19029

Вычисления с осцилляторными функциями

Лекция

Физика

Лекция 11 Вычисления с осцилляторными функциями В различных задачах связанных с гармоническим осциллятором приходится вычислять интегралы типа или 1 где собственные функции гамильтониана осциллятора везде в этой лекции под будет подразумеваться б...

Русский

2013-07-11

156 KB

6 чел.

Лекция 11

Вычисления с осцилляторными функциями

В различных задачах, связанных с гармоническим осциллятором, приходится вычислять интегралы типа

 или      (1)

где  - собственные функции гамильтониана осциллятора (везде в этой лекции под  будет подразумеваться безразмерная переменная, связанная с размерной координатой через параметр длины ). Проблема заключается не только в том, что у нас нет явных выражений для полиномов Эрмита (а только рекуррентные соотношения), но и в том, что даже, если бы они существовали бы, не очень понятно как ими воспользоваться для больших индексов (очень громоздко).

Несмотря на то, что явное выражение для коэффициентов полиномов Эрмита действительно не существует (например, найти коэффициенты 2008 полинома Эрмита в каком-нибудь справочнике по математике невозможно), их свойства очень хорошо изучены, и для вычисления интегралов типа (1) и не нужны. Покажем, как вычисляются такого рода интегралы на основе рекуррентных соотношений между полиномами Эрмита.

Для полиномов Эрмита справедливы следующие рекуррентные соотношения (см., например, Г.Корн, Т.Корн, Справочник по математике, М., Наука, 1978)

    (2)

      (3)

(эти формулы можно получить из рекуррентного соотношения для коэффициентов полиномов Эрмита из лекции 9). Используем первое из этих соотношений для вычисления интеграла

     (4)

Для этого представим осцилляторные функции в (4) как произведения полиномов Эрмита на экспоненты , и для произведения  воспользуемся рекуррентным соотношением (2). В результате получим

(5)

где

     (6)

нормировочные постоянные в осцилляторных функциях. Из формулы (5) сразу следует, что далеко не для всех значений индексов рассматриваемый интеграл отличен от нуля. Действительно, первый интеграл в (5) сводится к интегралу от -ой и -ой осцилляторных функций, и потому отличен от нуля только если  (из-за ортогональности осцилляторных функций). Аналогично, второй интеграл отличен от нуля, если . Т.е. рассматриваемый интеграл, который представляет собой матричный элемент матрицы оператора координаты в базисе из осцилляторных функций, отличен от нуля только в том случае, когда индексы отличаются на единицу. Кроме того, из формулы (5) видна и «техническая сторона» дальнейших вычислений рассматриваемого интеграла – нужно свести произведения  и  к собственным функциям осцилляторного гамильтониана  и  и воспользоваться тем, что осцилляторные функции нормированы на единицу (т.е. интеграл от квадрата каждой функции равен единице).

Реализуем этот план. Сначала первое слагаемое формулы (5). Используя выражение для коэффициента  (6), имеем

 (7)

Поэтому первый интеграл в (5) сводится к выражению

откуда, пользуясь нормированностью осцилляторных функций, имеем

Аналогичные вычисления второго слагаемого в (5) приводят к следующему результату

В результате для интеграла (4) получаем

   (8)

Мы получили очень важный для исследования свойств гармонического осциллятора результат: матричные элементы оператора координаты отличны от нуля только если индексы отличаются на единицы, и, следовательно, матрица оператора координаты является околодиагональной.

Матричные элементы оператора производной

    (9)

(с которым связан оператор импульса) можно вычислить с помощью второго рекуррентного соотношения. Приведем только основную идею вычисления и результат.

При дифференцировании осцилляторной функции  в подынтегральном выражении в (9) необходимо продифференцировать и полином Эрмита  и экспоненту . В результате для производной от собственной функции гамильтониана гармонического осциллятора имеем

  (10)

Далее для первого слагаемого нужно воспользоваться рекуррентным соотношением (3), для второго – соотношением (2). В результате получим, что производная от -ой осцилляторной функции по координате сводится к определенной линейной комбинации -ой и -ой осцилляторных функций. Отсюда сразу следует, что интеграл (9) отличен от нуля только в случаях  или . Для дальнейшего вычисления этого интеграла необходимо свести его к двум нормировочным интегралам от осцилляторных функций (при этом необходимо использовать явное выражение для нормировочного коэффициента (6)). Поскольку технически эти действия мало чем отличаются от подробно описанных выше, приведем только окончательный результат

  (11)

Из формулы (11) следует, что матрица оператора импульса в базисе из осцилляторных функций также является околодиагональной.

