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粒子的波动性

德布罗意波

一个质量为 m 、速度为 v 的粒子,既具有以能量 E 和 动量 p 描述的 粒子性,又具有以波长 λ 和频率 ν 描述的 波动性。这种波动性称为 德布罗意波

他们之间的关系与光波的关系类似,即:

ν=Eh=mc2hλ=hp=hmv

其中 m=m01v2c2 为粒子的运动质量。 上式称为 德布罗意关系
λ 称为 德布罗意波长ν 称为 德布罗意频率

波函数

根据量子力学的基本假设,粒子的波动性表现为 概率波
概率波的振幅的平方表示粒子在某一位置出现的概率密度。概率波的波函数通常用 ψ 表示,其满足薛定谔方程:

iψt=H^ψ

其中 是约化普朗克常数,H^ 是哈密顿算符。

波函数的物理意义

波函数 ψ 的绝对值的平方 |ψ|2 表示粒子在某一位置出现的概率密度。波函数的相位则与粒子的动量和能量有关。

归一化条件

为了保证粒子在整个空间内出现的概率为1,波函数 ψ 必须满足归一化条件:

|ψ|2dx=1

叠加原理

量子力学中的波函数可以叠加,即如果 ψ1ψ2 是两个可能的波函数,那么它们的线性组合 ψ=c1ψ1+c2ψ2 也是一个可能的波函数,其中 c1c2 是常数。

测量与坍缩

在量子力学中,对粒子的测量会导致波函数的坍缩,即波函数会瞬间变为测量结果对应的本征态。这一过程称为波函数坍缩。

自由粒子的波函数

自由粒子的波函数为平面波,即 ψ=Aei(kxωt),其中 A 为常数,k 为波数,ω 为角频率。 用德布罗意关系可得:

k=2πλ=pω=2πν=E

因此,自由粒子的波函数可表示为:

ψ=Aei(pxEt)

其中 A 为常数。 对于三维空间中的自由粒子,波函数为:

ψ=Aei(prEt)

其中 p 为动量,r 为位置矢量。

pr=pxx+pyy+pzz

在非相对论情况下,自由粒子的能量为:

E=px2+py2+pz22m

大学物理AII 学习笔记