量子力學(xué)答案-周世勛

.z.第一章量子理論根底1．1由黑體輻射公式導(dǎo)出維恩位移定律：能量密度極大值所對應(yīng)的波長與溫度T成反比，即T=b〔常量〕；并近似計算b的數(shù)值，準確到二位有效數(shù)字。解根據(jù)普朗克的黑體輻射公式，〔1〕以及，〔2〕，〔3〕有這里的的物理意義是黑體波長介于λ與λ+dλ之間的輻射能量密度。此題關(guān)注的是λ取何值時，取得極大值，因此，就得要求對λ的一階導(dǎo)數(shù)為零，由此可求得相應(yīng)的λ的值，記作。但要注意的是，還需要驗證對λ的二階導(dǎo)數(shù)在處的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的就是要求的，具體如下：如果令x=，那么上述方程為這是一個超越方程。首先，易知此方程有解：x=0，但經(jīng)過驗證，此解是平庸的；另外的一個解可以通過逐步近似法或者數(shù)值計算法獲得：x=4.97，經(jīng)過驗證，此解正是所要求的，這樣那么有把x以及三個物理常量代入到上式便知這便是維恩位移定律。據(jù)此，我們知識物體溫度升高的話，輻射的能量分布的峰值向較短波長方面移動，這樣便會根據(jù)熱物體〔如遙遠星體〕的發(fā)光顏色來判定溫度的上下。1．2在0K附近，鈉的價電子能量約為3eV，求其德布羅意波長。解根據(jù)德布羅意波粒二象性的關(guān)系，可知E=hv，如果所考慮的粒子是非相對論性的電子〔〕，那么如果我們考察的是相對性的光子，那么E=pc注意到此題所考慮的鈉的價電子的動能僅為3eV，遠遠小于電子的質(zhì)量與光速平方的乘積，即，因此利用非相對論性的電子的能量——動量關(guān)系式，這樣，便有在這里，利用了以及最后，對作一點討論，從上式可以看出，當(dāng)粒子的質(zhì)量越大時，這個粒子的波長就越短，因而這個粒子的波動性較弱，而粒子性較強；同樣的，當(dāng)粒子的動能越大時，這個粒子的波長就越短，因而這個粒子的波動性較弱，而粒子性較強，由于宏觀世界的物體質(zhì)量普遍很大，因而波動性極弱，顯現(xiàn)出來的都是粒子性，這種波粒二象性，從某種子意義來說，只有在微觀世界才能顯現(xiàn)。1．3氦原子的動能是〔k為玻耳茲曼常數(shù)〕，求T=1K時，氦原子的德布羅意波長。解根據(jù)，知此題的氦原子的動能為顯然遠遠小于這樣，便有這里，利用了最后，再對德布羅意波長與溫度的關(guān)系作一點討論，由某種粒子構(gòu)成的溫度為T的體系，其中粒子的平均動能的數(shù)量級為kT，這樣，其相慶的德布羅意波長就為據(jù)此可知，當(dāng)體系的溫度越低，相應(yīng)的德布羅意波長就越長，這時這種粒子的波動性就越明顯，特別是當(dāng)波長長到比粒子間的平均距離還長時，粒子間的相干性就尤為明顯，因此這時就能用經(jīng)典的描述粒子統(tǒng)計分布的玻耳茲曼分布，而必須用量子的描述粒子的統(tǒng)計分布——玻色分布或費米公布。1．4利用玻爾——索末菲的量子化條件，求：〔1〕一維諧振子的能量；〔2〕在均勻磁場中作圓周運動的電子軌道的可能半徑。外磁場H=10T，玻爾磁子，試計算運能的量子化間隔△E，并與T=4K及T=100K的熱運動能量相比擬。解玻爾——索末菲的量子化條件為其中q是微觀粒子的一個廣義坐標，p是與之相對應(yīng)的廣義動量，回路積分是沿運動軌道積一圈，n是正整數(shù)?！?〕設(shè)一維諧振子的勁度常數(shù)為k，諧振子質(zhì)量為μ，于是有這樣，便有這里的正負號分別表示諧振子沿著正方向運動和沿著負方向運動，一正一負正好表示一個來回，運動了一圈。