Cơ học lượng tử: Nguyên lý, Ứng dụng - Ấn bản lần 2 (Nouredine Zettili)

Tài liệu nghiên cứu Quantum mechanics concepts and appliocation 2nd, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

Trường đại học

Jacksonville State University

Chuyên ngành

Quantum Mechanics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

book

2009

691
2
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

Preface to the Second Edition

Preface to the First Edition

Note to the Student

1. Origins of Quantum Physics

1.2. Particle Aspect of Radiation

1.3. Wave Aspect of Particles

1.3.1. de Broglie’s Hypothesis: Matter Waves

1.3.2. Experimental Confirmation of de Broglie’s Hypothesis

1.3.3. Matter Waves for Macroscopic Objects

1.4. Particles versus Waves

1.4.1. Classical View of Particles and Waves

1.4.2. Quantum View of Particles and Waves

1.4.3. Wave–Particle Duality: Complementarity

1.4.4. Principle of Linear Superposition

1.5. Indeterministic Nature of the Microphysical World

1.5.1. Heisenberg’s Uncertainty Principle

1.6. Atomic Transitions and Spectroscopy

1.6.1. Rutherford Planetary Model of the Atom

1.6.2. Bohr Model of the Hydrogen Atom

1.7. Localized Wave Packets

1.7.2. Wave Packets and the Uncertainty Relations

1.7.3. Motion of Wave Packets

2. Mathematical Tools of Quantum Mechanics

2.2. The Hilbert Space and Wave Functions

2.2.1. The Linear Vector Space

2.2.2. The Hilbert Space

2.2.3. Dimension and Basis of a Vector Space

2.2.4. Square-Integrable Functions: Wave Functions

2.2.5. Uncertainty Relation between Two Operators

2.2.6. Functions of Operators

2.2.7. Inverse and Unitary Operators

2.2.8. Eigenvalues and Eigenvectors of an Operator

2.2.9. Infinitesimal and Finite Unitary Transformations

2.5. Representation in Discrete Bases

2.5.1. Matrix Representation of Kets, Bras, and Operators

2.5.2. Change of Bases and Unitary Transformations

2.5.3. Matrix Representation of the Eigenvalue Problem

2.6. Representation in Continuous Bases

2.6.4. Connecting the Position and Momentum Representations

2.7. Matrix and Wave Mechanics

3. Postulates of Quantum Mechanics

3.2. The Basic Postulates of Quantum Mechanics

3.2.2. The Superposition Principle

3.3. The State of a System

3.4. Observables and Operators

3.5. Measurement in Quantum Mechanics

3.5.1. How Measurements Disturb Systems

3.5.3. Complete Sets of Commuting Operators (CSCO)

3.5.4. Measurement and the Uncertainty Relations

3.6. Time Evolution of the System’s State

3.6.1. Time Evolution Operator

3.6.2. Stationary States: Time-Independent Potentials

3.6.3. Schrödinger Equation and Wave Packets

3.6.4. The Conservation of Probability

3.6.5. Time Evolution of Expectation Values

3.7. Symmetries and Conservation Laws

3.7.1. Infinitesimal Unitary Transformations

3.7.2. Finite Unitary Transformations

3.7.3. Symmetries and Conservation Laws

3.8. Connecting Quantum to Classical Mechanics

3.8.1. Poisson Brackets and Commutators

3.8.2. The Ehrenfest Theorem

3.8.3. Quantum Mechanics and Classical Mechanics

4. One-Dimensional Problems

4.2. Properties of One-Dimensional Motion

4.2.4. Symmetric Potentials and Parity

4.3. The Free Particle: Continuous States

4.4. The Potential Step

4.5. The Potential Barrier and Well

4.5.2. The Case E V0 : Tunneling

4.5.3. The Tunneling Effect

4.6. The Infinite Square Well Potential

4.6.1. The Asymmetric Square Well

4.6.2. The Symmetric Potential Well

4.7. The Finite Square Well Potential

4.7.1. The Scattering Solutions (E V0 )

4.7.2. The Bound State Solutions (0 E V0 )

4.8. The Harmonic Oscillator

4.8.3. Energy Eigenstates in Position Space

4.8.4. The Matrix Representation of Various Operators

4.8.5. Expectation Values of Various Operators

4.9. Numerical Solution of the Schrödinger Equation

5. Angular Momentum

5.2. Orbital Angular Momentum

5.3. General Formalism of Angular Momentum

5.4. Matrix Representation of Angular Momentum

5.5. Geometrical Representation of Angular Momentum

5.6. Spin Angular Momentum

5.6.1. Experimental Evidence of the Spin

5.6.2. General Theory of Spin

5.6.3. Spin 1 2 and the Pauli Matrices

5.7. Eigenfunctions of Orbital Angular Momentum

