1、 1 / 1309 光信息量子力学习题集一、填空题1 设电子能量为 4 电子伏,其德布罗意波长为( 6.125 ) 。A2 索末菲的量子化条件为( ) ,应用这量子化条件求得一维谐振nhpdq子的能级 ( ) 。nE3 德布罗意假说的正确性,在 1927 年为戴维孙和革末所做的( 电 )子衍射实验所证实,德布罗意关系(公式)为( )和( ) 。Ekp4 三维空间自由粒子的归一化波函数为 =( ) , rprie2/3)(1( ) 。drp )(p5 动量算符的归一化本征态 ( ) ,r rpie2/3)(( ) 。rp)(* )(6 t=0 时体系的状态为 ,其中 为一维线性谐振子xx20,x
2、n的定态波函数,则 ( ) 。t titiee25)()(7 按照量子力学理论,微观粒子的几率密度 =( ) ,几率流密度 =( wj) 。*2i8 设 描写粒子的状态, 是( 粒子的几率密度 ) ,在 中 的)(r2)(r)(rF平均值为 =( ) 。Fdx*9 波函数 和 是描写( 同一 )状态, 中的 称为( 相因子 ) ,c iei不影响波函数 的归一化,因为( ) 。ie 110 定态是指( 能量具有确定值 )的状态,束缚态是指(无穷远处波函数为零)的状态。11 是定态的条件是( ) ,)iexp()iexp(),( 2211 tEtEtx 21E这时几率密度和( 几率密度 )都与时
3、间无关。12 ( 粒子在能量小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象 )称为隧道效应。13 ( 无穷远处波函数为零 )的状态称为束缚态,其能量一般为( 分立 )谱。14 3t=0 时体系的状态为 ,其中 为一维线性谐振xx30,xn子的定态波函数,则 ( ) 。ttitiee272)()(15 粒子处在 的一维无限深势阱中,第一激发态的能量为( ) ,ax0 2a2 / 13第一激发态的波函数为( ) 。xa2sin16 基态是指( 能量最低 )的状态,写出一维线性谐振子的基态波函数:( ) 。2/0xeN17 一维线性谐振子的第一激发态的能量为( ) 、第一激发态的波函数23为( ) 。2/1x18
4、 ( 对应于同一本征值的本征函数的数目 )称为简并度,不考虑电子自旋时,氢原子的第 n 个能级的简并度为( n2 ) 。19 一维无限深势阱第 n 个能级的简并度为( 1 ) ,不考虑电子自旋时,氢原子的第 n 个能级的简并度为( n2 ) 。20 一维线性谐振子第 n 个能级的简并度为( 1 ) ,考虑电子自旋以后,氢原子的第 n 个能级的简并度为( 2n2 ) 。21 氢原子的状态为 ,角动量平方是( ) 、角动量 分量),()123YrR26z是( ) 。22 厄密算符 的定义是:对于两任意函数 和 , 等式( F )成立。dxdx*)(23 力学量算符的本征值必为( 实数 ) ,力学量
5、算符的属于两个不同本征值的本征态必( 相互正交 ) 。24 力学量算符的属于( 不同本征值 )的本征函数必相互( 正交 ) 。25 量子力学中,力学量算符都是( 厄米 )算符,力学量算符的本征函数组成( 完全 )系。26 算符在其自身表象中的矩阵为( 对角 )矩阵,例如在 表象中 =( zz) 。1027 如果 =0,则 存在组成( 完全 )系的共同本征态,GF, ,的共同本征态是( ) 。ZL2, ),(mlY28 如果 存在有组成( 完全 )系的共同本征态,则 =( 0 ) , , GF,的共同本征态是( ) 。2, ,l29 对易子 ( ) , ( ) 。,xedxxyLzi30 ( )
6、 , ( ) , ( ) 。,ypx0,xpi,yxzLi31 ( ) 。 ( ) , ( 0 ) 。y xp32 能量与时间的测不准关系是( ) , 和 的测不准关系是( tEx) 。42_2xp33 在一维情况下,若粒子处于状态 中,则在动量表象中的波函数为),(tx( ) 。),(tCdetpxi),(3 / 1334 一维线性谐振子处在 的本征态 的迭加态 中,H)(xn)(54)(3)(2xx则在 表象中一维线性谐振子的波函数为 =( (0,0,3/5,0,- 4/5,0,) ) 。35 斯特恩革拉赫证实电子具有( 自旋 )角动量,它在任何方向上投影只能取两个值( )和( ) 。22
7、36 =( ) , =( ) 。xyxziSi37 =( 0 ) , =( 0 ) 。zL,38 在 表象中,粒子处在自旋态 中, =( ) 。zs sincozs2cos39 在 表象中,粒子处在自旋态 中, =( ) 。zixin40 在 表象中, ,则在状态 中, =( ) 。zs012xs 12xs241 全同性原理的内容是:( 在全同粒子组成的体系中,两全同粒子相互代换不引起物理状态的改变 ) 。42 泡里原理的内容是:( 不能有两个或两个以上的费密子处于同一状态 ) 。43 描写电子体系的波函数只能是( 反对称 )波函数,而电子体系的自旋波函数则可以是( 对称 )或者(反对称)的。
8、44 电子是( 费密 )子,服从( 费密-狄拉克 )统计,描写电子体系的波函数只能是( 反对称 )波函数。45 描写玻色子体系的波函数只能是( 对称 )波函数,而玻色子体系的自旋波函数则可以是( 对称 )或者( 反对称 )的。46 描写费密子体系的波函数只能是( 反对称 )波函数,而费密子体系的自旋波函数则可以是( 对称 )或者( 反对称 )的。47 光子是( 玻色 )子,服从( 玻色-爱因斯坦 )统计,描写光子体系的波函数只能是( 对称 )波函数。二、计算、证明题1粒子在一维势场 中运动,试从薛定谔方程出发求出粒0,0)(xaxU子的定态能级和归一化波函数.解:当 )(,0ax当 .2,Ed
