教学大纲(教学计划)
掌握和理解量子力学的基本概念,新的数学方法(微积分、微分方程、线性代数、数理方程、复变等等)和能解决一些简单的量子力学问题。
第一章:定性了解经典困难的实例:微观粒子的波–粒二象性;
第二章,第三章:要全面掌握:波函数与波动方程,一维定态问题,波函数的统计诠释,态叠加原理,薛定谔方程和定态;知0t =的波函数,给出t 时刻的波函数,概率通量矢,反射份额,透射份额,完全透射。
第四章:算符运算规则,厄密算符定义,厄密算符的本征方程,观测值的可能值,概率幅。
力学量完全集(包括H ?的,即为运动常数的完全集)。共同本征态lm Y 的性
质(lm m *lm Y )1(Y ?=,宇称l
)1(?)
。 力学量平均值随时间变化,运动常数,维力定律。 第五章:变量可分离型的三维定态问题
有心势下,dinger o
Sch &&equation 解在 0r → 的渐近行为。氢原子波函数,能量本征值的推导和结论要全面掌握。
三维各向同性谐振子在直角坐标和球坐标中的解,能级的结果和性质。 Hellmann-Feynman Theorem 。
电磁场下的n Hamiltonia ,规范不变性,概率通量矢。正常塞曼效应及引起的原因。均匀磁场下的带电粒子的能量本征值
磁通量量子化的现象。
第六章:量子力学的矩阵形式及表象理论
算符本征方程,薛定谔方程和平均值的矩阵表示;求力学量在某表象中的矩
阵表示;利用算符矩阵表示求本征值和本征函数。表象变换。dinger o Sch && Picture 和 Heisenberg Picture
第七章:量子力学的算符代数方法-因子化方法
哈密顿量的本征值和本征矢;因子化方法的一些例子;形状不变伴势和谱的对称性
第八章:自旋
自旋引入的实验证据。电子自旋算符,本征值及表示。泡利算符性质,泡利矩阵。
自旋存在下的波函数和算符的表示。)j ,j ,l ?(r 2的共同本征态的矩阵形式。 自旋为1/2的两粒子总自旋波函数,Bell 不等式。 碱金属的双线结构及反常塞曼效应的现象及形成原因。
全同粒子的波函数结构,泡利原理
第九章:量子力学中束缚态的近似方法
定态微扰论:非简并定态微扰论,能级的一级,二级修正,波函数的一级修正。碱金属光谱的双线结构和反常塞曼效应。简并定态微扰论:能级的一级修正,二级修正及零级波函数。
变分法:用Ritz变分法求基态能级上限及近似波函数;
哈特里自洽场方法
达尔戈诺-刘易斯方法
双原子分子,玻恩-奥本海默近似等。
第十章:含时间的微扰论-量子跃迁
量子跃迁:一级近似下的跃迁概率和跃迁率。常微扰,周期性微扰,Fermi’s Golden Rule的表示式及物理含义。
磁共振;绝热近似;贝利(Berry) 相位。
第十一章:量子散射的近似方法
一般描述:定态散射波函数的形式,散射振幅和散射截面;
玻恩近似;卢森堡散射
有心势中的分波法和相移
共振散射
全同粒子的散射。
第十二章:量子力学的经典极限和 WKB 近似
量子力学的经典极限;WKB近似
教学进度表
第一章绪论:经典物理学的困难
§1.1 辐射的微粒性
(1) 黑体辐射
(2) 固体低温比热第一讲
(3) 光电效应
(4) 康普顿散射
§1.2 原子结构的稳定性
(1) 原子行星模型
(2) 元素的线光谱,即有标志频率
………………
§1.3 物质粒子的波动性
(1) 德布罗意假设
(2) 物质粒子波动性的实验证据第二讲
第二章 波函数与波动方程 §2.1 波-粒两象性
§2.2 波函数的玻恩(Max Born,1926年)概率诠释—概率波
………………
§2.3 波函数的性质,态叠加原理
(1) 波函数的性质
(2) 位置和位能的平均值 第三讲 (3) 动量平均值
………………
(4) 态叠加原理 §2.4 含时间的薛立谔方程
(1)
