周世勋量子力学习题及解答

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量子力学习题及解答

第一章 量子理论基础

1．1 由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长m λ与温度T 成反比，即

m λ T=b （常量）；

并近似计算b 的数值，准确到二位有效数字。

解 根据普朗克的黑体辐射公式

dv e c

hv d kT

hv v v 1

1

833

-?

=πρ， （1）

以及 c v =λ， （2）

λρρd dv v v -=， （3）

有

,1

18)()

(5-?=?=??

? ??-=-=kT

hc v v e

hc c

d c d d dv λλλ

πλλρλλλρλρ

ρ

这里的λρ的物理意义是黑体波长介于λ与λ+d λ之间的辐射能量密度。

本题关注的是λ取何值时，λρ取得极大值，因此，就得要求λρ 对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作m λ。但要注意的是，还需要验证λρ对λ的二阶导数在m λ处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的m λ就是要求的，具体如下：

011511

86

'=???

?

?

??

-?+--?=

-kT hc kT

hc

e kT hc e

hc

λλλλλπρ ? 0115=-?+

--kT

hc e

kT

hc

λλ

word 版本. ? kT hc e

kT hc λλ=--)1(5 如果令x=kT

hc λ ，则上述方程为 x e x =--)1(5

这是一个超越方程。首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有

xk

hc T m =

λ 把x 以及三个物理常量代入到上式便知 K m T m ??=-3109.2λ

这便是维恩位移定律。据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。

1．2 在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ，求其德布罗意波长。

解 根据德布罗意波粒二象性的关系，可知

E=hv ，

λh

P =

如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（2c E e μ<<动），那么

e

p E μ22

= 如果我们考察的是相对性的光子，那么

E=pc

注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV ，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即eV 6

1051.0?，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有 p

h =λ

word 版本. nm

m

m E c hc E h e e 71.01071.03

1051.021024.122966

2=?=????==

=

--μμ

在这里，利用了 m eV hc ??=-61024.1

以及

eV c e 621051.0?=μ

最后，对

E c hc

e 22μλ=

作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。

1．3 氦原子的动能是kT E 2

3=

（k 为玻耳兹曼常数），求T=1K 时，氦原子的德布罗意波长。 解 根据 eV K k 3101-=?，

知本题的氦原子的动能为

,105.12

3233eV K k kT E -?=?==

显然远远小于2c 核μ这样，便有 E c hc

22核μλ=

nm

m

m 37.01037.010

5.1107.321024.19396

=?=?????=---

word 版本. 这里，利用了

eV eV c 962107.3109314?=??=核μ

最后，再对德布罗意波长与温度的关系作一点讨论，由某种粒子构成的温度为T 的体系，其中粒子的平均动能的数量级为kT ，这样，其相庆的德布罗意波长就为

T kc hc E c hc

2222μμλ==

据此可知，当体系的温度越低，相应的德布罗意波长就越长，这时这种粒子的波动性就越明显，特别是当波长长到比粒子间的平均距离还长时，粒子间的相干性就尤为明显，因此这时就能用经典的描述粒子统计分布的玻耳兹曼分布，而必须用量子的描述粒子的统计分布——玻色分布或费米公布。

1．4 利用玻尔——索末菲的量子化条件，求：

（1）一维谐振子的能量；

（2）在均匀磁场中作圆周运动的电子轨道的可能半径。

已知外磁场H=10T ，玻尔磁子12410

9--??=T J M B ，试计算运能的量子化间隔△E ，

并与T=4K 及T=100K 的热运动能量相比较。

解 玻尔——索末菲的量子化条件为 ?=nh pdq

其中q 是微观粒子的一个广义坐标，p 是与之相对应的广义动量，回路积分是沿运动轨道积一圈，n 是正整数。

（1）设一维谐振子的劲度常数为k ，谐振子质量为μ，于是有

222

12kx p E +=μ 这样，便有

)2

1(22kx E p -±=μ 这里的正负号分别表示谐振子沿着正方向运动和沿着负方向运动，一正一负正好表示一个来回，运动了一圈。此外，根据

221kx E =

可解出 k

E x 2±=± 这表示谐振子的正负方向的最大位移。这样，根据玻尔——索末菲的量子化条件，有

??-++

-=--+-x x x x nh dx kx E dx kx E )2

1(2)()21(222μμ

word 版本.

