一维自由粒子
目录
1 传播子 2
1.1 delta 函数的演化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 一般初态的演化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 平移的初态 3
2.1 相干态的演化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 一般的传播子 4
3.1 传播子是时间演化算子在位置表象中的表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 能量表象中的传播子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3 传播子满足的方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1
1 传播子
1.1 delta 函数的演化
考虑自由粒子的 Hamilton
𝐻 =
𝑃
2
2𝑚
它显然与动量算符对, 所以能量本征态是动量本征, 取动量表象是极为方便的. 假定动量表象的本
矢与本征值分别为
|
𝑘
, 𝑘
那么能量 本征值
𝐸 =
2
𝑘
2
2𝑚
动量本征态是完备的, 这意味着任意的态都可以在动量表象下展开
|
𝜓
=
𝑐(𝑘)
|
𝑘
d𝑘
其中组合系数为内积
𝑐(𝑘) =
𝑘 |𝜓
若选取初始态为位于位置 𝑥
0
的粒子, 那么
𝑘 |𝑥
0
=
𝑘 |𝑥
𝑥|𝑥
0
d𝑥 =
1
2𝜋
𝑒
𝑖𝑘 𝑥
𝛿(𝑥 𝑥
0
)d𝑥 =
1
2𝜋
𝑒
𝑖𝑘 𝑥
0
那么它演化到 𝑡 时刻的态为
|
𝜓(𝑡)
= 𝑒
𝑖𝐻𝑡 /
|
𝜓(0)
=
1
2𝜋
𝑒
𝑖𝑘 𝑥
0
exp
𝑖𝑘
2
𝑡
2𝑚
|
𝑘
d𝑘
求其波函数
𝜓
(
𝑥, 𝑡
)
=
𝑥
|
𝜓
(
𝑡
)
=
1
2𝜋
exp
𝑖𝑘 (𝑥 𝑥
0
)
𝑖𝑘
2
𝑡
2𝑚
d𝑘
注意 () (一点)
+∞
𝑒
𝑢𝑦
2
𝑒
𝑣𝑦
d𝑦 =
r
𝜋
𝑢
𝑒
𝑣
2
4𝑢
, (𝑢) > 0
那么
𝜓(𝑥, 𝑡) =
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
𝑖𝑚(𝑥 𝑥
0
)
2
2𝑡
它就是初态为 𝛿(𝑥 𝑥
0
) 的自由粒子在 𝑡 时刻的波函数, 称其为传播子
𝐾 (𝑥, 𝑡; 𝑥
0
, 0) =
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
𝑖𝑚(𝑥 𝑥
0
)
2
2𝑡
1.2 一般初态的演化
对于一般的自由粒子初态, 同样将其在动量表象下展开
|
𝜓
=
𝑐(𝑘)
|
𝑘
d𝑘
只不过这里的组合系数 𝑐(𝑘) 是未知的, 但是仍然可以形式地将其写为内积, 并在位置表象下计算
𝑐(𝑘) =
𝑘 |𝜓
=
𝑘 |𝑥
𝑥
|𝜓
d𝑥
=
1
2𝜋
𝑒
𝑖𝑘 𝑥
𝜓(𝑥
)d𝑥
其中 𝜓(𝑥
) 是初始时刻的波函数. 由于哈密顿量不含时,𝑡 时刻的量子态可以直接写出
|
𝜓(𝑡)
=
𝑐(𝑘) exp
𝑖𝑘
2
𝑡
2𝑚
|
𝑘
d𝑘
再求其波函数
𝜓(𝑥, 𝑡) =
𝑥|𝜓 (𝑡)
=
𝑐(𝑘) exp
𝑖𝑘
2
𝑡
2𝑚
𝑥|𝑘
d𝑘
将内积展开并代入组合系数得到
𝜓(𝑥, 𝑡) =
1
2𝜋
𝑒
𝑖𝑘 (𝑥𝑥
)
exp
𝑖𝑘
2
𝑡
2𝑚
d𝑘
𝜓(𝑥
)d𝑥
中间的积分是传播子, 所以
𝜓(𝑥, 𝑡) =
𝐾 (𝑥, 𝑡; 𝑥
, 0)𝜓 (𝑥
)d𝑥
𝑡 = 0 时刻的波函数经由传播子给出了 𝑡 时刻的波函数
2 平移的初态
假定对初态进行动量平移操作
|
𝜓(0)
= 𝑒
𝑖𝑘
0
𝑋/
|
𝜑
它在位置表象下的波函数可以简单地写出
𝜓(𝑥, 0) =
𝑥|𝜓 (0)
= 𝑒
𝑖𝑘
0
𝑥/
𝜑(𝑥)
那么由传播子给出 𝑡 时刻的波函数
𝜓(𝑥, 𝑡) =
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
𝑖𝑚(𝑥 𝑥
)
2
2𝑡
𝜑(𝑥
)𝑒
𝑖𝑘
0
𝑥
/
d𝑥
=
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
(
𝑖𝑚
2𝑡
"
𝑥
2
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
2
+