dinger o
Sch &&equation 的建立 第四讲 (2) 对dinger o Sch &&equation 的讨论
………………
§2.5 不含时间的薛立谔方程,定态问题
(1) 含时间的薛定谔方程 第五讲
(2) 定态
………………
§2.6 测不准关系
(1) 一些例子 (2) 一些实验
(3) 测不准关系是波一粒两象性的必然结果
第三章一维定态问题 第六讲
§3.1一般性质
(1) 定理
(2) 不同的分立能级的波函数是正交的 (3) 振荡定理 (4) 在无穷大位势处的边条件
………………
§3.2阶梯位势
(1)0V E < (2)0V E > §3.3位垒穿透
(1)0V E <
(2)0V E > 第七讲 §3.4方位阱穿透
§3.5一维无限深方位阱
(1) 量本征值和本征函数 (2) 结果讨论
………………
§3.6宇称,一维有限深方势阱,双 δ位势
(1) 宇称
(2) 有限对称方位阱第八讲
(3) 求粒子在双δ位阱中运动
………………§3.7束缚能级与反射振幅极点的关系
(1) 半壁δ位阱的散射
(2) 有限深方位阱
§3.8 一维谐振子的代数解法第九讲(1) 能量本征值
(2) 能量本征函数
(3) 讨论和结论
………………
§3.9 相干态
(1) 湮灭算符a?的本征态第十讲
(2) 相干态的性质
第二章,第三章波函数,波动方程,
一维定态问题小结
第一章 量子力学中的力学量
§4.1表示力学量算符的性质
(1) 一般运算规则
………………
(2) 算符的对易性
(3) 算符的厄密性
§4.2 厄密算符的本征值和本征函数第十一讲(1) 算符的本征方程
………………
(2) 算符的本征值和本征方程性质
§4.3 连续谱本征函数“归一化”
(1) 连续谱本征函数“归一化”第十二讲(2) δ函数
(3) 本征函数的封闭性
………………
§4.4 算符的共同本征函数
(1) 算符“涨落”之间的关系 第十三讲(2) 算符的共同本征函数组
(0) 角动量的共同本征函数组―球谐函数
………………
(4) 力学量的完全集
§4.5 力学量平均值随时间的变化,运动常数(守恒量),恩费斯脱理(Ehrenfest Theorem )
(1) 力学量的平均值,随时间变化;运动常数 (2) Vivial Theorem 维里定理 (3) 能量—时间测不准关系
(4) 恩费斯脱定理(Ehrenfest Theorem)
期中考查
第二章 变量可分离型的三维定态问题
§5.1有心力
(1) 不显含时间的 dinger o Schr && 方程解在0r →的渐近行为
(2) 三维自由粒子运动 第十四讲
………………
(3) 球方势阱 第十五讲 (4) 氢原子 ……………… (5) 类氢离子
§5.2 Hellmann -Feynman 定理(海尔曼-费曼定理) 第十六讲
………………
§5.3 三维各向同性谐振子
(1) 三维各向同性谐振子 (2) 讨论
§5.4 带电粒子在外电磁场中的薛定谔方程,恒定匀场中带电粒子运动
(1) 带电粒子在外电磁场中的dinger o Schr &&equation
(2) 正常塞曼效应(Normal Zeeman Effect)
(3) 带电粒子在均匀强磁场中的运动 第十七讲
(4) 磁通量的量子化
………………
第三章 量子力学的矩阵形式及表示理论
§6.1 量子体系状态的表示
§6.2 Dirac 符号介绍 第十八讲 (1) 量子态、Ket 矢,Bra 矢(Bracket ) (2) 标积
………………
(3) 算符及其表示
(4) 不可约张量算符的矩阵元计算简介
(5) 投影算符
§6.3 表象变换,幺正变换 第十九讲 (1) 同一状态在不同表象中的表示间的关系 (2) 两表象的基矢之间关系
(3) 力学量在不同表象中的矩阵表示之间的关系