5.7.1. Eigenfunctions and Eigenvalues of L z

5.7.3. Properties of the Spherical Harmonics

6. Three-Dimensional Problems

6.2. 3D Problems in Cartesian Coordinates

6.2.1. General Treatment: Separation of Variables

6.2.2. The Free Particle

6.2.3. The Box Potential

6.2.4. The Harmonic Oscillator

6.3. 3D Problems in Spherical Coordinates

6.3.1. Central Potential: General Treatment

6.3.2. The Free Particle in Spherical Coordinates

6.3.3. The Spherical Square Well Potential

6.3.4. The Isotropic Harmonic Oscillator

6.3.5. The Hydrogen Atom

6.3.6. Effect of Magnetic Fields on Central Potentials

7. Rotations and Addition of Angular Momenta

7.1. Rotations in Classical Physics

7.2. Rotations in Quantum Mechanics

7.2.3. Properties of the Rotation Operator

7.2.5. Representation of the Rotation Operator

7.2.6. Rotation Matrices and the Spherical Harmonics

7.3. Addition of Angular Momenta

7.3.1. Addition of Two Angular Momenta: General Formalism

7.3.2. Calculation of the Clebsch–Gordan Coefficients

7.3.3. Coupling of Orbital and Spin Angular Momenta

7.3.4. Addition of More Than Two Angular Momenta

7.3.5. Rotation Matrices for Coupling Two Angular Momenta

7.4. Scalar, Vector, and Tensor Operators

7.4.3. Tensor Operators: Reducible and Irreducible Tensors

7.4.4. Wigner–Eckart Theorem for Spherical Tensor Operators

8. Many-Particle Systems and Identical Particles

8.1. Many-Particle Systems

8.1.1. Schrödinger Equation

8.1.3. Systems of Distinguishable Noninteracting Particles

8.2. Systems of Identical Particles

8.2.1. Identical Particles in Classical and Quantum Mechanics

8.2.4. Constructing Symmetric and Antisymmetric Functions

8.2.5. Systems of Identical Noninteracting Particles

8.3. The Pauli Exclusion Principle

8.4. The Exclusion Principle and the Periodic Table

9. Approximation Methods for Stationary States

9.2. Time-Independent Perturbation Theory

9.2.1. Nondegenerate Perturbation Theory

9.2.2. Degenerate Perturbation Theory

9.2.3. Fine Structure and the Anomalous Zeeman Effect

9.3. The Variational Method

9.4. The Wentzel–Kramers–Brillouin Method

9.4.2. Bound States for Potential Wells with No Rigid Walls

9.4.3. Bound States for Potential Wells with One Rigid Wall

9.4.4. Bound States for Potential Wells with Two Rigid Walls

9.4.5. Tunneling through a Potential Barrier

10. Time-Dependent Perturbation Theory

10.2. The Pictures of Quantum Mechanics

10.2.1. The Schrödinger Picture

10.2.2. The Heisenberg Picture

10.2.3. The Interaction Picture

10.3. Time-Dependent Perturbation Theory

10.3.2. Transition Probability for a Constant Perturbation

10.3.3. Transition Probability for a Harmonic Perturbation

10.4. Adiabatic and Sudden Approximations

10.5. Interaction of Atoms with Radiation

10.5.1. Classical Treatment of the Incident Radiation

10.5.2. Quantization of the Electromagnetic Field

10.5.3. Transition Rates for Absorption and Emission of Radiation

10.5.4. Transition Rates within the Dipole Approximation

10.5.5. The Electric Dipole Selection Rules

11. Scattering Theory

11.1. Scattering and Cross Section

11.1.1. Connecting the Angles in the Lab and CM frames

11.1.2. Connecting the Lab and CM Cross Sections

11.2. Scattering Amplitude of Spinless Particles

11.2.1. Scattering Amplitude and Differential Cross Section

11.3. The Born Approximation

11.3.1. The First Born Approximation

11.3.2. Validity of the First Born Approximation

11.4. Partial Wave Analysis

11.4.1. Partial Wave Analysis for Elastic Scattering

11.4.2. Partial Wave Analysis for Inelastic Scattering

11.5. Scattering of Identical Particles

A The Delta Function

A.1. One-Dimensional Delta Function

A.1.1. Various Definitions of the Delta Function

A.1.2. Properties of the Delta Function

A.1.3. Derivative of the Delta Function

A.2. Three-Dimensional Delta Function

B Angular Momentum in Spherical Coordinates

B.1. Derivation of Some General Relations

B.2. Gradient and Laplacian in Spherical Coordinates

B.3. Angular Momentum in Spherical Coordinates

C C++ Code for Solving the Schrödinger Equation

Index

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Cơ Học Lượng Tử Khám Phá Thế Giới Vi Mô

