67558

ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР

Лекция

Физика

Мы получили, что волновые функции стационарных состояний осциллятора являются или четными или нечетными. Оказывается, этот результат можно было предсказать заранее, не решая задачу. Сделаем в этой связи отступление, которое представляет и значительный самостоятельный интерес.

Русский

2014-09-12

773 KB

2 чел.

Л Е К Ц И Я   8

ГАРМОНИЧЕСКИЙ  ОСЦИЛЛЯТОР

Классический осциллятор.

Пусть частица совершает одномерное движение. Разложим ее потенциальную энергию в ряд Тейлора в окрестности x = 0 до второго порядка:

                 V(x) = V(0) + |x=0x + 1/2 |x2.

Пусть x=0 - положение устойчивого равновесия. Тогда в этой точке V(x) - минимум, а потому

(0) = 0,   (0)  k>0.

Гамильтониан записывается как

 H = p2/2m +kx2/2.

Он приводит к уравнению движения

,

с решением

 x = Acos(wt + j).

Для энергии имеем

 E =  + kx2/2 =

 = mw2A2/2sin2wt + kA2/2cos2 wt = mw2A2/2.

Так как

,

то можно также записать

 E = mw2 x2кл.

Квантовый осциллятор в координатном представлении

Гамильтониан имеет вид

 2/2m + mw2x2/2),

и стационарное уравнение Шредингера записывается как

-i2/2(x) + mw2x2/2y (x) = Еy (x).

К нему нужно добавить единственное граничное условие:

  y (x) < +,  (x   ).

Вводя безразмерные координату y и энергию e:

 y = x, e = 2E/iw,

переписываем уравнение (это тривиально):

 (d2/dy2 -y2+e) y(y) = 0.

Легко показать (отбрасывая член с ey(y)), что асимптотика решения такова:

 y(x)+ B,

причем из граничного условия B=0. Поэтому, чтобы привести уравнение к стандартному виду, делаем замену неизвестной функции:

 y(y) = U(y).

Для функции U(y) получается уравнение

 URR- 2yUR + (e-1)U = 0

с граничным условием

 U(y) 0 ( быстрее, чем возрастает ),.

Выписанное уравнение называется уравнением Эрмита. Так как y=0 - регулярная точка, решение можно искать в виде степенного ряда:

 U(y) = .

Дифференцируем его и подставляем в уравнение:

{ak(k-1)kyk-2-ak(2k+1-)yk} = 0,

или

 { ak+2(k+1)(k+2)-ak(2k+1-)}yk = 0,

откуда

 ak+2(k+1)(k+2)-ak(2k+1-) = 0,

и получаем рекуррентное соотношение для коэффициентов:

 ak+2 = {(2k+1-)/(k+1)(k+2)} ak.

Если ряд бесконечный, то при больших

,

т.е. отношение соседних коэффициентов такое же, как в разложении

.

Это решение не удовлетворяет граничному условию. Поэтому ряд должен где-то оборваться. Тогда он будет конечным полиномом, из-за множителя  функция (y) будет быстро убывать при y  , и она будет квадратично интегрируемой.

Как же добиться того, чтобы U(y) было конечным полиномом?

Пусть

 n = max{k}  an0,an+2 = 0.

Тогда из рекуррентного соотношения

2n+1- = 0.

Но этого еще не достаточно. Нужно еще потребовать, чтобы an+1=0.

Этот коэффициент выражается через an-1:

 an+1 = {2(n-1)+1-/n(n+1)} an-1.

Если бы числитель дроби равнялся нулю, то все было бы хорошо. Но в силу предыдущего

2(n-1)+1- = [2n+1-]-2 = -2  0.

Поэтому нужно потребовать an-1=0, а также an-3=0, и так далее, пока не дойдем до a0=0 или a1=0. Ясно, что при n четном должно быть a1=0, а при n нечетном - a0=0, В любом случае условие обрыва ряда, т.е. превращения его в полином, имеет вид

2n+1- = 0     = 2n +1,

откуда, вспоминая, что

,

получаем энергетический спектр гармонического осциллятора:

 En = i(n+1/2), n = 0,1,2,...

Из предыдущего явствует, что если n четно, то a1=0, и все =0, а потому волновая функция - четная:

 2k(-x) = +2k(x).

