Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1) - Ajoy Ghatak & S. Lokanathan

Khám phá thế giới lượng tử với "Cơ học lượng tử lý thuyết và ứng dụng, tập 1". Tìm hiểu sâu về nền tảng và ứng dụng của cơ học lượng tử.

Trường đại học

Indian Institute of Technology, New Delhi; University of Rajasthan, Jaipur

Chuyên ngành

Vật lý

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách

2004

906
2
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

Acknowledgements

Preface

Prologue

Chronological Development of Quantum Mechanics: A Very Brief Account

Physical Constants

1. Chapter 1: The Dirac Delta Function

2. Chapter 2: Fourier Transforms

3. Chapter 3: Particles and Waves and the Uncertainty Principle

4. Chapter 4: Time Dependent SchrOdinger Equation

5. Chapter 5: Propagation of Wave Packets and Concept of Group Velocity

6. Chapter 6: Bound State Solutions of the SchrOdinger Equation

7. Chapter 7: Linear Harmonic Oscillator: I Solution of the Schrbdinger Equation and Relationship with the Classical Oscillator

8. Chapter 8: One-Dimensional Barrier Transmission Problems

9. Chapter 9: Angular Momentum I-The Spherical Harmonics

10. Chapter 10: Spherically Symmetric Potentials Hydrogen Atom Problem, Rotation Vibration Spectra, Three-Dimensional Oscillator

11. Chapter 11: Dirac's Bra and Ket Algebra

12. Chapter 12: Linear Harmonic Oscillator II Solutions Using Bra and Ket Algebra

13. Chapter 13: Angular Momentum II Using Bra and Ket Algebra

14. Chapter 14: Experiments with Spin Half Particles The Stern-Gerlach Experiment, Larmor Precession and Magnetic Resonance

15. Chapter 15: Angular momentum III Eigenfunctions Using Operator Algebra

16. Chapter 16: The Double Well Potential and the Krbnig-Penney Model

17. Chapter 17: The JWKB Approximation

18. Chapter 18: Addition of Angular Momenta: The Clebsch-Gordan Coefficients

19. Chapter 19: Time Independent Perturbation Theory

20. Chapter 20: Effects of Magnetic Field

21. Chapter 21: The Variational Method

22. Chapter 22: The Helium Atom and the Exclusion Principle

23. Chapter 23: Some Select Topics

24. Chapter 24: Elementary Theory of Scattering

25. Chapter 25: Time Dependent Perturbation Theory

26. Chapter 26: The Semi-Classical Theory of Radiation and the Einstein Coefficients

27. Chapter 27: The Quantum Theory of Radiation and Its Interaction with Matter

28. Chapter 28: Relativistic Theory

Appendices

Index

Tóm tắt

I. Hướng dẫn nhập môn Cơ học lượng tử Lý thuyết và ứng dụng

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan, có hệ thống về chủ đề Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1), một lĩnh vực nền tảng của vật lý hiện đại. Nội dung được xây dựng dựa trên các nguyên tắc cơ bản, từ lịch sử hình thành đến các khái niệm cốt lõi, nhằm giúp người đọc, đặc biệt là sinh viên và người mới bắt đầu, có một lộ trình tiếp cận khoa học và hiệu quả. Mục tiêu là diễn giải những lý thuyết phức tạp như lưỡng tính sóng-hạtnguyên lý bất định Heisenberg một cách rõ ràng, đồng thời kết nối chúng với các ứng dụng thực tiễn. Tài liệu tham khảo chính, 'Quantum Mechanics: Theory and Applications' của Ajoy Ghatak và S. Lokanathan, là một giáo trình cơ học lượng tử uy tín, nhấn mạnh vào việc giải quyết vấn đề và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Victor F. Weisskopf, trong lời tựa của cuốn sách, đã khẳng định: 'không có nghi ngờ gì khi sự phát triển nổi bật nhất trong khoa học hiện đại là sự ra đời của cơ học lượng tử'. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nắm vững các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử. Bài viết sẽ đi sâu vào các chủ đề được đề cập trong sách, bao gồm các công cụ toán học sơ bộ, phương trình Schrödinger, và các bài toán về trạng thái liên kết. Qua đó, người đọc sẽ thấy được cách các lý thuyết trừu tượng này tạo ra nền tảng cho những công nghệ đột phá như máy tính lượng tửvật lý chất rắn.

