1
微观粒子的基本属性不能用经典语言确切表达,
“波粒二象性” ——借用经典语言进行互补性描述。
对微观客体的数学描述可以脱离日常生活经验,避免
借用经典语言引起的表观矛盾。
量子力学 包含一套计算规则及对数学程式的物理解
释,是建立在基本假设之上的构造性理论,其正确
性由实践检验 。
量子力学用 波函数 描述微观粒子的运动状态,波函
数所遵从的方程 ——薛定谔方程 是量子力学的基本
方程。 波函数和薛定谔方程是量子力学的基本假设
之一。
薛定谔方程及其应用
2
薛定谔方程及其应用
一、一维自由粒子的波动方程
)(
0
),(
tkxi
etx
ω
ΨΨ
?
=由一维自由粒子波函数
k
h
p
hE
h
h
==
==
λ
ων
德布罗意关系
得
?
?
?
?
?
?
?
?
?
=
?
?
?
=
?
?
?
=
?
?
=
?
ΨΨ
ΨΨ
ΨΨ
ΨΨ
2
2
2
2
)(
0
),(
x
x
Etxp
i
p
x
p
x
i
E
t
i
etx
x
h
h
h
h
由一维运动自由粒子能量
m
p
E
x
2
2
=
2
22
2 xmt
i
?
?
?=
?
? ΨΨ h
h
得量子客体一维运动波动方程
推广 1:
一维势场
)(
2
2
xV
m
p
E
x
+=
Ψ
ΨΨ
)(
2
2
22
xV
xmt
i +
?
?
?=
?
? h
h
薛定谔方程及其应用
3
推广 2:
三维势场
)(
2
222
rV
m
ppp
E
zyx
+
++
=
),()](
2
[
),(
2
2
trrV
mt
tr
i Ψ
Ψ
+??=
?
? h
h
其中
2
2
2
2
2
2
2
zyx ?
?
+
?
?
+
?
?
=? ——拉普拉斯算符
二、三维含时薛定谔方程
薛定谔方程及其应用
三、一维定态薛定谔方程
若一维势场中,势能函数不显含时间,则
)()(),( tfxtx ΨΨ =
代入一维薛定谔方程得
Ef
t
f
i =
d
d
h
ΨΨ
Ψ
ExV
xm
=+? )(
d
d
2
2
22
h
可解得
h/
)(
iEt
etf
?
=
薛定谔方程及其应用
4
概率幅为驻波
h/
)()()(),(
iEt
extfxtx
?
== ΨΨΨ
概率密度
222
)()()(),(),( xtfxtxtxP ΨΨΨ ===
不依赖于时间。
薛定谔方程及其应用
四、薛定谔方程的应用
?一维无限深势阱
在一维刚性壁内运动的粒子的运动状态:
vv
ψ(x)
ψ(x)?
2
(a)经典描述 (b)量子力学描述 (c)概率分布函数
?牛顿力学
粒子任意时刻有确切的位置、动量和能量。
薛定谔方程及其应用
5
?量子力学
粒子波函数具有驻波态,可由薛定谔方程求解。
由于粒子被限制在势箱内运动,将势能函数
简化为
?
?
?
∞
<<
=
其它情况
ax
xV
00
)(
定态薛定谔方程
axx ≥≤ ,0
()0
2
d
d
22
2
=∞?+ ψ
ψ
E
m
x h
①
0=ψ
(粒子不能逸出势阱)
解①得
薛定谔方程及其应用
0 < x < a
0
2
d
d
22
2
=+ ψ
ψ
E
m
x h
②
令
2
2
2
h
mE
k = 得
0
d
d
2
2
2
=+ ψ
ψ
k
x
kxBkxAx cossin)( +=ψ通解 :
积分常数
00 =)(由 ψ
得 B = 0
kxAx sin)( =ψ
0)()0( == aψψ因为
于是
薛定谔方程及其应用
6
0)( =aψ由 得 0sin =kaA
a
n
k
π
=
)3,2,1( L=n
由归一化条件 1d||
2
=
∫
∞
∞?
xψ
1dsind
2
0
2*
==?