Cơ học lượng tử là nền tảng lý thuyết mô tả hành vi của vật chất ở cấp độ nguyên tử và dưới nguyên tử. Sự ra đời của nó vào đầu thế kỷ 20 đã cách mạng hóa vật lý, hóa học và công nghệ, cung cấp một khung khổ mới để hiểu thế giới vi mô. Cơ học lượng tử bắt nguồn từ sự thất bại của vật lý cổ điển trong việc giải thích một số hiện tượng như bức xạ vật đen, hiệu ứng quang điện và quang phổ nguyên tử. Các khái niệm cơ bản của cơ học lượng tử bao gồm lượng tử hóa năng lượng, lưỡng tính sóng hạt và nguyên lý bất định. Bài viết này sẽ khám phá các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, các ứng dụng rộng rãi của nó và những thách thức vẫn còn tồn tại. Cơ học lượng tử khác biệt với vật lý cổ điển ở nhiều khía cạnh. Thứ nhất, năng lượng không thay đổi liên tục mà tồn tại ở các mức năng lượng gián đoạn, xác định. Thứ hai, các hạt vi mô như electron và photon thể hiện tính chất sóng hạt, có thể hoạt động như sóng hoặc hạt tùy thuộc vào cách quan sát. Cuối cùng, nguyên lý bất định của Heisenberg tuyên bố rằng vị trí và động lượng của hạt không thể xác định đồng thời với độ chính xác tuyệt đối.

1.1. Nguồn gốc và sự phát triển của cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử bắt nguồn từ những năm đầu của thế kỷ 20, khi các nhà vật lý như Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr và Louis de Broglie đưa ra những ý tưởng đột phá để giải thích các hiện tượng không thể giải thích bằng vật lý cổ điển. Max Planck đề xuất rằng năng lượng được lượng tử hóa, Albert Einstein giải thích hiệu ứng quang điện bằng cách cho rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt gọi là photon, Niels Bohr phát triển mô hình nguyên tử với các mức năng lượng gián đoạn, và Louis de Broglie đề xuất rằng tất cả vật chất đều có tính chất sóng hạt. Những ý tưởng này đã đặt nền móng cho sự phát triển của cơ học lượng tử hiện đại.

1.2. Các khái niệm cơ bản trong cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử dựa trên một số khái niệm cơ bản, bao gồm lượng tử hóa năng lượng, lưỡng tính sóng hạt, nguyên lý bất định và hàm sóng. Lượng tử hóa năng lượng nghĩa là năng lượng không thể thay đổi liên tục mà chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn, xác định. Lưỡng tính sóng hạt nghĩa là các hạt vi mô như electron và photon có thể hoạt động như sóng hoặc hạt tùy thuộc vào cách quan sát. Nguyên lý bất định của Heisenberg tuyên bố rằng vị trí và động lượng của hạt không thể xác định đồng thời với độ chính xác tuyệt đối. Hàm sóng là một hàm toán học mô tả trạng thái của hạt lượng tử.

1.3. Sự khác biệt giữa cơ học lượng tử và vật lý cổ điển

Cơ học lượng tử khác biệt với vật lý cổ điển ở nhiều khía cạnh. Vật lý cổ điển mô tả thế giới vĩ mô một cách chính xác, trong khi cơ học lượng tử mô tả thế giới vi mô. Vật lý cổ điển là một lý thuyết xác định, trong khi cơ học lượng tử là một lý thuyết thống kê. Vật lý cổ điển cho rằng vị trí và động lượng của một hạt có thể xác định đồng thời với độ chính xác tuyệt đối, trong khi cơ học lượng tử tuyên bố rằng điều này là không thể.