此外，根據(jù)可解出這表示諧振子的正負方向的最大位移。這樣，根據(jù)玻爾——索末菲的量子化條件，有為了積分上述方程的左邊，作以下變量代換；這樣，便有這時，令上式左邊的積分為A，此外再構(gòu)造一個積分這樣，便有〔1〕這里=2θ，這樣，就有〔2〕根據(jù)式〔1〕和〔2〕，便有這樣，便有其中最后，對此解作一點討論。首先，注意到諧振子的能量被量子化了；其次，這量子化的能量是等間隔分布的?！?〕當(dāng)電子在均勻磁場中作圓周運動時，有這時，玻爾——索末菲的量子化條件就為又因為動能耐，所以，有其中，是玻爾磁子，這樣，發(fā)現(xiàn)量子化的能量也是等間隔的，而且具體到此題，有根據(jù)動能與溫度的關(guān)系式以及可知，當(dāng)溫度T=4K時，當(dāng)溫度T=100K時，顯然，兩種情況下的熱運動所對應(yīng)的能量要大于前面的量子化的能量的間隔。1．5兩個光子在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為正負電子對，如果兩光子的能量相等，問要實現(xiàn)實種轉(zhuǎn)化，光子的波長最大是多少？解關(guān)于兩個光子轉(zhuǎn)化為正負電子對的動力學(xué)過程，如兩個光子以怎樣的概率轉(zhuǎn)化為正負電子對的問題，嚴格來說，需要用到相對性量子場論的知識去計算，修正當(dāng)涉及到這個過程的運動學(xué)方面，如能量守恒，動量守恒等，我們不需要用那么高深的知識去計算，具休到此題，兩個光子能量相等，因此當(dāng)對心碰撞時，轉(zhuǎn)化為正風(fēng)電子對反需的能量最小，因而所對應(yīng)的波長也就最長，而且，有此外，還有于是，有盡管這是光子轉(zhuǎn)化為電子的最大波長，但從數(shù)值上看，也是相當(dāng)小的，我們知道，電子是自然界中最輕的有質(zhì)量的粒子，如果是光子轉(zhuǎn)化為像正反質(zhì)子對之類的更大質(zhì)量的粒子，那么所對應(yīng)的光子的最大波長將會更小，這從某種意義上告訴我們，當(dāng)涉及到粒子的衰變，產(chǎn)生，轉(zhuǎn)化等問題，一般所需的能量是很大的。能量越大，粒子間的轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象就越豐富，這樣，也許就能發(fā)現(xiàn)新粒子，這便是世界上在造越來越高能的加速器的原因：期待發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，新粒子，新物理。第二章波函數(shù)和薛定諤方程2.1證明在定態(tài)中，幾率流與時間無關(guān)。證：對于定態(tài)，可令可見無關(guān)。2.2由以下定態(tài)波函數(shù)計算幾率流密度：從所得結(jié)果說明表示向外傳播的球面波，表示向(即向原點)傳播的球面波。解：在球坐標中同向。表示向外傳播的球面波。可見，反向。表示向(即向原點)傳播的球面波。補充：設(shè)，粒子的位置幾率分布如何？這個波函數(shù)能否歸一化？∴波函數(shù)不能按方式歸一化。其相對位置幾率分布函數(shù)為表示粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率一樣。2.3一粒子在一維勢場中運動，求粒子的能級和對應(yīng)的波函數(shù)。