∫∫
∞
∞?
x
a
xn
Ax
a
π
ψψ
于是:
a
xn
a
x
π
ψ sin
2
)( = ,...)3,2,1( =n
x
a
n
Ax
π
ψ sin)( = ,...)3,2,1( =n
a
A
2
=
薛定谔方程及其应用
Et
i
e
a
xn
a
tx
h
?
?=
π
Ψ sin
2
),( )3,2,1( L=n
显然该 解为驻波形式。
?解的物理意义
①无限深势阱中粒子的能量量子化
a
n
k
π
=
2
2
2
h
mE
k =由
得
,...)3,2,1( =n
1
2
2
22222
22
En
ma
n
m
k
E ===
hh π
薛定谔方程及其应用
7
也称零点能。为最小能量
1
E
式中
2
22
1
2ma
E
hπ
=
E
oa
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
,...)3,2,1( =n
1
2
2
22222
22
En
ma
n
m
k
E ===
hh π
能量只能取一系列的分立值:
()
2
22
1
2
12
ma
nEEE
nn
hπ
? +=?=
+
↑?↑ En ? ↓?↑ Ea ?
0
22
→?>> Ema ?h
回到经典情况,能量连续。
薛定谔方程及其应用
②粒子在势阱中的概率分布
经典: 势阱中 V = 0, 粒子匀速直线运动
粒子在势阱内各处出现的概率相等
量子:
波函数
Et
i
e
a
xn
a
tx
h
?
=
π
Ψ sin
2
),(
概率密度
a
xn
a
xtx
π
ψΨ
222
sin
2
|)(||),(| ==
,...)3,2,1( =n
波函数为驻波形式,势阱中不同位置强度不
等,粒子出现的概率不相同。
薛定谔方程及其应用
8
Et
i
e
a
xn
a
tx
h
?
=
π
Ψ sin
2
),(
a
xn
a
xtx
π
ψΨ
222
sin
2
|)(||),(| ==
o a
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
oa
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
x
1
E
12
4 EE =
13
9 EE =
14
16 EE =
()tx,Ψ ( )
2
xΨ
薛定谔方程及其应用
粒子不能逸出势阱,两端为波节, 0||
2
=Ψ
归一化条件,曲线下面积相等
阱内各位置粒子出现概率不同,
2
||Ψ 峰值处较大
能级越高,驻波波长越短,峰值数增多
经典相同,量子 →
2
||Ψ
o a
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
oa
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
x
1
E
12
4 EE =
13
9 EE =
14
16 EE =
()tx ,Ψ ( )
2
xΨ
薛定谔方程及其应用
9
例 1、 粒子在宽度为 a的一维无限深势阱中运动,
处于 n=1状态 , 。区间发现该粒子的概率求在
4
~0
a
解:
a
x
a
π
Ψ
22
sin
2
|| =
)d(sin
2
2
4
0
a
x
a
xa
a
a
ππ
π
∫
=
%08.9)
2
sin
4
1
2
(
2
4
0
=?=
a
a
x
a
x ππ
π
xP
a
d||
4
0
2
∫
= Ψ x
a
x
a
a
dsin
2
2
4
0
π
∫
=
薛定谔方程及其应用
?势垒 隧道效应
势函数:
=)( xV
0 x < x
1
, x >x
2
210
xxxV ≤≤
代入
ΨΨ
Ψ
ExV
xm
=+? )(
d
d
2
2
22
h
得
0
2
d
d
22
2
=+ Ψ
Ψ
h
mE
x
(x < x
1
, x >x
2
)
)(
21
xxx ≤≤
0)(
2
d
d
22
2
=?+ Ψ
Ψ
VE
m
x h
x
E
E
I II III
V=0
O
x
1
x
2
V=0
V= V
0
薛定谔方程及其应用
10
x
1
x
2
由薛定谔方程,解得三个区
域方程的解:
区域 I(x<x
1
)V=0, 解为正弦波
)sin(
1111
?Ψ += xkA
2
1
2
h
mE
k =
A
1
, ?
