67556

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Лекция

Физика

В картине Шредингера затруднительно сразу сказать, что такое сохраняющаяся физическая величина, так как операторы наблюдаемых обычно вообще от времени не зависят. Приходится исхитряться (см. ниже). А в картине Гейзенберга все ясно.

Русский

2014-09-12

488.5 KB

0 чел.

Л Е К Ц И Я  6

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

В картине Шредингера затруднительно сразу сказать, что такое сохраняющаяся физическая величина, так как операторы наблюдаемых обычно вообще от времени не зависят. Приходится исхитряться  (см. ниже). А в картине Гейзенберга все ясно.

Если

 Г(t) = ,    Þ   Г (t) = const,

то - интеграл движения (точнее, интегралом движения является величина, описываемая этим оператором). Из уравнения Гейзенберга сразу следует  необходимое и достаточное условие сохранения наблюдаемой F:

 

Особенно просто все выглядит в наиболее типичном случае, когда

 .

В этом случае сохранение наблюдаемой F равнозначно коммутативности ее оператора с гамильтонианом, причем безразлично, в какой картине:

 : = Û= ,

это условия сохранения.

Кстати, если

 , = ,

то

 .

Важный частный случай:

Если гамильтониан системы не зависит явно от времени, т.е.     = , то энергия сохраняется.

Это очевидно, так как гамильтониан коммутирует сам с собой. Еще один важный результат:

Если гамильтониан не зависит от времени, и величина F сохраняется, то она совместно измерима с энергией.

Это тоже очевидно, так как условие = как раз и равнозначно совместной измеримости наблюдаемых. В такой ситуации можно построить систему общих собственных векторов наблюдаемых H и F. Но собственные векторы  описывают стационарные состояния системы. Значит, стационарные состояния будут квалифицироваться еще и собственными значениями оператора . Идеальной является ситуация, когда мы умудримся построить полный набор сохраняющихся наблюдаемых. Тогда классификация стационарных состояний будет исчерпывающей. В частности, именно так классифицируются стационарные состояния атома водорода. Задаются: главное квантовое число (номер стационарного состояния, определяющий энергию), азимутальное квантовое число (орбитальный момент импульса), магнитное квантовое число (проекция орбитального момента импульса) и спиновое квантовое число (проекция спина). Но об этом подробнее потом, а сейчас так, для понимания важности обсуждаемых проблем.

Итак, в картине Гейзенберга скорость изменения фазовой величины F задает

 Г(t)

А как в картине Шредингера? Ведем здесь новый оператор

,

который не равен , т.е. , ибо чаще всего последняя величина в картине Шредингера есть просто 0. Для выяснения смысла нового оператора найдем скорость изменения среднего значения наблюдаемой F в состоянии y, пользуясь в промежуточных выкладках уравнением Шредингера:

F (t) = (yш(t),   

ш yш(t)) = (yш,шyш) + ( yш,  шy) + (yш, шyш) =

= (1/ii шyш, шyш) + (yш ш yш) + ( yшш 1/ii ш yш) =

= -1/ii(yш, ш ш yш) + ( yш, ш yш) + 1/ii( yш, шш yш) =

= (yш, ш yш)+i/i( yш, Xш  yш).

Таким образом,

F  (t) =

В этом смысле оператор  и описывает скорость изменения величины F - он задает скорость изменения ее среднего значения.

СВЯЗЬ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ С СИММЕТРИЯМИ

Пусть

 

Рассмотрим эрмитов оператор  (  ) такой, что

,   .

Построим однопараметрическое семейство операторов

(a) = eia.

Из эрмитовости  следует унитарность (a):

  = eia e-ia = .

Из коммутативности  с  следует коммутативность с :

(a) = (a),

откуда, умножая слева на   и используя унитарность, найдем

(a)(a) = .

Таким образом, после совершения унитарного преобразования гамильтониан остается неизменным:

= .

Это и означает (собственно по определению), что в системе есть симметрия.

Важно, что все рассуждения можно обратить. Если (a) - унитарное однопараметрическое преобразование, сохраняющее гамильтониан, то существует сохраняющаяся наблюдаемая, оператор которой находится как

 = .

Этот оператор эрмитов и коммутирует с гамильтонианом:

,  .