1.1. Tổng quan về thế giới vật lý lượng tử

Thế giới vật lý lượng tử mô tả hành vi của vật chất và năng lượng ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Khác với vật lý cổ điển, nơi các đối tượng có vị trí và vận tốc xác định, cơ học lượng tử giới thiệu các khái niệm mang tính xác suất và gián đoạn. Nền tảng của nó được xây dựng trên các hằng số tự nhiên, đặc biệt là hằng số Planck (h), vốn là chìa khóa để hiểu về sự lượng tử hóa năng lượng. Các hạt hạ nguyên tử như photon và electron không hành xử như những quả cầu nhỏ, mà thể hiện lưỡng tính sóng-hạt – chúng vừa có thể là hạt, vừa có thể là sóng tùy thuộc vào cách quan sát. Sự ra đời của lý thuyết này đã giải quyết được những bí ẩn mà vật lý cổ điển không thể lý giải, chẳng hạn như phổ vạch của nguyên tử hay bức xạ vật đen.

1.2. Lịch sử phát triển và các nhà khoa học tiên phong

Lịch sử của cơ học lượng tử là một hành trình trí tuệ hấp dẫn bắt đầu từ đầu thế kỷ 20. Max Planck khởi xướng cuộc cách mạng vào năm 1900 với giả thuyết về lượng tử năng lượng để giải thích bức xạ vật đen. Tiếp đó, Albert Einstein vào năm 1905 đã đề xuất khái niệm lượng tử ánh sáng (photon) để giải thích hiệu ứng quang điện. Niels Bohr áp dụng ý tưởng này vào mô hình nguyên tử, giải thích thành công phổ vạch của hydro. Tuy nhiên, lý thuyết hoàn chỉnh chỉ thực sự hình thành vào giữa những năm 1920 với những đóng góp đột phá của Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, và Max Born. Họ đã xây dựng nên bộ khung toán học vững chắc, bao gồm cơ học ma trận và cơ học sóng, thống nhất trong một lý thuyết duy nhất mà ngày nay được gọi là cơ học lượng tử.

II. Bí ẩn Cơ học lượng tử Tại sao lý thuyết phá vỡ trực giác

Một trong những thách thức lớn nhất khi tiếp cận Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1) là các nguyên lý của nó đi ngược lại hoàn toàn với kinh nghiệm và trực giác hàng ngày. Vật lý cổ điển của Newton mô tả một thế giới có thể dự đoán được, nhưng thế giới vi mô lại vận hành theo những quy luật hoàn toàn khác. Khái niệm một vật thể có thể tồn tại ở nhiều nơi cùng lúc (trạng thái chồng chập) hay việc đo lường một thuộc tính sẽ ảnh hưởng ngay lập tức đến một thuộc tính khác (nguyên lý bất định Heisenberg) là những ý tưởng phi trực giác. Hơn nữa, hiện tượng vướng víu lượng tử, được Einstein gọi là 'hành động ma quái từ xa', cho thấy hai hạt có thể liên kết với nhau bất kể khoảng cách. Cuốn sách của Ghatak và Lokanathan không né tránh những khía cạnh 'kỳ lạ' này. Thay vào đó, nó trình bày một cách có hệ thống cơ sở toán học và bằng chứng thực nghiệm củng cố cho những lý thuyết này. Việc hiểu được tại sao trực giác của chúng ta thất bại ở cấp độ lượng tử là bước đầu tiên để nắm bắt được bản chất thực sự của vũ trụ. Đây không phải là sự yếu kém của lý thuyết, mà là sự phản ánh một thực tại sâu sắc hơn, nơi các khái niệm như vị trí, vận tốc, và thậm chí cả sự tồn tại, đều mang một ý nghĩa mới và phức tạp hơn.

