线性谐振子的量子力学振动解
一维线性谐振子的势能U(X)=mω^2X^2/2(m为谐振子的质量,ω是其振动频率),带入定态薛定谔方程
[-h^2/8mπ^2*d^2/dX^2+U(X)]ψ(X)=Eψ(X) (1)
[方程中,ψ为谐振子体系的波函数,E为本征能量,h为普朗克(Planck)常数],既有
h^2/8mπ^2*d^2ψ/dX^2+(E- mω^2X^2/2)=0 (2)
令x=αX=(mω2π/h)^(1/2),λ=2E2π/hω,则方程变为
d^2ψ/dX^2+(λ-x^2)ψ(x)=0 (3)
当x趋于无穷大时,可省去λ,容易看出ψ(x)=e^(-x^2/2) 是
d^2ψ/dX^2-x^2ψ(x)=0
在x趋于无穷大时的近似解。将其作为方程(3)的渐近解,于是当x有限时可令
ψ(x)= e^(-x^2/2) y(x) (4)
代入(3)便得
y’’(x)-2xy’(x)+( λ-1)y(x)=0 (5)
这个2阶常微分方程称为厄密方程的常点。因此便把解展开成以x0=0为中心的泰勒级数,即
y(x)=∑akx^k (k从0到无穷大求和)
代入式(5)得
∑ak k(k-1)x^(k-2)-2ak kx^k+∑ak(λ-1)x^k=0
(第一个连加号为2到正无穷, 第二个连加号为1到正无穷, 第三个连加号为0到正无穷。)
由x^k项的系数和为0可得
(k+2)(k+1) ak+2-2kak+(λ-1) ak=0
这就是系数的递推公式
ak+2= (2k+1-λ) ak/(k+2)(k+1) (6)
由该式可从a0推出a2,a4,….,从a1推出a3,a5, …。于是,偶次幂项系数为a2n=(4n-3-λ) a2n-2/2n(2n-1)=(4n-3-λ)(4n-7-λ) a2n-4/2n(2n-1)(2n-2)(2n-3)=(1-λ)(5-λ)***(4n-3-λ) a0/(2n)!
而奇次幂的系数为a2n+1=(4n-1-λ)a2n-1/(2n+1)2n=(3-λ)(7-λ)***(4n-1-λ)a1/(2n+1)!
把偶次幂和奇次幂项分别归并(并取a0=1,a1=1),则有
y0(x)=1+(1-λ)x^2/2!+(1-λ)(5-λ)x^4/4!+ …+(1-λ)(5-λ)…(4n-3-λ)x^2n/(2n)!+ … (7)
y1(x)=x+(3-λ)x^3/3!+(3-λ)(7-λ)x^5/5!+…+(3-λ)(7-λ)…(4n-1-λ)x^(2n+1)+ … (8)
那么y(x)=Ay0(x)+By1(x) (9)
由递推公式容易看出|ak/ak+2|=∞(x→∞),即表示级数y0,y1的收敛半径R=∞(厄密方程的p(x),q(x)在开复平面上解析),就是说,只要x有限,级数便收敛。反过来说,若x→∞,y(x)还是要趋于无穷大。因此,为了保证x→∞时y(x)有限,就必须将级数在某一项截住。
当λ=2k+1=4n+1或4n+3时y0(x)或y1(x)成为多项式,于是y(x)分别取y0(x)或y1(x)的单支,而舍去另一支y0(x)或y1(x),这里k=0,1,2,3,…。此时的y(x)称为厄密多项式,分别记以H0(x),H1(x),H2(x),…;k即为厄密多项式Hk(x)的阶数。这类多项式是一种常见的特殊函数。而λk-1=2k(偶数) (10)
是一些分立的(离散的)数值,称为厄密方程的本征值。由λ=2E2π/hω可得Ek=(k+1/2)hω/2π (11)
这表示能量取分立的(离散的)数值,即所谓的能量量子化。