II. Thách Thức và Các Vấn Đề Trong Cơ Học Lượng Tử Hiện Nay

Mặc dù cơ học lượng tử là một lý thuyết thành công, vẫn còn một số thách thức và vấn đề cần giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất là giải thích bản chất của phép đo lượng tử. Khi một hệ lượng tử được đo, hàm sóng của nó sẽ sụp đổ thành một trạng thái xác định. Tuy nhiên, cơ chế chính xác của sự sụp đổ này vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Một vấn đề khác là sự tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein. Hai lý thuyết này mô tả các khía cạnh khác nhau của thế giới vật chất, nhưng chúng dường như không tương thích với nhau. Các nhà vật lý đang nỗ lực để xây dựng một lý thuyết thống nhất có thể kết hợp cả cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng.

2.1. Vấn đề đo lường trong cơ học lượng tử

Vấn đề đo lường trong cơ học lượng tử là một trong những vấn đề khó khăn và gây tranh cãi nhất trong lĩnh vực này. Khi một hệ lượng tử được đo, hàm sóng của nó sẽ sụp đổ thành một trạng thái xác định. Tuy nhiên, cơ chế chính xác của sự sụp đổ này vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Có nhiều cách giải thích khác nhau về vấn đề đo lường, nhưng chưa có một cách giải thích nào được chấp nhận rộng rãi.

2.2. Sự không tương thích giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng

Cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng là hai lý thuyết thành công nhất trong vật lý hiện đại. Tuy nhiên, hai lý thuyết này dường như không tương thích với nhau. Cơ học lượng tử mô tả thế giới vi mô, trong khi thuyết tương đối rộng mô tả thế giới vĩ mô. Các nhà vật lý đang nỗ lực để xây dựng một lý thuyết thống nhất có thể kết hợp cả cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử là hai ứng cử viên tiềm năng cho một lý thuyết thống nhất.

2.3. Các cách diễn giải khác nhau về cơ học lượng tử

Có nhiều cách diễn giải khác nhau về cơ học lượng tử, bao gồm cách diễn giải Copenhagen, cách diễn giải nhiều thế giới và cách diễn giải lịch sử nhất quán. Cách diễn giải Copenhagen là cách diễn giải được chấp nhận rộng rãi nhất, nhưng nó cũng gây ra nhiều tranh cãi. Cách diễn giải nhiều thế giới cho rằng mỗi phép đo lượng tử tạo ra một vũ trụ mới, trong đó mỗi khả năng có thể xảy ra. Cách diễn giải lịch sử nhất quán cố gắng giải quyết vấn đề đo lường bằng cách cho rằng chỉ những lịch sử nhất quán mới có thể xảy ra.

III. Phương Pháp Giải Quyết Bài Toán Trong Cơ Học Lượng Tử Hiệu Quả Nhất

Giải quyết các bài toán trong cơ học lượng tử đòi hỏi một nền tảng vững chắc về toán học và vật lý, cũng như khả năng áp dụng các nguyên lý cơ bản vào các tình huống cụ thể. Các phương pháp phổ biến bao gồm sử dụng phương trình Schrödinger, lý thuyết nhiễu loạn và phương pháp biến phân. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất của bài toán.

3.1. Sử dụng phương trình Schrödinger để giải bài toán lượng tử

Phương trình Schrödinger là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử, mô tả sự tiến hóa theo thời gian của hàm sóng của một hệ lượng tử. Giải phương trình Schrödinger là một trong những cách chính để tìm ra trạng thái năng lượng và tính chất của hệ lượng tử. Tuy nhiên, phương trình Schrödinger chỉ có thể giải được một cách chính xác cho một số ít hệ đơn giản. Đối với các hệ phức tạp hơn, cần sử dụng các phương pháp xấp xỉ.

3.2. Lý thuyết nhiễu loạn Phương pháp hiệu quả cho bài toán gần đúng

Lý thuyết nhiễu loạn là một phương pháp gần đúng được sử dụng để giải các bài toán cơ học lượng tử mà phương trình Schrödinger không thể giải được một cách chính xác. Lý thuyết nhiễu loạn dựa trên ý tưởng rằng có thể coi một hệ phức tạp như một hệ đơn giản hơn bị nhiễu loạn bởi một lực nhỏ. Bằng cách tính toán các hiệu ứng của nhiễu loạn, có thể tìm ra các trạng thái năng lượng và tính chất của hệ phức tạp.