2.1. Phân tích lưỡng tính sóng hạt của vật chất

Khái niệm trung tâm và gây bối rối nhất chính là lưỡng tính sóng-hạt. Louis de Broglie đã đề xuất rằng không chỉ ánh sáng, mà mọi vật chất, kể cả các hạt như electron, cũng sở hữu cả hai đặc tính này. Một electron có thể hành xử như một hạt điểm khi va chạm, nhưng cũng có thể nhiễu xạ như một sóng khi đi qua khe hẹp. Điều này không có nghĩa là electron 'vừa là sóng vừa là hạt' theo cách hiểu thông thường. Thay vào đó, nó là một thực thể lượng tử chỉ có thể được mô tả đầy đủ bởi một hàm sóng. Bình phương biên độ của hàm sóng này cho biết xác suất tìm thấy hạt tại một vị trí cụ thể. Thí nghiệm hai khe là minh chứng kinh điển cho thấy một electron duy nhất có thể tự giao thoa với chính nó, một hành vi chỉ có thể giải thích bằng bản chất sóng.

2.2. Giải mã Nguyên lý bất định Heisenberg

Năm 1927, Werner Heisenberg đã phát biểu Nguyên lý bất định Heisenberg, một trụ cột của cơ học lượng tử. Nguyên lý này khẳng định rằng không thể xác định đồng thời chính xác cả vị trí và động lượng của một hạt. Càng đo chính xác vị trí, thông tin về động lượng càng trở nên mờ mịt, và ngược lại. Đây không phải là một hạn chế do thiết bị đo không hoàn hảo, mà là một đặc tính nội tại của tự nhiên. Bản chất sóng của hạt chính là nguyên nhân: một sóng có bước sóng xác định (động lượng xác định) thì phải trải dài vô tận trong không gian (vị trí bất định). Ngược lại, để định vị hạt trong một vùng không gian hẹp, cần phải chồng chập nhiều sóng có bước sóng khác nhau, dẫn đến động lượng trở nên bất định. Nguyên lý này có ý nghĩa sâu sắc, đặt ra giới hạn cho những gì chúng ta có thể biết về thế giới vi mô.

III. Nền tảng Cơ học lượng tử Lý thuyết qua phương trình cốt lõi

Để hiểu sâu về Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1), việc nắm vững các công cụ toán học là điều kiện tiên quyết. Cuốn sách của Ghatak dành phần đầu để giới thiệu các khái niệm như hàm delta Dirac và biến đổi Fourier, là những ngôn ngữ không thể thiếu trong vật lý lượng tử. Trái tim của lý thuyết này nằm ở phương trình Schrödinger, một phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả sự tiến hóa của hàm sóng theo thời gian. Giải phương trình này cho một hệ cụ thể (như nguyên tử hydro) sẽ cho ra các trạng thái năng lượng gián đoạn và các hàm sóng tương ứng, hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm. Ngoài ra, cuốn sách cũng giới thiệu một cách tiếp cận trừu tượng và mạnh mẽ hơn thông qua ký hiệu bra-ket của Dirac. Phương pháp này cho phép các nhà vật lý làm việc với các trạng thái và toán tử trong một không gian Hilbert trừu tượng, giúp đơn giản hóa nhiều phép tính phức tạp, đặc biệt là trong các bài toán về moment động lượng và spin lượng tử. Việc thành thạo các phương pháp này không chỉ giúp giải quyết các bài toán học thuật mà còn cung cấp nền tảng để hiểu các lý thuyết tiên tiến hơn như hóa học lượng tử và lý thuyết trường lượng tử.

3.1. Vai trò của phương trình Schrödinger trong vật lý lượng tử

Phương trình Schrödinger là một trong những phương trình quan trọng nhất trong toàn bộ vật lý học. Được Erwin Schrödinger xây dựng vào năm 1926, nó đóng vai trò tương tự như định luật II Newton trong cơ học cổ điển. Phương trình này mô tả cách hàm sóng của một hệ lượng tử thay đổi theo thời gian dưới tác động của một thế năng nhất định. Các nghiệm của phương trình Schrödinger không phụ thuộc thời gian cho ra các trạng thái dừng (stationary states) với các mức năng lượng xác định (gián đoạn), giải thích tại sao nguyên tử chỉ phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng ở những tần số cụ thể. Đây là công cụ cơ bản để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, phân tử, và các hệ trong vật lý chất rắn.

