球對稱位勢

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球對稱位勢乃是一種只相依於徑向距離的位勢。許多描述宇宙交互作用的基本位勢,像重力勢電勢,都是球對稱位勢。這條目只講述,在量子力學裏,運動於球對稱位勢中的粒子的量子行為。這量子行為,可以用薛丁格方程式表達為

其中,普朗克常數 是粒子的質量 是粒子的波函數位勢 是徑向距離,能量

由於球對稱位勢 只相依於徑向距離的位勢,不相依於天頂角 與方位角 ,為了便利分析,我們可以採用球坐標 來表達這問題的薛丁格方程式。然後,使用分離變數法,可以將薛丁格方程式分為兩部分,徑向部分與角部分。

薛丁格方程式

採用球坐標  ,將拉普拉斯算子   展開:

 

滿足薛丁格方程式的本徵函數   的形式為:

 

其中,    ,都是函數。   時常會合併為一個函數,稱為球諧函數  。這樣,本徵函數   的形式變為:

 

角部分解答

相依於天頂角   和方位角   的球諧函數   ,滿足角部分方程式

 

其中,非負整數  角動量角量子數  (滿足   )是角動量對於 z-軸的(量子化的)投影。不同的    給予不同的球諧函數解答  

 

其中, 虛數單位 伴隨勒讓德多項式,用方程式定義為

 

  勒讓德多項式,可用羅德里格公式表示為

 

徑向部分解答

將角部分解答代入薛丁格方程式,則可得到一個一維的二階微分方程式:

 (1)

設定函數   。代入方程式 (1) 。經過一番繁雜的運算,可以得到

 (2)

徑向方程式變為

 (3)

其中,有效位勢  

這正是函數為   ,有效位勢為   的薛丁格方程式。徑向距離   的定義域是從    。新加入有效位勢的項目,稱為離心位勢

為了要更進一步解析方程式 (2),我們必須知道位勢的形式。不同的位勢有不同的解答。

實例

在這條目裏,我們會解析四個很特別,很重要的實例。這些實例都有一個共同點,那就是,它們的位勢都是球對稱的。因此,它們的角部分解答都是球諧函數。這四個實例是:

  1.   :使用球諧函數為正交歸一基,解析眞空狀況實例。這實例可以做為別的實例的基礎。
  2.   時,  ;否則,  :這實例比第一個實例複雜一點,可以描述三維的圓球形盒子中的粒子的量子行為。
  3.   :研討三維均向性諧振子的實例。在量子力學裏,是少數幾個存在簡單的解析解的量子模型。
  4.   :關於類氫原子束縛態的實例,也有簡單的解析解。

真空狀況實例

思考   的狀況,設定   ,在設定無因次的變數

 

代入方程式 (2) ,定義   ,就會得到貝塞爾方程式,一個二階常微分方程式

 

貝塞爾方程式的解答是第一類貝塞爾函數   ,又稱貝塞爾函數;而  球貝塞爾函數

 (4)

在眞空裏,一個粒子的薛丁格方程式的解,以球坐標來表達,是球貝塞爾函數與球諧函數的乘積:

 

其中,歸一常數   是非負整數,  是整數,   是實數, 

這些解答都是角動量確定態的波函數。這些確定態都有明確的角動量。

波函數歸一化導引

波函數的角部分已經歸一化,剩下來必須將徑向部分歸一化。徑向函數的歸一化條件為

 

根據球貝塞爾函數的封閉方程式

 

其中,  克罗内克δ

所以,  。取平方根,歸一常數  

球對稱的三維無限深方形位勢阱

 
球貝塞爾函數  

思考一個球對稱的無限深方形阱,阱內位勢為 0 ,阱外位勢為無限大。用方程式表達:

 

其中,  是球對稱阱的半徑。

立刻,我們察覺,阱外的波函數是 0 ;而由於阱內的薛丁格方程式與真空狀況的薛丁格方程式相同,波函數是球貝塞爾函數   。為了滿足邊界條件,波函數必須是連續的。匹配阱內與阱外的波函數,球貝塞爾函數在徑向坐標   之處必須等於 0 :

 

設定    階球貝塞爾函數   的第   個 0 點,則  

那麼,離散的能級  

 

薛丁格方程式的整個解答是

 

其中,歸一常數  

波函數歸一化導引

波函數的角部分已經歸一化,剩下來必須將徑向部分歸一化。徑向函數的歸一化條件為

 

將球貝塞爾函數與第一類貝塞爾函數的關係方程式 (4) 代入積分:

 

設定變數   ,代入積分:

 

根據貝塞爾函數的正交歸一性方程式

 

其中,  克罗内克δ  表示   的第   個 0 點。

注意到   的第   個 0 點   也是   的第   個 0 點。所以,

 