1
为常量
区域 II (x
1
< x <x
2
), V= V
0
,
解为指数函数
xk
eA
2
2
?
=
C
Ψ
2
0
2
)(2
h
EVm
k
?
=A
2
为常量
x
E
E
I II III
V=0
O
x
1
x
2
V=0
V= V
0
薛定谔方程及其应用
区域Ⅲ (x>x
2
), V=0, 解为正弦波
2
1
2
h
mE
k =
A
3
, ?
3
为常量
)sin(
313
?+= xkA
Ψ
ΙΙΙ
由于区域Ⅱ和Ⅲ的波函数不为零,说明粒子
出现在该两个区域的概率不为零,可以证明
粒子穿透势垒的概率
)()(2
2
)(2
2
120
0
xxEVm
dEVm
e
eP
???
??
=
=
h
h
薛定谔方程及其应用
11
例2: 已知 E=5.1eV,V
0
=6.8eV, a=750×10
-
12
m,求电子和质子的贯穿系数。
解: 电子
6
10
)(22
1045
0
?
?
??
×=
== eeT
EVma
e
h
质子
186
)(22
0 ?
??
== eeT
EVma
p
h
薛定谔方程及其应用
?扫描隧穿显微镜
加电压形成隧穿电流 ——对表面间距异常敏感
通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征
样品表面
探针表面
由于隧道效应逸出的电子,“电子云”
?STM工作原理
薛定谔方程及其应用
12
扫描隧道显微镜的
两种工作模式:
?恒高度模式
?恒电流模式
利用针尖扫描样品的表面,通过高度变化或
电流变化获取图像。
薛定谔方程及其应用
分辨率
xy方向 0.2nm
z 方向 0.005nm
在原子尺度探测
① 具有原子级高分辨率
②在大气压下或真空中均能工作。
③无损探测,可获取物质表面的三维图像。
④可进行表面结构研究 , 实现表面纳米 ( ) 级加工
m10
9?
U
z
薛定谔方程及其应用
13
硅表面硅原子的排列 碘原子在铂晶体上的吸附
氙原子
薛定谔方程及其应用
1959年: 费曼演讲 《在底部还有很大的空间》
从石器时代开始,人类所有的技术革新都与把
物质制成有用的形态有关,从物理学的规律来看,
不能排除从单个分子甚至原子出发组装制造物品的
可能性……如果有一天可以按人的意志安排一个个
原子,将会产生怎样的奇迹?
1982年:宾尼西、罗雷尔等发明扫描隧道显微镜,
为操作原子提供有力工具。
1990年:美国国际商用机器公司( IBM)阿尔马登
研究中心科学家把 35个氙原子移动到位,组成 IBM
三个字母,加起来不到 3nm。
1990年 7月第一届国际纳米科学技术会议在美国巴
尔的摩召开,纳米科技作为一门学科正式诞生。
薛定谔方程及其应用
14
?AFM工作原理
弥补 STM的不足,可用于非导电样品。
薛定谔方程及其应用
?AFM装置示意图
薛定谔方程及其应用
15
?AFM工作模
式:
?接触模式(静态模式)
?非接触模式(动态模式)
?轻敲模式
原子的操纵:
利用扫描探针显微镜( SPM)可以移动和操
纵原子。
薛定谔方程及其应用
通过移走原子构成的图形:
薛定谔方程及其应用
16
小结求解问题的思路:
1. 写出具体问题中势函数 U(r)的形式代入方程
2. 用分离变量法求解
3. 用归一化条件和标准条件确定积分常数
只有 E取某些特定值时才有解
本征值 本征函数
4. 讨论解的物理意义,
即求 |Ψ |
2
, 得出粒子在空间的概率分布。
薛定谔方程及其应用
原子结构的量子理论
本节介绍薛定谔方程应用 —— 三维问题
要求: 思路, 重要结论
?氢原子的量子力学处理方法
?建立方程 (电子在核的库仑场中运动)
代入三维定态薛定谔方程设电子质量 m ,
0)(
2
2
2
=?+? ψψ UE
m
h
0)
4
(
2
2
2
2
=++? ψ
πε
ψ
r
e
E
m
o
h
得
+
-
r
r
e
U
o
πε4
2
?=
势函数
17
0)
4
(
2
2
2
2
=++? ψ
πε
ψ
r
e
E
m
o
h
0
4
2
sin
1
)(sin
sin
1
)(
1
0
2
22
2
222
2
2
=
?