Пример. Рассмотрим систему с одной степенью свободы      (координата x) и в качестве  возьмем оператор импульса:

  =  = -ii  Þ  (a) = ei/ia = ead/dx.

Посмотрим, как он действует на волновую функцию:

(a)y (x) = ead/dx y() = y(x) = .

Но справа стоит разложение функции y (x+a) в ряд Тейлора по a. Таким образом, оператор (a) есть оператор трансляции на a:

  y (x) = y (x+a).

Очевидно, что оператор +(a) есть оператор трансляции на a:

 +(a) y (x) = y (x-a).

В результате рассматриваемого преобразования операторы  наблюдаемых переходят в

=+(a) (a).

Найдем в явном виде, считая, что  = (x). Имеем:

= y (x)(x)  (a) y (x) = +(a)((x) y (x+a)) +(a)j (x) =

= j (x-a) = (x-a) y (x):

+(a)(x)  (a) = (x-a).

Если же  = (), то он коммутирует с (a), а потому не меняется:

 +(a)() (a) =().

Обратные рассуждения (более важные) таковы. Пусть система трансляционно инвариантна. Это значит, что

=+(a)  (a) = .

Так как

(x),

то

= (x-a).

Инвариантность означает, что

 U (x-a) = U (x),

т.е. потенциальная энергия не зависит от x. Она есть константа, которую можно положить равной нулю. Тем самым в данном случае результат получается достаточно тривиальным: трансляционно инвариантной является система, состоящая из одной свободной частицы. Сохраняющейся величиной будет

 =  = ,

что в данном случае приводит к закону сохранения импульса.

СВОБОДНАЯ КВАНТОВАЯ ЧАСТИЦА

Рассмотрим поведение свободной квантовой частицы в координатном представлении, где

 = -iiÑ,   = ,

а гамильтониан имеет вид

 = -i2/2mÑ2 ,

(m - масса частицы). Гамильтониан не меняется при трансляциях (см. пример), а потому

= 0,

и импульс сохраняется. В полный набор можно включить  и  - всего четыре оператора. Но степеней свободы три. Дело просто в том, что не все четыре оператора независимы:  выражается через .

Возьмем в качестве операторов полного набора . Они имеют общие собственные функции

 fp(r) = ei/i pr

Каждая из них является собственной и для гамильтониана:

fp(r)=- i2/2mÑ2ei/i pr= ei/ipr = p2/2m fp(r)

Таким образом, функции fp(r) описывают стационарные состояния частицы со значениями энергии

 E = p2/2m.

Полная собственная функция гамильтониана, т.е. волновая функция стационарного состояния с зависимостью от времени, имеет вид

 y(r,t) = e-i/i Ety(r).

В нашем случае

 yp(r,t) = e-i/i p2t/2m e i /i pr.

Можно взять и другой полный набор:  и (единичный вектор в направлении импульса). Так как   = 1, то у него всего два независимых компонента. Добавляя гамильтониан, получим три оператора, как и должно быть. При таком выборе полного набора полные волновые функции стационарных состояний с учетом |p| =  запишутся как

 yE,n(r,t) = Ce-i/i Et.

Константа C находится из условия нормировки, но в данном случае ее проще найти из условия полноты системы волновых функций.

Проведем эту достаточно утомительную выкладку. В абстрактном гильбертовом пространстве условие полноты записывается как

|E,n.tñ áE,n.t|= .

Перейдем к координатному представлению, умножая это равенство слева на ár,а справа на|rRñ:

 òdE ár|En,tñ áEn,t|rRñ  =  ár |rRñ.

Отсюда получаем:

 =  d(r-rR).

Находим и дифференциалы:

dp = p2dpdn,   |n| = 1;   p2/2m  = E,     dE=|p|dp/2m,    dp=2m/p dE.

dp = p22m/pdEdn = 2mpdEdn = 2mdEdn = (2 m 3/2 )E1/2dEdn;

dEdn = dp/(2m)3/2 E1/2.

Переходим в интеграле к dp и к p в показателе экспоненты и вспоминаем условие нормировки обычных волн де Бройля:

òdp/(2m)3/2E1/2|C|2e-ip(r-rR)/I = d(r-rR) = 1/(2pi)3òe-ip(r-rR)/idp Þ 

C = 2m3E)1/4 /(2pi)3/2 .