3.3. Phương pháp biến phân Bí quyết tìm nghiệm gần đúng

Phương pháp biến phân là một phương pháp khác để tìm nghiệm gần đúng cho phương trình Schrödinger. Phương pháp biến phân dựa trên nguyên lý biến phân, theo đó năng lượng của trạng thái cơ bản của một hệ lượng tử là tối thiểu. Bằng cách thử các hàm sóng khác nhau và tìm ra hàm sóng có năng lượng thấp nhất, có thể tìm ra một nghiệm gần đúng cho phương trình Schrödinger.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Của Cơ Học Lượng Tử Trong Công Nghệ Hiện Đại

Cơ học lượng tử không chỉ là một lý thuyết trừu tượng mà còn có nhiều ứng dụng thực tế trong công nghệ hiện đại. Các ứng dụng quan trọng bao gồm bóng bán dẫn, laser, máy tính lượng tử, hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và các vật liệu mới. Cơ học lượng tử đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, và nó tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ mới.

4.1. Bóng bán dẫn và vi mạch Nền tảng của điện tử học hiện đại

Bóng bán dẫn là một thành phần điện tử quan trọng được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Bóng bán dẫn hoạt động dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử, chẳng hạn như hiệu ứng đường hầm lượng tử và nguyên lý bất định. Vi mạch được tạo thành từ hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ bóng bán dẫn được tích hợp trên một chip silicon nhỏ. Bóng bán dẫn và vi mạch là nền tảng của điện tử học hiện đại và cho phép tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ gọn, mạnh mẽ và hiệu quả.

4.2. Laser và ứng dụng của laser trong nhiều lĩnh vực

Laser là một nguồn ánh sáng có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như y học, viễn thông, sản xuất và nghiên cứu khoa học. Laser hoạt động dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử, chẳng hạn như sự phát xạ cưỡng bức và lượng tử hóa năng lượng. Laser có thể tạo ra ánh sáng có cường độ cao, đơn sắc và định hướng cao, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng.

4.3. Máy tính lượng tử Bước tiến vượt bậc trong tính toán

Máy tính lượng tử là một loại máy tính mới sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để thực hiện các phép tính. Máy tính lượng tử có khả năng giải quyết một số bài toán mà máy tính cổ điển không thể giải quyết được, hoặc giải quyết rất chậm. Máy tính lượng tử có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu mới, thiết kế thuốc mới và phá vỡ các mã hóa hiện tại.

V. Nghiên Cứu Mới Nhất Trong Cơ Học Lượng Tử và Triển Vọng Tương Lai

Cơ học lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển nhanh chóng, với nhiều khám phá và đột phá mới được thực hiện mỗi năm. Các lĩnh vực nghiên cứu nóng bao gồm thông tin lượng tử, vật chất tôpô, cảm biến lượng tử và vật liệu lượng tử. Triển vọng tương lai của cơ học lượng tử là rất hứa hẹn, với khả năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của khoa học và công nghệ.

5.1. Thông tin lượng tử và truyền thông an toàn

Thông tin lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu mới sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để truyền tải, xử lý và lưu trữ thông tin. Thông tin lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra các hệ thống truyền thông an toàn tuyệt đối, vì bất kỳ nỗ lực nào để đánh cắp thông tin sẽ làm thay đổi trạng thái của hệ lượng tử, làm cho việc đánh cắp thông tin trở nên không thể thực hiện được.

5.2. Vật chất tôpô và ứng dụng tiềm năng trong điện tử học

Vật chất tôpô là một loại vật chất mới có các tính chất độc đáo bắt nguồn từ tôpô của cấu trúc điện tử của nó. Vật chất tôpô có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử mới có độ bền cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

5.3. Cảm biến lượng tử và độ nhạy cao

Cảm biến lượng tử là một loại cảm biến mới sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để đo lường các đại lượng vật lý. Cảm biến lượng tử có thể có độ nhạy cao hơn nhiều so với cảm biến cổ điển, cho phép đo lường các đại lượng vật lý với độ chính xác chưa từng có.

VI. Kết Luận Tầm Quan Trọng Của Cơ Học Lượng Tử Trong Kỷ Nguyên Số

Cơ học lượng tử là một lý thuyết nền tảng có ảnh hưởng sâu sắc đến khoa học, công nghệ và xã hội. Các ứng dụng của cơ học lượng tử đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật, và nó tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ mới. Trong kỷ nguyên số, cơ học lượng tử có tầm quan trọng ngày càng tăng, vì nó cung cấp nền tảng cho các công nghệ mới như máy tính lượng tử, thông tin lượng tử và cảm biến lượng tử.