Если же n-нечетно, то a0=0, все a2k=0, и волновая функция нечетна:

 2k+1(-x) = -2k+1(x).

Если положить a0=1, a1=0 для одного набора решений и a0=0, =1 для другого набора, то получим полиномы Эрмита:

.

Тогда волновые функции стационарных состояний будут функциями Эрмита:

,

где константы An следует определить из условия нормировки

 |(y)|2dy = 1    или     |(x)|2dx = 1.

Второе условие более физично, и оно окончательно дает

.

ЧЕТНОСТЬ

Мы получили, что волновые функции стационарных состояний осциллятора являются или четными или нечетными. Оказывается, этот результат можно было предсказать заранее, не решая задачу. Сделаем в этой связи отступление, которое представляет и значительный самостоятельный интерес.

Рассмотрим преобразование пространственной инверсии системы координат

 r  r’ = -r 

и введем оператор пространственной четности , действующий на волновые функции в координатном представлении по закону

  (r) = (-r).

Рассмотрим теперь функцию

 (r) = (r)  (r)

и подействуем на нее оператором :

(r) = ,

откуда

(r) = (-r).

В частности, если гамильтониан есть четная функция r, а для этого достаточно, чтобы таковой была потенциальная энергия:

 V(-r) =V(r)      (-r) = (r),

то из предыдущего он будет коммутировать с оператором четности:

[,] = 0,

а значит  будет интегралом движения.

Докажем, что оператор  описывает некоторую динамическую переменную (она называется пространственной четностью). Для этого надо доказать, что он эрмитов. Имеем:

                 ((r),(r)) = (r) (r)dV =

                =(r) (-r)dV(-r) (r)dV =

                       ={(r)} (r)dV=(,),

что и утверждалось. Найдем возможные значения этой наблюдаемой, т.е. собственные значения P оператора :

 p = Pp.

Действуем еще раз оператором :

{p (r)} = {Pp()}.

Слева получим

 {p(r)} = p (-r) = p(r),

а справа

 {Pp(r)} = P{p(r)} = P{Pp(r)} = P2p(r).

Таким образом,

 p(r) = P2p (r),

откуда

 P = 1.

Таким образом, у оператора  имеется лишь два собственных значения, которым соответствуют четные и нечетные собственные функции:

 P = +1:   +(-r) = + +(r),

 P = -1:    - (-r) = - -(r).

Эти собственные значения также называются четностью (пространственной, так как в физике элементарных частиц используют и другие четности).

Если четность есть интеграл движения, т.е.

[,] = 0,

(см. выше), то из

 E = EE

следует

 (E) = () E  = ()E  = (E) = ( E)

Таким образом, если E - волновая функция стационарного состояния с энергией , то таковой будет и функция E. Если энергетический спектр простой (невырожденный), т.е. если каждому  отвечает одна (с точностью до множителя) волновая функция, то  и E должны быть пропорциональны друг другу:

 E = PE,

а это значит, что E есть собственная функция оператора , т.е. обладает определенной четностью.

Вывод: если гамильтониан есть четная функция координат, то он коммутирует с оператором , т.е.  - интеграл движения; если к тому же энергетический спектр - простой, то каждое стационарное состояние обладает определенной четностью, т.е. его волновая функция или четна, или нечетна.

Для одномерного гармонического осциллятора все условия выполняются: потенциальная энергия четна, а энергетический спектр - простой (в одномерном случае дискретный спектр всегда простой). Поэтому волновые функции стационарных состояний осциллятора - четные или нечетные.

СРАВНЕНИЕ КВАНТОВОГО И КЛАССИЧЕСКОГО ОСЦИЛЛЯТОРОВ

Вернемся к квантовому осциллятору и сравним его поведение с поведением классического осциллятора.

  1.  Энергия квантового осциллятора квантуется, т.е. принимает дискретный ряд значений

 En = (n+1/2),   n = 0,1,2,...

Энергия классического осциллятора может иметь любое значение

= 1/22A2,

определяемое амплитудой A.

2. Минимальное значение энергии квантового осциллятора больше минимального значения потенциальной энергии:

 Eкв min = E0 = /2>Vmin= 0.

