3.2 哈密頓算符的本征值 Hermitian operator eign-stuff

https://www.youtube.com/watch?v=U3VULgHAIxo&list=PL65jGfVh1ilueHVVsuCxNXoxrLI3OZAPI&index=36

前言

我們來(lái)繼續(xù)考慮量子力學(xué)中哈密頓算符和對(duì)應(yīng)本征值的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式

1. 哈密頓算符和本征值

通過(guò)上節(jié)的講解滑进,可以知道哈密頓矩陣就是厄密矩陣崭捍,滿足下面的等式:\langle f | \hat Q g\rangle = \ \ \langle \hat Q f | g \rangle

  • 求解下面的方程
    \hat Q | \psi \rangle = q | \psi \rangle可以得到一系列本征態(tài)|\psi \rangle, 本征值q氮昧。
    • 情況一:本征值,本征態(tài)都是離散的,比如有限深勢(shì)阱體系的時(shí)間不相關(guān)薛定諤方程。
    • 情況二:本征值,本征態(tài)都是連續(xù)的垫桂,比如自由粒子體系


      image.png

2. 分別解釋

  • 離散:

    • 證明:哈密頓算符的本征值是實(shí)數(shù)

    • 以此式為基礎(chǔ)(1) \ \hat Q | \psi \rangle = q | \psi \rangle,對(duì)該式兩邊求共軛得到:(2) \ \langle \hat Q \psi | = q^* \langle \psi |

    • 將上述兩個(gè)式子帶入下面的厄米算符等式:
      \langle \hat Q f | f \rangle = \langle f | \hat Q f \rangle
      得到
      q^* \langle f | f \rangle = q \langle f | f \rangle
      等于:
      q^* = q

    • 證明:哈密頓算符的本征向量是正交的

      • 以下面兩式為基礎(chǔ):
        \hat Q | f \rangle = q_f | f \rangle
        \hat Q | g\rangle = q_g | g \rangle
      • 帶入下面的厄米算符等式:
        \langle f | \hat Q g \rangle = \langle \hat Q f | g \rangle
        得到
        q_g \langle f | g \rangle = q_f \langle f | g \rangle
        如果:q_g \neq q_f粟按,那么只有\langle f | g \rangle = \langle f | g \rangle = 0
    • 哈密頓算符的本征態(tài)是完備的

      • 求解以下方程:\ \hat Q | \psi \rangle = q | \psi \rangle
      • 得到\{|\psi_n \rangle \}诬滩,\{ q_n \}
        完備的意思是:任何算符都可以表示為本征態(tài)的線性組合,即
        任何 |f\rangle = \sum_n a_n | \psi_n \rangle
        傅立葉變換后也可以表示為:
        a_n = \langle \psi_n | f \rangle
    • 以上說(shuō)的都是離散的本征態(tài)(波函數(shù)灭将,如深勢(shì)阱疼鸟,諧振子體系),如果連續(xù)的呢庙曙?

  • 連續(xù):
    對(duì)于連續(xù)的一系列本征態(tài):
    假設(shè)有:\hat p |\psi \rangle = p | \psi \rangle \ \ \ \ \sim \ \ \ \ 對(duì)應(yīng)本征態(tài):\underbrace{e^{i(kx - \frac{\hbar k}{2m}t)}}_{|\psi_p \rangle}

    • 那么首先這個(gè)本征態(tài)是不是歸一化的
      \langle \psi_{p1} | \psi_{p2} \rangle = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-i(kx - \frac{\hbar k}{2m}t)} \ e^{i(kx - \frac{\hbar k}{2m}t)}
      化簡(jiǎn)上述方程:

      • 如果:p_1 = p_2

      上述方程可以簡(jiǎn)化為:\Rightarrow \int_{-\infty}^{\infty} 1 dx \rightarrow \infty這樣說(shuō)明波函數(shù)不是歸一化的空镜!

      • 如果:p_1 \neq p_2

      上述方程可以簡(jiǎn)化為:\Rightarrow \int_{-\infty}^{\infty} e^{i(...)x...} 未完待續(xù)...

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