6.1. Cơ học lượng tử như một nền tảng của công nghệ tương lai

Cơ học lượng tử không chỉ là một lý thuyết mà còn là một nền tảng cho công nghệ tương lai. Các công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử và thông tin lượng tử có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực, bao gồm khoa học, kỹ thuật, tài chính và an ninh quốc gia.

6.2. Tác động của cơ học lượng tử đến xã hội và cuộc sống

Cơ học lượng tử có tác động sâu sắc đến xã hội và cuộc sống của chúng ta. Các ứng dụng của cơ học lượng tử đã cải thiện chất lượng cuộc sống, chẳng hạn như hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và laser. Các công nghệ lượng tử mới có tiềm năng giải quyết một số vấn đề lớn nhất mà nhân loại phải đối mặt, chẳng hạn như biến đổi khí hậu, bệnh tật và nghèo đói.

6.3. Con đường học tập và nghiên cứu cơ học lượng tử

Cơ học lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu đầy thử thách nhưng cũng rất bổ ích. Để học tập và nghiên cứu cơ học lượng tử, cần có một nền tảng vững chắc về toán học và vật lý, cũng như khả năng tư duy trừu tượng và giải quyết vấn đề. Có nhiều nguồn tài liệu khác nhau có sẵn để học cơ học lượng tử, chẳng hạn như sách giáo khoa, khóa học trực tuyến và các bài báo khoa học.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

com Quantum Mechanics Second Edition www.com Quantum Mechanics Concepts and Applications Second Edition Nouredine Zettili Jacksonville State University, Jacksonville, USA A John Wiley and Sons, Ltd.com Copyright 2009 John Wiley & Sons, Ltd Registered office John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom For details of our global editorial offices, for customer services and for information about how to apply for permission to reuse the copyright material in this book please see our website at www. The right of the author to be identified as the author of this work has been asserted in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, except as permitted by the UK Copyright, Designs and Patents Act 1988, without the prior permission of the publisher.

Wiley also publishes its books in a variety of electronic formats. Some content that appears in print may not be available in electronic books. Designations used by companies to distinguish their products are often claimed as trademarks. All brand names and product names used in this book are trade names, service marks, trademarks or registered trademarks of their respective owners.

The publisher is not associated with any product or vendor mentioned in this book. This publication is designed to provide accurate and authoritative information in regard to the subject matter covered. It is sold on the understanding that the publisher is not engaged in rendering professional services. If professional advice or other expert assistance is required, the services of a competent professional should be sought.

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Zettili, Nouredine. Quantum Mechanics: concepts and applications / Nouredine Zettili. Includes bibliographical references and index. ISBN 978-0-470-02678-6 (cloth: alk.

