量子力学第三章习题与解答.doc

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1、第三章习题解答3.1一维谐振子处在基态，求：(1>势能的平均值；(2>动能的平均值；(3>动量的几率分布函数。解：(1> (2>或(3>27/27动量几率分布函数为#3.2.氢原子处在基态，求：(1>r的平均值；(2>势能的平均值；(3>最可几半径；(4>动能的平均值；(5>动量的几率分布函数。解：(1>(3>电子出现在r+dr球壳内出现的几率为27/27令当为几率最小位置∴是最可几半径。(4>(5>27/27动量几率分布函数#3.3证明氢原子中电子运动所产生的电流密度在球极坐标中的分量是证：电子的电流密度为在球极坐标中为式中为单位矢量中

2、的和部分是实数。∴可见，27/27#3.4由上题可知，氢原子中的电流可以看作是由许多圆周电流组成的。(1>求一圆周电流的磁矩。(2>证明氢原子磁矩为原子磁矩与角动量之比为这个比值称为回转磁比率。解：(1>一圆周电流的磁矩为<为圆周电流，为圆周所围面积）(2>氢原子的磁矩为在单位制中原子磁矩与角动量之比为#27/273.5一刚性转子转动惯量为I，它的能量的经典表示式是，L为角动量，求与此对应的量子体系在下列情况下的定态能量及波函数：b5E2RGbCAP(1)转子绕一固定轴转动：(2)转子绕一固定点转动：解：(1>设该固定轴沿Z轴方向，则有哈

3、M顿算符其本征方程为(无关，属定态问题>令，则取其解为(可正可负可为零>由波函数的单值性，应有即∴m=0，±1，±2，…转子的定态能量为(m=0，±1，±2，…>可见能量只能取一系列分立值，构成分立谱。定态波函数为A为归一化常数，由归一化条件∴转子的归一化波函数为综上所述，除m=0外，能级是二重简并的。(2>取固定点为坐标原点，则转子的哈M顿算符为27/27无关，属定态问题，其本征方程为(式中设为的本征函数，为其本征值>令，则有此即为角动量的本征方程，其本征值为其波函数为球谐函数∴转子的定态能量为可见，能量是分立的，且是重简并的。#3.6

4、设t=0时，粒子的状态为求此时粒子的平均动量和平均动能。解：可见，动量的可能值为动能的可能值为对应的几率应为上述的A为归一化常数，可由归一化条件，得∴27/27∴动量的平均值为#********shangshuyihe*******p1EanqFDPw3.7一维运动粒子的状态是其中，求：(1>粒子动量的几率分布函数；(2>粒子的平均动量。解：(1>先求归一化常数，由∴动量几率分布函数为(2>27/27#3.8.在一维无限深势阱中运动的粒子，势阱的宽度为，如果粒子的状态由波函数描写，A为归一化常数，求粒子的几率分布和能量的平均值。解：由波函

5、数的形式可知一维无限深势阱的分布如图示。粒子能量的本征函数和本征值为动量的几率分布函数为先把归一化，由归一化条件，∴∴27/27∴3.9.设氢原子处于状态求氢原子能量、角动量平方及角动量Z分量的可能值，这些可能值出现的几率和这些力学量的平均值。解：在此能量中，氢原子能量有确定值角动量平方有确定值为角动量Z分量的可能值为其相应的几率分别为，其平均值为3.10一粒子在硬壁球形空腔中运动，势能为求粒子的能级和定态函数。27/27解：据题意，在的区域，，所以粒子不可能运动到这一区域，即在这区域粒子的波函数(>由于在的区域内，。只求角动量为零的情况

6、，即，这时在各个方向发现粒子的几率是相同的。即粒子的几率分布与角度无关，是各向同性的，因此，粒子的波函数只与有关，而与无关。设为，则粒子的能量的本征方程为DXDiTa9E3d令，得其通解为波函数的有限性条件知，有限，则A=0∴由波函数的连续性条件，有∵∴∴其中B为归一化，由归一化条件得∴27/27∴归一化的波函数#3.11.求第3.6题中粒子位置和动量的测不准关系解：3.12.粒子处于状态式中为常量。当粒子的动量平均值，并计算测不准关系解：①先把归一化，由归一化条件，得∴　　/∴是归一化的②动量平均值为③<奇被积函数）27/27#11/1

7、0补充1．试以基态氢原子为例证明：的本征函数，而是的本征函数。可见，27/27可见，是的本征函数。2．证明：的氢原子中的电子，在的方向上被发现的几率最大。解：∴的电子，其∴当时为最大值。即在方向发现电子的几率最大。在其它方向发现电子的几率密度均在～之间。3．试证明：处于1s，2p和3d态的氢原子的电子在离原子核的距离分别为的球壳内被发现的几率最大(为第一玻尔轨道半径>。RTCrpUDGiT证：①对1s态，令易见，当不是最大值。27/27为最大值，所以处于1s态的电子在处被发现的几率最大。②对2p态的电子令易见，当为最小值。∴为几率最大位置

8、，即在的球壳内发现球态的电子的几率最大。③对于3d态的电子令易见，当为几率最小位置。∴为几率最大位置，即在的球壳内发现球态的电子的几率最大。张P.7421当无磁场时，在金属中的电子的势能可近似