?

nh dx kx E dx kx E x x x x =-+-??

+-

-

+

)2

1

(2)21(222μμ

?

h

n dx kx E x x 2)21(22=-?

+

-

μ

为了积分上述方程的左边，作以下变量代换；

θsin 2k

E

x =

这样，便有

h n k E d E 2sin 2cos 222

2

=???

? ???-

θθμπ

π

?

?

-

=?

2

2

2cos 2cos 2π

π

θθθμh n d k E E

?

h n

d k

E 2

cos 222

2=

?

?=π

πθθμ

这时，令上式左边的积分为A ，此外再构造一个积分

?-?

=22

2sin 2π

πθθμ

d k

E B

这样，便有

??--?

=-?=?

=+22

22

2cos 2,

22π

ππ

πθ

θμ

μ

πθμ

d k

E B A k

E d k

E B A （1）

??--==22

22

,

cos )

2(2cos π

ππ

π???

θθμ

d k

E

d k

E

这里? =2θ，这样，就有

0sin ==-?-π

π

?μ

d k

E

B A （2）

根据式（1）和（2），便有

k

E A μ

π

=

这样，便有

word 版本. h n k E 2

=μ

π ? k

h n E μπ2= ,k nh

μ= 其中π

2h h = 最后，对此解作一点讨论。首先，注意到谐振子的能量被量子化了；其次，这量子化的能量是等间隔分布的。

（2）当电子在均匀磁场中作圆周运动时，有

B q R υυμ=2

? qBR p ==μυ

这时，玻尔——索末菲的量子化条件就为

?=π

θ20)(nh R qBRd

? nh qBR =?π22

? nh qBR =2 又因为动能耐μ

22

p E =，所以，有 μ

μ22)(2

222R B q qBR E == ,22B nBN q nB qBn =?==

μμ 其中，μ

2 q M B =是玻尔磁子，这样，发现量子化的能量也是等间隔的，而且 B BM E =?

具体到本题，有

J J E 232410910910--?=??=?

word 版本. 根据动能与温度的关系式

kT E 2

3=

以及 J eV K k 223106.1101--?==?

可知，当温度T=4K 时，

J J E 2222106.9106.145.1--?=???=

当温度T=100K 时，

J J E 2022104.2106.11005.1--?=???=

显然，两种情况下的热运动所对应的能量要大于前面的量子化的能量的间隔。

1．5 两个光子在一定条件下可以转化为正负电子对，如果两光子的能量相等，问要实现实种转化，光子的波长最大是多少？

解 关于两个光子转化为正负电子对的动力学过程，如两个光子以怎样的概率转化为正负电子对的问题，严格来说，需要用到相对性量子场论的知识去计算，修正当涉及到这个过程的运动学方面，如能量守恒，动量守恒等，我们不需要用那么高深的知识去计算，具休到本题，两个光子能量相等，因此当对心碰撞时，转化为正风电子对反需的能量最小，因而所对应的波长也就最长，而且，有

2c hv E e μ==

此外，还有

λhc pc E =

=

于是，有 2c hc

e μλ

= ? 2

c hc e μλ=

nm

m m 31266

104.2104.210

51.01024.1---?=?=??=

尽管这是光子转化为电子的最大波长，但从数值上看，也是相当小的，我们知道，电子是自然界中最轻的有质量的粒子，如果是光子转化为像正反质子对之类的更大质量的粒子，那么所对应的光子的最大波长将会更小，这从某种意义上告诉我们，当涉及到粒子的衰变，产生，转化等问题，一般所需的能量是很大的。能量越大，粒子间的转化等现象就越丰富，这样，也许就能发现新粒子，这便是世界上在造越来越高能的加速器的原因：期待发现新现象，新粒子，新物理。

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