Окончательно для нормированных волновых функций стационарных состояний имеем:

 yE,n(r,t) =

ДВИЖЕНИЕ КВАНТОВОЙ ЧАСТИЦЫ В «АДДИТИВНОМ» ПОЛЕ

Пусть потенциальная энергия имеет вид

V(r) = V1(x) +V2(y) +V3(z) V1(r1) +V2(r2) +V3(r3) =.

Тогда гамильтониан представляется в виде трех слагаемых

  = , = -i2 /22j +Vj(rj).

Так как

  = , j¹k,

то

=  при всех j,k = 1,2,3,

а значит

= .

В полный набор можно включить четыре оператора  и , но они зависимы. Независимых будет всего три интеграла движения. Выберем в качестве операторов полного набора , и будем параметризовать стационарные состояния их собственными значениями Ej.

Стационарное уравнение Шредингера

  yE(r) = EyE(r)

решаем методом разделения переменных:

 yE(r) = y1(r1) y2(r2) y3(r3).

Подстановка дает:

 y2 y31 y1 + y1 y32 y2 + y1 y23 y3 = E y1 y2y3.

Отсюда, в силу независимости переменных rj,

 jyj = E   Þ  1/yjj yj = Ej,

где

= E.

Получаем три отдельных уравнения

 jyj = Ejyj  Þ  -i2/2md2/drjyj(rj) +Vj(rj) yj(rj) = Ejyj(rj).

ЧАСТИЦА В БЕСКОНЕЧНОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ЯМЕ

Рассмотрим поведение квантовой частицы в бесконечной прямоугольной потенциальной яме

V(x) = .

Стационарное уравнение Шредингера

-yRR(x) + V(x)y(x)= E y(x)

имеет в качестве решения y(x) = 0 вне ямы. Поэтому нужно решать задачу на интервале

0 < x < l, где

 -yRR(x) = Ey(x)

с граничными условиями

 y(0) = 0,  y(l) = 0.

Вводя обозначение

2mE/i2 = k2

запишем уравнение Шредингера как

 yRR(x) + k2y(x) = 0.

Общее решение уравнения имеет вид

 y (x) = Aeikx + Be-ikx.

Если E< 0, то k чисто мнимо, и обозначим его как ig. Тогда

 y (x) = Ae -gx  + Be gx.

Граничные условия дают

 A + B = 0,    Ae -gl + Be gl = 0,

откуда

 Ash(gl) =  0.

Отсюда или A=0, и y=0, или g=0, и все равно y=0. Поэтому значения энергии могут быть только положительными.

Пусть это так. Тогда граничные условия дадут

 A + B = 0,    Ae ikl + Be -ikl = 0,

откуда

 Asin(kl) = 0.

Так как A ¹ 0, то sin(kl) = 0, откуда kl = pn, где n = 1, 2, ....   Для энергии

 E = i2 k2 /2m = i2 /2m (pn/l)2,

т.е. получаем дискретный энергетический спектр

 En = p2i2/2ml2  n2.

Волновые функции стационарных состояний теперь запишутся как

 yn(x) = Asinknx,

причем вырождения нет, так как числам n и -n отвечают волновые функции, различающиеся только знаком, а значит описывающие одно состояние. Таким образом, спектр не только дискретный и простой. Константу A находим из условия нормировки:

1 = (yn ,yn) =dx =

= |A|2l/2   Þ   A = (2/l)1/2

и окончательно для нормированных волновых функций стационарных состояний имеем:

 yn(x) = (2/l)1/2sinpn/lx.

Для движения свободной частицы мы имели

 fp(x) = 1/(2pi)1/2ei/i px.

Это есть обобщенная волновая функция. Так как квадрат ее модуля есть константа, то частицу с равной вероятностью можно найти в любой точке прямой. Это соответствует инфинитному движению частицы. В нашем случае получилась обычная волновая функция, равная нулю вне интервала (0,l). Это значит, что мы можем найти ее только внутри ямы, что соответствует финитному движению. В этом принципиальная разница между двумя рассмотренными случаями.

