波函数求解

微分方程

一维线性谐振子势能为 U(x)=12kx2=12mω2x2\displaystyle U(x)=\frac{1}{2}kx^{2}=\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2},其中 ω=km\displaystyle \omega=\sqrt{\frac{k}{m}}

由定态薛定谔方程

Eϕ=H^ϕ=(22m2x2+U(x))ϕE\phi=\hat{H}\phi=(-\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{\partial ^{2}}{\partial x^{2}}+U(x))\phi

得到

2ϕx2+2m2(E12mω2x2)ϕ=0\frac{\partial ^{2}\phi}{\partial x^{2}} + \frac{2m}{\hbar^{2}}(E-\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2})\phi=0

无量纲常数引入

将方程写为

mω2ϕx2+(2Eωmωx2)ϕ=0\frac{\hbar}{m\omega}\frac{\partial ^{2}\phi}{\partial x^{2}}+(\frac{2E}{\hbar \omega}-\frac{m \omega}{\hbar}x^{2})\phi=0

看出可以引入无量纲常量 λ=2Eω\displaystyle \lambda=\frac{2E}{\hbar \omega} 与变量 ξ=mωx\displaystyle \xi=\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}x,方程可以重新写为

2ϕξ2+(λξ2)ϕ=0\frac{\partial ^{2}\phi}{\partial \xi^{2}}+(\lambda-\xi^{2})\phi=0

解的渐进行为

研究解的渐进行为

xξ2ϕξ2ξ2ϕ=0\left\vert x \right\vert \rightarrow \infty \Rightarrow \left\vert \xi \right\vert \to \infty \Rightarrow \frac{\partial ^{2}\phi}{\partial \xi^{2}}-\xi^{2}\phi=0

方程解为 ϕe±ξ22\displaystyle \phi \sim e^{\pm \frac{\xi^{2}}{2}},但考虑到波函数不应该发散,因此 ϕeξ22\phi \sim e^{-\frac{\xi^{2}}{2}}

ϕ(ξ)=eξ22u(ξ)\phi(\xi)=e^{-\frac{\xi^{2}}{2}}u(\xi),得到厄密微分方程

2uξ22ξuξ+(λ1)u=0\frac{\partial ^{2}u}{\partial \xi^{2}}-2\xi \frac{\partial u}{\partial \xi}+(\lambda-1)u=0

幂级数展开求解

u(ξ)=k=0ckξk\displaystyle u(\xi)=\sum_{k=0}^{\infty}c_k\xi^{k}u(ξ)=k=1ckkξk1\displaystyle u'(\xi)=\sum_{k=1}^{\infty}c_k k \xi^{k-1}u(ξ)=k=2ckk(k1)ξk2\displaystyle u''(\xi)=\sum_{k=2}^{\infty}c_k k(k-1)\xi^{k-2},代入方程,得到

k=2ckk(k1)ξk22k=1ckkξk+(λ1)k=0ckξk=0\sum_{k=2}^{\infty}c_k k(k-1)\xi^{k-2}-2\sum_{k=1}^{\infty}c_k k \xi^{k}+(\lambda-1)\sum_{k=0}^{\infty}c_k \xi^{k}=0

考虑 jj 次幂 ξj\xi^{j} 系数

cj+2(j+2)(j+1)2cjj+(λ1)cj=0c_{j+2}(j+2)(j+1)-2c_{j}j+(\lambda-1)c_j=0

由此我们得到了递推关系

cj+2=2j(λ1)(j+2)(j+1)cj(1)c_{j+2}=\frac{2j-(\lambda-1)}{(j+2)(j+1)}c_j \tag{1}

于是所有偶次幂系数都可以用 c0c_0 表示,所有奇次幂系数都可以用 c1c_1 表示,且 c0c_0c1c_1 任意取值。由此方程有两个线性无关的解

u1(ξ)=c0+c2ξ2+c4ξ4+u2(ξ)=c1ξ+c3ξ3+c5ξ5+\begin{aligned} u_1(\xi)=c_0+c_2\xi^{2}+c_4\xi^{4}+ \cdots \\ u_2(\xi)=c_1\xi+c_3\xi^{3}+c_5\xi^{5}+ \cdots \end{aligned}