解：無關(guān)，是定態(tài)問題。其定態(tài)S—方程在各區(qū)域的具體形式為Ⅰ：①Ⅱ：②Ⅲ：③由于(1)、(3)方程中，由于，要等式成立，必須即粒子不能運動到勢阱以外的地方去。方程(2)可變?yōu)榱?，得其解為④根?jù)波函數(shù)的標準條件確定系數(shù)A，B，由連續(xù)性條件，得⑤⑥⑤⑥∴由歸一化條件得由可見E是量子化的。對應(yīng)于的歸一化的定態(tài)波函數(shù)為#2.4.證明〔2.6-14〕式中的歸一化常數(shù)是證：〔2.6-14〕由歸一化，得∴歸一化常數(shù)#2.5求一維諧振子處在激發(fā)態(tài)時幾率最大的位置。解：令，得由的表達式可知，時，。顯然不是最大幾率的位置?？梢娛撬髱茁首畲蟮奈恢?。#2.6在一維勢場中運動的粒子，勢能對原點對稱：，證明粒子的定態(tài)波函數(shù)具有確定的宇稱。證：在一維勢場中運動的粒子的定態(tài)S-方程為①將式中的代換，得②利用，得③比擬①、③式可知，都是描寫在同一勢場作用下的粒子狀態(tài)的波函數(shù)。由于它們描寫的是同一個狀態(tài)，因此之間只能相差一個常數(shù)。方程①、③可相互進展空間反演而得其對方，由①經(jīng)反演，可得③，④由③再經(jīng)反演，可得①，反演步驟與上完全一樣，即是完全等價的。⑤④乘⑤，得可見，當(dāng)時，，具有偶宇稱，當(dāng)時，，具有奇宇稱，當(dāng)勢場滿足時，粒子的定態(tài)波函數(shù)具有確定的宇稱。#2.7一粒子在一維勢阱中運動，求束縛態(tài)()的能級所滿足的方程。解法一：粒子所滿足的S-方程為按勢能的形式分區(qū)域的具體形式為Ⅰ：①Ⅱ：②Ⅲ：③整理后，得Ⅰ：④Ⅱ：.⑤Ⅲ：⑥令那么Ⅰ：⑦Ⅱ：.⑧Ⅲ：⑨各方程的解為由波函數(shù)的有限性，有因此由波函數(shù)的連續(xù)性，有整理(10)、(11)、(12)、(13)式，并合并成方程組，得解此方程即可得出B、C、D、F，進而得出波函數(shù)的具體形式，要方程組有非零解，必須∵∴即為所求束縛態(tài)能級所滿足的方程。#解法二：接〔13〕式#解法三：(11)-(13)(10)+(12)(11)+(13)(12)-(10)〔b〕kactgkk)10()12()13()11(122令那么合并：利用#解法四：〔最簡方法-平移坐標軸法〕Ⅰ：〔χ≤0〕Ⅱ：〔0＜χ＜2〕Ⅲ：〔χ≥2〕束縛態(tài)＜＜因此由波函數(shù)的連續(xù)性，有(7)代入(6)利用(4)、(5)，得#2.8分子間的德瓦耳斯力所產(chǎn)生的勢能可以近似表示為求束縛態(tài)的能級所滿足的方程。解：勢能曲線如圖示，分成四個區(qū)域求解。定態(tài)S-方程為對各區(qū)域的具體形式為Ⅰ：Ⅱ：Ⅲ：Ⅳ：對于區(qū)域Ⅰ，，粒子不可能到達此區(qū)域，故而.①②③對于束縛態(tài)來說，有∴④⑤⑥各方程的解分別為由波函數(shù)的有限性，得∴由波函數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)，得∴⑦⑧⑨⑩由⑦、⑧，得(11)由⑨、⑩得(12)令，那么①式變?yōu)槁?lián)立(12)、(13)得，要此方程組有非零解，必須把代入即得此即為所要求的束縛態(tài)能級所滿足的方程。#附：從方程⑩之后也可以直接用行列式求解。見附頁。此即為所求方程。#補充練習(xí)題一1、設(shè)，求A=？解：由歸一化條件，有利用∴#2、求基態(tài)微觀線性諧振子在經(jīng)典界限外被發(fā)現(xiàn)的幾率。