3.2. Ký hiệu Bra ket của Dirac Ngôn ngữ của thế giới lượng tử

Paul Dirac đã giới thiệu ký hiệu bra-ket (⟨bra| và |ket⟩) để biểu diễn các trạng thái lượng tử dưới dạng vector trong một không gian vector phức trừu tượng gọi là không gian Hilbert. |ket⟩ (ket) biểu diễn một trạng thái lượng tử, trong khi ⟨bra| (bra) là liên hợp phức của nó. Ký hiệu này giúp đơn giản hóa đáng kể các phép tính và làm nổi bật cấu trúc toán học cơ bản của lý thuyết. Ví dụ, xác suất chuyển từ trạng thái |ψ⟩ sang trạng thái |φ⟩ được tính bằng |⟨φ|ψ⟩|². Phương pháp này đặc biệt hữu ích khi xử lý các khái niệm như spin lượng tử và moment động lượng, nơi mà biểu diễn bằng hàm sóng trở nên cồng kềnh. Đây là ngôn ngữ tiêu chuẩn trong các nghiên cứu nâng cao về cơ học lượng tử.

IV. Khám phá hiện tượng Cơ học lượng tử kỳ lạ và lý thuyết

Thế giới lượng tử chứa đầy những hiện tượng thách thức sự hiểu biết thông thường, và Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1) đưa người đọc vào một hành trình khám phá chúng. Một trong những hiện tượng nổi tiếng nhất là vướng víu lượng tử (quantum entanglement), nơi hai hay nhiều hạt được liên kết với nhau theo một cách đặc biệt. Trạng thái của một hạt ngay lập tức ảnh hưởng đến trạng thái của hạt kia, dù chúng cách xa nhau hàng năm ánh sáng. Hiện tượng này là nền tảng cho các công nghệ đột phá như máy tính lượng tửmật mã lượng tử. Một hiện tượng kỳ lạ khác là đường hầm lượng tử (quantum tunneling), cho phép một hạt vượt qua một rào cản thế năng mà theo vật lý cổ điển nó không đủ năng lượng để làm vậy. Hiện tượng này giải thích sự phân rã alpha trong vật lý hạt nhân và là nguyên lý hoạt động của kính hiển vi quét chui hầm. Ngoài ra, khái niệm về spin lượng tử cũng là một đặc tính thuần túy lượng tử, không có sự tương đồng trong thế giới cổ điển. Thí nghiệm Stern-Gerlach đã chứng minh một cách hùng hồn rằng spin của electron là gián đoạn, chỉ có thể nhận hai giá trị 'lên' hoặc 'xuống'.

4.1. Vướng víu lượng tử Quantum Entanglement và nghịch lý EPR

Vướng víu lượng tử xảy ra khi hàm sóng của nhiều hạt không thể được mô tả một cách độc lập, ngay cả khi chúng bị tách xa nhau. Việc đo lường một thuộc tính (ví dụ: spin) của một hạt sẽ ngay lập tức xác định giá trị tương ứng của hạt kia. Einstein, Podolsky và Rosen (EPR) đã sử dụng hiện tượng này để tranh luận rằng cơ học lượng tử là một lý thuyết chưa hoàn chỉnh. Tuy nhiên, các thí nghiệm sau này, đặc biệt là của John Bell và Alain Aspect, đã chứng minh rằng các mối tương quan này là có thật và không thể giải thích bằng các biến ẩn cục bộ, xác nhận tính phi cục bộ của tự nhiên ở cấp độ lượng tử. Đây là nguồn tài nguyên quý giá cho điện toán và truyền thông lượng tử.