Эта энергия называется энергией нулевых колебаний. Для классического осциллятора минимальная энергия равна нулю, т.е. минимальной потенциальной энергии, - никаких «нулевых колебаний» нет.

Рис. 4

3. Классический осциллятор совершает строго финитное движение между точками а и +а, определяемыми из условия

 E =V(a) = 1/22a2.

Волновая функция квантового осциллятора имеет общий вид

 (y) =u(y).

Здесь существует ненулевая вероятность обнаружить частицу в классически недоступной области. Правда, эта вероятность чрезвычайно быстро (как exp(-y2)) стремится к нулю при возрастании ||, а потому часто говорят, что и движение квантового осциллятора является финитным (точнее, оно есть аналог классического финитного движения).

ДРУГОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О КВАНТОВОМ ОСЦИЛЛЯТОРЕ

Вернемся к квантовому осциллятору с гамильтонианом

+1/222.

Перепишем его, вводя вместо и  новые операторы

,   ,

связанные друг с другом операцией сопряжения:

,      .

Из коммутационного соотношения

[,] =

сразу следует, что

[] = ,

(это проверяется прямой подстановкой). Кроме того, выражая  и  через  и

и подставляя результаты в , получим

 = ).

Отсюда элементарно проверяются коммутационные соотношения

[,] = ;   [,] = -.

Пусть n- собственная функция  с собственным значением :

 n = Enn.

Тогда

 n

или 0, или собственная функция  с собственным значением -. Действительно, используя коммутатор  с , имеем:

             (n) = ()n = (-)n =

= (En-)n = (En- )(n).

Аналогично устанавливается второе утверждение. По этой причине  называется понижающим оператором, а -повышающим оператором.

Но энергетический спектр осциллятора ограничен снизу - есть минимальная энергия E0, которой отвечает собственная функция 0 гамильтониана. Дальше понижать некуда, и должно быть

 0 = 0.

Действуем на эту функцию гамильтонианом:

 0 = ( + )0 = 0 + 0 = 0.

Таким образом,

 E0 = .

Функция 0 есть волновая функция основного состояния (его называют также вакуумным состоянием). Она должна быть нормирована:

(0, 0) = 1.

Действуя на нее последовательно оператором , будем получать волновые функции новых стационарных состояний, повышая энергию каждый раз на . Придем к последовательности энергий

 ,  +,  + 2 ,...

т.е.

 E0 = (n+1/2).

Волновая функция стационарного состояния с En есть

 n = cn(+)n0,

где cn- нормировочные постоянные. Для таких функций

 n = Enn, En = (n+1/2).

Записывая

 n = (+1/2)n = Enn = (n+1/2) n,

Получим

 n = nn,    ,

т.е. спектр оператора  состоит из неотрицательных целых чисел 0,1,...

Терминология и физическая интерпретация таковы. Состояние с функцией n «состоит» из остова (основного состояния) с энергией E0 = 1/2  и из n «квазичастиц» - квантов возбуждения с энергиями  =  у каждого. Оператор (часто обозначается просто ) есть оператор уничтожения, а оператор  (обозначение ) - оператор рождения квантов возбуждения ( квазичастиц ). Оператор  есть оператор числа квазичастиц (числа квантов возбуждения).

Естественные и довольно очевидные обобщения построенной схемы играют фундаментальную роль в статистической физике, физике твердого тела, квантовой теории поля и т.д., так как составляют основу метода вторичного квантования. Поэтому хорошо сформулировать данную схему на более абстрактном языке.

Представление чисел заполнения ( - представление, базис Фока)

Отказываемся полностью от координатного представления, вводим через  и  операторы  и  с коммутационным соотношением

[,] = ,

записываем через них гамильтониан осциллятора

  = (+1/2)  (+1/2)

и выбираем в качестве базисных векторы

,

где

|0 = 0,

а каждый |n - собственный вектор гамильтониана:

 |n = En|n,   En = (n +1/2).

Произвольный вектор состояния представляется разложением

| = n|n

и описывается волновой функцией (последовательностью) {n} в n- представлении:

 n = n|.

Смысл ее в том, что |n |2есть вероятность того, что в состоянии мы получим при измерении энергии значение En, т.е. обнаружим в этом состоянии n квантов возбуждения.

