19021

Операторы координаты и импульса: уравнения на собственные значения и собственные функции, разложения, координатное и импульсное представления волновой функции

Лекция

Физика

Лекция 3 Операторы координаты и импульса: уравнения на собственные значения и собственные функции разложения координатное и импульсное представления волновой функции Найдем оператор координаты в представлении то есть найдем как действует этот оператор на про

Русский

2013-07-11

444.5 KB

56 чел.

Лекция 3

Операторы координаты и импульса: уравнения на собственные значения и собственные функции, разложения, координатное и импульсное представления волновой функции

Найдем оператор координаты  в -представлении, то есть найдем, как действует этот оператор на произвольное состояние :

С одной стороны, согласно квантовомеханической формуле для средних

 (1)

где  - неизвестный пока оператор координаты. С другой стороны, поскольку  есть вероятность того, что частица имеет координату в интервале

 (2)

А поскольку  волновая функция  - произвольна, сравнение (1) и (2) дает  - это действие оператора . Найдем собственные функции этого оператора.

Пусть  - собственная функция оператора  в -представлении,  - собственное значение (фиксированное),  - аргумент функции - переменная. Функция  удовлетворяет уравнению

 (3)

Или, так как , то

  (4)

или

  (5)

Получили:

  (6)

Таким образом, функция  - удовлетворяет нашему соотношению, и для нее выполняется условие нормировки:  

Аналогично доказывается, что оператор любой физической величины, которая является функцией координаты, например, потенциальной энергии  есть умножение на эту функцию, то есть .

Здесь мы нигде не использовали, что  - координата  поэтому для любой физической величины  в -представлении имеем .

Исследуем теперь преобразование волновой функции при параллельном переносе системы координат и установим оператор импульса.

 

- однозначная функция точки пространства.

- волновая функция в другой системе отсчета.

- полностью описывает состояние системы. Тогда: , если .

Если имеется несколько частиц, и  описывает их состояние, тогда  

Подставим связь между координатами:  

Производим замену переменных:  

Любой параллельный перенос системы координат можно разбить на много бесконечно малых перенос. Рассмотрим бесконечно малый параллельный перенос:

  (7)

Введем  - оператор бесконечно малой трансляции, так, что . Из формулы (7) следует, что . Согласно основным физическим принципам оператор, связанный с трансляциями есть оператор импульса. Поэтому следует считать, что

 (8)

оператор импульса системы, а  - оператор импульса -той частицы. В другой форме записи: .

Рассмотрим свойства оператора импульса.

1)  - эрмитов оператор, что следует из цепочки формул:

(9)

Первое слагаемое равно нулю, в противном случае нормировочный интеграл для функций  и  не сходился бы. Поэтому . Поэтому эрмитов и оператор  (т.к. переменные  не отличаются друг от друга). Заметим, что если бы в определении  не было , то оператор был бы антиэрмитовым.

2) Операторы  - коммутируют друг с другом (очевидно)  они измеримы одновременно и имеют полную общую систему собственных функций.

  (10)

Найдем собственные функции и собственные значения оператора импульса. Пусть  - общая собственная функция операторов , а числа  - их собственные значения (соответственно). Тогда

  (11)

Очевидно, этим уравнениям удовлетворяет функция  , где  могут быть любыми действительными (в силу эрмитовости оператора ) числами. Если бы они были комплексными,  была бы неограничена при  (а мы ищем только ограниченные волновые функции). Таким образом, спектр оператора  непрерывен: .

Функции  ненормируемые (так как спектр непрерывен), их можно нормировать на -функцию. Выберем собственные функции так: (нормировочный коэффициент равен 1). Тогда:

  (12)

Собственные функции оператора импульса, как и любого эрмитова оператора, образуют полную систему функций или базис в пространстве «хороших» функций координат. Волновую функцию любого состояния  можно разложить по этому базису, причем это разложение в интеграл, поскольку собственные функции оператора импульса образуют непрерывный базис. Это разложение имеет вид

 (13)

где  - «коэффициенты» разложения, представляющие собой функцию непрерывной переменной . Нетрудно видеть, что разложение (13) – это разложение в интеграл Фурье по гармоникам . «Коэффициенты» разложения – функция  - может быть найдена следующим образом

  (14)

Согласно постулатам квантовой механики квадрат функции  представляет собой плотность вероятности обнаружения различных значений импульса

 (15)

Сравнивая формулу (15) с определением волновой функции в координатном представлении заключаем, что функция  также имеет смысл волновой функции, но определяющей вероятности различных значений импульса. Она называется волновой функцией в импульсном представлении. С математической точки зрения формула (14) - это обращение преобразования Фурье (а функция  – Фурье-образ функции )).

Мы знаем, что в координатном представлении операторы имеют следующий вид:. В импульсном представлении: . Найдем теперь оператор координаты в импульсном представлении.

Основная идея этого нахождения заключается в сравнении «прямого» (13) и «обратного» (14) разложения волновой функции. Поскольку обе этих формулы должны представлять собой разложение волновой функции в координатном представлении по собственным функциям оператора импульса, и волновой функции в импульсном представлении по собственным функциям оператора координаты, заключаем, что функция  как функция  есть собственная функция оператора координаты в импульсном представлении, поэтому:

  (16)

причем оператор  здесь действует на импульс. Отсюда получаем

 

Операторы координаты и импульса не коммутируют. Это видно из следующей цепочки формул

 

 

Поэтому , и, следовательно, операторы не коммутируют. По этой причине операторы координаты и импульса не имеют общих собственных функций (это, впрочем, видно и из явных выражений для собственных функций этих операторов).