4.2. Hiệu ứng đường hầm lượng tử và các ứng dụng bất ngờ

Theo cơ học cổ điển, một quả bóng không thể lăn qua một ngọn đồi nếu không có đủ năng lượng. Nhưng trong thế giới lượng tử, một hạt như electron có thể 'chui hầm' qua một rào cản năng lượng. Điều này là do hàm sóng của hạt không bị triệt tiêu hoàn toàn bên trong rào cản, mà có một phần nhỏ 'rò rỉ' ra phía bên kia. Xác suất xảy ra hiện tượng đường hầm lượng tử phụ thuộc vào độ dày và độ cao của rào cản. Hiệu ứng này không chỉ quan trọng trong phân rã hạt nhân mà còn là nguyên lý cơ bản của các linh kiện bán dẫn như diode tunnel và bộ nhớ flash, cũng như phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi Mặt Trời.

V. Cách ứng dụng Cơ học lượng tử thay đổi công nghệ hiện đại

Mặc dù các lý thuyết của cơ học lượng tử có vẻ trừu tượng, chúng lại là nền tảng cho hầu hết các công nghệ hiện đại. Cuốn Cơ học lượng tử: Lý thuyết và ứng dụng (Vol 1) nhấn mạnh mạnh mẽ vào khía cạnh ứng dụng này. Toàn bộ cuộc cách mạng công nghệ thông tin dựa trên các linh kiện bán dẫn (transistor, microchip), mà hoạt động của chúng chỉ có thể được giải thích thông qua lý thuyết vùng năng lượng trong vật lý chất rắn – một ứng dụng trực tiếp của phương trình Schrödinger cho các mạng tinh thể. Laser, một công cụ không thể thiếu trong y học, công nghiệp và truyền thông, hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích do Einstein đề xuất từ nền tảng lượng tử. Y học hiện đại cũng được hưởng lợi từ các công nghệ như Chụp cộng hưởng từ (MRI), vốn khai thác thuộc tính spin lượng tử của hạt nhân nguyên tử. Bước sang thế kỷ 21, một làn sóng công nghệ mới dựa trên các hiệu ứng lượng tử tinh vi hơn đang nổi lên. Máy tính lượng tử hứa hẹn khả năng tính toán vượt xa siêu máy tính cổ điển, trong khi mật mã lượng tử cung cấp một phương thức truyền thông an toàn tuyệt đối về mặt lý thuyết. Những tiến bộ này cho thấy sự hiểu biết về cơ học lượng tử không chỉ là một bài tập trí tuệ mà còn là chìa khóa mở ra tương lai công nghệ.

5.1. Máy tính lượng tử Tương lai của ngành công nghệ thông tin

Máy tính lượng tử khai thác các nguyên lý như trạng thái chồng chậpvướng víu lượng tử để xử lý thông tin. Thay vì bit (0 hoặc 1), nó sử dụng qubit, có thể tồn tại ở trạng thái kết hợp của cả 0 và 1 cùng một lúc. Điều này cho phép máy tính lượng tử thực hiện song song một số lượng lớn các phép tính. Mặc dù vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, công nghệ này có tiềm năng cách mạng hóa các lĩnh vực như phát triển dược phẩm, khoa học vật liệu, tài chính và trí tuệ nhân tạo bằng cách giải quyết các bài toán hiện đang nằm ngoài khả năng của máy tính mạnh nhất hiện nay.