Имеют место следующие очень важные соотношения:

 

|n = |n+1

и

|n = .

Первое проверяется непосредственно:

|n = |n+1.

Второе доказываем по индукции. При n=0 оно выполняется в силу определения |0. Допустим, что

|n-1 = |n-2.

Тогда, используя только что доказанное и коммутатор [,] = , имеем:

|n = |n-1 =()|n-1 = ( + )|n-1 =

={|n-1 +|n-1} = {|n-1 +|n-1} =|n-1,

что и требовалось доказать. Теперь легко установить, что {|n} - базис ортонормированный:

 m|n = mn.

Действительно, (mn):

 m|n = 0||n-1 =

=  = mn.

Как и всегда, в заданном представлении операторы представляются некоторыми матрицами - в данном случае

  Fmn = m||n.

Зная действие операторов - и + на |n, сразу находим их матрицы:

 m|-|n = m|n-1 = m,n-1

и

 m|+|n = m|n+1 = m,n+1,

т.е.

                (m)mn = m,n-1,     (+)mn = m,n+1

Еще проще матрица оператора числа квантов возбуждения:

 m||n = nm|n = nm,n.

Как и положено быть матрице оператора в собственном представлении, она диагональна:

 ()mn = nm,n.

В явном виде

, , .

Напомним, что векторы состояний представляются матрицами-столбцами:

...

От n- представления легко перейти в - представление и найти волновые функции в явном виде. Основное условие

 -|0 = 0

в координатном представлении записывается как

)0(x) = 0;     = x,    = ,

или, переходя к безразмерной координате y=x/x0,

(y+)0(y) = 0.

Общее решение этого уравнения очевидно:

 0(y) = C0.

Константу C0 находим из условия нормировки:

1 = (0, 0) ==

 =C2x0,

так что

 0(y) = .

Для волновой функции n-го стационарного состояния имеем:

Но это и есть функция Эрмита. Действительно, учитывая, что

,

и полагая

 f(y) =,

придем к функциям Эрмита в форме Родрига

,

которые уже были выписаны (но не получены!) в начале лекции.

КОГЕРЕНТНЫЕ СОСТОЯНИЯ

Вектор основного состояния |0 - собственный вектор оператора  с собственным значением 0:

|0 = 0  0|0.

Поставим задачу на отыскание всех собственных векторов оператора :

| = |.

Найдем векторы | в n- представлении, для чего разложим их по базису {|n}:

| = n||n,

и определим коэффициенты разложения n|. Для этого умножим уравнение на собственные значения оператора  слева на n:

 n|-| = n|.

Расписываем левую часть:

n|-| = ,

и приходим к рекуррентному соотношению

 n + 1||n|,

решение которого очевидно:

 n + 1|=0||n

В результате искомое разложение принимает вид:

.

Величину 0| находим из условия нормировки:

1 = | = 0|0|,

(m|n = mn).

Откуда, с точностью до произвольного фазового множителя,

 0| = .

Таким образом, для собственных векторов | оператора  окончательно получаем

| = |n,

где |n - векторы стационарных состояний осциллятора. Нетрудно доказать, что этот ряд сходится при любом С, т.е. спектр оператора  заполняет всю комплексную плоскость, и у него имеется континуум собственных векторов. Удивляться не надо, ибо  - неэрмитов оператор, а спектральные свойства таких операторов могут быть весьма непривычными. Например, у оператора , наоборот, нет ни одного собственного значения и ни одного собственного вектора.

