量子力學(xué)所有簡答題答案

1、簡答題1 什么是光電效應(yīng)？光電效應(yīng)有什么規(guī)律？愛因斯坦是如何解釋光電效應(yīng) 的？答：光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。 這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)?；蚬庹丈涞浇饘偕?，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)規(guī)律如下：1 每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí)，無論多強(qiáng)的光都無法使電子逸出。2. 光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。3. 光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論 強(qiáng)

2、弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的。4入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積是逸出的光電子數(shù)目。愛因斯坦認(rèn)為：（1）電磁波能量被集中在光子身上，而不是象波那樣散布在空間中，所 以電子可以集中地、一次性地吸收光子能量，所以對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間應(yīng)很短，是瞬間完成的。（2）所有同頻率光子具有相同能量，光強(qiáng)則對(duì)應(yīng)于光子的數(shù)目，光強(qiáng)越大，光子 數(shù)目越多，所以遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)，飽和電流與光強(qiáng)成正比。（3）光子能量與其頻率成正比，頻率越高，對(duì)應(yīng)光子能量越大，所以光電效應(yīng)也容易發(fā)生，光子能量小于逸出功時(shí)，則 無法激發(fā)光電子。逸出電子的動(dòng)能、光子能量和逸出功之間的關(guān)系可以表示成：1 2二A mv2這

3、就是愛因斯坦光電效應(yīng)方程。其中， h是普朗克常數(shù)；f是入射光子的2頻率。2. 寫出德布羅意假設(shè)和德布羅意公式。德布羅意假設(shè)：實(shí)物粒子具有波粒二象性。.檸h德布羅意公式：E二 =h P二k =3. 簡述波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，為什么說波函數(shù)可以完全描述微觀體系的狀態(tài)。幾 率波滿足的條件。波函數(shù)在空間中某一點(diǎn)的強(qiáng)度和在該點(diǎn)找到粒子的幾率成正比。因?yàn)樗芨鶕?jù)現(xiàn)在的狀態(tài)預(yù)知未來的狀態(tài)。波函數(shù)滿足歸一化條件。4. 以微觀粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為例，說明態(tài)的疊加原理。屮 屮答：設(shè)1和2是分別打開左邊和右邊狹縫時(shí)的波函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)縫同時(shí)打開時(shí)，實(shí)驗(yàn)說明到達(dá)屏上粒子的波函數(shù)由和J 2的線性疊加J二G1 C22來表示，可見

4、態(tài)的疊加不是概率相加，而是波函數(shù)的疊加，屏上粒子位置的概率分布由2確定,* *中出現(xiàn)有*1和2的干涉項(xiàng)2 ReCl C 1 2 ，&和C2的模對(duì)相對(duì)相位對(duì)概率分布具有 重要作用。5. 何謂定態(tài)？它有何特征?答：定態(tài)是概率密度和概率流密度不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。若勢(shì)場恒定 系可以處于定態(tài)。定態(tài)具有以下特征:(1 )定態(tài)波函數(shù)時(shí)空變量可以分離：r,t 一 r e丄0譏 ，則體_ikt / 甲(r )其中是哈密頓：.的本征函數(shù)，而 上為對(duì)應(yīng)的本征值(2)不顯含t的任何力學(xué)量，對(duì)于定態(tài)的期待值，不隨時(shí)間變化，各種可能觀察值出 現(xiàn)的幾率分布亦不隨時(shí)間變化。注意通用r數(shù)都是含時(shí)的。表示定態(tài)只是一種簡寫，定態(tài)是

5、含時(shí)態(tài)，任何描寫離子狀態(tài)的波函6. 什么是束縛態(tài)？它有何特征？束縛態(tài)是否必為定態(tài)？定態(tài)是否必為束縛態(tài)? 舉例說明。答：當(dāng)粒子被外力(勢(shì)場)約束于特定的空間區(qū)域內(nèi)，即在無窮遠(yuǎn)處波函數(shù)等于零的 叫束縛態(tài)。束縛態(tài)的能級(jí)是離散的。例如，一維諧振子就屬于束縛態(tài)，具有量子化的能級(jí)。 但束縛態(tài)不一定是定態(tài)， 的定態(tài)疊加而成的波包， 情況下定態(tài)多屬束縛態(tài)。不局限在有限區(qū)域，但粒子處于能量的本征態(tài)。 射定態(tài)(常簡稱為散射態(tài))。例如，限制在一維箱子中的粒子，最一般的可能態(tài)是以一系列分立 上題已討論過，這種疊加態(tài)是沒有確定能量植的非定態(tài)。雖然一般例如：彈性散射中，入射粒子受散射勢(shì)作用而向各方向散射，粒子這時(shí)粒子處于