5.2. Mật mã lượng tử Phương pháp bảo mật thông tin tuyệt đối

An ninh thông tin là một vấn đề quan trọng trong thế giới số. Mật mã lượng tử, cụ thể là phân phối khóa lượng tử (QKD), cung cấp một giải pháp bảo mật dựa trên các định luật vật lý cơ bản. Nguyên tắc cốt lõi là việc đo lường một trạng thái lượng tử (ví dụ: phân cực của một photon) sẽ làm thay đổi trạng thái đó. Bất kỳ hành vi nghe lén nào trên kênh truyền thông sẽ để lại dấu vết có thể phát hiện được. Điều này đảm bảo rằng hai bên có thể tạo ra và chia sẻ một khóa mã hóa bí mật một cách an toàn. Đây là một ứng dụng trực tiếp của nguyên lý bất định Heisenberg và nguyên lý không nhân bản (no-cloning theorem) trong thực tiễn.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Quantum Mechanics: Theory and Applications I cannot tell how the truth may be I say the tale as it was said to me --- Sir Walter Scott www.com Fundamental Theories of Physics An International Book Series on The Fundamental Theories of Physics: Their Clarification, Development and Application Editor: ALWYN VAN DER MERWE, University ()f Denver, US. Editorial Advisory Board: JAMES T. CUSHING, University of Notre Dame, US. GIANCARLO GHIRARDI, University of Trieste, Italy LAWRENCE P.

HORWITZ, Tel-Aviv University, Israel BRIAN D. JOSEPHSON, University of Cambridge, UK. CLIVE KILMISTER, University (~f London, UK. LAHTI, University ofTurku, Finland ASHER PERES, Israel Institute ()fTechnology, Israel EDUARD PRUGOVECKI, University of Toronto, Canada TONY SUDBURY, University ()fYork, u.

HANS-JURGEN TREDER, Zentralinstitutfiir Astrophysik der Akademie der Wissenschaften, Germany Volume 137 www.com Quantum Mechanics: Theory and Applications by Ajoy Ghatak Indian Institute of Technology New Delhi, India and S. Lokanathan Jawahar Lal Nehru Planetarium, Bangalore, India SPRINGER SCIENCE+ BUSINESS MEDIA, B. Catalogue record for this book is available from the Library of Congress. ISBN 978-1-4020-2129-9 ISBN 978-1-4020-2130-5 (eBook) DOI 10.1007/978-1-4020-2130-5 Printed on acidJree paper All Rights Reserved © 2004 Springer Science+Business Media Dordrecht Originally published by Kluwer Academic Publishers in 2004 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 2004 No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, microfilming, recording or otherwise, without written permission from the Publisher, with the exception of any material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work.com To our teachers: Professor H.

Kothari Professor RC. Majumdar Professor R Serber www.com Table of Contents Acknow ledgements ix Preface Xl Prologue XV Chronological Development of Quantum Mechanics: A Very Brief Account xli Physical Constants xlvii Part I: Mathematical Preliminaries Chapter I: The Dirac Delta Function 3 Chapter 2: Fourier Transforms 19 Part II: Basic Quantum Mechanics Chapter 3: Particles and Waves and the Uncertainty Principle 31 Chapter 4: Time Dependent Schrbdinger Equation 71 Chapter 5: Propagation of Wave Packets and Concept of Group Velocity 89 Chapter 6: Bound State Solutions of the SchrOdinger Equation lIS Chapter 7: Linear Harmonic Oscillator: I Solution of the Schrbdinger Equation and Relationship with the Classical Oscillator 159 Chapter 8: One-Dimensional Barrier Transmission Problems 197 Chapter 9: Angular Momentum I-The Spherical Harmonics 221 Chapter 10: Spherically Symmetric Potentials Hydrogen Atom Problem, Rotation Vibration Spectra, Three-Dimensional Oscillator 245 Chapter 11: Dirac's Bra and Ket Algebra 291 Chapter 12: Linear Harmonic Oscillator II Solutions Using Bra and Ket Algebra 308 Vll www.com viii Chapter 13: Angular Momentum II Using Bra and Ket Algebra 339 Chapter 14: Experiments with Spin Half Particles The Stern-Gerlach Experiment, Larmor Precession and Magnetic Resonance 357 Chapter 15: Angular momentum III Eigenfunctions Using Operator Algebra 389 Chapter 16: The Double Well Potential and the Krbnig-Penney Model 401 Chapter 17: The JWKB Approximation 423 Chapter 18: Addition of Angular Momenta: The Clebsch-Gordan Coefficients 478 Chapter 19: Time Independent Perturbation Theory 493 Chapter 20: Effects of Magnetic Field 534 Chapter 21: The Variational Method 560 Chapter 22: The Helium Atom and the Exclusion Principle 579 Chapter 23: Some Select Topics 598 Chapter 24: Elementary Theory of Scattering 625 Chapter 25: Time Dependent Perturbation Theory 676 Chapter 26: The Semi-Classical Theory of Radiation and the Einstein Coefficients 716 Chapter 27: The Quantum Theory of Radiation and Its Interaction with Matter 742 Chapter 28: Relativistic Theory 779 Appendices 809 Index 855 www.com Acknow ledgements We are indebted to our colleagues at lIT Delhi and at Rajasthan University for many enlightening discussions related to many aspects of quantum mechanics. We are indebted to various authors and publishers for their permissions to use material from their publications. We are very grateful to Professor Victor F.

