19028

Гармонический осциллятор. Уровни энергии и волновые функции (решение с помощью операторов рождения и уничтожения)

Лекция

Физика

Лекция 10 Гармонический осциллятор. Уровни энергии и волновые функции решение с помощью операторов рождения и уничтожения Сегодня мы рассмотрим другой способ решения задачи о гармоническом осцилляторе. Вопервых этот способ и сам по себе поучительный а вовторых ...

Русский

2013-07-11

1.04 MB

22 чел.

Лекция 10

Гармонический осциллятор. Уровни энергии и волновые функции (решение с помощью операторов рождения и уничтожения)

Сегодня мы рассмотрим другой способ решения задачи о гармоническом осцилляторе. Во-первых, этот способ и сам по себе поучительный, а во-вторых, операторы, которые в нем вводятся, используются и в других разделах квантовой механики. И, конечно, давайте забудем сейчас все, что мы получили на предыдущей лекции, за исключением гамильтониана гармонического осциллятора:

  (1)

Уравнение на собственные значения имеет обычный вид:

  (2)

но явно мы его решать не будем, а исследуем спектр и собственные функции оператора , исходя из свойства так называемой суперсимметрии этого гамильтониана, или, другими словами, матричным способом.

Разделим уравнение на  и введем следующие безразмерные величины:

  (3)

в координатном представлении:

  (4)

С использованием введённых обозначений, уравнение Шредингера можно преобразовать к виду:

 (5)

 (6)

Операторы  и  - эрмитовы. Введём неэрмитовые операторы:

 (7)

 (8)

так как данные обозначения являются стандартными, «крышечки» над ними мы ставить не будем.

Рассмотрим коммутационные соотношения:

 (9)

Поэтому из определений операторов и предыдущего равенства следует:

 (10)

Равенства (7), (8) можно обратить и выразить операторы  выразить через  и :

 (11)

 (12)

Подставляя эти выражения в безразмерный гамильтониан одномерного гармонического осциллятора, получим:

 (13)

Возьмём произвольное состояние  и найдем среднее значение гамильтониана в этом состоянии:

  (14)

Т.к. интеграл заведомо неотрицателен (подынтегральная функция везде неотрицательна), получаем:

  (15)

Если мы возьмём состояние , такое что:

  (16)

то это состояние - собственное состояние гамильтониана , как это следует из формулы (13), причем это состояние отвечает собственному значению ½ (в безразмерных единицах). Функцию  можно найти, решив уравнение (16) (оно является дифференциальным уравнением первого порядка по ). В состоянии  величина  принимает наименьшее значение. Из (13), (16) получим

  (17)

т.к. в собственном состоянии среднее значение совпадает с собственным значением, то энергия основного состояния осциллятора (в безразмерных единицах) есть:

  (18)

возвращаясь к размерным величинам согласно формулам (3), получим энергию основного состояния:

  (19)

Далее. Пусть  - собственное состояние гамильтониана осциллятора, отвечающее собственному значению . Докажем, что функция , которая получается при действии оператора  на функцию  

  (20)

также является собственной функцией оператора , отвечающей собственному значению на единицу меньшему, чем  (в безразмерных единицах). Для доказательства подействуем на уравнение

 (21)

оператором . Используя коммутационное соотношение (10) и выражение оператора Гамильтона через  и  (13), получим

 

 (22)

Формула (22) и означает, что . По этой причине оператор  называется оператором, понижающим собственное состояние. Аналогично доказывается, что

 (23)

то есть оператор  является повышающим оператором.

Таким образом, мы уже знаем весь спектр. Если с какого-то собственного значения  начать понижать собственные значения, то процедура должна оборваться на конечном числе шагов, т.е. через целое число шагов мы придем к собственному состоянию  и собственному значению:

 (24)

или 

 (25)

Возвращаясь к размерным величинам, из (25) получаем окончательное выражение для спектра осциллятора:

  (26)

Найдем теперь волновые функции стационарных состояний осциллятора. Из свойств оператора :

 (27)

Тогда

 (28)

 (29)

 

  (30)

Таким образом, все состояния строятся из основного с помощью этой операции. Найдём волновую функцию основного состояния  

  (31)

Используя явное выражение для понижающего оператора

  (32)

получаем из уравнения (31):

  (33)

Интегрируя это уравнение, получим:

  (34)

(предэкспоненциальный множитель появляется из условия нормировки). Все остальные волновые функции будут нормированными автоматически. Используя явный вид оператора  находим рекуррентные соотношения для волновых функций:

  (35)

где, как это легко видеть из (34),  - некоторый многочлен степени , который называется полином Эрмита. 

