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量子力学题目 · 2026年9月25日 ​

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2026年9月25日 ​

形式理论(第3章例题)· 序号 28–33

题 28 · 形式理论 · 例3.1 厄密共轭 · 🟢 懂 ​

算符 的厄密共轭算符(伴随算符)是算符 ,它满足:对所有的 和 ,

(所以一个厄密算符与它的厄密共轭算符相等:。)

(a) 给出 、 和 的厄密共轭算符。

(b) 构建谐振子升阶算符 (原书式 2.47:,)的厄密共轭算符。

(c) 证明 。

**点开:骨架 / 入口**(先对着上面题干默,默不出再展开)

骨架

  1. 从定义出发:把 写成积分,设法把算符"挪"到 上,读出 。
  2. (a) 是实数直接挪; 挪到左边要取复共轭变 ; 分部积分,边界项因无穷远衰减为零,得 。
  3. (c) 连用两次定义:先挪 、再挪 ,得 。
  4. (b) 用 、、,得 。

入口

  • 内积对左边矢量是反线性的:常数从左边提出来要取复共轭,。
  • ,平方可积函数在 趋零,边界项为零。
  • 。
  • ,所以 ,取共轭只把 变号。

题 29 · 形式理论 · 例3.2 算符 i·d/dφ 的厄密性与本征值 · 🟢 懂 ​

考虑算符

其中 是通常的二维极坐标中的方位角。(如果研究圆环上的珠子,见问题 2.46,可能会遇到这个算符。)在有限区域 内研究函数 ,由于 和 描述的是同一个物理点,约定

是厄密算符吗?求出它的本征函数和本征值。

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骨架

  1. 写 ,分部积分。
  2. 边界项 因周期性为零;剩下的项凑成 ,故厄密。
  3. 解本征方程 ,得 。
  4. 周期条件 :分立、实数、非简并。

入口

  • 边界项为零靠的是周期性 、,不是"无穷远衰减"。
  • 把 移到左边:,因为 。
  • 要求 为整数。
  • 单独的 是反厄密的,前面那个 正是为了凑成厄密。

题 30 · 形式理论 · 例3.3 动量算符的本征函数 · 🟢 懂 ​

求动量算符 (一维,)的本征值与本征函数。说明:本征函数不是平方可积的(动量算符在希尔伯特空间中没有本征函数);若限定于实数本征值,本征函数可以按狄拉克 函数"正交归一",取归一化常数 ,使

并由本征函数读出其波长 (即德布罗意公式)。

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骨架

  1. 写本征方程 ,解得 。
  2. 复数 在一侧指数发散,实数 也 不可积:不在希尔伯特空间。
  3. 实数 :算 ,取 。
  4. 完备性: 即傅里叶积分;由 的周期读出 。

入口

  • :可用 ,其对 积分恒为 。
  • 令 ,再用 ,得 。
  • 系数 。

题 31 · 形式理论 · 例3.4 坐标算符的本征函数 · 🟢 懂 ​

求坐标算符 (一维,)的本征函数与本征值。设本征函数为 ,本征值为 :

要求:解出 ;说明本征值必须是实数、本征函数不是平方可积的,但具有狄拉克正交归一性,取归一化常数使 ;证明这些本征函数是完备的,即任意 ,并求出展开系数 (结果 )。

(注:教辅书上把 印成了 ,正确形式是 。)

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骨架

  1. 由 :除 外 ,故 , 取任意实数(连续谱)。
  2. 本征函数写成 函数后,用狄拉克正交归一定出 。
  3. 完备性:,令其等于 ,得 。

入口

  • : 函数只在 处有贡献。
  • 筛选性质:,把其中一个 当成 用。
  • 也可以用 直接得出。

题 32 · 形式理论 · 例3.5 δ势束缚态测动量几率 · 🟢 懂 ​

一个质量为 的粒子处在 函数势 ()中,处于其唯一的束缚态,坐标空间波函数为

对其动量进行测量,得到结果比 大的几率是多少?(答案:)

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骨架

  1. 写动量空间波函数 。
  2. 积分拆成 、 两段,得 (,)。
  3. 用 化简:。
  4. 几率 ,换元 ,积分限 。
  5. 代上下限得几率,与题干答案核对。

入口

  • ,,相加通分。
  • :,,被积式变成 。
  • ,且 。
  • 自检: 从 到 ( 从 到 )积分应得 1。
  • (9/25 卡点)δ势束缚态 怎么来: 时 ,束缚态取衰减解 ,;把定态方程在 附近 上积分得导数跃变 ,左边是 ,所以 ,;归一化 ,得 。
  • (9/25 卡点)「测得动量大于 的几率」就是 从 积到 :(含时相位模方后消掉)。
  • 最后这个积分书上写「查积分表」,不要求会换元,列出积分式后按积分表写结果即可。

题 33 · 形式理论 · 例3.6 动量空间中的 ⟨x⟩ · 🟢 懂 ​

设 为动量空间波函数,它与坐标空间波函数 互为傅里叶变换:

证明

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骨架

  1. 从 出发,把 、 都换成 的傅里叶积分(两个动量变量 、)。
  2. 用 把 换成对 的导数。
  3. 对 分部积分,边界项因 为零,导数转到 上并带负号。
  4. 先对 积分:,再对 积分收掉 。

入口

  • ,两边乘 即得 。
  • 分部积分:。
  • 前因子 正好与 抵消。
  • (9/25 卡点,已懂)这题要证的结论:在动量表象里,坐标算符是 。和坐标表象里的动量算符 对照记,符号正好相反,负号来自第 3 步分部积分。


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