………………
(4)幺正变换
§6.4平均值,本征方程和Schrodinger equation 的矩阵形式 (1) 平均值
(2) 本征方程 第二十讲 (3)
dinger o
Schr &&equation ………………
§6.5 量子态的不同描述
(1) dinger o
Schr &&Picture
(2) Heisenberg Picture
第七章 自旋
§7.1 电子自旋存在的实验事实 第二十一讲
(1) Stern-Gerlach 实验
(2) 电子自旋存在的其他证据
………………
§7.2 自旋-微观客体的一个动力学变量
(1) 电子的自旋算符和它的矩阵表示 第二十二讲 (2) 考虑自旋后,状态和力学量的描述
………………
(3) 考虑自旋后,电子在中心势场中的薛定谔方程 §7.3 碱金属的双线结构 (1) 总角动量
(2) 碱金属的双线结构 第二十三讲 §7.4 两自旋为21的粒子的自旋波函数 (1) )S ,S (z 2z 1表象中两自旋为21
的粒子的自旋波函数
(2) )S ?,S ?(z
2表象中两自旋为21的粒子的自旋波函数
(3) Bell 基
………………
§7.5 Einstein-Podolsky-Rosen 佯谬和Bell 不等式 (1) Einstein-Podolsky-Rosen 佯谬
(2) Bell Inqualities 第二十四讲
§7.6 全同粒子交换不变性-波函数具有确定的交换对称性 (1) 交换不变性
(2) 全同粒子的波函数结构,泡利原理
………………
(3) 全同粒子的交换不变性的后果
第八章 量子力学中束缚态的近似方法 第二十五讲
§8.1 定态微扰论
(1) 非简并能级的微扰论 ………………
(2) 碱金属光谱的双线结构和反常塞曼效应第二十六讲
………………
(3) 简并能级的微扰论第二十七
………………
§8.2 变分法
(1) 体系的哈密顿量在某一试探波函数的平均值必大于等于体系基态能量 (2) Ritz变分法
(3) Hartree自洽场方法
第九章 含时间的微扰论-量子跃迁
§9.1 量子跃迁
(1) 含时间的微扰论 第二十八讲
(2) 跃迁几率
(3) 微扰引起的跃迁 ………………
(4) 磁共振
(5) 绝热近似 第二十九讲
(6) 贝利(Berry) 相位
………………
第十章 量子散射的近似方法
一般描述
玻恩近似;卢森堡散射 第三十讲
………………
有心势中的分波法和相移
共振散射 第三十一讲
全同粒子的散射
………………
总结及要求第三十二讲
………………
第四章 量子力学中的力学量
第四章目录 §4.1表示力学量算符的性质 (3) (1) 一般运算规则 (3) (2) 算符的对易性 (5) (3) 算符的厄密性(Hermiticity) (7) §4.2 厄密算符的本征值和本征函数 (10) (1) 厄密算符的本征值和本征函数 (10) (2) 厄密算符的本征值的本征函数性质 (12) §4.3 连续谱本征函数“归一化” (15) (1) 连续谱本征函数“归一化” (15) (2) δ函数 (18) (3) 本征函数的封闭性 (22) §4.4 算符的共同本征函数 (24) (1) 算符“涨落”之间的关系 (24) (2) 算符的共同本征函数组 (27) (3) 角动量的共同本征函数组―球谐函数 (28) (4) 力学量的完全集 (34) §4.5 力学量平均值随时间的变化,运动常数(守恒量),恩费斯脱定理(Ehrenfest Theorem) .36 (1) 力学量的平均值,随时间变化;运动常数 (36) (2) Vivial Theorem维里定理 (37) (3) 能量—时间测不准关系 (38) (4) 恩费斯脱定理(Ehrenfest Theorem) (38)