?
?
?
?
?
++
?
?
+
?
?
?
?
+
?
?
?
?
ψ
πε?
ψ
θθ
ψ
θ
θθ
ψ
r
e
E
m
rrr
r
rr h
式中
2
2
2
2
2
2
2
zyx ?
?
+
?
?
+
?
?
=?
2
2
222
2
2
sin
1
)(sin
sin
1
)(
1
?θθ
θ
θθ ?
?
+
?
?
?
?
+
?
?
?
?
=
rrr
r
rr
-
x
y
z
o
r
θ
?
+
原子结构的量子理论
分离变量
)()()(),,( ?ΦθΘ?θΨ ??= rRr设
代回原方程化简,
得三个常微分方程 :
)()()(),,( ?ΦθΘ?θΨ ??= rRr
-
x
y
z
o
r
θ
?
+
原子结构的量子理论
18
定常数)为分离变量过程中的待νλ,(
0])
4
(
2
[)
d
d
(
d
d1
2
2
2
2
2
=?++ R
rr
e
E
m
r
R
r
rr
o
λ
πεh
0)
sin
()
d
d
(sin
d
d
sin
1
2
=?+ Θ
θ
ν
λ
θ
Θ
θ
θθ
0
d
d
2
2
=+ Φ
Φ
ν
?
原子结构的量子理论
?求解过程中为了使波函数满足归一化条件和标
准条件,自然引入三个量子数: n, l, m
l
)()()(),,(
,,,,
?θΘ?θ
lll
mmllnmln
ΦrRrΨ ??=
主量子数
,...3,2,1=n
角量子数 1,...2,1,0 ?= nl 可取 n 个值
磁量子数
lm
l
±±±= ,...2,1,0
可取 2l +1 个值
)()(),(
,,
?θΘ?θ
lll
mmlml
ΦY ?= 称为角谐函数
原子结构的量子理论
19
z
x
y
O
dV
θ
?
r
dr
rdθdθ
r sin θ d?
r
s
i
n
θ
d?
概率密度
22
|)()()(||| ?ΦθΘΨ ??= rR
?θθ dddsind
2
rrV =
电子在体积元 dV中出现的概率
?θθΘ ddsin||d||d||
2222
ΦrrRVΨ ?=?