这两个解在 ξ\xi 取有限值时都收敛。现考察 ξ\left\vert \xi \right\vert \rightarrow \infty 时,ϕ\phi 是否收敛。

由函数递推关系,当 jj\rightarrow\infty

cj+2cj2j\frac{c_{j+2}}{c_j}\rightarrow \frac{2}{j}

  • jj 为偶数 j=2mj=2mc2m+2c2m1m\displaystyle \frac{c_{2m+2}}{c_{2m}}\sim \frac{1}{m}

eξ2=1+ξ21!+ξ42!++ξ2mm!+ξ2m+2(m+1)!+e^{\xi^{2}}=1+\frac{\xi^{2}}{1!}+\frac{\xi^{4}}{2!}+ \cdots +\frac{\xi^{2m}}{m!}+\frac{\xi^{2m+2}}{(m+1)!}+ \cdots

相继两项之比为

ξ2m+2(m+1)!/ξ2mm!=1m+1ξ2m1mξ2\frac{\xi^{2m+2}}{(m+1)!}/\frac{\xi^{2m}}{m!}=\frac{1}{m+1}\xi^{2} \xrightarrow{m\rightarrow\infty}\frac{1}{m}\xi^{2}

所以 u1(ξ)ξeξ2u_1(\xi)\xrightarrow{\xi\rightarrow\infty}e^{\xi^{2}},发现 ϕ=e12ξ2u1(ξ)\phi=e^{-\frac{1}{2}\xi^{2}}u_1(\xi)ξ\xi\rightarrow\infty 时发散。

  • jj 为奇数 j=2m+1j=2m+1c2m+3c2m+11m\displaystyle \frac{c_{2m+3}}{c_{2m+1}}\sim \frac{1}{m}

ξeξ2=ξ+ξ2+11!+ξ4+12!++ξ2m+1m!+ξ2m+3(m+1)!+\xi e^{\xi^{2}}=\xi+\frac{\xi^{2+1}}{1!}+\frac{\xi^{4+1}}{2!}+ \cdots +\frac{\xi^{2m+1}}{m!}+\frac{\xi^{2m+3}}{(m+1)!}+ \cdots

相继两项之比为

ξ2m+3(m+1)!/ξ2m+1m!=1m+1ξ2m1mξ2\frac{\xi^{2m+3}}{(m+1)!}/\frac{\xi^{2m+1}}{m!}=\frac{1}{m+1}\xi^{2} \xrightarrow{m\rightarrow\infty}\frac{1}{m}\xi^{2}

所以 u2(ξ)ξξeξ2u_2(\xi)\xrightarrow{\xi\rightarrow\infty}\xi e^{\xi^{2}},发现 ϕ=e12ξ2u2(ξ)\phi=e^{-\frac{1}{2}\xi^{2}}u_2(\xi)ξ\xi\rightarrow\infty 时发散。

能量量子化导出

所以若 ϕ\phi 满足束缚条件,则级数必须截断为多项式。从递推关系 (1) 中,我们可以看出需要满足 λ1=2n(n=0,1,2,)\lambda-1=2n\quad(n=0,1,2, \ldots )。当 nn 为偶数,u1(ξ)u_1(\xi) 截断为多项式,当 nn 为奇数,u2(ξ)u_2(\xi) 截断为多项式。最后得到的多项式 Hn(ξ)H_n(\xi) 称为厄密多项式

λ=2Eω\displaystyle \because \lambda=\frac{2E}{\hbar \omega}

En=(n+12)ω=(n+12)hνE_n=(n+\frac{1}{2})\hbar \omega=(n+\frac{1}{2})h\nu

此即为能量量子化条件。

能量本征函数

能量 EnE_n 对应的能量本征函数为

ϕn(ξ)=NnHn(ξ)e12ξ2\phi_{n}(\xi)=N_{n}H_n(\xi)e^{-\frac{1}{2}\xi^{2}}

其中 NnN_n 为归一化系数。经过归一化之后为

ϕn(ξ)=(mωπ)1412nn!Hn(ξ)e12ξ2\phi_{n}(\xi)=\left( \frac{m\omega}{\pi \hbar} \right)^{\frac{1}{4}}\frac{1}{\sqrt{2^{n}n!}}H_n(\xi)e^{-\frac{1}{2}\xi^{2}}

