- •Математические основы квантовой механики
- •Основные положения
- •Волновая функция
- •ОператорЫ
- •Собственные функции операторА и собственные значения
- •ЭрмитовыЙ оператор
- •Эрмитовость оператора импульса
- •УсЛовия ортонормированности
- •Среднее значение величины
- •СоотношениЕ неопределенностей
- •ОператорЫ трансляции и эволюции
- •Уравнение Шредингера
- •Быстрота Изменения величины
- •Ток вероятности
- •Матрица плотности
Эрмитовость оператора импульса
.
Доказательство:
Левая сторона (2.14)
с оператором имеет вид
.
Вычисляем правую сторону (2.14)
.
В результате
.
Волновые функции квадратично интегрируемы и равны нулю на бесконечности, поэтому , и оператор импульса эрмитов.
УсЛовия ортонормированности
Собственные функции любого эрмитового оператора образуют ортонормированный базис. Спектр базиса зависит оти может быть дискретным или непрерывным. Нормировка ортазависит от вида спектраn. Ортогональность ортов , где, и их нормировку объединяет условие ортонормированности.
Дискретный спектр n. Выполняется нормировка , тогда условие ортонормированности
, (2.21)
где –символ Кронекера. Сходимость интеграла требует достаточно быстрого убывания плотности вероятности за пределами некоторого конечного объема. Следовательно, дискретный спектр соответствует связанному состоянию, и наоборот – связанное состояние имеет дискретный спектр энергии и импульса.
Непрерывный спектр n. Если индекс собственной функции принимает непрерывные значения, то в (2.21) вместо символа Кронекера ставится дельта-функция
. (2.22)
При интеграл стремится в бесконечность. Плотность вероятностиконечна. Чтобы обеспечить требуемое значение интеграла она не может равняться нулю за пределами любого конечного объема. Следовательно,непрерывный спектр соответствует неограниченному движению, и наоборот – состояние неограниченного движения имеет непрерывный спектр энергии и импульса.
Среднее значение величины
Собственные функции эрмитового оператора образуют ортонормированный базис. Если частица находится в состоянии Ψ, являющемся суперпозицией функций, то физическая величинаA не имеет определенного значения. Получим ее среднее значение.
Разложение состояния Ψ по базису имеет вид:
для дискретного спектра
, (2.23)
для непрерывного спектра
, (2.24)
где – комплексное число. Докажем, что коэффициент разложения является амплитудой вероятности обнаружения состоянияв исследуемом состоянии Ψ. Вероятность обнаружения определяет .
Коэффициенты разложения . Умножаемна (2.23) или (2.24), интегрируем по пространственным переменным, переставляем суммирование и интегрирование, учитываем условия ортонормированности (2.21) или (2.22). Для дискретного спектра получаем
,
для непрерывного спектра
.
Заменяем , и для дискретного и непрерывного спектров находим коэффициент разложения
. (2.25)
Определим физический смысл коэффициента . Разложение для дискретного спектраподставляем в условие нормировки функции состоянияи получаем
.
Результат сравниваем с нормировкой вероятности дискретных событий
.
Следовательно, вероятность обнаружения состояния в нормированном состоянии равна квадрату модуля коэффициента разложения
. (2.26)
Разложение для непрерывного спектра
подставляем в условие нормировки функции состояния
,
учитываем ортонормированность (2.22)
,
получаем
.
Результат сравниваем с нормировкой вероятности непрерывных событий
.
Следовательно, плотность вероятности обнаружения состояния в нормированном состоянии равна квадрату модуля коэффициента разложения
. (2.27)
Среднее значение величины, описываемой оператором , в нормированном состоянииравно
. (2.28)
Доказательство:
Состояние разлагаем по собственным функциямоператорас дискретным спектром
,
подставляем в (2.28), учитываем
,
,
получаем
.
Результат совпадает с определением среднего
в теории вероятности дискретной величины.
Для непрерывной величины аналогично находим из (2.28) известное в теории вероятности выражение
.