解：基態(tài)能量為設(shè)基態(tài)的經(jīng)典界限的位置為，那么有∴在界限外發(fā)現(xiàn)振子的幾率為))(220220220xaxaxedxedxe式中為正態(tài)分布函數(shù)當(dāng)。查表得∴∴在經(jīng)典極限外發(fā)現(xiàn)振子的幾率為0.16。#3、試證明是線性諧振子的波函數(shù)，并求此波函數(shù)對應(yīng)的能量。證：線性諧振子的S-方程為①把代入上式，有把代入①式左邊，得當(dāng)時，左邊=右邊。n=3，是線性諧振子的波函數(shù)，其對應(yīng)的能量為。第三章量子力學(xué)中的力學(xué)量3.1一維諧振子處在基態(tài)，求：(1)勢能的平均值；(2)動能的平均值；(3)動量的幾率分布函數(shù)。解：(1)

(2)或(3)動量幾率分布函數(shù)為#3.2.氫原子處在基態(tài)，求：(1)r的平均值；(2)勢能的平均值；(3)最可幾半徑；(4)動能的平均值；(5)動量的幾率分布函數(shù)。解：(1)(3)電子出現(xiàn)在r+dr球殼出現(xiàn)的幾率為令當(dāng)為幾率最小位置∴是最可幾半徑。(4)(5)動量幾率分布函數(shù)#3.3證明氫原子中電子運動所產(chǎn)生的電流密度在球極坐標中的分量是證：電子的電流密度為在球極坐標中為式中為單位矢量中的和局部是實數(shù)?！嗫梢姡?3.4由上題可知，氫原子中的電流可以看作是由許多圓周電流組成的。(1)求一圓周電流的磁矩。(2)證明氫原子磁矩為原子磁矩與角動量之比為這個比值稱為回轉(zhuǎn)磁比率。解：(1)一圓周電流的磁矩為〔為圓周電流，為圓周所圍面積〕(2)氫原子的磁矩為在單位制中原子磁矩與角動量之比為#3.5一剛性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為I，它的能量的經(jīng)典表示式是，L為角動量，求與此對應(yīng)的量子體系在以下情況下的定態(tài)能量及波函數(shù)：轉(zhuǎn)子繞一固定軸轉(zhuǎn)動：轉(zhuǎn)子繞一固定點轉(zhuǎn)動：解：(1)設(shè)該固定軸沿Z軸方向，那么有哈米頓算符其本征方程為(無關(guān)，屬定態(tài)問題)令，那么取其解為(可正可負可為零)由波函數(shù)的單值性，應(yīng)有即∴m=0，±1，±2，…轉(zhuǎn)子的定態(tài)能量為(m=0，±1，±2，…)可見能量只能取一系列分立值，構(gòu)成分立譜。定態(tài)波函數(shù)為A為歸一化常數(shù)，由歸一化條件∴轉(zhuǎn)子的歸一化波函數(shù)為綜上所述，除m=0外，能級是二重簡并的。(2)取固定點為坐標原點，那么轉(zhuǎn)子的哈米頓算符為無關(guān)，屬定態(tài)問題，其本征方程為(式中設(shè)為的本征函數(shù)，為其本征值)令，那么有此即為角動量的本征方程，其本征值為其波函數(shù)為球諧函數(shù)∴轉(zhuǎn)子的定態(tài)能量為可見，能量是分立的，且是重簡并的。#3.6設(shè)t=0時，粒子的狀態(tài)為求此時粒子的平均動量和平均動能。解：可見，動量的可能值為動能的可能值為對應(yīng)的幾率應(yīng)為上述的A為歸一化常數(shù)，可由歸一化條件，得∴∴動量的平均值為#3.7一維運動粒子的狀態(tài)是其中，求：(1)粒子動量的幾率分布函數(shù)；(2)粒子的平均動量。解：(1)先求歸一化常數(shù)，由∴動量幾率分布函數(shù)為(2)#3.8.