?电子的概率分布
VΨP d
2
=
体积元 ?d =V
径向概率 角向概率
原子结构的量子理论
(1) 径向概率分布:
rrrRrP
ln
d|)(|)(
22
,
=电子在 r — r+dr球壳中出现的概率
原子结构的量子理论
20
径
向
概
率
分
布
:
电子在离核 r 不同处,出现的概率不等,某些极大
值与玻尔轨道半径 ,说明玻尔理论
只是量子结果不完全的近似。
处对 应
o
anr
2
=
原子结构的量子理论
(2) 角向概率分布
?θθ?θ?θ ddsin),(),(
2
,
l
ml
YP =
?θθ?θΘ ddsin)()(
2
, l
l
m
ml
Φ?=
电子在某方向上单位立体角内出现的概率对 z 轴旋转
对称分布
om
l
l
=
= 0
1
2
±=
=
l
m
l
om
l
l
=
= 2
原子结构的量子理论
21
核外电子的角向概率分布
原子结构的量子理论
∴ 电子在核外不是按一定的轨道运动的,量子力学不能
断言电子一定出现在核外某确切位置,而只给出电子在核
外各处出现的概率,其形象描述 ——“电子云”
)1(5)1(4)1(3)0(21 ====
llll
mfmfmpmps
原子结构的量子理论
22
——每瞬间氢原子核外电子照片的叠加
电子出现概率小处:雾点密度小
电子出现概率大处:雾点密度大
)1(5)1(4)1(3)0(21 ====
llll
mfmfmpmps
原子结构的量子理论
?量子数的物理意义
(1) n —— 主量子数,表征能量量子化
E > 0 能量可连续取值
—— 氢原子电离,电子为自由电子
E < 0
2
1
222
4
2
)
32
(
1
n
Eme
n
E
o
=?=
hεπ
,...)3,2,1( =n
eV6.13
1
?=E
玻尔理论关于能级的结论是正确的
如果考虑相对论效应
),( lnEE = 大小排列按 ln 7.0+
原子结构的量子理论
23
(2) l —— 角量子数,表征角动量量子化
电子云绕核分布,角向概率密度旋转对称 ,
类比为玻尔理论中电子“轨道”运动,
其“轨道”角动量量子化:
h)1( += llL
)1,...2,1,0( ?= nl
即 hhh nnL )1(,...6,2,0 ?=
。均取很大的值时的近似只是
并不正确,玻尔理论中
ln
nL
,
h=∴
角量子数 l 对氢原子系统能量有影响 ),( lnEE =
原子结构的量子理论
原子内电子能级的名称
0 1 2 3 4 5 6
s p d f g h i
l
n
1(K)
2(L)
3(M)
4(N)
5(O)
6(P)
7(Q)
1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f 5g
6s 6p 6d 6f 6g 6h
7s 7p 7d 7f 7g 7h 7i
大小次序
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d…...
大小排列按 l7.0+n
原子结构的量子理论
24
(3) m
l
—— 磁量子数,表征空间量子化
h
lz
mL =
),...2,1,0( lm
l
±±±=
电子轨道角动量 在空间取向只能沿一些不连
续的特殊方向,使 在 z方向分量 取值量子化
L
v
L
v
z
L
np态 12 =≥ ln例:
1,0 ±=
l
m
hh 2)1( =+= llL
h±= ,0
z
L
h2
Z
h
h?
0
?
原子结构的量子理论
m
l
0
1
2
3
-2
-3
-1
0
1
2
-2
-1
0
1
-1
m
l
.
