第18章 量子力学基础 习题解答
1.一波长为300nm 的光子,假定其波长的测量精度为6
10-,即61
10
λ
λ
?=
,求该光子位置的不确定量。 解: 光子λ
h
p =
,λλλλ?=
?-
=?2
2
h
h
p
由测不准关系,光子位置的不准确量为
292
6
30010 2.3910244410
x m m p λλπλπλλπ---??=====????? 2.原子的线度为10
10
m -,求原子中电子速度的不确定量。
解:依题意,电子位置的不确定量为10
10x m -?=,由不确定关系,有
2
x x p x m v ??=??≥
346
3110
1.0510/0.610/229.11010
v m s m s m x ---??≥==????? 3.波函数模的二次方的物理意义是什么?波函数必须满足哪些条件?
解:波函数是描述粒子运动状态的函数,是微观粒子具有波动性的数学描述,波函数描述的波是概率波,波函数模的平方表示粒子在空间出现的概率,即概率密度。波函数要满足标准条件(即波函数必须是单值、连续和有限的)和归一化条件。
4.波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍,则粒子在空间分布的概率会发生什么变化? 解:不变.因为波函数是计算粒子t 时刻空间各点出现概率的数学量.概率是相对值.则21、点的概率比值为:
2
2
212
2
21φφφφD D =
∴ 概率分布不变.
5.假设粒子只在一维空间运动,它的状态可用如下波函数来描写:
0,(,)sin 0i Et x x a
x t Ae x x a
a ψπ
-≤≥??=?≤≤?
?
式中,E 和a 分别为确定常数,A 为归一化系数,计算归—化的波函数和概率密度。
解:根据波函数的归一化条件,有
2
22
2
(,)sin 12
a
a
x
a x t dx A dx A a
πψ===?
? 得 A =
故归一化波函数为 ?
????≤≤≥≤=-a
x x a e a
a
x x t x Et i 0sin 2,00
),(πψ
相应的概率密度()P x =20
0,2sin 0x x a x x a
a
a π≤≥??
?≤≤??
6.已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动,其波函数为:
3()2x
x a πψ=
)(a x a ≤≤-
那么,粒子在a x 6
5
=
处出现的概率密度为多少? 解: 2
2
*
)23cos
1(
a
x a
πψψψ== a
a a a a a a
a 21)21(14cos 1)4(cos 145cos 12653cos 122222===+===πππππ
7.粒子在一维无限深势阱中运动,其波函数为:
()n n x x a
πψ=
)0(a x << 若粒子处于1=n 的状态,在0~4
a
区间发现粒子的概率是多少? 解:x a
x a x w d sin 2d d 22
πψ== ∴ 在4
~
0a
区间发现粒子的概率为: ??
?===40
2024
4)(d sin 2d sin 2a a a
x a
a x a a x a x a dw p ππππ
091.0)(]2cos 1[212
4
/0=-=?x a
d a x a π
ππ 8.宽度为a 的一维无限深势阱中粒子的波函数为x a
n A x π
ψsin )(=,求:(1)归一化系数A ;(2)在2=n 时何处发现粒子的概率最大?
解:(1)归一化系数??
==+∞
∞
-a
x x 0
2
2
1d d ψψ
即
??=a
a x a
n x a n A n a x x a n A 0022
2)(d sin d sin ππππ ?-=a x a n x a n A n a 02)(d )2cos 1(2π
ππ
12
222===A a
n A n a ππ
∴ =
A a
2
粒子的波函数 x a n a x πψsin 2)(=
(2)当2=n 时, x a
a πψ2sin 22= 几率密度]4cos 1[12sin 222
2
x a
a x a a w ππψ-==
= 令0d d =x w ,即04sin 4=x a a ππ,即,04sin =x a
π, ,2,1,0,4==k k x a
ππ
∴ 4
a
k x =
又因a x <<0,4 ∴当4a x =和a x 43 =时w 有极大值, 当2 a x =时,0=w . ∴极大值的地方为4a ,a 4 3 处 9.求一电子处在宽度为0.1a nm =和a =1m 的势阱中运动的能级值。把结果同室温(T =300K)下电子的平均平动动能进行比较,可得到什么结论? 解:由电子在势阱中的能级公式得 当0.1a nm =时,222 2 2n n E ma π==237.7eV n 当m a 1=时,2222 2n n E ma π==192 3.7710eV n -? 在室温(T =300K)下电子的平均平动动能t ε=2 3.8810eV -?。 故对宏观问题,电子的量子效应可以忽略。 10.质量为m 、电量为1q 的粒子在点电荷2q 所产生的电场中运动,求其定态薛定谔方程。 解:系统的势能函数为 120()4q q U r r πε= 故其定态薛定谔方程为: 2 2120()()24q q E m r ψψπε?? - ?+= ???r r 11.描述原子中电子定态需要哪几个量子数?它们的取值范围如何?它们各代表什么含义? 解:主量子数n :n =1,2,…,它基本上决定了原子中电子的能级; 角量子数0,1,2,(1)l l n =-:,它决定了电子轨道角动量的大小,对能量也有一定影响; 磁量子数l m m ±±±=,,2,1,0 :,它确定了电子轨道角动量的可能空间取向; 自旋磁量子数1 2 s s m m =±:,它确定了电子自旋角动量的可能空间取向。 12.原子内电子的量子态由n 、l 、m 、s m 四个量子数表征。当n 、l 、m 一定时,不同的量子态数目是多少?当n 、l 一定时,不同的量子态数目是多少?当n 一定时,不同的量子态数目是多少? 解:(1)2 )2 1 (±=s m (2))12(2+l ,每个l 有12+l 个l m ,每个l m 可容纳2 1 ±=s m 的2个量子态. (3)2 2n 13.计算氢原子中l = 4的电子的角动量及其在外磁场方向上的投影值,并画出电子角动量 L 在磁场中空间量子化的示意图。 解: 20)14(4)1(=+= +=l l L 磁场为Z 方向,Z L m =,0m =,1±,2±,3±,4±. ∴ )4,3,2,1,0,1,2,3,4(----=Z L 14.求出能够占据一个d 支壳层的最多电子数,并写出这些电子的m 和s m 值。 解:d 分壳层的量子数2=l ,可容纳最大电子数为10)122(2)12(2=+?=+=l Z l 个,这些电子的: 0m =,1±,2±, 2 1±=s m 15.某原子处在基态时,其K 、L 、M 壳层和4s 、4p 、4d 支壳层都填满电子。试问这是哪种原子? 解:由题意可得46Z =,可知该原子为钯 ()d P (注:可编辑下载,若有不当之处,请指正,谢谢!)