在一維無限深勢阱中運動的粒子，勢阱的寬度為，如果粒子的狀態(tài)由波函數(shù)描寫，A為歸一化常數(shù)，求粒子的幾率分布和能量的平均值。解：由波函數(shù)的形式可知一維無限深勢阱的分布如圖示。粒子能量的本征函數(shù)和本征值為動量的幾率分布函數(shù)為先把歸一化，由歸一化條件，∴∴∴3.9.設(shè)氫原子處于狀態(tài)求氫原子能量、角動量平方及角動量Z分量的可能值，這些可能值出現(xiàn)的幾率和這些力學(xué)量的平均值。解：在此能量中，氫原子能量有確定值角動量平方有確定值為角動量Z分量的可能值為其相應(yīng)的幾率分別為，其平均值為3.10一粒子在硬壁球形空腔中運動，勢能為求粒子的能級和定態(tài)函數(shù)。解：據(jù)題意，在的區(qū)域，，所以粒子不可能運動到這一區(qū)域，即在這區(qū)域粒子的波函數(shù)()由于在的區(qū)域，。只求角動量為零的情況，即，這時在各個方向發(fā)現(xiàn)粒子的幾率是一樣的。即粒子的幾率分布與角度無關(guān)，是各向同性的，因此，粒子的波函數(shù)只與有關(guān)，而與無關(guān)。設(shè)為，那么粒子的能量的本征方程為令，得其通解為波函數(shù)的有限性條件知，有限，那么A=0∴由波函數(shù)的連續(xù)性條件，有∵∴∴其中B為歸一化，由歸一化條件得∴∴歸一化的波函數(shù)#3.11.求第3.6題中粒子位置和動量的測不準關(guān)系解：3.12粒子處于狀態(tài)式中為常量。當(dāng)粒子的動量平均值，并計算測不準關(guān)系解：①先把歸一化，由歸一化條件，得∴/∴是歸一化的②動量平均值為③〔奇被積函數(shù)〕#3.13利用測不準關(guān)系估計氫原子的基態(tài)能量。解：設(shè)氫原子基態(tài)的最概然半徑為R，那么原子半徑的不確定圍可近似取為由測不準關(guān)系得對于氫原子，基態(tài)波函數(shù)為偶宇稱，而動量算符為奇宇稱，所以又有所以可近似取能量平均值為作為數(shù)量級估算可近似取那么有基態(tài)能量應(yīng)取的極小值，由得代入，得到基態(tài)能量為補充練習(xí)題二1．試以基態(tài)氫原子為例證明：的本征函數(shù)，而是的本征函數(shù)。可見，可見，是的本征函數(shù)。2．證明：的氫原子中的電子，在的方向上被發(fā)現(xiàn)的幾率最大。解：∴的電子，其∴當(dāng)時為最大值。即在方向發(fā)現(xiàn)電子的幾率最大。在其它方向發(fā)現(xiàn)電子的幾率密度均在～之間。3．試證明：處于1s，2p和3d態(tài)的氫原子的電子在離原子核的距離分別為的球殼被發(fā)現(xiàn)的幾率最大(為第一玻爾軌道半徑)。證：①對1s態(tài)，令易見，當(dāng)不是最大值。為最大值，所以處于1s態(tài)的電子在處被發(fā)現(xiàn)的幾率最大。②對2p態(tài)的電子令易見，當(dāng)為最小值。∴為幾率最大位置，即在的球殼發(fā)現(xiàn)球態(tài)的電子的幾率最大。③對于3d態(tài)的電子令易見，當(dāng)為幾率最小位置?！酁閹茁首畲笪恢茫丛诘那驓ぐl(fā)現(xiàn)球態(tài)的電子的幾率最大。4.當(dāng)無磁場時，在金屬中的電子的勢能可近似視為其中，求電子在均勻場外電場作用下穿過金屬外表的透射系數(shù)。解：設(shè)電場強度為，方向沿χ軸負向，那么總勢能為，勢能曲線如下圖。