第四章 量子力学中的力学量 §4.1表示力学量算符的性质 (1) 一般运算规则 一个力学量如以算符O ?表示。它代表一运算,它作用于一个波函数时,将其变为另一波函数 )z ,y ,x ()z ,y ,x (O ??=ψ。 它代表一个变换,是将空间分布的几率振幅从 )z ,y ,x ()z ,y ,x (O ???→?ψ 例: /p ?ia x e O ?-=,于是 )x (e )x (O ?dx d a ψ=ψ- ∑∞ =ψ-=0n n n n )x (dx d !n )a ( )a x (-ψ= )x (?= 即将体系的几率分布沿x 方向移动距离a . A. 力学量算符至少是线性算符;量子力学方程是线性齐次方程。 由于态叠加原理,所以在量子力学中的算符应是线性算符。所谓线性算符,即 ψ=ψO ?c )c (O ? 22112211ψ+ψ=ψ+ψO ?c O ?c )c c (O ? 例如1: ψ=?ψ?H ? t i 若1ψ是方程解,2ψ也是方程解,则2211c c ψψ+是体系的可能解。事实上
量子物理课程教学大纲 一、课程说明 (一)课程名称、所属专业、课程性质、学分; 课程名称:量子物理 所属专业:材料物理 课程性质:专业基础课 学分:4 (二)课程简介、目标与任务; 课程简介: 量子理论和相对论是20世纪物理学取得的两个最伟大的进展之一,以研究微观物质运动规律为基本出发点建立的量子理论开辟了人类认识客观 世界运动规律的新途径,开创了物理学的新时代。 本课程着重介绍非相对论量子力学的基本概念、基本原理和基本方法。 首先从量子力学发展简史、黑体辐射实验等出发,讲述量子力学Schrodinger 方程和一维定态问题,着重讲述周期场和Bloch定理、能带结构。在此基础 上讲述量子力学的基本原理,包括波函数统计解释、线性厄米算符、本征值 问题、测不准关系、力学量完全集、Heisenberg方程等。中心力场部分主 要讲电磁场相互作用下氢原子的能级结构。矩阵力学主要讲力学量算符的矩 阵表示和本征值问题。定态微扰论和量子跃迁主要讲原子的几个效应和量子 系统在外场微扰情况下的光的吸收和辐射。最后讲多粒子全同性问题。 课程目标与任务: 1. 掌握微观粒子运动规律、量子力学的基本假设、基本原理和基本方 法。 2.掌握量子力学的基本近似方法及其对相关物理问题的处理。 3.掌握电子在周期势场情况下的运动规律,为学习固体物理打好基础。
(三)先修课程要求,与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接; 本课程需要学生先修《电磁学》、《光学》、《原子物理》、《数学物理方法》和《线性代数》等课程。《电磁学》和《光学》中的麦克斯韦理论最终统一了 光学和电磁学;揭示了任意温度物体都向外辐射电磁波的机制,它是19世纪 末人们研究黑体辐射的基本出发点,对理解本课程中的黑体辐射实验及紫外 灾难由于一定的帮助。《原子物理》中所学习的关于原子结构的经典与半经典 理论及其解释相关实验的困难是导致量子力学发展的主要动机之一。《数学物 理方法》中所学习的复变函数论和微分方程的解法都在量子力学中有广泛的 应用。《线性代数》中的线性空间结构的概念是量子力学希尔伯特空间的理论 基础,对理解本课程中的矩阵力学和表象变换都很有助益。 (四)教材与主要参考书。 [1] 钱伯初, 《理论力学教程》, 高等教育出版社; (教材) [2] 曾谨言,《量子力学》I,第四版,科学出版社, 2006年 [3] L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Non-relativistic Quantum Mechanics; [4] P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford University Press 1958; 二、课程内容与安排 第一章绪论 第一节量子论发展简史 第二节黑体辐射实验与Plank常数的量纲分析,原子物理中的量纲结构(一)教学方法与学时分配:课堂讲授;4学时 (二)内容及基本要求 主要内容:主要介绍量子力学的发展简史、研究对象和微观粒子的基本特性及其量纲分析。 【重点掌握】: 1.量子力学的实验基础:黑体辐射;光电效应;康普顿散射实验;电子晶体衍射 实验;
北京大学物理学院量子力学系列教学大纲 课程号: 00432214 新课号: PHY-1-044 课程名称:量子力学 开课学期:春、秋季 学分: 3 先修课程:普通物理(PHY-0-04*以上)、理论力学(PHY-1-051)、电动力学(PHY-1-043)基本目的:使得同学掌握量子力学的基本原理和初步的计算方法,适合于非物理类专业的同学选修。 内容提要: 1.量子力学基本原理:实验基础、Hilbert空间、波函数、薛定谔方程、算符、表象变换、对称性与守恒律 2.一维定态问题:一般讨论、自由粒子、一维方势阱、谐振子、一维势垒3.轨道角动量与中心势场定态问题:角动量对易关系、本征函数、中心势、三维方势阱、三维谐振子、氢原子 4. 量子力学中的近似方法:定态微扰论、跃迁、散射。 5.全同粒子与自旋:全同性原理、自旋的表述、自旋与统计的关系、两个自旋的耦合、磁场与自旋的相互作用 教学方式:课堂讲授 教材与参考书: 曾谨言,《量子力学教程》,北京大学出版社, 1999. 学生成绩评定方法:作业10%、笔试90% 课程号: 00432214 新课号: PHY-1-054 课程名称:量子力学I 开课学期:春、秋季 学分: 4 先修课程:普通物理(PHY-0-04*以上)、高等数学、数学物理方法(PHY-1-011或以上)基本目的: 使得同学掌握量子力学的基本理论框架和计算方法。适合物理学院各类型同学以及非物理类的相关专业同学选修。 内容提要: 1.量子力学基本原理:实验基础、Hilbert空间、波函数、薛定谔方程、算符、表象变换、对称性与守恒律 2.一维定态问题:一般讨论、自由粒子、一维方势阱、谐振子、一维势垒3.轨道角动量与中心势场定态问题:角动量对易关系、本征函数、中心势、
《量子力学》课程教学大纲 一、课程说明 (一)课程名称、所属专业、课程性质、学分; 课程名称:量子力学 所属专业:物理学专业 课程性质:专业基础课 学分:4 (二)课程简介、目标与任务; 课程简介: 量子理论是20世纪物理学取得的两个(相对论和量子理论)最伟大的进展之一,以研究微观物质运动规律为基本出发点建立的量子理论开辟了人 类认识客观世界运动规律的新途径,开创了物理学的新时代。 本课程着重介绍《量子力学》(非相对论)的基本概念、基本原理和基本方法。课程分为两大部分:第一部分主要是讲述量子力学的基本原理(公 设)及表述形式。在此基础上,逐步深入地让学生认识表述原理的数学结构, 如薛定谔波动力学、海森堡矩阵力学以及抽象表述的希尔伯特空间的代数结 构。本部分的主要内容包括:量子状态的描述、力学量的算符、量子力学中 的测量、运动方程和守恒律、量子力学的表述形式、多粒子体系的全同性原 理。第二部分主要是讲述量子力学的基本方法及其应用。在分析清楚各类基 本应用问题的物理内容基础上,掌握量子力学对一些基本问题的处理方法。 本篇主要内容包括:一维定态问题、氢原子问题、微扰方法对外场中的定态 问题和量子跃迁的处理以及弹性散射问题。 课程目标与任务: 1. 掌握微观粒子运动规律、量子力学的基本假设、基本原理和基本方 法。 2.掌握量子力学的基本近似方法及其对相关物理问题的处理。 3.了解量子力学所揭示的互补性认识论及其对人类认识论的贡献。