paper) – ISBN 978-0-470-02679-3 (pbk.12 – dc22 2008045022 A catalogue record for this book is available from the British Library Produced from LaTeX files supplied by the author Printed and bound in Great Britain by CPI Antony Rowe Ltd, Chippenham, Wiltshire ISBN: 978-0-470-02678-6 (H/B) 978-0-470-02679-3 (P/B) www.com Contents Preface to the Second Edition xiii Preface to the First Edition xv Note to the Student xvi 1 Origins of Quantum Physics 1 1.2 Particle Aspect of Radiation .3 Wave Aspect of Particles .1 de Broglie’s Hypothesis: Matter Waves .2 Experimental Confirmation of de Broglie’s Hypothesis .3 Matter Waves for Macroscopic Objects .4 Particles versus Waves .1 Classical View of Particles and Waves .2 Quantum View of Particles and Waves .3 Wave–Particle Duality: Complementarity .4 Principle of Linear Superposition .5 Indeterministic Nature of the Microphysical World .1 Heisenberg’s Uncertainty Principle .6 Atomic Transitions and Spectroscopy .1 Rutherford Planetary Model of the Atom .2 Bohr Model of the Hydrogen Atom .1 Localized Wave Packets .2 Wave Packets and the Uncertainty Relations .3 Motion of Wave Packets .com vi CONTENTS 2 Mathematical Tools of Quantum Mechanics 79 2.2 The Hilbert Space and Wave Functions .1 The Linear Vector Space .2 The Hilbert Space .3 Dimension and Basis of a Vector Space .4 Square-Integrable Functions: Wave Functions .5 Uncertainty Relation between Two Operators .6 Functions of Operators .7 Inverse and Unitary Operators .8 Eigenvalues and Eigenvectors of an Operator .9 Infinitesimal and Finite Unitary Transformations .5 Representation in Discrete Bases .1 Matrix Representation of Kets, Bras, and Operators .2 Change of Bases and Unitary Transformations .3 Matrix Representation of the Eigenvalue Problem .6 Representation in Continuous Bases .4 Connecting the Position and Momentum Representations .7 Matrix and Wave Mechanics. 155 3 Postulates of Quantum Mechanics 165 3.2 The Basic Postulates of Quantum Mechanics .3 The State of a System .2 The Superposition Principle .4 Observables and Operators .5 Measurement in Quantum Mechanics .1 How Measurements Disturb Systems .3 Complete Sets of Commuting Operators (CSCO) .4 Measurement and the Uncertainty Relations .com CONTENTS vii 3.6 Time Evolution of the System’s State .1 Time Evolution Operator .2 Stationary States: Time-Independent Potentials .3 Schrödinger Equation and Wave Packets .4 The Conservation of Probability .5 Time Evolution of Expectation Values .7 Symmetries and Conservation Laws .1 Infinitesimal Unitary Transformations .2 Finite Unitary Transformations .3 Symmetries and Conservation Laws .8 Connecting Quantum to Classical Mechanics .1 Poisson Brackets and Commutators .2 The Ehrenfest Theorem .3 Quantum Mechanics and Classical Mechanics. 209 4 One-Dimensional Problems 215 4.2 Properties of One-Dimensional Motion .4 Symmetric Potentials and Parity .3 The Free Particle: Continuous States .4 The Potential Step .5 The Potential Barrier and Well .2 The Case E  V0 : Tunneling .3 The Tunneling Effect .6 The Infinite Square Well Potential .1 The Asymmetric Square Well .2 The Symmetric Potential Well .7 The Finite Square Well Potential .1 The Scattering Solutions (E V0 ) .2 The Bound State Solutions (0  E  V0 ) .8 The Harmonic Oscillator .3 Energy Eigenstates in Position Space .4 The Matrix Representation of Various Operators .5 Expectation Values of Various Operators .9 Numerical Solution of the Schrödinger Equation .com viii CONTENTS 5 Angular Momentum 283 5.2 Orbital Angular Momentum .3 General Formalism of Angular Momentum .4 Matrix Representation of Angular Momentum .5 Geometrical Representation of Angular Momentum .6 Spin Angular Momentum .1 Experimental Evidence of the Spin .2 General Theory of Spin .3 Spin 12 and the Pauli Matrices .7 Eigenfunctions of Orbital Angular Momentum .1 Eigenfunctions and Eigenvalues of L z .3 Properties of the Spherical Harmonics. 325 6 Three-Dimensional Problems 333 6.2 3D Problems in Cartesian Coordinates .1 General Treatment: Separation of Variables .2 The Free Particle .3 The Box Potential .4 The Harmonic Oscillator .3 3D Problems in Spherical Coordinates .1 Central Potential: General Treatment .2 The Free Particle in Spherical Coordinates .3 The Spherical Square Well Potential .4 The Isotropic Harmonic Oscillator .5 The Hydrogen Atom .6 Effect of Magnetic Fields on Central Potentials.