Так как в  безразмерные операторы импульса и координаты входят симметрично, то в импульсном представлении волновая функция имеет подобное (35) выражение:

  (36)

Если вернуться к размерным координатам согласно формулам (3), то:

  (37)

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33702. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УБИЙСТВ 12.38 KB
  В зависимости от объема и характера первичной информации имеющейся в распоряжении следователя на момент возбуждения уголовного дела все убийства могут быть разделены на две группы: 1так называемые очевидные убийства факт совершения которых не вызывает сомнения и к началу расследования которых известно лицо совершившее это преступление; 2убийства совершенные в условиях неочевидности. Обстоятельства подлежащие доказыванию по делам об убийствах: 1 факт убийства; 2 место время и способ...
33703. Особенности расследования убийств при обнаружении частей расчлененного трупа 12.37 KB
  Особенности расследования убийств при обнаружении частей расчлененного трупа. При обнаружении частей расчлененного трупа перед следователем стоит задача найти все части тела убитого установить его личность и выявить убийцу. Иногда части расчлененного трупа отправляются багажом по железной дороге в различные пункты. При обнаружении нескольких или всех частей расчлененного трупа путем судебномедицинской экспертизы требуется установить: 1 являются ли обнаруженные части трупа частями тела человека; 2 принадлежат ли они одному трупу; 3 пол...
33704. Особенности расследования убийств, замаскированных под самоубийство 12.06 KB
  Особенности расследования убийств замаскированных под самоубийство Неотложными следственными действиями в делах связанных с инсценировкой самоубийства являются осмотр места происшествия и трупа допрос заявителя и лиц близко знавших погибшего освидетельствование подозреваемого обыск и выемка а также проведение судебномедицинской экспертизы в тех случаях когда судебномедицинское исследование трупа не проводилось до возбуждения уголовного дела. Допрос заявителя и лиц хорошо знавших погибшего производится по широкому кругу вопросов...
33705. Особенности расследования убийств при возбуждении дел по факту обнаружения трупа неизвестного с признаками насильственной смерти 12.26 KB
  Особенности расследования убийств при возбуждении дел по факту обнаружения трупа неизвестного с признаками насильственной смерти. При обнаружении трупа неизвестного лица с признаками насильственной смерти будут приняты меры к установлению личности погибшего. При обнаружении трупа неизвестного лица он прежде всего будет предъявлен для опознания тем кто оказался на месте происшествия в момент его осмотра. Если лицо убитого обезображено перед предъявлением для опознания будет произведён туалет трупа.
33706. Поведение с лицами находящимися в бессознательном состоянии 10.87 KB
  100 Устава патрульнопостовой службы милиции общественной безопасности. 18 комментируемого Закона оказание помощи в том числе первой доврачебной гражданам пострадавшим от преступлений административных правонарушений и несчастных случаев а также находящимся в беспомощном или ином состоянии опасном для их жизни опасность для здоровья в данном случае законодателем исключена является одной из служебных обязанностей сотрудника милиции которые ему предписано выполнять независимо от занимаемой должности места нахождения и времени....
33707. Особенности расследования причинения телесных повреждений на бытовой почве 13.34 KB
  Дела об умышленном причинении легкого вреда здоровью возбуждаются только по жалобе потерпевшего которому разъясняется что дело может быть прекращено за примирением сторон. Признаки дающие основание возбудить дело помимо заявления потерпевшего могут усматриваться из представленных им медицинских история болезни справка врача других уличающих виновного документов в том числе магнитофонных записей телефонных переговоров осуществлявшихся потерпевшим по своей инициативе. Расследование начинается как правило с допроса потерпевшего если...
33708. Особенности расследования изнасилования в ситуации, когда насильник незнаком с жертвой 17.16 KB
  по объекту преступления кто подвергся изнасилованию не находилось ли потерпевшая в беспомощном состоянии не обладает ли потерпевшая признаками наличие которых является отягчающим обстоятельством несовершеннолетие потерпевшей. При этом устанавливается является ли объектом преступления половая свобода потерпевшей или ее здоровье достоинство а также общественное отношениеличная собственность потерпевшей. По объективной стороне где и когда совершено изнасилование или покушение на него каким способом какое насилие было применено в...
33709. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИСВОЕНИЙ И РАСТРАТ 23.1 KB
  В качестве свидетелей по делам о присвоении допрашиваются: 1 заявители обратившиеся в правоохранительные органы с сообщением об известном им факте хищения; 2 исполнители и очевидцы производственных и техниковспомогательных операций связанных с механизмом присвоения; 3 бухгалтерские и банковские работники проводившие соответствующие финансовые операции; 4 участники подготовки заключения и технического обеспечения сделок прикрывавших противоправные действия расхитителей; 5 работники контролирующих инстанций аудиторских организаций...
33710. Расследование дел о присвоении или растрате 16.68 KB
  Методами предварительной проверки служат: изучение нормативов регламентирующих деятельность организации анализ особенностей ее деятельности и связанных с нею организаций; ревизия; внезапная инвентаризация; истребование документов отражающих сомнительные операции с материальными ценностями или денежными средствами; объяснения должностных и материально ответственных лиц причастных к сомнительным операциям и контролю за ними; поручения органам дознания провести оперативные мероприятия. Изымаются все имеющиеся у них документы в том числе...