波函数求解
微分方程
一维线性谐振子势能为 U(x)=21kx2=21mω2x2,其中 ω=mk
由定态薛定谔方程
Eϕ=H^ϕ=(−2mℏ2∂x2∂2+U(x))ϕ
得到
∂x2∂2ϕ+ℏ22m(E−21mω2x2)ϕ=0
无量纲常数引入
将方程写为
mωℏ∂x2∂2ϕ+(ℏω2E−ℏmωx2)ϕ=0
看出可以引入无量纲常量 λ=ℏω2E 与变量 ξ=ℏmωx,方程可以重新写为
∂ξ2∂2ϕ+(λ−ξ2)ϕ=0
解的渐进行为
研究解的渐进行为
∣x∣→∞⇒∣ξ∣→∞⇒∂ξ2∂2ϕ−ξ2ϕ=0
方程解为 ϕ∼e±2ξ2,但考虑到波函数不应该发散,因此 ϕ∼e−2ξ2
令 ϕ(ξ)=e−2ξ2u(ξ),得到厄密微分方程
∂ξ2∂2u−2ξ∂ξ∂u+(λ−1)u=0
幂级数展开求解
设 u(ξ)=k=0∑∞ckξk,u′(ξ)=k=1∑∞ckkξk−1,u′′(ξ)=k=2∑∞ckk(k−1)ξk−2,代入方程,得到
k=2∑∞ckk(k−1)ξk−2−2k=1∑∞ckkξk+(λ−1)k=0∑∞ckξk=0
考虑 j 次幂 ξj 系数
cj+2(j+2)(j+1)−2cjj+(λ−1)cj=0
由此我们得到了递推关系
cj+2=(j+2)(j+1)2j−(λ−1)cj(1)
于是所有偶次幂系数都可以用 c0 表示,所有奇次幂系数都可以用 c1 表示,且 c0 和 c1 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+⋯
这两个解在 ξ 取有限值时都收敛。现考察 ∣ξ∣→∞ 时,ϕ 是否收敛。
由函数递推关系,当 j→∞
cjcj+2→j2
- 当 j 为偶数 j=2m,c2mc2m+2∼m1
eξ2=1+1!ξ2+2!ξ4+⋯+m!ξ2m+(m+1)!ξ2m+2+⋯
相继两项之比为
(m+1)!ξ2m+2/m!ξ2m=m+11ξ2m→∞m1ξ2
所以 u1(ξ)ξ→∞eξ2,发现 ϕ=e−21ξ2u1(ξ) 在 ξ→∞ 时发散。
- 当 j 为奇数 j=2m+1,c2m+1c2m+3∼m1
ξeξ2=ξ+1!ξ2+1+2!ξ4+1+⋯+m!ξ2m+1+(m+1)!ξ2m+3+⋯
相继两项之比为
(m+1)!ξ2m+3/m!ξ2m+1=m+11ξ2m→∞m1ξ2
所以 u2(ξ)ξ→∞ξeξ2,发现 ϕ=e−21ξ2u2(ξ) 在 ξ→∞ 时发散。
能量量子化导出
所以若 ϕ 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 λ−1=2n(n=0,1,2,…)。当 n 为偶数,u1(ξ) 截断为多项式,当 n 为奇数,u2(ξ) 截断为多项式。最后得到的多项式 Hn(ξ) 称为厄密多项式。
∵λ=ℏω2E,
En=(n+21)ℏω=(n+21)hν
此即为能量量子化条件。
能量本征函数
能量 En 对应的能量本征函数为
ϕn(ξ)=NnHn(ξ)e−21ξ2
其中 Nn 为归一化系数。经过归一化之后为
ϕn(ξ)=(πℏmω)412nn!1Hn(ξ)e−21ξ2
厄密多项式微分形式为
Hn(ξ)=(−1)neξ2dξndne−ξ2
同时可以证明,能量本征函数 ϕn 满足正交归一化条件 ∫−∞+∞ϕn∗(ξ)ϕm(ξ)dx=δmn
经过分析波函数,还可以发现波函数具有确定的宇称,当 n 为偶数,ϕn 为偶宇称波函数;当 n 为奇数,ϕn 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 0。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)(2mp^x+21mω2x2)ϕn(x)dx=2m1∫−∞+∞ϕn∗(x)p^x2ϕn(x)dx+21mω2∫−∞+∞ϕn∗(x)x2ϕn(x)dx=2m1∫−∞+∞(p^xϕn(x))∗p^xϕn(x)dx+21mω2∫−∞+∞ϕn∗(x)x2ϕn(x)dx>0
能量特点
能量量子化
ΔE=hν,而 ΔE∼(10−2−10−1eV)>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=21hν,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,振子只能在相邻能级之间跃迁。因此由 ΔE=hν 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=E0cosωt 与谐振子发生相互作用,能量为 H′=−qxE0cosωt。量子态之间跃迁概率与矩阵元有关
xnm=∫−∞+∞ϕn∗(x)xϕm(x)dx
其中这里考虑对 x 的积分是因为能量 H′ 那一项中比较关键的就是 x。
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 n→∞ 时,ΔE/En→0,能量量子化 → 能量连续。比如考虑一个宏观的谐振子,m=1g,k=0.1N/m,A=1mm⇒ω=k/m,ΔE=ℏω=1.05×10−33J,而总能量 E=21kA2=5×10−3J,n∼1030≫1,ΔE∼10−33J≪E,可以看成能量连续。
概率密度