Напомним, что все вычисления мы проводили в безразмерных переменных. Однако, их очень легко исправить на случай вычисления «настоящих» (размерных) матричных элементов. Основная идея такого исправления заключается в том, матричный элемент оператора координаты имеет размерность длины, и, следовательно, выражается через параметр длины для осциллятора , а матричный элемент оператора импульса – через параметр импульса . Поэтому после обезразмеривания соответствующих интегралов они сведутся к вычисленным безразмерным интегралам и указанным размерным множителям (кроме того, чтобы свести интеграл (9) к матричному элементу оператора импульса его нужно умножить на ). Поэтому матричные элементы операторов координаты и импульса равны

 (12)

  (13)

Аналогично проведенному рассмотрению можно найти матричные элементы квадратов операторов координаты и импульса в базисе из осцилляторных функций.  Для этого необходимо дважды применить рекуррентные соотношения (2) или (3) сначала к -ой осцилляторной функции, а затем к полученным в результате -ой и -ой функциям. Отсюда следует, что матричные элементы

      и             

отличны от нуля, если  или . Поскольку в различных частях курса квантовой механики нам придется иметь дело с этими матричными элементами, приведем для справок соответствующие результаты

 (14)

(15)

Из формул (14), (15) легко найти средние значения потенциальной и кинетической энергий осциллятора, находящегося в стационарном состоянии (поскольку кинетическая энергия сводится к квадрату оператора импульса, потенциальная – к квадрату оператора координаты).. Пусть, осциллятор находится в -ом стационарном состоянии. Тогда из формул (14), (15) имеем

     (16)

а из (16) можно найти и среднее значение энергии осциллятора в этом состоянии

   (17)

Этот результат можно было предсказать и без вычислений, так как средняя энергия осциллятора в любом состоянии, являющимся собственным состоянием гамильтониана, равна соответствующему собственному значению.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54200. Конкурс знавців математики «Мадонна Математика» 714 KB
  Сьогодні будемо ми друзі Царицю всіх наук вітати. Не всі ви в майбутньому станете математиками але математика потрібна і в науці і в техніці і в повсякденному житті. Ще в давні часи математику називали царицею наук ключем до всіх наук. Одне слово одне слово Математику Чом по курсу спішать на морях кораблі Хуртовини й тумани долають в імлі Капітани не ледачі Не лякають їх задачі Одне слово одне слово Математики Хочеш лікарем стати хочеш в космос літати Перш за все треба друже математику знати Всі повинні шанувати Ікси...
54201. Математична конференція «Золотий переріз – душа гармонії» 502 KB
  І називається вона Золотий переріз душа гармонії. Теорему Піфагора знає кожен школяр а про золотий переріз – далеко не всі. Про золотий переріз знали ще в Давньому Єгипті й Вавилоні в Індії та Китаї.
54202. Математичний гурток для творчих дітей 623 KB
  Для пробудження в учнів інтересу до математики дуже важлива позакласна робота та особливо гурткова. Декілька років я керую гуртком «Цікава математика». Основним своїм завданням як керівника гуртка вважаю саме пробудження інтересу до свого предмету. До роботи в гуртку я залучаю в першу чергу творчих дітей, які не дуже дружать з математикою, бо не бачать в ній можливостей для реалізації своїх творчих сил.
54203. Математика і поезія – два крила натхнення 417.5 KB
  Прищеплювати інтерес до предметів математики та літератури; активізувати і стимулювати розумову і пізнавальну діяльність учнів; розвивати вміння й навички розмірковувати, розширювати кругозір; виховувати в учнів свідоме ставлення до одержання знань.
54204. Додавання та віднімання чисел частинами. Задачі на різницеве порівняння 60 KB
  Правильно це Буратіно. Відправляючись в країну дурнів Буратіно потрапляє в казковий математичний ліс. Ось і вибрався Буратіно із лісу знайшов стежку і вона привела його до будинку Мальвіни. Мальвіна запросила Буратіно в гості напоїла чаєм і вирішила перевірити його знання з математики.
54205. Множення чисел 1 і 0. Множення на 1 і 0. Задачі на дві і три дії 36 KB
  Множення чисел 1 і 0. Множення на 1 і 0.Ознайомити учнів із випадками множення коли одним із множників є число 1 чи 0. Що таке множення Як називаються числа при множенні Що показує перший другий множник 2.
54206. Перетин прямих. Точка. Відрізки та їх порівняння. Приклади на додавання 108.5 KB
  Які саме У кожній країні на кожному кроці зустрічаються фігури такі як на дошці додаток 1. Будинки стоять вздовж прямої з обох боків додаток 2. Курка пробігла розсипала зернята додаток 3. А якщо розглянути лінію від точки до точки то бачимо що вона має початок та кінець – це відрізок додаток 4.
54207. Задачі на знаходження суми і остачі 1.89 MB
  Скільки прапорців залишилось у дівчинки 2. Скільки горобців залишилось 3. Скільки пасажирів стало в автобусі 4. Скільки літрів молока залишилось в бідоні 5.