Подведем итоги. Любое состояние частицы однозначно характеризуется как волновой функцией , так и «коэффициентами» разложения  функции  по собственным функциям оператора импульса , причем согласно постулатам квантовой механики функция  определяет вероятности различных значений импульса и называется волновой функцией в импульсном представлении. Свойства функций  и  похожи. Благодаря линейной связи, для функций  справедлив принцип суперпозиции: если возможны состояния, которые описываются (в указанном выше смысле вероятностей импульсов) функциями  или , то возможно и состояние, в котором вероятности различных значений импульса определяются линейной комбинацией . Можно определить операторы физических величин, действующие в пространстве функций, зависящих от импульса (операторы в импульсном представлении), причем операторы одной и той же величины в разных представлениях имеют одни и те же собственные значения, а собственные функции любых операторов в разных представлениях связаны, как и любые другие функции.

Проведенное рассмотрение показывает, что для анализа любой квантовомеханической задачи можно использовать не только координатное, но и импульсное представление, причем последнее обладает теми же свойствами, что и первое. При этом и многие формулы координатного и импульсного представления (например, операторы координаты в импульсном представлении и импульса в координатном) очень «симметричны». Последнее аналогично известному из классической механики подобию координаты и импульса, причем, как и в случае классических уравнений Гамильтона, отличие импульсов от координат сводится к разным знакам.

В заключение отметим, что можно построить и волновые функции состояний физических систем и операторы физических величин в представлении любой физической величины. Аргументами таких функций являются все возможные значения рассматриваемой величины (то есть все собственные значения ее оператора), а значения волновых функций при каждом значении аргумента определяют вероятность этого значения аргумента. При этом волновые функции в представлении величин, обладающих дискретным спектром собственных  значений, должны быть отличны от нуля только при таких значениях аргумента, которые совпадают с одним из собственных значений оператора этой величины (так как вероятности обнаружить другие значения этой величины равны нулю). Поэтому такие функции зависят от дискретной переменной и, фактически, представляют собой счетное множество чисел (конечное или бесконечное в зависимости от числа собственных функций оператора), представляющих собой коэффициенты разложения волновой функции по собственным функциям оператора этой физической величины.

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75648. О доминирующих мотивах деятельности детей старшего дошкольного возраста с нарушениями речи 21.09 KB
  В отечественных и зарубежных логопедических исследованиях уделяется много внимания вопросам объема, характера и качества речевых навыков, знаний, которые должны быть усвоены детьми с недоразвитием речи. Однако такой важнейший компонент деятельности, как мотивация
75649. Отношение дошкольников с ОНР к социальным нормам и правилам поведения как показатель их социального развития 31.68 KB
  Социальное развитие детей с недоразвитием речи должным образом не формируется О. В силу специфики речевого нарушения у детей ограничены контакты со взрослыми и сверстниками полноценно не осуществляется процесс общения что значительно осложняет социализацию детей. В поведении детей с ОНР отмечается ряд специфических особенностей: большое число конфликтов неумение договариваться учитывать интересы других уступать в спорах наличие рассогласования в реальном и декларируемом поведении....
75650. К вопросу о проблеме социально-психологической готовности детей с общим недоразвитием речи к обучению в школе 42 KB
  Поступление в школу является переломным моментом в жизни каждого ребенка, особенно резким в социально-психологическом статусе, так как ему приходится переходить к новым условиям деятельности, новому положению в обществе, новым взаимоотношениям со взрослыми и сверстниками
75652. Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном, младшем школьном и подростковом возрасте 68.84 KB
  Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном младшем школьном и подростковом возрасте Вестник Череповецкого государственного университета: Научный журнал. Социальное развитие детей заключающееся в усвоении социального опыта и социальных связей определяется социальной средой её качественными и количественными характеристиками. Ограниченные возможности здоровья оказывают влияние на разные компоненты социального развития детей. Общая закономерность развития детей с ОВЗ заключается в затруднениях...
75653. Особенности понимания и отражения в речи причинно-следственных отношений детьми дошкольного возраста с ОНР 81.5 KB
  Причинно-следственные отношения - одна из важнейших семантических категорий естественных языков. Причина и следствие образуют диалектическое единство
75654. Особенности организации начальной ступени образовательного процесса в студии раннего развития ребёнка 70.5 KB
  Статистика говорит о том что сейчас относительно здоровыми рождаются только 5 детей. Шматко позволит значительно снизить степень социальной недостаточности детей и достичь максимально возможного для каждого ребенка уровня развития образования и социальной интеграции. подтверждают высокую обучаемость детей раннего возраста которая основана на развитой подражательной способности познавательной и двигательной активности...
75655. Анализ диагностического инструментария для изучения социальных эмоций детей дошкольного возраста с речевыми нарушениями 43.5 KB
  Анализ диагностического инструментария для изучения социальных эмоций детей дошкольного возраста с речевыми нарушениями Малые Леденцовские чтения. На современном этапе развития общества наиболее важным и значимым в воспитании ребенка в развитии его эмоциональной сферы является формирование социальных эмоций и чувств которые способствуют процессу социализации человека становлению его отношений с окружающими. В связи с тем что категория детей с нарушениями речи имеет специфические особенности эмоциональной сферы возникает ряд трудностей в...
75656. Технологии формирования социальных эмоций у детей с нарушениями речи в условиях инклюзивного образования 50 KB
  Технологии формирования социальных эмоций у детей с нарушениями речи в условиях инклюзивного образования. Распространение процесса инклюзии включения детей с ограниченными возможностями психического и или физического здоровья в образовательные учреждения вместе с их обычными сверстниками в нашей стране осуществляется в соответствии с учетом предъявляемых требований и условий обеспечивающих возможность освоения обучающимися воспитанниками основной образовательной программы а также с учетом особенностей их психофизического развития и...