量子諧振子

量子力學里,量子諧振子(英語:quantum harmonic oscillator)是經典諧振子的延伸。其為量子力學中數個重要的模型系統中的一者,因為一任意在穩定平衡點附近可以用諧振子勢來近似。此外,其也是少數幾個存在簡單解析解的量子系統。量子諧振子可用來近似描述分子振動

基本介紹

  • 中文名:量子諧振子
  • 外文名:quantum harmonic oscillator
  • 領域量子力學
一維諧振子,哈密頓算符與能量本徵態,階梯算符方法,自然長度與能量尺度,案例:雙原子分子,N維諧振子,耦合諧振子,參閱,

一維諧振子

哈密頓算符與能量本徵態

在一維諧振子問題中,一個質量為m的粒子,受到一位勢
。此粒子的哈密頓算符
圖1.能量最低的六個束縛本徵態的波函式表征圖1.能量最低的六個束縛本徵態的波函式表征
其中x位置算符,而p動量算符
。第一項代表粒子動能,而第二項代表粒子處在其中的勢能。為了要找到能階以相對應的能量本徵態,必須解所謂的“定態薛丁格方程”:
在坐標基底下可以解這個微分方程,用到冪級數方法。可以見到有一族的解:
最先六個解(n= 0到5)展示在右圖。函式
埃爾米特多項式
注意到不應將之與哈密頓算符搞混,儘管哈密頓算符也標作H。相應的能階為
值得注意的是能譜,理由有三。首先,能量被“量子化”(quantized),而只能有離散的值——即
乘以1/2, 3/2, 5/2……等等。這是許多量子力學系統的特徵。在爾後的“階梯算符”段落,將對此現象做更詳細的檢視。再者,可有的最低能量(當n= 0)不為零,而是
,被稱為“基態能量”或零點能量。在基態中,根據量子力學,一振子執行所謂的“零振動”(null oscillations)且其平均動能是正值。這樣的現象意義重大但並不那么顯而易見,因為通常能量的零點並非一個有意義的物理量,因為可以任意選擇;有意義的是能量差。雖然如此,基態能量有許多的意涵,特別是在量子引力。最後一個理由式能階值是等距的,不像玻爾模型或盒中粒子問題那樣。
注意到基態的機率密度集中在原點。這表示粒子多數時間處在勢阱的底部,合乎對於一幾乎不帶能量之狀態的預期。當能量增加時,機率密度變成集中在“經典轉向點”(classical turning points),其中狀態能量等同於勢能。這樣的結果與經典諧振子相一致;經典的描述下,粒子多數時間處在(而更有機會被發現在)轉向點,因為在此處粒子速度最慢。因此滿足對應原理

階梯算符方法

前述的冪級數解雖然直觀,但顯得相當繁複。階梯算符方法起自保羅·狄拉克,允許抽像求得能量本徵值,而不用直接解微分方程。此外,此法很容易推廣到更複雜的問題,尤其是在量子場論中。跟從此方法,定義算符a與其伴隨算符(adjoint)a
算符a並非厄米算符(Hermitian),以其與伴隨算符a並不相同。
算符aa有如下性質:
在推導a形式的過程中,已用到算符xp(代表可觀測量)為厄米算符這樣的事實。這些可觀測量算符可以被表示為階梯算符的線性組合:
xp算符遵守下面的等式,稱之為正則對易關係:
方程中的方括弧是常用的標記機器,稱為交換子交換算符對易算符,其定義為
利用上面關係,可以證明如下等式:
現在,讓
代表帶有能量E的能量本徵態。任何右括矢量(ket)與自身的內積必須是非負值,因此
aa以哈密頓算符表示:
因此
。注意到當(
)為零右括矢量(亦即:長度為零的右括矢量),則不等式飽和而
。很直觀地,可以檢查到存在有一狀態滿足此條件——前面段落所提到的基態(n= 0)。
利用上面等式,可以指出aaH的對易關係:
因此要是(
)並非零右括矢量,
類似地,也可以指出
換句話說,a作用在能量為E的本徵態,而產生出——還多了一個常數乘積——另一個能量為
的本徵態,而a作用在能量為E的本徵態,產生出另一個能量為
的本徵態。因為這樣,a稱作降算符a稱作升算符。兩者合稱階梯算符。在量子場論中,aa也分別稱作消滅算符與創生算符,以其分別摧毀與創造粒子——對應於能量量子。
給定任何能量本徵態,可以拿降算符a作用在其上,產生了另一個能量少了
的本徵態。重複使用降算符,似乎可以產生能量本徵態其能量低到E= −∞。不過這樣就就與早先的要求
相違背。因此,必須有一最底的能量本徵態——基態,標示作
(勿與零右括矢量混淆),使得
(即a
作用後產生零右括矢量(zero ket))。
在這情況下,繼續使用降算符只會產生零右括矢量,而不是產生額外的能量本徵態。此外,還指出了
最後,透過將升算符作用在
上,並且乘上適當的歸一化因子,可以產生出一個能量本徵態的無限集合
使得
這與前段所給的譜相符合。
這方法也能夠用來很快地找到量子諧振子的基態波函式。只要將消滅算符作用於基態,
變為
所以
這個方程的解為,經過歸一化,