9、xEH令 得 2k0kcxossin)(1, 0,2kxcrsin)(14 / 13),321(,0sin,0)( nakxa2nEi)(1cadan2102一粒子在一维势场 中运动,试求粒子的能级和归一化定态bxxU21波函数(准确解) 。解:bxdxH221 2222)(1bxd令 则 b 221bxdEx)2(222 ,1bxd),(nE),10(),(2 nxHeNnxnn,21bn ),210(),(p)( 222 nbxHbn3一粒子在硬壁球形空腔中运动,势能为.,;00rrU试从薛定谔方程出发求粒子在 态中的能级和定态波函数(不必归一化) 。s 提示:在 态中 s)(122frd
10、f解:当 0)(,0rUr当 .22 ErdEEH令 得 2k0)()(2rkdrcrsino()21有限, 0,01rcsin)(2),31(,i,)( kr5 / 13,20rnE ),21(,sin)(02rcn4粒子在一维势场 中运动,试从薛定谔axUx,00当 当方程出发求出粒子的定态能级和归一化波函数。解:1当 )(,0Uax当 .2, 0EdxEH令 得 20)(k2kkcxossin)(1, ,2xcrsin)(1),32(,0i,0 aa2UEni1xacdan105利用力学量算符 本征函数 的正交归一完全性,证明 F)(xn式中, 为 本征值。2*)(nxFF解:,nncd
11、x)(*dxcxnm)()(*= cnmnn*= m*2nc6求证:如果算符 和 有一组共同本征态 ,而且 组成完全系,则算符FGnn和 对易。FG解:设 任一波函数 可展开为 ,n,nnc= = . )()(cnF)( nc0)(07求证:力学量算符的属于两个不同本征值的本征态相互正交。解:设 当 时, . ,kkF,llklk代入 dxdxkl *)(6 / 13得 . 0)(*dxlkl. 0)(lkl8证明力学量算符的本征值必为实数。解:设 F在 中 dxFdx*)(令 得 *)(xx9证明:力学量在任意态中的平均值为实数。解:设 已归一化,则dxF*)(dxF* )(. dx10粒子
12、处在 的一维无限深势阱中的基态,设 t=0 时阱壁 突然运动a0 ax到 ,求此时粒子处于基态的几率。a2解: ),21()(,sin)( nxxn,20(,2i1)( aandxdxca sin)010*1 = 324cos2(0aa193c11设粒子的状态为 ,求粒子动量和动能的可能值及相kxAxcos21sin)(应的几率。解:221)( ikxiikxi eeAxikxikxkxikxi 4412227 / 13 ikxikxkxikxikxi eeeeeA 214214214214210由 得 ncA, ( ) ppppx 442)( 220 k动量的可能值为 ,对应几率为 , 81
13、,2动能的可能值为 ,对应几率为 2,02 ,12求证: .izyx证明:yzzyzyzyxi ,1),(21 2zzz )(zyzyzi 2122zzzii)1(13求证: = .yxL,解: = 3 分yxL, yzxzxyzxyx ppp = zzz ppyzyxx= xzzy= zyL,= zLi14求证: = , .xz,ixxed解: = z,xyxyzz ppL= xyp22= ix)(dedexxx)(,xxe8 / 13xxed,15求 的本征值和归一化本征态。iLz解:)()(zz )()(zLidzLice,210,)(,)2()meiz20 1d16在 表象中,(1)求
14、出 的本征值和本征态; (2)求在态 中测得zSxS sinco的几率。2x解:(1) 01xS2,01xxS对应的本征为: , 2112(2) sincoa1a 2/)sin1(),sin(co2is2a17设 , =1, 为 的本征态,对应的本征值为 。求证:MLK,K 也是 的本征态,并求出对应的本征值。u解: , 11,uLL LL)()( 所以, 也是 的本征态,对应的本征值为( ) uK 118一维线性谐振子处于基态 ,求该谐振子的动量处于21xex内的几率。 (提示: )dp02dex解:9 / 13dxipdxcp 2ex21* = iep 221= 2p内的几率为 dpdpe
15、cp2219一维线性谐振子处于基态 ,求该谐振子在动量表象中的波函数。21xx( 提示: )202dxe解:dxippcp 2ex1)(* = ie22p1= 2= 21pe20. 在 表象中,(1)求出 的本征值和本征态; (2)求在态 中测得zx sinco的几率。1x解:(1) 0x1,10 2xx对应的本征为: , 21(2) sincoa11a 2/)sin1(),sin(co2is2a10 / 1321设氢原子的状态为 ,求:,21013YrRc(1)能量, 的可能值和相应几率;zSL、(2)能量, 的平均值。、解:由 得, . 2c432. 101,1320132 cYrR能量有
16、两种可能值, , ,相应几率分别为 ;2428seE2438se43,1有两种可能值, , ,相应几率分别为 ; zLzL0z ,有两种可能值, , ,相应几率分别为 ; zS/zS/z ,= 4182seE32s24967sezLzS22设氢原子的状态为,),()23),() 1023 YrRYrRc求:(1)氢原子能量、角动量平方、角动量 分量的可能值和相应几率; z(2)氢原子能量、角动量平方、角动量 分量的平均值。解:由 得, . 1322c42c(1)能量有两种可能值, , 相应几率分别为 ; 238seE248se43,1有两种可能值, , ,相应几率分别为 ; 2L26L,有两种可能值, , ,相应几率分别为 ; z 0zz 4(2) = 4182seE32s2481se