厄密多项式微分形式为

Hn(ξ)=(1)neξ2dndξneξ2H_n(\xi)=(-1)^{n}e^{\xi^{2}}\frac{\mathrm{d}^{n}}{\mathrm{d}\xi^{n}}e^{-\xi^{2}}

同时可以证明,能量本征函数 ϕn\phi_{n} 满足正交归一化条件 +ϕn(ξ)ϕm(ξ)dx=δmn\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(\xi)\phi_{m}(\xi)\mathrm{d}x=\delta_{mn}

经过分析波函数,还可以发现波函数具有确定的宇称,当 nn 为偶数,ϕn\phi_{n} 为偶宇称波函数;当 nn 为奇数,ϕn\phi_{n} 为奇宇称波函数。

讨论

能量本征值恒为正数

之前通过对薛定谔方程的求解得到了具体的能量本征值,同时得到能量本征值恒为正数,即使是基态能量也大与 00。但其实即使不求解薛定谔方程,同样也可以说明能量恒正。

En=+ϕn(x)H^ϕn(x)=+ϕn(x)(p^x2m+12mω2x2)ϕn(x)dx=12m+ϕn(x)p^x2ϕn(x)dx+12mω2+ϕn(x)x2ϕn(x)dx=12m+(p^xϕn(x))p^xϕn(x)dx+12mω2+ϕn(x)x2ϕn(x)dx>0\begin{aligned} E_n&=\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x)\hat{H}\phi_{n}(x)=\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x) \left( \frac{\hat{p}_{x}}{2m}+\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2} \right)\phi_{n}(x)\mathrm{d}x\\ &= \frac{1}{2m}\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x)\hat{p}_{x}^{2}\phi_{n}(x)\mathrm{d}x+\frac{1}{2}m\omega^{2}\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x)x^{2}\phi_{n}(x)\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2m}\int_{-\infty}^{+\infty}(\hat{p}_{x}\phi_{n}(x))^{*}\hat{p}_{x}\phi_{n}(x)\mathrm{d}x+\frac{1}{2}m\omega^{2}\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x)x^{2}\phi_{n}(x)\mathrm{d}x\\ &>0 \end{aligned}

能量特点

能量量子化

ΔE=hν\Delta E=h\nu,而 ΔE(102101eV)>kT\Delta E\sim (10^{-2}-10^{-1}eV)>kT,所以室温下分子可以视为刚性,即处于基态,分子振动自由度未被激发。

有零点能

E0=12hνE_0=\frac{1}{2}h\nu,符合不确定关系
同时也能说明在常压下,即使将液氦降温到绝对零度附近也不会称为固体。

有选择定则

跃迁能级要满足 Δn=±1\Delta n=\pm 1,振子只能在相邻能级之间跃迁。因此由 ΔE=hν\Delta E=h\nu 可以看出跃迁时发出的光子频率与振子经典振动频率相同。

说明:
该定则可以理解为,光照射谐振子,其中的电场分量 E=E0cosωtE=E_0\cos \omega t 与谐振子发生相互作用,能量为 H=qxE0cosωtH'=-qxE_0\cos \omega t。量子态之间跃迁概率与矩阵元有关

xnm=+ϕn(x)xϕm(x)dxx_{nm}=\int_{-\infty}^{+\infty}\phi_{n}^{*}(x)x\phi_{m}(x)\mathrm{d}x

其中这里考虑对 xx 的积分是因为能量 HH' 那一项中比较关键的就是 xx

波尔对应原理

在大量子数极限情况下,量子论必须渐进地趋于经典理论。

在这里,当 nn\rightarrow \infty 时,ΔE/En0\Delta E / E_n \rightarrow 0,能量量子化 \rightarrow 能量连续。比如考虑一个宏观的谐振子,m=1g,k=0.1N/m,A=1mmω=k/m,ΔE=ω=1.05×1033Jm=1g,k=0.1N /m,A=1mm \Rightarrow \omega=\sqrt{k /m},\Delta E=\hbar \omega=1.05\times 10^{-33}J,而总能量 E=12kA2=5×103JE=\frac{1}{2}kA^{2}=5\times 10^{-3}Jn10301,ΔE1033JEn\sim 10^{30}\gg 1,\Delta E\sim 10^{-33}J\ll E,可以看成能量连续。

概率密度