自然長度與能量尺度

量子諧振子擁有自然長度與自然能量兩個自然尺度,可以用來簡化問題。這可以透過無量綱化來得到。結果是如果以
為單位來測量能量,以及
為單位來測量距離,則薛丁格方程變成:
且能量本徵態與本徵值變成
為了避免混淆,在此文中不採用這些自然單位。不過,這用法在執行運算上總會因便利性而遲早被使用。

案例:雙原子分子

主條目:雙原子分子
在雙原子分子中,自然頻率可以發現為:
其中
為角頻率,k共價鍵勁度係數
約化質量

N維諧振子

一維諧振子很容易地推廣到N維。在一維中,粒子的位置是由單一坐標x來指定的。在N維中,這由N個位置坐標所取代,以
標示。對應每個位置坐標有個動量,標示為p1, ...,pN。這些算符之間的正則對易關係為
系統的哈密頓算符
從這個哈密頓量的形式,可以發覺,N維諧振子明確地可比擬為N個質量相同,彈性常數相同,獨立的一維諧振子。在這案例里,變數
是N個粒子的位置坐標。這是反平方連心位勢的一個優良的特性,允許位勢被分離為N個項目,每一個項目只跟一個位置坐標有關。
這觀察使得問題的解答變的相當簡單。對於一個集合的量子數
,一個N維諧振子的能量本徵函式
等於N個一維本徵函式
的乘積:
採用階梯算符方法,定義N組階梯算符
類似前面所述的一維諧振子案例,可以證明每一個
算符將能量分別降低或升高
。哈密頓量是
這量子系統的能階E是
其中,正整數
的量子數。
如同一維案例,能量是量子化的。N維基態能階是一維基態能階的N倍。只有一點不同,在一維案例里,每一個能階對應於一個單獨的量子態。在N維案例里,除了底態能階以外,每一個能階都是簡併的,都對應於多個量子態。
簡併度可以很容易地計算出來。例如,思考三維案例,設定
。每一個N相同的量子態,都會擁有相同的能量。給予N,首先選擇一個
。那么,
,有
個值,從0到
,可以選擇為
的值。
的值自動的設定為
。因此,簡併度是
對於N維案例,

耦合諧振子

構想N個相同質量的質點,以彈簧連結為一條一維的線形鏈條。標記每一個質點的離開其平衡點的位置為
(也就是說,假若一個質點k位於其平衡點,則
)。整個系統的哈密頓量是
其中,
很奇妙地,這個問題可以用坐標變換來變換成一組獨立的諧振子,每一個獨立的諧振子對應於一個獨特的晶格集體波震動。這些波震動表現出類似粒子般的性質,稱為聲子。許多固體的離子晶格都會產生聲子。在固體物理學里,這方面的理論對於許多現象的研究與了解是非常重要的。

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