那么透射系數(shù)為式中為電子能量。，由下式確定∴令，那么有∴透射系數(shù)5．指出以下算符哪個是線性的，說明其理由。①；②；③解：①是線性算符②不是線性算符③是線性算符6．指出以下算符哪個是厄米算符，說明其理由。7、以下函數(shù)哪些是算符的本征函數(shù)，其本征值是什么？①，②，③，④，⑤解：①∴不是的本征函數(shù)。②∴不是的本征函數(shù)，其對應(yīng)的本征值為1。③∴可見，是的本征函數(shù)，其對應(yīng)的本征值為－1。④∴是的本征函數(shù)，其對應(yīng)的本征值為－1。⑤∴是的本征函數(shù)，其對應(yīng)的本征值為－1。8、試求算符的本征函數(shù)。解：的本征方程為〔的本征值〕9、如果把坐標原點取在一維無限深勢阱的中心，求阱中粒子的波函數(shù)和能級的表達式。解：方程〔分區(qū)域〕：Ⅰ：∴Ⅲ：∴Ⅱ：令標準條件：∴∵∴取，即∴∴∴粒子的波函數(shù)為粒子的能級為由歸一化條件，得∴∴粒子的歸一化波函數(shù)為10、證明：處于1s、2p和3d態(tài)的氫原子中的電子，當(dāng)它處于距原子核的距離分別為的球殼處的幾率最〔為第一玻爾軌道半徑〕。證：令，那么得∴為幾率最小處?！酁閹茁首畲筇帯Ａ?，那么得∴為最大幾率位置。當(dāng)時，∴為幾率最小位置。令，得同理可知為幾率最小處。為幾率最大處。11、求一維諧振子處在第一激發(fā)態(tài)時幾率最大的位置。解：令，得，，∴為幾率最小處。，∴為幾率最大處。6．設(shè)氫原子處在的態(tài)〔為第一玻爾軌道半徑〕，求①的平均值；②勢能的平均值。解：①②12、粒子在勢能為的場中運動。證明對于能量的狀態(tài)，其能量由下式?jīng)Q定：〔其中〕證：方程Ⅰ：Ⅱ：Ⅲ：令那么得Ⅰ：Ⅱ：Ⅲ：其通解為利用標準條件，由有限性知∴由連續(xù)性知①②③④由①、②，得⑤由③、④，得⑥而把⑤、⑥代入，得整理，得令∴由，得###13、設(shè)波函數(shù)，求解：14、說明：如果算符和都是厄米的，那么(+)也是厄米的證：∴+也是厄米的。15、問以下算符是否是厄米算符：①②解：①因為∴不是厄米算符。②∴是厄米算符。##16、如果算符滿足關(guān)系式，求證①②證：①②17、求解：=018、解：=0第四章態(tài)和力學(xué)量的表象4.1.求在動量表象中角動量的矩陣元和的矩陣元。解：#4.2求能量表象中，一維無限深勢阱的坐標與動量的矩陣元。解：基矢：能量：對角元：當(dāng)時，#4.3求在動量表象中線性諧振子的能量本征函數(shù)。解：定態(tài)薛定諤方程為即兩邊乘以，得令跟課本P.39(2.7-4)式比擬可知，線性諧振子的能量本征值和本征函數(shù)為式中為歸一化因子，即#4.4.求線性諧振子哈密頓量在動量表象中的矩陣元。解：#4.5設(shè)在的共同表象中，算符的矩陣分別為求它們的本征值和歸一化的本征函數(shù)。最后將矩陣對角化。解：的久期方程為∴的本征值為的本征方程其中設(shè)為的本征函數(shù)共同表象中的矩陣當(dāng)時，有∴由歸一化條件取對應(yīng)于的本征值0。當(dāng)時，有∴由歸一化條件取∴歸一化的對應(yīng)于的本征值當(dāng)時，有∴由歸一化條件取∴歸一化的對應(yīng)于的本征值由以上結(jié)果可知，從的共同表象變到表象的變換矩陣為∴對角化的矩陣為按照與上同樣的方法可得的本征值為的歸一化的本征函數(shù)為從的共同表象變到表象的變換矩陣為利用S可使對角化#4.6求連續(xù)性方程的矩陣表示解：連續(xù)性方程為∴而∴寫成矩陣形式為第五章微擾理論5.1如果類氫原子的核不是點電荷，而是半徑為、電荷均勻分布的小球，計算這種效應(yīng)對類氫原子基態(tài)能量的一級修正。