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
2
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
𝑥
+ 𝑥
2
#)
𝜑(𝑥
)d𝑥
从指数中提出一个相位因子得到
𝜓(𝑥, 𝑡) = exp
𝑖𝑘
0
𝑥
𝑘
0
𝑡
2𝑚
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
(
𝑖𝑚
2𝑡
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
𝑥
2
)
𝜑(𝑥
)d𝑥
注意到
r
𝑚
2𝜋𝑖𝑡
exp
(
𝑖𝑚
2𝑡
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
𝑥
2
)
正是一个传播子
𝐾
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
, 𝑡; 𝑥
, 0
那么波函数就写为
𝜓(𝑥, 𝑡) = exp
𝑖𝑘
0
𝑥
𝑘
0
𝑡
2𝑚
𝜑
𝑥
𝑘
0
𝑡
𝑚
, 𝑡
2.1 相干态的演化
对于相干态的波函数
𝜓
𝛼
(𝑥
1
, 0) =
𝑒
𝑖 𝜃
𝛼
4
𝜋
p
𝛽 exp
1
2
𝛽
2
(𝑥
1
𝑥
0
)
2
+
𝑖𝑝
0
𝑥
1
利用传播子给出 𝑡 时刻的波函数
𝜓(𝑥, 𝑡) =
+∞
𝐾 (𝑥, 𝑡; 𝑥
1
, 0)𝜓
𝛼
(𝑥
1
, 0)𝑑𝑥
1
得到
𝜓(𝑥, 𝑡) =
𝑒
𝑖
𝜋
4
𝑒
𝑖 𝜃
𝛼
4
𝜋
𝛽
𝜉 (𝑡)
exp
𝛽
2
(𝑥 𝑥
0
)
2
2𝜉
2
(𝑡)
+
𝑖𝑝
0
𝑥
𝜉
2
(𝑡)
𝑖𝑝
2
0
𝑡
2𝑚𝜉
2
(𝑡)
𝛽
2
𝑥
0
𝑝
0
𝑡
𝑚𝜉
2
(𝑡)
其中
𝜉 (𝑡) =
r
1 +
𝑖𝛽
2
𝑡
𝑚
得到概率分布对其求模平方
|𝜓(𝑥, 𝑡)|
2
=
𝛽
𝜋
1
q
1 +
2
𝛽
4
𝑡
2
𝑚
2
exp
(
𝛽
2
𝑥
𝑥
0
+
𝑝
0
𝑡
𝑚
2
1 +
2
𝛽
4
𝑡
2
𝑚
2
)
这是一个高斯波包. 如果取 𝑝
0
= 0, 波函数会在原地扩散; 𝑝
0
0, 波函数会一边扩散一边移动
3 一般的传播子
3.1 传播子是时间演化算子在位置表象中的表示
一般地, 我们希望
|
𝜓(r
2
, 𝑡
2
)
=
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
|
𝜓(r
1
, 𝑡
1
)
将其转换到位置表象
𝜓(r
2
, 𝑡
2
) =
r |𝜓(r
2
, 𝑡
2
)
=
r
|
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
|
𝜓(r
1
, 𝑡
1
)
=
r
|
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
r
r
|𝜓(r
1
, 𝑡
1
)
d
3
r
而后面的部分正是 𝑡
1
时刻的波函数 𝜓(r
1
, 𝑡
1
), 所以
𝜓(r
2
, 𝑡
2
) =
r
|
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
r
𝜓(r
, 𝑡
1
)d
3
r
这就是一般的传播子
,
,传播子是时间演化算子在位置表象中的表示
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) =
r
2
|
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
|
r
1
3.2 能量表象中的传播子
假定哈密顿量的本征值是离散的
𝐻
|
𝐸
𝑛
= 𝐸
𝑛
|
𝑢
𝑛
按照定义, 将传播子在能量表象下展开
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) =
r
2
|
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
|
r
1
=
Õ
𝑗,𝑘
r
2
|𝑢
𝑗
𝑢
𝑗
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
|
𝑢
𝑘
𝑢
𝑘
|r
1
鉴于时间演化算子作用在能量本征态上是简单的
ˆ
𝑈( 𝑡