385 7 Rotations and Addition of Angular Momenta 391 7.1 Rotations in Classical Physics .2 Rotations in Quantum Mechanics .3 Properties of the Rotation Operator .5 Representation of the Rotation Operator .6 Rotation Matrices and the Spherical Harmonics .3 Addition of Angular Momenta .1 Addition of Two Angular Momenta: General Formalism .2 Calculation of the Clebsch–Gordan Coefficients .com CONTENTS ix 7.3 Coupling of Orbital and Spin Angular Momenta .4 Addition of More Than Two Angular Momenta .5 Rotation Matrices for Coupling Two Angular Momenta .4 Scalar, Vector, and Tensor Operators .3 Tensor Operators: Reducible and Irreducible Tensors .4 Wigner–Eckart Theorem for Spherical Tensor Operators .1 Many-Particle Systems .1 Schrödinger Equation .3 Systems of Distinguishable Noninteracting Particles .2 Systems of Identical Particles .1 Identical Particles in Classical and Quantum Mechanics .4 Constructing Symmetric and Antisymmetric Functions .5 Systems of Identical Noninteracting Particles .3 The Pauli Exclusion Principle .4 The Exclusion Principle and the Periodic Table. 484 9 Approximation Methods for Stationary States 489 9.2 Time-Independent Perturbation Theory .1 Nondegenerate Perturbation Theory .2 Degenerate Perturbation Theory .3 Fine Structure and the Anomalous Zeeman Effect .3 The Variational Method .4 The Wentzel–Kramers–Brillouin Method .2 Bound States for Potential Wells with No Rigid Walls .3 Bound States for Potential Wells with One Rigid Wall .4 Bound States for Potential Wells with Two Rigid Walls .5 Tunneling through a Potential Barrier .com x CONTENTS 10 Time-Dependent Perturbation Theory 571 10.2 The Pictures of Quantum Mechanics .1 The Schrödinger Picture .2 The Heisenberg Picture .3 The Interaction Picture .3 Time-Dependent Perturbation Theory .2 Transition Probability for a Constant Perturbation .3 Transition Probability for a Harmonic Perturbation .4 Adiabatic and Sudden Approximations .5 Interaction of Atoms with Radiation .1 Classical Treatment of the Incident Radiation .2 Quantization of the Electromagnetic Field .3 Transition Rates for Absorption and Emission of Radiation .4 Transition Rates within the Dipole Approximation .5 The Electric Dipole Selection Rules .1 Scattering and Cross Section .1 Connecting the Angles in the Lab and CM frames .2 Connecting the Lab and CM Cross Sections .2 Scattering Amplitude of Spinless Particles .1 Scattering Amplitude and Differential Cross Section .3 The Born Approximation .1 The First Born Approximation .2 Validity of the First Born Approximation .4 Partial Wave Analysis .1 Partial Wave Analysis for Elastic Scattering .2 Partial Wave Analysis for Inelastic Scattering .5 Scattering of Identical Particles. 650 A The Delta Function 653 A.1 One-Dimensional Delta Function .1 Various Definitions of the Delta Function .2 Properties of the Delta Function .3 Derivative of the Delta Function .2 Three-Dimensional Delta Function .com CONTENTS xi B Angular Momentum in Spherical Coordinates 657 B.1 Derivation of Some General Relations .2 Gradient and Laplacian in Spherical Coordinates .3 Angular Momentum in Spherical Coordinates. 659 C C++ Code for Solving the Schrödinger Equation 661 Index 665 www.com xii CONTENTS www.com Preface Preface to the Second Edition It has been eight years now since the appearance of the first edition of this book in 2001.

During this time, many courteous users—professors who have been adopting the book, researchers, and students—have taken the time and care to provide me with valuable feedback about the book. In preparing the second edition, I have taken into consideration the generous feedback I have received from these users. To them, and from the very outset, I want to express my deep sense of gratitude and appreciation. The underlying focus of the book has remained the same: to provide a well-structured and self-contained, yet concise, text that is backed by a rich collection of fully solved examples and problems illustrating various aspects of nonrelativistic quantum mechanics.

The book is intended to achieve a double aim: on the one hand, to provide instructors with a pedagogically suitable teaching tool and, on the other, to help students not only master the underpinnings of the theory but also become effective practitioners of quantum mechanics. Although the overall structure and contents of the book have remained the same upon the insistence of numerous users, I have carried out a number of streamlining, surgical type changes in the second edition. These changes were aimed at fixing the weaknesses (such as typos) detected in the first edition while reinforcing and improving on its strengths. I have introduced a number of sections, new examples and problems, and new material; these are spread throughout the text.

Additionally, I have operated substantive revisions of the exercises at the end of the chapters; I have added a number of new exercises, jettisoned some, and streamlined the rest. I may underscore the fact that the collection of end-of-chapter exercises has been thoroughly classroom tested for a number of years now. The book has now a collection of almost six hundred examples, problems, and exercises. Every chapter contains: (a) a number of solved examples each of which is designed to illustrate a specific concept pertaining to a particular section within the chapter, (b) plenty of fully solved problems (which come at the end of every chapter) that are generally comprehensive and, hence, cover several concepts at once, and (c) an abundance of unsolved exercises intended for home- work assignments.

Through this rich collection of examples, problems, and exercises, I want to empower the student to become an independent learner and an adept practitioner of quantum mechanics. Being able to solve problems is an unfailing evidence of a real understanding of the subject. The second edition is backed by useful resources designed for instructors adopting the book (please contact the author or Wiley to receive these free resources). The material in this book is suitable for three semesters—a two-semester undergraduate course and a one-semester graduate course.

A pertinent question arises: How to actually use xiii www.com xiv PREFACE the book in an undergraduate or graduate course(s)? There is no simple answer to this ques- tion as this depends on the background of the students and on the nature of the course(s) at hand.

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