改用 I 表示转动惯量。

[3] “爱因斯坦求和”指的是同一代数项中若有两项指标相同,且一个是上指标,一个是下指标,那我们就把它们自动求和。比如我们把一个矢量 A 写成分量形式 A = A 1 e 1 + A 2 e 2 + A 3 e 3 ,使用“爱因斯坦求和”规则就可以将其简写为 A = A i e i 。求和指标 i 被称为“哑指标”,因为它只表示求和,没有实际意义,我们也可以把矢量写成 A = A j e j

[4] 严格来说,这里应该写成det( m ),因为是矩阵行列式,而不是矩阵元的行列式。 Xo9Ma7hBpyqZN3YiijJXOixiZNblm4TiPghaJNAaCpeidCmlO6V36AMFT/VS8WOf

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×