FILENAME lecture06.doc

-  PAGE 51 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34489. Скульптура первой половины 19в.Скульпторы И.П. Мартос, Ф.Ф. Щедрин 26.5 KB
  Мартос Ф. Мартос создатель памятника Минину и Пожарскому а также Ф. Иван Петрович Мартос выдающийся русский скульптормонументалист. Портрет как самостоятельный жанр не занимает в творчестве Мартоса значительного места.
34490. Русское искусство н.19в.: Романтизм в творчестве живописца О.А. Кипренского 35.5 KB
  В изобразительном искусстве начала столетия сформировалось и новое направление вошедшее в историю под названием романтизма явление европейской культуры в XVIII XIX веках представляющее собой реакцию на Просвещение и стимулированный им научнотехнический прогресс. В начале XIX века романтизм стал обозначением нового направления противоположного классицизму и Просвещению. Героические походы Суворова на рубеже XVIII XIX столетий войны с Наполеоном и наконец народноосвободительная Отечественная война 1812 года а вслед за ней дворянское...
34491. Русское искусство н.19в.: Тенденции реализма в романтическом творчестве В.А.Тропинина. Пейзаж С.Ф. Щедрина 34.5 KB
  Тропинин. С этой же целью Тропинин пытался не показывать явную социальную принадлежность людей. âПортрет Арсения Тропининаâ подкупает искренностью и чистотой эмоций написан он легко и обобщенно. âКружевницаâ одно из самых популярных произведений Тропинина.
34492. Русское искусство н.19в.: А.Г. Веницианов – основоположник русской жанровой живописи 28 KB
  Чтобы верно понять значение творческого наследие Венецианова необходимо вспомнить общее состояние русской художественной культуры первой четверти XIX века. Венецианов.Ранние портретные работы Венецианова несмотря на тонкую одухотворенность казались современникам слишком скромными лишенными артистического блеска недостаточно проникновенными. В самом деле Венецианов не был прирожденным портретистом.
34493. Русское искусство 19в.: От классицизма к романтизму в творчестве К.П. Брюллова 35 KB
  Брюллова. Однако постепенно действительность начинает вторгаться и в мысли и в творчество академиста Брюллова. В подавляющем большинстве портретов Брюллова есть нечто общее герои портретов Брюллова почти всегда привлекательны. Высшими достижениями Брюллова в области интимного портрета по праву можно назвать портрет князя Г.
34494. Русское искусство 19в.: П.А. Федотов – первый русский художник критического реализма 32 KB
  Осенью 1849 года в Академии художеств открылась очередная трехгодичная выставка Всеобщий интерес вызывали три небольшие картины начинающего тогда еще почти безвестного художника Федотова Свежий кавалер Разборчивая невеста и Сватовство майора.Героями картин Федотова стали не знаменитые мужи древности не персонажи евангельских и библейских легенд а простые маленькие люди с их повседневной жизнью обыденными чувствами и негероической судьбой. Новым в художественной системе Федотова был прежде всего дух социального протеста и...
34495. Русская живопись второй половины 19в.: Теория реалистического искусства. Передвижничество. Представители направления 34 KB
  Борьба между новым реалистическим искусством и Академией получила выражение в знаменитом академическом бунте 1863 года: четырнадцать молодых художников выпускников Академии решительно отказались писать программу то есть дипломную картину на заданную тему из древнескандинавской мифологии и демонстративно покинули Академию. Среди них был ряд известных впоследствии художников: возглавлявший группу протестантов И. Выйдя из Академии протестанты образовали Артель художников. Кроме петербургских художников в том же направлении работала в...
34496. Русская живопись к.19-н.20в.: Мир искусства – союз русских художников. Голубая роза. Бубновый валет 51.5 KB
  : Мир искусства союз русских художников. Мир искусства группа в которой зародилось это сильное и влиятельное культурноэстетическое течение возникла в Петербурге в самом начале 1890 годов. Дягилев будущий вдохновитель и руководитель практической деятельности â Мира искусстваâ. Этапным событием на этом пути явилось издание первого номера журнала âМир искусстваâ.
34497. Графический дизайн в 1920-х гг. Окна роста. В. Маяковский. Д.А. Моор. Агитационно-массовое искусство 35.5 KB
  Окна роста. Окна Роста или Окна сатиры Роста особого типа плакаты на политические военные и хозяйственные темы дня которые выпускались с осени 1919 года по январь 1922 года включительно. Окна Роста обладают рядом устойчивых признаков. Типичная структура Окна Роста: несколько от 2 до 14 самостоятельных рисунков расположенных в логической последовательности и вместе с сопровождающим их текстом раскрывающих единую тему.