2
, 𝑡
1
)
𝑢
𝑗
= 𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
𝑢
𝑗
代入上式得到
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) =
Õ
𝑗,𝑘
r
2
|𝑢
𝑗
𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
𝛿
𝑗 𝑘
𝑢
𝑘
|r
1
=
Õ
𝑗
𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
r
2
|𝑢
𝑗
𝑢
𝑗
|r
1
正好得到了能量本征态的波函数, 那么传播子就是
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) =
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
2
)𝑢
𝑗
(r
1
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
3.3 传播子满足的方程
上面得到的传播子要求 𝑡
2
> 𝑡
1
, 为了使得 𝑡 可以取任意值, 加入阶跃函数将其扩展
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) = 𝜃 (𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
2
)𝑢
𝑗
(r
1
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
用薛定谔算子作用在 r
2
, 𝑡
2
, 希望计算
𝑖
𝜕
𝜕𝑡
2
𝐻(r
2
, 𝑖
2
)
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
)
时间的导数有
𝑖
𝜕
𝜕𝑡
2
𝐾 (2, 1) = 𝑖𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
+ 𝜃 (𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝐸
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
由于 𝑢
𝑗
是哈密顿量的本征函数, 被哈密顿量作用后得到本征值
𝐻(r
2
, 𝑖
2
)𝐾 (2, 1) = 𝜃 (𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝐸
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
因而
𝑖
𝜕
𝜕𝑡
2
𝐻(r
2
, 𝑖
2
)
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) = 𝑖𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
又由于
𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)𝑒
𝑖𝐸
𝑗
(𝑡
2
𝑡
1
)/
= 𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)
所以
𝑖
𝜕
𝜕𝑡
2
𝐻(r
2
, 𝑖
2
)
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) = 𝑖𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
)
由于能量本征态是正交归一的完备基矢, 所以
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
1
)𝑢
𝑗
(r
2
) =
Õ
𝑗
𝑢
𝑗
(r
2
)𝑢
𝑗
(r
1
) =
Õ
𝑗
r
2
|𝑢
𝑗
𝑢
𝑗
|r
1
=
r
1
|r
2
= 𝛿(r
1
r
2
)
那么原式即
𝑖
𝜕
𝜕𝑡
2
𝐻(r
2
, 𝑖
2
)
𝐾 (r
2
, 𝑡
2
; r
1
, 𝑡
1
) = 𝑖𝛿(r
1
r
2
)𝛿(𝑡
2
𝑡
1
)
这就是传播子满足的方程, 方程的解是格林函数