6、一個(gè)非束縛態(tài)，或者說處于散7簡述量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理，它反映了什么？能量的本征態(tài)的疊加還是能量 本征態(tài)嗎？為什么？答：對(duì)于一般情況，如果 1和2是體系的可能狀態(tài)，那么它們的線性疊加:=c1 1+c2 c1, c2是復(fù)數(shù))也是這個(gè)體系的一個(gè)可能狀態(tài)。這就是量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理。態(tài)疊加原理的含義：表示當(dāng)粒子處于態(tài)1和2的線性疊加態(tài) 時(shí)，粒子是既處于態(tài)1,又處于態(tài)2。它反映了微觀粒子的波粒二象性矛盾的統(tǒng)一。量子力學(xué)中這 種態(tài)的疊加導(dǎo)致在疊加態(tài)下觀測(cè)結(jié)果的不確定性。S. (1)波函數(shù)妙與k甲、申申是否描述同一態(tài)？2)F列波函數(shù)莊什么情況F才是描述同態(tài)？昭+必；耳妁+勺必?cái)?口尹心必這里聽.5是復(fù)常

7、數(shù)，爲(wèi).色 是丈粛數(shù)。答：(1) 一與k-、e -描述的相對(duì)概率分布完全相同，如對(duì)空間xi和x2兩點(diǎn)的相對(duì)概率2卩(Xi)|2|k屮(Xi)|2e(xi)2=2=i2%2)k屮(X2)e(X2)，故屮與k屮、均描述同一態(tài)。(2) 由 于 任 意 復(fù) 數(shù)Cl屮1 士C2屮2 2 =|c屮十匾屮2 2 士GC2屮1屮2 +GC2屮1屮2顯然，只有當(dāng)復(fù)數(shù)C1 =5 =C，即G =C2 =c，且時(shí),宀 2,c 113量子力學(xué)中的守恒量是如何定義的(用式子表示)？守恒量有什么性質(zhì)？答：量子力學(xué)中不顯含時(shí)間， 且其算符與體系的哈密頓算符對(duì)易的力學(xué)量稱為守恒量。式子：P76;量子體系的守恒量，無論在什么態(tài)下

8、，平均值和概率分布都不隨時(shí)間改變；量 子力學(xué)中的守恒量與經(jīng)典力學(xué)中的守恒量概念不相同，實(shí)質(zhì)上是不確定度關(guān)系的反映。14原子的軌道半徑在量子力學(xué)中是如何解釋的？答：量子力學(xué)的原子軌道是解薛定諤方程得到的，以滿足量子化條件為前提的。15什么是全同性原理和泡剩不相容原理，二者是什么關(guān)系？答：全同性原理是指由全同粒子組成的體系中，兩全同粒子相互代換不引起物理狀態(tài)的改變。泡利不相容原理是指不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子處于同一狀態(tài)。兩者的關(guān)系是由全同性原理出發(fā)，推論出全同粒子體系的波函數(shù)有確定的交換對(duì)稱性，將這 一性質(zhì)應(yīng)用到費(fèi)米子組成的全同粒子體系，必然推出費(fèi)米不相容原理。16.那些實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明電子存在自

9、旋？自旋有什么特征？電子具有自旋的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)；光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)；反常塞曼效應(yīng)。自旋的特點(diǎn)：(1)電子具有自旋角動(dòng)量這一特點(diǎn)純粹是量子特性，它不可能用經(jīng)典力學(xué)來解釋。它是電子的本身的內(nèi)稟屬性，標(biāo)志了電子還有一個(gè)新自由度。(2 )電子自旋與其它力學(xué)量的根本區(qū)別為，一般力學(xué)量可表示為坐標(biāo)和動(dòng)量的函數(shù)，自旋角動(dòng)量與電子坐標(biāo)和動(dòng)量無關(guān)，不能表示為，它是電子內(nèi)部狀態(tài)的表征，是一個(gè)新的自由度。(3)(3)電子自旋值是h二，而不是的整數(shù)倍。(4)(4)肌 ，而L _兩者在差一倍。自旋角動(dòng)量也具有其它角動(dòng)量的共性，即滿足同樣的對(duì)易關(guān)系：ExE 二曲。它是個(gè)內(nèi)稟的物理量，不能用坐標(biāo)、動(dòng)量、時(shí)間等變量

10、表示；它完全是一種量子效應(yīng)，沒有經(jīng)典對(duì)應(yīng)量。也就是說，當(dāng)h 0時(shí)，自旋效應(yīng)消失;它是角動(dòng)量，滿足角動(dòng)量最一般的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而且電子自旋在空間任何方向上的投影 只取n2兩個(gè)值。仃.自旋可在坐標(biāo)空間中表示嗎？它與軌道角動(dòng)量性質(zhì)上有何差異？（1）自旋是內(nèi)稟角動(dòng)量，它不能在坐標(biāo)空間中表示出來。（2）軌道角動(dòng)量是微觀粒子的外部空間角動(dòng)量，它可在坐標(biāo)表象中表示出來，量子數(shù)為整數(shù)，本征態(tài)為球諧函數(shù)；自旋是內(nèi)稟角動(dòng)量，量子數(shù)為整數(shù)或半奇整數(shù)，自旋函數(shù)需用多分量波函數(shù)表示。此外，二者的旋磁比不同。18.自旋與軌道角動(dòng)量的不同之處。P145 : a, b佃什么是光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)？產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因是什么？考慮精細(xì)結(jié)構(gòu)

