量子力学试题培训讲学.doc

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1、量子力学试题量子力学试题（一）及答案一.（20分）质量为的粒子，在一维无限深势阱中中运动，若时，粒子处于状态上，其中，为粒子能量的第个本征态。（1）求时能量的可测值与相应的取值几率；（2）求时的波函数及能量的可测值与相应的取值几率解：非对称一维无限深势阱中粒子的本征解为（1）首先，将归一化。由可知，归一化常数为于是，归一化后的波函数为能量的取值几率为能量取其它值的几率皆为零。（1）因为哈密顿算符不显含时间，故时的波函数为（2）由于哈密顿量是守恒量，所以时的取值几率与时相同。二.（20分）质量为的粒子在一维势阱中运

2、动，若已知该粒子在此势阱中有一个能量的状态，试确定此势阱的宽度。解：对于的情况，三个区域中的波函数分别为其中，在处，利用波函数及其一阶导数连续的条件得到于是有此即能量满足的超越方程。当时，由于故，最后，得到势阱的宽度三.（20分）设厄米特算符的本征矢为，构成正交归一完备系，定义一个算符（1）计算对易子；（2）证明；（3）计算迹；（4）若算符的矩阵元为，证明解：（1）对于任意一个态矢，有故（2）（3）算符的迹为（4）算符而四.（20分）自旋为、固有磁矩为（其中为实常数）的粒子，处于均匀外磁场中，设时，粒子处于的状态

3、，（1）求出时的波函数；（2）求出时与的可测值及相应的取值几率。解：体系的哈密顿算符为在泡利表象中，哈密顿算符的本征解为在时，粒子处于的状态，即而满足的本征方程为解之得由于，哈密顿算符不显含时间，故时刻的波函数为（2）因为，所以是守恒量，它的取值几率与平均值不随时间改变，换句话说，只要计算时的取值几率就知道了时的取值几率。由于；故有而的取值几率为五.（20分）类氢离子中，电子与原子核的库仑相互作用为（为核电荷）当核电荷变为时，相互作用能增加，试用微扰论计算它对能量的一级修正，并与严格解比较。解：已知类氢离子的能量

4、本征解为式中，为玻尔半径。能量的一级修正为由维里定理知总能量所以，得到微扰论近似到一级的能量为而严格解为量子力学试题（二）及答案一、（20分）在时刻，氢原子处于状态式中，为氢原子的第个能量本征态。计算时能量的取值几率与平均值，写出时的波函数。解：氢原子的本征解为其中，量子数的取值范围是；，由波函数归一化条件可知归一化常数为不为零的能量取值几率为；能量平均值为当时，波函数为二、（20分）设粒子处于一维势阱之中式中，。导出能量本征值满足的超越方程，进而求出使得体系至少存在一个束缚态的值。解：对于的情况，三个区域中的波

5、函数分别为其中，利用波函数再处的连接条件知，，在处，利用波函数及其一阶导数连续的条件得到于是有此即能量满足的超越方程。由于，余切值是负数，所以，角度在第2、4象限。超越方程也可以改写成式中，因为，，所以，若要上式有解，必须要求当时，，于是，有整理之，得到三、（20分）在动量表象中，写出线谐振子的哈密顿算符的矩阵元。解：在坐标表象中，线谐振子的哈密顿算符为在动量表象中，该哈密顿算符为由于动量的本征函数为，故哈密顿算符的矩阵元为四、（20分）设两个自旋为非全同粒子构成的体系，哈密顿量，其中，为常数，与分别是粒子1和粒

6、子2的自旋算符。已知时，粒子1的自旋沿轴的负方向，粒子2的自旋沿轴的正方向，求时测量粒子1的自旋处于轴负方向的几率和粒子2的自旋处于轴负方向的几率。解：体系的哈密顿算符为选择耦合表象，由于，故四个基底为；；；在此基底之下，哈密顿算符是对角矩阵，即可以直接写出它的解为，，，，已知时，体系处于因为哈密顿算符不显含时间，故时刻的波函数为粒子1处于轴负方向的几率为而粒子2处于轴负方向的几率为五、（20分）作一维运动的粒子，当哈密顿算符为时，能量本征值与本征矢分别为与，如果哈密顿算符变成（为实参数）时，（1）利用费曼－海尔

7、曼定理求出严格的能量本征值。（2）若，利用微扰论计算能量本征值到二级近似。解：首先，利用费因曼－赫尔曼定理求出严格的能量本征值。视为参变量，则有利用费因曼-赫尔曼定理可知又知在任何束缚态下，均有所以，进而得到能量本征值满足的微分方程对上式作积分，得到利用时，，定出积分常数最后，得到的本征值为其次，用微扰论计算能量的近似解。已知满足的本征方程为由可知第个能级的一级修正为能量的二级修正为为了求出上式右端的求和项，在表象下计算可以证明，对于任意实束缚态波函数，有于是，得到得到近似到二级的解为量子力学试题（三）及答案一、

8、（20分）已知氢原子在时处于状态其中，为该氢原子的第个能量本征态。求能量及自旋分量的取值概率与平均值，写出时的波函数。解已知氢原子的本征值为，（1）将时的波函数写成矩阵形式（2）利用归一化条件（3）于是，归一化后的波函数为（4）能量的可能取值为，相应的取值几率为（5）能量平均值为（6）自旋分量的可能取值为，相应的取值几率为（7）自旋分量的平均值为（8）时的波函数（9）二.