(三)先修课程要求,与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接; 本课程需要学生先修《电磁学》、《光学》、《原子物理》、《数学物理方法》和《线性代数》等课程。《电磁学》和《光学》中的麦克斯韦理论最终统一 了光学和电磁学;揭示了任意温度物体都向外辐射电磁波的机制,它是19 世纪末人们研究黑体辐射的基本出发点,对理解本课程中的黑体辐射实验及 紫外灾难由于一定的帮助。《原子物理》中所学习的关于原子结构的经典与 半经典理论及其解释相关实验的困难是导致量子力学发展的主要动机之一。 《数学物理方法》中所学习的复变函数论和微分方程的解法都在量子力学中 有广泛的应用。《线性代数》中的线性空间结构的概念是量子力学希尔伯特 空间的理论基础,对理解本课程中的矩阵力学和表象变换都很有助益。 (四)教材与主要参考书。 [1] 钱伯初, 《理论力学教程》, 高等教育出版社; (教材) [2] 苏汝铿, 《量子力学》, 高等教育出版社; [3] L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Non-relativistic Quantum Mechanics; [4] P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford University Press 1958; 二、课程内容与安排 第一章微观粒子状态的描述 第一节光的波粒二象性 第二节原子结构的玻尔理论 第三节微观粒子的波粒二象性 第四节量子力学的第一公设:波函数 (一)教学方法与学时分配:课堂讲授;6学时 (二)内容及基本要求 主要内容:主要介绍量子力学的实验基础、研究对象和微观粒子的基本特性及其状态描述。 【重点掌握】: 1.量子力学的实验基础:黑体辐射;光电效应;康普顿散射实验;电子晶体衍射
量子力学教学大纲 教学基本内容及学时分配(72学时) 第一章绪论(4学时) 1、课程的发展和改革状况;教材评介 2、量子理论发展简史 3、黑体辐射定律与普朗克常数 4、光子 5、玻尔量子论 6、德布罗意“物质波”假设 7、原子物理中的特征量(结合量纲分析法) 第二章波函数和薛定谔方程(8学时) 1、薛定谔方程 2、波函数的统计诠释;连续性方程 3、定态;有关一维束缚态的若干定理 4、一维平底势阱中的粒子(包括无限深势阱,有限深势阱, 势阱) 5、一维谐振子(微分方程解法) 6、势垒贯穿 第三章量子力学基本原理(16学时) 1、波函数和算符 2、态叠加原理 3、线性算符;常用力学量的算符表示 4、波函数的普遍诠释(力学量的取值及概率假设);平均值公式 5、动量(连续谱,箱归一化);连续谱一般的理论 6、力学量算符的对易关系 7、两个力学量算符的共同本征态 8、不确定关系(测不准关系) 9、波函数随时间的变化;演化算符
10、力学量随时间的变化;薛定谔图象和海森伯图象;守恒量;宇称 11、对称性和守恒定律 12、海尔曼—费曼定理和位力定理 第四章表象理论(8学时) 1、狄拉克态矢量概念;矢量空间 2、量子力学公式的矩阵表示 3、坐标表象;波函数 4、动量表象 5、能量表象;求和规则 6、谐振子(升降算符解法);相干态 7、角动量(升降算符解法) 第五章中心力场(7学时) 1、中心力场的一般概念 2、轨道角动量的本征函数 3、自由粒子波函数 4、球形势阱中的粒子;氘核 5、粒子在库仑场中的运动(束缚态);类氢离子;氢原子;与玻尔量子 论的比较 6、三维各向同性谐振子 7、二维中心力场 第六章扰论与变分法(6学时) 1、非简并态微扰论;应用举例 2、简并态微扰论;一级近似 3、氢原子能级在电场中的分裂 4、变分法;应用举例 第七章自旋(9学时)