11、后能級(jí) 的簡并度是多少？答：由于電子自旋與軌道角動(dòng)量耦合，是原來簡并的能級(jí)分裂成幾條差別很小的能級(jí)，1j =丨 士 ，（= 0 除外）稱為光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)；當(dāng) n和I給定后，j可以取2，即具有相同的量子數(shù)n，I的能級(jí)有兩個(gè)，它們的差別很小，這就是產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)的原因?？紤]精細(xì)結(jié)構(gòu) 后能級(jí)的簡并度為（2j+1）。20.甲（?+,左-）二20. 完全描述電子運(yùn)動(dòng)的雄吊波函數(shù)為I譏心一方/ 2）丿，準(zhǔn)確敘述I及J八|皿廠帖2）I分別農(nóng)示什么樣的物理意義口解：|屮（r ,辦/2）r 表示電子自旋向上（Sz =勺2 ）、位置在r處的幾率密 度;2Jd3r|屮（匚-斤/2）|表示電子自旋向下（Sz=-勺2、的

12、幾率。S = St + 2壽I h21. 二電子體系中，總自旋-的歸一化本征態(tài)（即自旋單態(tài)與三重態(tài)）。P157-158（主要是表格）（依據(jù)胡錦濤指示：此題為老師所刪的內(nèi)容）22何謂正常塞曼效應(yīng)？正常塞曼效應(yīng)的本質(zhì)是什么？何謂斯塔克效應(yīng)？在強(qiáng)磁場中，原子發(fā)出的每條光譜線都分裂為三條的現(xiàn)象稱為正常塞曼效應(yīng)。原子置于外電場中，它發(fā)出的光譜線會(huì)發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為斯塔克效應(yīng)。23何謂反常塞曼效應(yīng)？對(duì)于反常塞曼效應(yīng)，有外磁場時(shí)的一條譜線在外磁場中 分裂為幾條？答：在弱磁場中，原子發(fā)出的每條光譜線都分裂為（2J+1 ）條（偶數(shù)）的現(xiàn)象稱為反常塞曼效應(yīng)。對(duì)簡單的塞曼效應(yīng)，沒有外磁場時(shí)的一條譜線在外磁場中分裂為

13、三條。蟻?zhàn)犹幵诤愣ㄍ獯艌鲋衦 它的光i普線搭緒發(fā)生復(fù)雜的 分裂- 且譜線間的裂距正比于磁場強(qiáng)度* 且i普線齊分量有 特辣的偏振和方向特性-這就是光謙的幕曼效股.根鵬諾 線的分裂情況更可分為以下兩種： 相跑于單態(tài)話線在夕卜磁 場中的分裂稱為正第塞量效砲：相內(nèi)丁非單態(tài)諾線在夕卜磁 楊中的分裂稱為反常乘屋謎砲.下面我.對(duì)正常癟量效應(yīng)的24題目:表示械子川（亦即H）紬亠脳征藥答案:于J N似 7Z =曠口 + 2）S.給川-維諧振了升*降算符八、住的對(duì)易關(guān)系式；料-f數(shù)算符N與護(hù)的關(guān)系；哈 巒頓帛H用N如 w駁小的式C N （亦即的歸化本征態(tài)。25簡述定態(tài)微擾論的基本思想，對(duì)哈密頓量H有什么樣的要求？

14、答：、微擾方法的基本物理思想：在簡化系統(tǒng)的解的基礎(chǔ)上，把真實(shí)系統(tǒng)的哈密頓算符 中沒有考慮的因素加進(jìn)來，得到真實(shí)系統(tǒng)的近似解。量子力學(xué)體系的哈密頓算符 H不是時(shí)間的顯函數(shù)時(shí)，通過求解定態(tài)薛定諤方程，討論定態(tài)波函數(shù)。除少數(shù)特例外，定態(tài)薛定諤方程一般很難嚴(yán)格求解。求解定態(tài)薛定諤方程H即=E時(shí)，若可以把不顯函時(shí)間的H分為大、小兩部分H，H （叭H|H I，其中H（o）,：（o）_匚（）：（）匚（）,：（）H n - En n，即H的本征值En和本征函數(shù)n是可以精確求解的，或已有確定的結(jié)果。26為什么說波函數(shù)可以完全描述微觀體系的狀態(tài)？波函數(shù)是量子力學(xué)中用來描述粒子的德布羅意波的函數(shù)。為了定量地描述微觀粒子的 狀態(tài)，量子力學(xué)中引入了波函數(shù)，并用”表示。波函數(shù)公式一（EtPx）一（Ef p英）由該式：波函數(shù)既包含有反映波動(dòng)性的波動(dòng)方程的形式，又包含有體現(xiàn)粒子性的物理 量E和P，因此它描述了微觀粒子具有波粒二象性的特征。27什么是力