解：這種分布只對的區(qū)域有影響，對的區(qū)域無影響。據(jù)題意知其中是不考慮這種效應(yīng)的勢能分布，即為考慮這種效應(yīng)后的勢能分布，在區(qū)域，在區(qū)域，可由下式得出，由于很小，所以，可視為一種微擾，由它引起的一級修正為〔基態(tài)〕∴，故?！?5.2轉(zhuǎn)動慣量為I、電偶極矩為的空間轉(zhuǎn)子處在均勻電場在中，如果電場較小，用微擾法求轉(zhuǎn)子基態(tài)能量的二級修正。解：取的正方向為Z軸正方向建立坐標系，那么轉(zhuǎn)子的哈米頓算符為取，那么由于電場較小，又把視為微擾，用微擾法求得此問題。的本征值為本征函數(shù)為的基態(tài)能量為，為非簡并情況。根據(jù)定態(tài)非簡并微擾論可知#5.3設(shè)一體系未受微擾作用時有兩個能級：，現(xiàn)在受到微擾的作用，微擾矩陣元為；都是實數(shù)。用微擾公式求能量至二級修正值。解：由微擾公式得得∴能量的二級修正值為#5.4設(shè)在時，氫原子處于基態(tài)，以后受到單色光的照射而電離。設(shè)單色光的電場可以近似地表示為，及均為零；電離電子的波函數(shù)近似地以平面波表示。求這單色光的最小頻率和在時刻躍遷到電離態(tài)的幾率。解：①當(dāng)電離后的電子動能為零時，這時對應(yīng)的單色光的頻率最小，其值為②時，氫原子處于基態(tài)，其波函數(shù)為在時刻，微擾其中在時刻躍遷到電離態(tài)的幾率為對于吸收躍遷情況，上式起主要作用的第二項，故不考慮第一項，OθαOθαxyz〔〕取電子電離后的動量方向為Z方向，取、所在平面為面，那么有∴#5.5基態(tài)氫原子處于平行板電場中，假設(shè)電場是均勻的且隨時間按指數(shù)下降，即求經(jīng)過長時間后氫原子處在2p態(tài)的幾率。解：對于2p態(tài)，，可取三值，其相應(yīng)的狀態(tài)為氫原子處在2p態(tài)的幾率也就是從躍遷到的幾率之和。由(取方向為Z軸方向)=0=0由上述結(jié)果可知，，∴當(dāng)時，其中#5.6計算氫原子由第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的自發(fā)發(fā)射幾率。解：由選擇定那么，知是禁戒的故只需計算的幾率而2p有三個狀態(tài)，即(1)先計算z的矩陣元(2)計算x的矩陣元(3)計算的矩陣元(4)計算#5.7計算氫原子由2p態(tài)躍遷到1s態(tài)時所發(fā)出的光譜線強度。解：假設(shè)，那么#5.8求線性諧振子偶極躍遷的選擇定那么解：由時，即選擇定那么為#補充練習(xí)三1、一維無限深勢阱中的粒子受到微擾作用，試求基態(tài)能級的一級修正。解：基態(tài)波函數(shù)〔零級近似〕為∴能量一級修正為2、具有電荷為的離子，在其平衡位置附近作一維簡諧振動，在光的照射下發(fā)生躍遷。設(shè)入射光的能量為。其波長較長，求：①原來處于基態(tài)的離子，單位時間躍遷到第一激發(fā)態(tài)的幾率。②討論躍遷的選擇定那么。〔提示：利用積分關(guān)系答：①②僅當(dāng)，所以諧振子的偶極躍遷的選擇定那么是〕解：①∴(對于一維線性諧振子～)其中一維線性諧振子的波函數(shù)為∴∴②躍遷幾率，當(dāng)時的躍遷為禁戒躍遷?？梢姡懻摰倪x擇定那么為。#3、