Weis- skopf and W. for allowing us to reprint the essay What is Quan- tum Mechanics-in fact, Professor V. Lakshminarayanan of University of Mis- souri at St. Louis had brought to our attention the essay by Professor Weisskopf.

We express our gratitude to the Niels Bohr Archives in Copenhagen for provid- ing the original photograph on the Stem-Gerlach experiment. We are also grate- ful to Addison-Wesley Publishing Co., Reading; Mc-Graw-Hill Book Co., New York; Oliver and Boyd Ltd., Edinburgh; Oxford University Press, Oxford; Penguin Books Ltd., Middlesex and Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs for permission to adapt figures, tables and a few analysis from the following books: G. Baym, Lec- tures on Quantum Mechanics, Addison-Wesley (1969); P. Dirac, Principles of Quantum Mechanics, Oxford University Press (1958); H.

Enge, Introduction to Nuclear Physics, Addison-Wesley (1966); R. Sands, The Feynman Lectures on Physics, Vol. III, Addison-Wesley (1965); LS. Hughes, Elementary Particles, Penguin (1972); v.

Galit- sky, Problems in Quantum Mechanics, Prentice-Hall (1963); R. Cunningham, Quantum Mechanics, Oliver and Boyd (1967); L. Wilson, Introduction to Quantum Mechanics, McGraw-HilI (1935); L. Schiff, Quantum Mechanics, McGraw-Hili (1955); N.

PomiIla, Atomic Theory, McGraw-Hili (1969). We are very grateful to Mr Monish Das, Dr. Rajeev Jindal, Dr. Vipul Rastogi, Dr.

Mukesh Pratap Singh and Mr Prem Bhawnani for their help in creating some of the figures using GNUPLOT and Mathematica. We also thank Mr. Norman Lim of National University of Singapore for carrying out numerical calculations associ- ated with some of the figures in Chapter 8. We are also grateful to Mr Monish Das, Mr Prem Bhawnani and Mrs.

Bhawna Bhardwaj, for their help in the preparation of the manuscript. We end with the quotation (which we found in a book by G. Squires): I have learnt much from my teachers, but more from my pupils. To all our pupils, we owe a very special debt.

Lokanathan IX www.com Preface Quantum mechanics has long been recognized as an essential ingredient in the training of a student in Physics, Chemistry and Electrical Engineering. No matter which specialization the student chooses in his later career, it is necessary for him to develop not merely an understanding of the basic principles of quantum mechanics but an ability to apply these principles in his field. Textbooks on quantum mechanics addressed to students at under-graduate and post-graduate levels generally have few solved problems; moreover, the problems suggested are largely of an academic nature with a greater emphasis on theory than on applications. This book makes an attempt to present the basic concepts in quan- tum mechanics with emphasis on applications in other areas like nuclear physics, astrophysics, solid state physics, quantum optics, etc.

Each chapter is followed by a number of problems. The solutions to most of these problems have been given at the end of the chapter. This will enable the student to refer to the solutions when necessary and at the same time provide him an opportunity, if he so wishes, to solve some or all of these problems by himself before consulting the solutions. The emphasis has not been on rigour but on making results plausible and helping the students to become familiar with methods for solving problems.