一维线性谐振子的势能U(X)=mω^2X^2/2(m为谐振子的质量,ω是其振动频率),带入定态薛定谔方程
[-h^2/8mπ^2*d^2/dX^2+U(X)]ψ(X)=Eψ(X) (1)
[方程中,ψ为谐振子体系的波函数,E为本征能量,h为普朗克(Planck)常数],既有
h^2/8mπ^2*d^2ψ/dX^2+(E- mω^2X^2/2)=0 (2)
令x=αX=(mω2π/h)^(1/2),λ=2E2π/hω,则方程变为
d^2ψ/dX^2+(λ-x^2)ψ(x)=0 (3)
当x趋于无穷大时,可省去λ,容易看出ψ(x)=e^(-x^2/2) 是
d^2ψ/dX^2-x^2ψ(x)=0
在x趋于无穷大时的近似解。将其作为方程(3)的渐近解,于是当x有限时可令
ψ(x)= e^(-x^2/2) y(x) (4)
代入(3)便得
y’’(x)-2xy’(x)+( λ-1)y(x)=0 (5)
这个2阶常微分方程称为厄密方程的常点。因此便把解展开成以x0=0为中心的泰勒级数,即
y(x)=∑akx^k (k从0到无穷大求和)
代入式(5)得
∑ak k(k-1)x^(k-2)-2ak kx^k+∑ak(λ-1)x^k=0
(第一个连加号为2到正无穷, 第二个连加号为1到正无穷, 第三个连加号为0到正无穷。)
由x^k项的系数和为0可得
(k+2)(k+1) ak+2-2kak+(λ-1) ak=0
这就是系数的递推公式
ak+2= (2k+1-λ) ak/(k+2)(k+1) (6)
由该式可从a0推出a2,a4,….,从a1推出a3,a5, …。于是,偶次幂项系数为a2n=(4n-3-λ) a2n-2/2n(2n-1)=(4n-3-λ)(4n-7-λ) a2n-4/2n(2n-1)(2n-2)(2n-3)=(1-λ)(5-λ)***(4n-3-λ) a0/(2n)!
而奇次幂的系数为a2n+1=(4n-1-λ)a2n-1/(2n+1)2n=(3-λ)(7-λ)***(4n-1-λ)a1/(2n+1)!
把偶次幂和奇次幂项分别归并(并取a0=1,a1=1),则有
y0(x)=1+(1-λ)x^2/2!+(1-λ)(5-λ)x^4/4!+ …+(1-λ)(5-λ)…(4n-3-λ)x^2n/(2n)!+ … (7)
y1(x)=x+(3-λ)x^3/3!+(3-λ)(7-λ)x^5/5!+…+(3-λ)(7-λ)…(4n-1-λ)x^(2n+1)+ … (8)
那么y(x)=Ay0(x)+By1(x) (9)
由递推公式容易看出|ak/ak+2|=∞(x→∞),即表示级数y0,y1的收敛半径R=∞(厄密方程的p(x),q(x)在开复平面上解析),就是说,只要x有限,级数便收敛。反过来说,若x→∞,y(x)还是要趋于无穷大。因此,为了保证x→∞时y(x)有限,就必须将级数在某一项截住。
当λ=2k+1=4n+1或4n+3时y0(x)或y1(x)成为多项式,于是y(x)分别取y0(x)或y1(x)的单支,而舍去另一支y0(x)或y1(x),这里k=0,1,2,3,…。此时的y(x)称为厄密多项式,分别记以H0(x),H1(x),H2(x),…;k即为厄密多项式Hk(x)的阶数。这类多项式是一种常见的特殊函数。而λk-1=2k(偶数) (10)
是一些分立的(离散的)数值,称为厄密方程的本征值。由λ=2E2π/hω可得Ek=(k+1/2)hω/2π (11)
这表示能量取分立的(离散的)数值,即所谓的能量量子化。