粒子在电磁场中运动

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1、第七章电磁场中粒子的运动教学内容第1页§1电磁场中荷电粒子的运动，两类动量§2正常Zeeman效应§3Landau能级§1电磁场中荷电粒子的运动，两类动量考虑质量为μ,荷电q的粒子在电磁场中的运动。在经典力学中,其Hamilton量为:第2页A为矢势，φ为标势,P为正则动量。理由如下：正则方程Newton方程Lorentz力证明：第3页在有磁场的情况下，带电粒子的正则动量并不等于机械动量。第4页按照量子力学中的正则量子化程序，在坐标表象中，把正则动量换成算符，第5页则电磁场中荷电q的粒子的Hamilton算符为Schrödi

2、nger方程为第6页一般说来，P和A不对易但若利用库仑规范，讨论1.定域的概率守恒与流密度取复共轭（A,φ为实，坐标表象中）第7页（1）（2）ψ*×（1）-ψ×（2）第8页速度算符流密度算符2.规范不变性电磁场具有规范不变性，第9页E,B均不变，其中χ是时间和空间的任意函数。经典牛顿方程中，只出现E,B因此是规范不变的。可以证明Schrödinger方程在规范变换式下，只需波函数也同时经受如下定域相位变换则Schrödinger方程形式上不变。Schrödinger方程具有规范不变性。容易证明，ρ，j,在规范变化下都不

3、变。第10页经典力学中，矢势和标势进行规范变换后，场强不变。如果物理现象仅仅决定于场强而不决定于势，则这个规范不变性在量子理论中也必须成立。现在如果我们简单的将A’,φ’代入薛定谔方程，当然会得到一些破坏薛定鄂方程规范不变性的附加项。为了消去这些项，只有让波函数也参与规范变换，但是由于ψ*ψ有确定的物理意义，因此它和场强一样不会由于变换而改变，唯一的可能是设第11页α是r,t的任意适当的函数。带入Schrödinger方程第12页整理后可得第13页令薛定鄂方程具有规范不变性§2正常Zeeman效应原子中的电子，可近似看成在一

4、个中心平均场中运动，能级一般有简并。实验发现，如把原子置于强磁场中，原子发出的每条光谱线都分裂为三条，此即正常Zeeman效应，光谱线的分裂反映原子的简并能级发生分裂，即能级简并被解除或部分解除。第14页在原子大小范围中，实验室里常用的磁场都可视为均匀磁场，记为B，不依赖于电子的坐标，于是，相应的矢势A可写为:不难验证取磁场方向为z轴方向，则第15页为计算简单起见，考虑碱金属原子。每个原子中只有一个价电子，在原子核及内层满壳电子所产生的屏蔽Coulomb场V(r)中运动.价电子的Hamilton量可以表示为:在原子中，x2+

5、y2≈a2≈(10-8cm)2,通常实验室中磁场强度B<105Gs,则有第16页外加均匀磁场中，原子系统球对称性被破坏，l不再为守恒量。但l2及lz仍为守恒量。能量本征函数仍然可以选为（H,l2,lz,）的共同本征函数，即最后一项可视为电子轨道磁矩与外磁场相互作用。相应的能量本征值为第17页Larmor频率为屏蔽Coulomb场V(r)中粒子的能量本征值。屏蔽Coulomb场与纯Coulomb场有所不同，其能级与径向量子数和角动量l有关，简并度为2l+1(球对称性).加上外磁场后，球对称性被破坏，能级简并度被全部解除，能量本

6、征值和均有关，原来的能级分为2l+1条，分裂后的相邻能级间距为光谱在外磁场中分裂的现象称为塞曼效应。钠原子光谱黄线在强磁场中分裂为三条。外磁场B愈强，则Zeeman分裂愈大。第18页§3Landau能级电子（质量为M,电荷-e），均匀磁场B中运动。矢势取为A=1/2B×r，取磁场方向为z轴方向，第19页Hamilton量讨论电子在xy平面中的运动，z方向，自由运动，平面波解。B的线性项表示电子的轨道磁矩与外磁场的相互作用，而B2项则为反磁项。在Zeeman效应中，由于电子局限在原子内部运动，在通常实验室所用磁场强度下，反磁项

7、很小，常忽略不计。对自由粒子，或在极端环境下，如白矮星，中子星上，B2项就必须考虑。第20页Larmor频率H0的形式与二维各项同性谐振子形式上相同。电子能量本征态可取为对易守恒量完全集（H,lz）的共同本征态，即（采用极坐标）第21页代入能量本征方程，可求出径向方程:可解出能量本征值E（Laudau能级）:F为合流超几何函数,nρ表示径向波函数的节点数.第22页相应的径向能量本征函数为对于二维各向同性谐振子,能级简并度对于均匀磁场中的电子，Hamilton量中出现了ωLlz项，此时尽管能量本征函数的形式未变，但能量本征值为

8、所有m≤0的态所对应的能量都相同，因而能级简并度为∞,对于较低的几条能级的简并度的分析如下:第23页能量可以看成是电子在外磁场中感应而产生的磁矩μz与与外磁场的相互作用-μzB,第24页负号表示自由电子在受到外磁场作用时具有反磁性。上述关于Laudau能级的讨论不因规范选择而异，例如，对于