The book has evolved from lectures given by the authors (to students of physics and engineering) at the Indian Institute of Technology, New Delhi and at University of Rajasthan, Jaipur. As a prologue to the book we have reprinted an essay, 'What is Quantum Mechanics?', by Professor Victor F. It is so well written that we felt it would motivate the reader to learn more of this fascinating subject. Following the prologue are two short chapters on mathematical preliminaries-one on the Dirac delta function and the other on Fourier transforms.

The two topics are so extensively used in quantum mechanics that even if the students are familiar with them, it would be of great advantage to discuss these topics (again) in about two to three lectures right in the beginning of the course. After the mathematical preliminaries, we have discussed (in Chapter 3) wave- particle duality and the uncertainty principle. In Chapter 4, we have introduced the SchrOdinger equation and in Chapter 5, we have discussed the solutions of the SchrOdinger equation corresponding to a free particle leading to a study of the time evolution of a wave packet. In Chapter 6 bound state solutions of the Schrodinger equation are discussed.com xu We have given a somewhat lengthy account of the Dirac notation of bras and kets; since this is used frequently in advanced work, it was felt that the student would benefit greatly if he became familiar with it right at the beginning.

Imme- diately after solving the SchrOdinger equation for the linear harmonic oscillator problem (Chapter 7), we usually introduce Dirac's bra and ket algebra (Chapter 11) and then solve again the linear harmonic oscillator problem using the bra-ket algebra (Chapter 12). It is then very straightforward to study the time evolution of the coherent state and its relationship with the classical oscillator; such an analysis brings out many salient aspects of quantum mechanics. After this, we usually discuss the angular momentum problem in detail (Chapters 9, 13 and 15), which allows us to obtain very elegantly the expressions for spherical harmonics. We then obtain solutions of the Schrodinger equation for spherically symmetric potentials-in particular, for the hydrogen atom problem and for the three- dimen- sional isotropic oscillator problem (Chapter 10).

Chapter 14 is on the Stern-Gerlach experiment which is indeed one of the most beautiful experiments in quantum mechanics. The principle of magnetic resonance has also been discussed and, in the process, we have been able to give an exact solution of the Schrodinger equation corresponding to a time dependent Hamiltonian. The chapter also has a short essay on the EPR Paradox. Chapter 16 discusses the double well problem and also the Kronig-Penney model.

In Chapter 17 we have also given a detailed account of the JWKB solu- tions of the SchrOdinger equation; the JWKB methodology represents one of the very powerful approximate methods that is extensively used not only in quantum mechanics but also in many other areas. The first seventeen chapters have been developed into a video course which is now available through FITT (Foundation for Innovation & Technology Transfer) at lIT, New Delhi. Chapter 18 discusses addition of angular momenta and introduces the Clebsch- Gordan coefficients. Chapters 19, 20, 2 I and 22 discuss time independent pertur- bation theory, effects of magnetic fields, the variational method and the Helium atom.

In Chapter 23, we have given a detailed discussion of some select topics which range from the concept of quasi-bound states to the Thomas-Fermi model of the atom. Chapters 24, 25, 26 and 27 discuss the elementary theory of scattering, time dependent perturbation theory, the semi-classical theory of radiation and the quan- tum theory of radiation. Finally in Chapter 28, the Dirac equation and some of its solutions are discussed. In order to have a better appreciation of the theory, most of the figures corre- spond to actual numerical calculations; these were generated using GNUPLOT and Mathematica.

We do hope the reader enjoys going through the book; we would greatly appre- ciate receiving suggestions for further improvement.com xiii We have dedicated this book to Professor H. Bethe who taught one of us (AG) at Cornell, to Professor R. Serber who taught the other (SL) at Columbia, and to Professor D. Kothari and Professor R.

Majumdar who taught both of us at Delhi University. To them we would like to extend our gratitude and respect for introducing us to the most beautiful subject in science.com Prologue * What is quantum mechanics? Victor F. Weisskopf There is no doubt that the most outstanding development in modern science was the conception of quantum mechanics. It showed, better than anything else, the human capability to comprehend the fundamental principles that underlie the world in which we live-even when these principles run contrary to our experience in dealing with our everyday environment.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