0
m
l
l = 0 l = 1 l = 2 l = 3
原子结构的量子理论
25
量子 h)1(
2
+= ll
m
e
μ
)1,...2,1,0( ?= nl
h
lzz
m
m
e
L
m
e
22
==μ
)1,0( lm
l
±±= L
经典
2
2
r
e
sI π
π
ω
μ ?=?=
L
m
e
r
r
2
?=μ
ωω
2
mrJL ==
“轨道”磁量子数
原子结构的量子理论
玻尔磁
子:
h
m
e
B
2
=μ
Blz
m μμ =
B
ll μμ )1( +=
原子结构的量子理论
26
μ
θ
B z
e
L
L
z
z
μ
原子结构的量子理论
2
1
222
4
2
)
32
(
1
n
Eme
n
E
o
=?=
hεπ
主量子数: 表征能量量子化 ...3,2,1=n
eV6.13
1
?=E
小结:氢原子系统的量子化
可取 n 个值
角量子数: 表征角动量量子化 1,...2,1,0 ?= nl
h)1( += llL
对氢原子系统能量有影响
),( lnEE =
可取 2l +1 个值h
lz
mL =
磁量子数: 表征角动量空间取向量子化lm
l
±±±= ,...2,1,0
“轨道”磁矩量子化
B
ll μμ )1( +=
Blz
m μμ =
h
m
e
B
2
=μ
原子结构的量子理论
27
?电子的自旋
1、史特恩 -盖拉赫实验 目的:研究角动量空间量子化
非均匀磁场沿z方向的变化率为
z
B
d
d
原子磁矩与外磁场的相互作用势能为
BBU
z
μμ ?=??=
r
r
磁场作用于原子上的力为
z
B
z
U
F
zz
d
d
d
d
μ=?=
原子结构的量子理论
无空间量子化: 屏上得连成一片原子沉积
存在空间量子化: 屏上得 2l + 1条分离原子沉积
原子射线在非均匀磁场中偏转的角度为
v
D
mvz
B
mv
z
1
d
d
μ
θ
=
×
≈
穿过磁场的时间力
显然, μ
z
是偏转角 θ不连续变化的唯一原因。
原子结构的量子理论
28
Ag: 5s 0,0,0,5 ====
zl
mln μ
分裂不是由于轨道磁矩与外场相互作用引起
实验结果不符,无法用上述三个量子数解释。
准直屏准直屏
原子炉原子炉
磁铁
N
S
原子结构的量子理论
2、电子自旋
对应的经典模型及解释:
电子绕自身轴自旋,具有内禀角动量,分裂
是自旋磁矩与磁场相互作用的结果。
概念的提出
1924年泡利提出电子具有第四个自由度,但认为无
对应的经典模型。
荷兰物理学家的学生乌伦贝克、高斯米特提出电子自
旋模型,得到埃伦斯非特、洛仑兹、海森伯、爱因斯
坦、玻尔、托马斯等的关心和帮助。
原子结构的量子理论
29
1926年 电子自旋模型得到承认。泡利将其纳入量
子力学体系。
狄拉克建立相对论量子力学,自然得出电子具有内
禀角动量的结论。
与“轨道”角动量类比
h)1( += ssL
s
h
ssz
mL =
Sm
s
≤|| 取 2S+1个值
令
s
L
原子结构的量子理论
由史特恩 -盖拉赫实验
2s+1=2
2
1
=s
2
1
±=
s
m
自旋角动量
hh
2
3
)1( =+= ssL
s
h
2
1
±=
sz
L
),(
s
ms以后由狄拉克方程导出
2
h
+
2
h
?
B
r
原子结构的量子理论
30
?原子的壳层结构1.决定原子中电子状态的四个量子数
n
L2,1 决定电子能量的主要部分
l
0,1,….n-1
可取 n个值
决定电子“轨道”角动量
h
r
)1(|| += llL
对电子能量有影响
l
m
l±± L,1,0
个值可取 12 +l
决定“轨道”角动量在外场
中的取向
h
ls
mL =
s
m
2
1
±
决定电子“自旋”角动量
在外场中的取向
h
ssz
mL =
“轨道”
运动
“自旋”
运动
名称 符号 取值
物理意义
对应的经典
模型
主量子数
角量子数
磁量子数
自旋
磁量子数
原子结构的量子理论
2、电子分布遵循的两个基本原理
1) 泡利不相容原理
一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完
全相同的四个量子数
同一壳层 n 相同 最多
个电子
2
2n
最多同一支壳层 相同l 个电子)12(2 +l
2) 能量最小原理
正常情况下,原子中电子趋向于占有最低能级,
原子系统能量最小时最稳定
大小排列按 ln 7.0+
原子结构的量子理论
31
n=1
?
?
?
?
?
?
?
±=
=
=
2
1
0
0
s
l
m
m
l
n=2
?
?
?
?
?
?
?