取平方根,歸一常數  

三維均向諧振子

三維均向諧振子的位勢為

 

其中, 角頻率

階梯算符的方法,可以證明 N 維諧振子的能量是

 

所以,三維均向諧振子的徑向薛丁格方程式是

 (5)

設定常數  

 

回想   ,則徑向薛丁格方程式有一個歸一化的解答:

 

其中,函數  廣義拉格耳多項式  是歸一化常數:

 

本徵能級   的本徵函數   ,乘以球諧函數   ,就是薛丁格方程式的整個解答:

 

其中   。假若   是偶數,設定   ;否則,設定  

導引

在這導引裏,我們會將徑向方程式轉換為廣義拉格耳微分方程式。這方程式的解是廣義拉格耳多項式。再將廣義拉格耳多項式歸一化以後,就是我們所要的答案。

首先,將徑向坐標無因次化,設定變數   ;其中,  。則方程式 (5) 變為

 (6)

其中,  是新的函數。

  接近 0 時,方程式 (6) 最顯著的項目是

 

所以,    成正比。

又當   無窮遠時,方程式 (6) 最顯著的項目是

 

因此,   成正比。

為了除去   在原點與無窮遠的極限性態,達到孤立解答函數的形式的目的,使我們想到   的替換方程式:

 

經過一番運算,這個替換將微分方程式 (6) 轉換為

 (7)
轉換為廣義拉格耳方程式

設定變數   ,則微分算子為

 
 

代入方程式 (7) ,就可得到廣義拉格耳方程式:

 

其中,函數  

假若,  是一個非負整數,則廣義拉格耳方程式的解答是廣義拉格耳多項式:

 

因為   是非負整數,要求

  1.  
  2.    同時為奇數或同時為偶數。這證明了前面所述   必須遵守的條件。
波函數歸一化

回憶到   ,徑向函數可以表達為

 

其中,  是歸一常數。

  的歸一條件是

 

設定   。將   代入積分方程式:

 

應用廣義拉格耳多項式的正交歸一性,這方程式簡化為

 

因此,歸一常數可以表達為

 

應用伽瑪函數的數學特性,同時注意    的奇偶性相同,我們可以導引出其它形式的歸一常數。伽瑪函數變為

 

這裏,我們用到了雙階乘 (double factorial) 的定義。

所以,歸一常數等於

 

類氫原子

類氫原子只含有一個原子核與一個電子,是個簡單的二體系統。兩個物體之間,互相作用的位勢遵守庫侖定律

 

其中, 真空電容率 原子序 單位電荷量  是電子離原子核的徑向距離。

將位勢代入方程式 (1) ,

 

這方程式的解答是

 

其中,   近似於波耳半徑   。假若,原子核的質量是無限大的,則   ,並且,約化質量等於電子的質量,   是廣義拉格耳多項式,定義為[1]

 

其中, 拉格耳多項式,可用羅德里格公式表示為

 

為了滿足   的邊界條件,  必須是正值整數,能量也離散為能級   。隨著量子數的不同,函數    都會有對應的改變。為了要結束廣義拉格耳多項式的遞迴關係,必須要求  

知道徑向函數   與球諧函數   的形式,我們可以寫出整個類氫原子量子態的波函數,也就是薛丁格方程式的整個解答:

 

導引

為了要簡化薛丁格方程式,設定能量與長度的原子單位 (atomic unit)

 
 

將變數    代入徑向薛丁格方程式 (2) :

 (8)

這方程式有兩類解答:

  1.   :量子態是束縛態,其本徵函數是平方可積函數。量子化的   造成了離散的能量譜。
  2.   :量子態是散射態,其本徵函數不是平方可積函數。

這條目只講述第 (1) 類解答。設定正實數    。代入方程式 (8) :

 (9)

  接近 0 時,方程式 (9) 最顯著的項目是

 

所以,    成正比。

又當   無窮遠時,方程式 (9) 最顯著的項目是

 

因此,   成正比。

為了除去   在原點與無窮遠的極限性態,達到孤立解答函數的形式的目的,使我們想到   的替換方程式:

 

經過一番運算,得到   的方程式:

 

其中,  

假若,  是個非負整數   ,則這方程式的解答是廣義拉格耳多項式

 

採用 Abramowitz and Stegun 的慣例[1]。無因次的能量是

 

其中,主量子數   滿足   ,或  

由於   ,徑向波函數是

 

能量是

 

參閱

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Abramowitz, Milton; Stegun, Irene A. (编), Chapter 22, Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, New York: Dover, 1965, ISBN 0-486-61272-4 
  • Griffiths, David J. Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. 2004. ISBN 0-13-111892-7.