FILENAME lecture08.doc

-  PAGE 61 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39472. НАЛОГИ И НАЛОГОБЛОЖЕНИЕ 399 KB
  Курсовая работа выполняется студентами после изучения соответствующих глав Налогового Кодекса РФ, литературных источников по теме и производственной практики. За время практики студент собирает на предприятии необходимый фактический материал по теме курсовой работы. После прохождения практики собранные материалы обобщаются и студент приступает к написанию курсовой работы
39473. Порядок характеристики налогоплательщика 367 KB
  Оценка налоговой нагрузки Описать режим налогообложения исходя из вида деятельности предприятия организационноправовой формы и действующего налогового законодательства. При этом последовательно указывается: В связи с какими обстоятельствами возникли обязанности налогоплательщика плательщика сборов налогового агента ; Описание объектов обложения; Особенности формирования налоговой базы; Применяемые налоговые ставки ; Порядок исчисления налога сбора; Порядок и сроки уплаты. Кирову ИНН: 4345001066 КПП: 434501001; ОКАТО...
39475. БУХГАЛТЕРСКИЙ УЧЕТ И АНАЛИЗ 358.5 KB
  Выполняя курсовую работу следует использовать действующие законодательные акты нормативные документы определяющие методологические основы порядок организации и ведения бухгалтерского учета в организациях: Федеральный Закон О бухгалтерском учете Положение по ведению бухгалтерского учета и бухгалтерской отчетности в РФ План счетов бухгалтерского учета Инструкцию по его применению и другие а также изучить литературу по теме курсовой работы. Излагая общие положения необходимо рассмотреть порядок документального оформления хозяйственных...
39476. Проектирование корпоративных мультисервисных сетей 495.5 KB
  Технология Ethernet известна прежде всего как технология локальных вычислительных сетей имевшая некоторое количество существенных недостатков которые не позволяли строить на ее основе нормально работающие мультисервисные сети. Целью курсовой работы является создание проекта МСС для данного комплекса на базе EthernetIPсети. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ УСЛУГ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СЕТИ Услуги которые предоставляет проектируемая мультисервисная сеть: Передача речи телефонная связь данная услуга будет реализована на базе средств IPтелефонии то есть будет...
39477. Барабанне сушило для сушки піску 63 KB
  Мета роботи: розрахувати горіння палива основні розміри сушила процес сушки тепловий баланс паливоспалювального пристрою для барабанного сушила для сушки піску. Розрахунок горіння палива основних розмірів сушила теплообміну теплового балансу паливо спалювального пристрою необхідно для проектування сушила. ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ГОРІННЯ ПАЛИВА БАРАБАН СУШИЛА ТЕПЛООБМІН ТЕМПЕРАТУРА ПРОДУКТИВНІСТЬ ДІАГРАМА ПАЛЬНИК МАТЕРІАЛ ЗАВАНТАЖУВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ ОБЄМ ВОЛОГИ РОЗРАХУНОК ПАЛИВОСПАЛЮВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ.6 Розрахунок горіння...
39478. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАЗРАБОТКИ ОДНОРОДНОГО ПЛАСТА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ НЕПОРШНЕВОГО ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ВОДОЙ В УСЛОВИЯХ ЖЕСТКОГО ВОДОНАПОРНОГО РЕЖИМА 197.5 KB
  Для большинства пластов при вытеснении из них нефти водой характерно возникновение в порах раздробленных диспернированных глобул нефти. В местах пористых сред где путь движению нефти преграждается плотными скоплениями зерен породы в тупиковых зонах в поровых ловушках остаточная нефть сохраняется в виде неподвижных глобул не извлекаемых из пористой среды даже при ее бесконечной промывки. Возникновению неподвижных глобул способствуют также различие вязкостей нефти и воды и наличие у нефти неньютоновских свойств.
39479. Взаимодействие Европейского суда по правам человека и Российской Федерации: проблемы и перспективы 236 KB
  Взаимодействие Европейского суда по правам человека и Российской Федерации: проблемы и перспективы.43 Введение Европейским судом по правам человека называют совестью Европы и это не просто красивая фраза. Это стало возможным благодаря тому что Конституция Российской Федерации впервые в юридической практике нашей страны установила международные гарантии соблюдения и защиты прав и свобод человека и гражданина: Каждый вправе в соответствии с международными договорами Российской Федерации обращаться в межгосударственные органы...
39480. Расчет годовой производственной программы ЭТС 103.5 KB
  Парк электрооборудования постоянно увеличивается. Опыт электрификации сельского хозяйства показывает что без хорошей работы электротехнической эксплуатационной службы только увеличение числа электроустановок не дает ожидаемого роста эффективности производства и не позволяет полностью использовать потенциальные возможности электрооборудования. Эксплуатационная надежность электрооборудования пока еще не удовлетворяет в достаточной мере требованиям сельскохозяйственного производства. Улучшение эксплуатации...