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

18 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

38974. Повышения работоспособности рабочей поверхности цилиндров автомобильных двигателей 12.86 MB
  Восстанавливают дорогостоящие металлоемкие основные и базовые автомобильные детали: коленчатые и распределительные валы гильзы цилиндров блоки и головки блоков шатуны тормозные барабаны и пр. В данной работе рассмотрены вопросы восстановления рабочей поверхности цилиндров как монолитных так и съемных гильз цилиндров. Обусловлена технология восстановления рабочей поверхности монолитного блока цилиндров из алюминиевокремниевого сплава с учетом особенностей сплава.1 Монолитные блоки цилиндров В начале своей истории монолитные блоки...
38975. Повышения износостойкости рабочей поверхности цилиндра после восстановления 4.16 MB
  Повышение качества ремонта, увеличение объема восстанавливаемых деталей, снижение себестоимости их ремонта – основные задачи авторемонтного производства. Решить их можно за счет организации капитального ремонта машин на современной основе, совершенствованием существующих и разработкой новых технологических процессов восстановления деталей машин.
38978. Повышение износостойкости рабочей поверхности цилиндра после восстановления. Методы упрочнения рабочей поверхности 7.84 MB
  Объект исследования рабочая поверхность цилиндров автомобильного двигателя. Рассмотрены назначения конструктивно технологические особенности и условия эксплуатации рабочей поверхности цилиндров автомобильных двигателей. Предложены новые технологии упрочнеия: Алюминиевые рабочие поверхности цилиндров финишное плазменное упрочнение анодномеханическое хонингование фторуглеродная обработка цилиндров АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ РАБОЧИЙ ЦИЛИНДР ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА ИЗНАШИВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОКРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ РАСКРЫТИЕ...
38980. Усовершенствование системы администрирование cs-cart 161.35 KB
  В этой функции изменяются значения массивов fields и join Контроллеры Базовая схема работы cscrt заключается в вызове одного из двух основных исполняемых PHP файловdmin.php и дальнейшего последовательного подключения PHP файлов реализующих функциональность программы. Для передачи в темплейтер данных для последующего отображения используется следующая конструкция: view ssign'templte_vr_nme' php_vr_nme; Здесь templte_vr_nme задает имя переменной доступной в темплейтере а php_vr_nme определяет содержимое этой переменной....
38981. Підвищення зносостійкості робочої поверхні циліндра автомобільного двигуна 1.65 MB
  Мета дослідження Підвищення зносостійкості робочої поверхні. Вирішені питання технологічного забезпечення якості робочої поверхні циліндра при відновленні з урахуванням особливості конструкції: монолітний блок зємні гільзи. Розглянуті технологічні засоби забезпечення якісної обробки робочої поверхні.1 Дефекти робочої поверхні гільз 15 2.
38982. Модернизация системы питания автомобиля КамАЗ-6460 с двигателем КамАЗ-740.50-360 для работы на компримированном природном газе 2.39 MB
  3Параметры окружающей среды и остаточные газы Принимаем атмосферные условия: МПа К. Принимаем давление надувочного воздуха: МПа Принимаем показатель политропы сжатия в компрессоре Определяем температуру воздуха за компрессором: К 2. Определяем давление и температуру остаточных газов: МПа...