±=
±=
=
2
1
1,0
1
s
l
m
m
l
?
?
?
?
?
?
?
±=
=
=
2
1
0
0
s
l
m
m
l
n=3
?
?
?
?
?
?
?
±=
=
=
2
1
0
0
s
l
m
m
l
?
?
?
?
?
?
?
±=
±=
=
2
1
1,0
1
s
l
m
m
l
?
?
?
?
?
?
?
±=
±±=
=
2
1
2,1,0
2
s
l
m
m
l
同一壳层 n 相同 最多
个电子
2
2n
最多同一支壳层 相同l 个电子)12(2 +l
原子结构的量子理论
测量原理
?宏观物体的测量
①依赖于仪器与待测系统之间的互作用;
②基本假设:连续性原理 ——测量过程对
系统的干扰可无限减小;
③在设定的误差范围内,测量值独立于测
量过程。
?量子测量
①连续性原理不能外推到微观世界;
②量子公设 ——作用量子 h提供了测量过程
对待测系统的干扰下限;
③新的游戏规则:外部世界是观测者不可
企及的, “外在于彼 ”“内在于此 ”。
32
一、统计因果性
?因果决定论
把在连续性假设的基础上的自然过程归结为
一串无限的因果序列,认为自然规律可用现在完
全决定过去和未来,同样的实验条件必将得到同
样的实验结果。
?统计因果性
单个事件的测量结果有不确定性,大量事件
的统计结果(概率分布)具有稳定性与可重复
性,观测者唯一能预言的是事件发生的概率,世
界原本就是如此。
测量原理
二、波包并缩
?算符 在数学中,算符是作用于某一函数,把它
变为另一函数的运算符号。
?Ψ =A
?
若
nnn
AΨΨ =A
?
则称 Ψ
n
为算符 的函数谱 , 为
算符的本征值谱 。
A
?
{ }
n
Ψ
n
A
{ }
n
A
——算符的本征方程
当测量物理系统某一物理量时,把该系统
的波函数变成该力学量的定态 ,
称为波包并缩。
)()( xx ?Ψ →
测量原理
33
测量是从波函数获取信息的过程,测量过程
中的波包并缩 由本征方程
描述。
)()( xx
n
ΨΨ →
测量原理
?测量原理
通过测量,使波函数发生波包并
缩 , 随机投影到某一本征函
数 ,测得的力学量 ,一定在本征值谱
以内,这种运算规则称为 测量第一原理 。
n
ΨΨ →
Ψ
n
Ψ
A
{ }
n
A
?测量第一原理
?测量第二原理
量子态叠加原理
∑
=
=
k
n
nn
c
1
ΨΨ
波函数发生波包并缩
n
ΨΨ →
测得力学量
n
A
的概率
2
nn
cp =
力学量 的统计平均值
A
∑
∑
=
2
2
n
nn
c
Ac
A
这种运算规则称为 测量第二原理 。
测量原理
34
?量子退相干
测量后,使物理系统的本征态之间由相干
转变为不相干的现象称为量子退相干。
?量子态叠加原理
1
Ψ
2
Ψ经典物理: 两个经典波 、 彼此独立,非
此即彼。两波叠加产生新波
21
ΨΨΨ +=
量子物理: 本征态的线性叠加不产生新态,
2211
ΨΨΨ cc +=
产生不确定性,量子态同时处于 、 。
1
Ψ
2
Ψ
测量原理
换言之:
设体系处于 描述的状态下,测量某力学量
所得的结果是一个确切的值 ,又设体系处于
描述的状态下,测量某力学量所得的结果是
另一个确切的值 ,则在
所描述的状态下,测量所得的结果,既可能
为 ,也可能为 ,二测得 或 的相对概
率是确定的。
1
Ψ A
1
a
2
Ψ
2
a
2211
ΨΨΨ cc +=
1
a
2
a
1
a
2
a
测量原理