量子力学专题:产生算符与消灭算符

news2024/11/24 16:56:33
  • 从粒子数表象探讨问题

线性谐振子在坐标表象中表示

  • 哈密顿算符

\hat{H}=\hat{p}^2/(2\mu)+\mu\omega^2x^2/2

  • 定态薛定谔方程

\frac{\hbar^2}{2\mu}\frac{d^2}{dx^2}\psi+(E-\frac{\mu \omega^2x^2}{2})\psi=0

渐近解

  • 做代换\zeta=\sqrt{\mu\omega/\hbar}x\equiv\alpha,\alpha=\sqrt{\mu\omega/\hbar},\lambda\equiv2E/\hbar\omega
  • 使方程变为\frac{d^2}{d\zeta^2}\psi(\zeta)+(\lambda-\zeta^2)\psi(\zeta)=0
  • 在\zeta \approx \pm \infty 时,有渐进解

\psi(\zeta)=e^{-\zeta^2/2}H(\zeta)

\begin{matrix} H(\zeta)=\sum_{v=0}^{\infty}a_v\zeta^v\\ a_{v+2}=\frac{(2v-\lambda+1)}{(v+1)(v+2)}a_v \end{matrix}

  • 两端条件要求阶段,因此有

\begin{matrix} \lambda = 2n+1,n=0,1,2,...\\ \frac{d^2}{d\zeta^2}H_n-2\zeta\frac{d}{dz}H_n+2nH_n=0\\ H_n(\zeta)=(-1)^ne^{\zeta^2}\frac{d^n}{d\zeta^n}(e^{-\zeta^2})\\ E_n=(n+\frac{1}{2})\hbar\omega,n=0,1,2... \end{matrix}

  • 则线性谐振子的定态波函数为:

\begin{matrix} \psi_n(\zeta)=N_ne^{-\zeta^2/2}H_n(\zeta)\\ N_n=(\alpha/\pi^{1/2}2^\pi n!)^{1/2} \end{matrix}

粒子数表象中线性谐振子能级和波函数

  • 引入算符与其共轭算符

\begin{matrix} a=(\frac{\mu\omega}{2\hbar})^{1/2}(\hat{x}+\frac{i}{\mu}\hat{p})\\ a^+=(\frac{\mu\omega}{2\hbar})^{1/2}(\hat{x}-\frac{i}{\mu}\hat{p}) \end{matrix}

  • 基本对易关系[x,p]=i\hbar
  • 消灭与产生算符[a,a^+]=1
  • 消灭与产生算符构成粒子数算符\hat{N}=\hat{a}\hat{a}^+
    • 粒子数算符的本征值为0,1,2,3....,N的本征表象为粒子数表象

粒子数表象

升算符与降算符(raising operator and lowering operator)

\begin{matrix} \hat{a}^+|n\rangle=\sqrt{n+1}|n+1\rangle\\ \hat{a}|n\rangle=\sqrt{n}|n-1\rangle\\ a|0\rangle=0 \end{matrix}

  • 求矩阵元

\begin{matrix} \langle n|\hat{a}|n\rangle=\sqrt{n}\delta_{n,n-1}\\ \langle n|\hat{a}^+|n\rangle=\sqrt{n+1}\delta_{n,n+1} \end{matrix}

a=\begin{bmatrix} 0 &\sqrt{1} &0 &0 &\cdots \\ 0& 0 &\sqrt{2} & 0 &\cdots \\ 0& 0 &0 &\sqrt{3} &\cdots \\ 0&0 &0 & 0 & \cdots\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots &\vdots \end{bmatrix}

a^+= \begin{bmatrix} 0 & 0 &0 & 0 &\cdots \\ \sqrt{1} &0 &0 &0 & \cdots\\ 0 & \sqrt{2} & 0 & 0 & \cdots \\ 0 & 0 & \sqrt{3} &0 & \cdots \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \end{bmatrix}

  • 坐标算符与动量算符的改写

\begin{matrix} \hat{x}=(\frac{\hbar}{2\mu\omega})^{1/2}(\hat{a}+\hat{a}^+)\\ \hat{p}=i(\frac{\hbar\mu}{2\omega})^{1/2}(\hat{a}^+-\hat{a}) \end{matrix}

  • 代入线性谐振子的哈密顿算符
\begin{matrix} \hat{H}=(\hat{a}^+\hat{a}+\frac{1}{2})\hbar\omega\\ E_n=(n+\frac{1}{2})\hbar\omega \end{matrix}

能量表象

\begin{matrix} x_{mn}=\int\psi_n^*x\psi_mdx\\ p_{mn}=\int\psi_n^*(-i\hbar\frac{d}{dx})\psi_mdx \end{matrix}

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