薛丁格方程提出的目的和原始推導過程是什麼?

時間 2021-05-07 04:12:32

1樓:Hououin Kyoma

目的是描述「態」的演化。

回憶一下經典力學裡描述粒子的狀態用的是 ,表示粒子每個時刻的位置,那麼粒子的態的演化就是牛頓第二定律:

在量子力學裡,態是用Hilbert空間 裡的向量 描述的,要描述它的演化,可以用定義在 上的酉算符 描述,則態 從 演化到 時刻 考慮乙個無窮小的時間 ,因為其是酉的, ,所以有 ,其中 是乙個Hermitian算符,是演化算符的生成元。舊量子論曾給出 ,經典力學裡也給出過Hamilton量是時間演化的生成元,於是根據給出的量綱可以湊出 ,於是: ,兩邊再乘上態向量就有 ,兩邊同時取座標表象:

,且在座標表象下 ,於是就能得到教材上最熟悉的Shrodinger方程:

2樓:十萬丶伏特

他還是從經典力學的成果出發,利用蒲朗克常數把波動性和粒子性聯絡起來。從經典力學出發就有個問題,就是不能適用於高速情況,所以高速情況要把相對論加進來變成狄拉克方程。

3樓:alphacalculus

愛因斯坦引用蒲朗克的能量量子化結論成功解釋了光電效應(黑體內壁與熱輻射的能量交換是乙份乙份的 ,那麼光電效應中金屬表面與熱輻射(光)之間的能量交換也是乙份乙份的),並指出光以離散的包的形式攜帶能量,指出波的粒子性。

同時粒子也具有波動性(電子的衍射),那麼如何描述微觀領域的粒子?波爾模型既使用經典力學的粒子(把電子看做普通粒子繞原子核圓周運動),又使用波的特性給出角動量量子化,也就是同時使用粒子性和波動性的混合描述,這種描述有乙個缺陷,就是不滿足不確定性原理: ,由於電子被限制在xOy平面做圓軌道運動,導致z方向的動量為0, ,從而 要趨於無窮大,但這是不可能的,因為我們研究的氫原子已經被限制在,例如實驗室的某個空腔內,不可能在z軸方向沒有限制跑到哪都有可能。

為了描述微觀尺度的粒子的行為,薛丁格想到了只用波來描述。我們推導出來的繩波、聲波和電磁波都滿足這個形式的波動方程: ,注意,我們是用平面波推導出這個波動方程的。

那麼微觀尺度的粒子看做波的話也要滿足這個方程。但是,微觀粒子的波根據德布羅意關係,是 , ,如果微觀粒子是不受力的自由粒子, ,則 ,這個關係式與機械波中的 不同,也就是說,薛丁格要構造乙個滿足 的波動方程 。

我們帶入平面波求解,主要是 本身就是通過平面波求得的,帶入平面波波函式是自然的想法。

4樓:黃光武

還像是帶入波能求出粒子,帶入粒子能求出波。就是薛丁格將波函式和粒子函式整合到一起,然後得到了薛丁格方程, 啊哈哈哈哈,我學的是工科,物理不太懂

5樓:

可以從經典力學與熱力學的模擬得到薛丁格方程

經典力學裡有哈密頓原理,即粒子的運動總是使得作用量 S 取極值

熱力學有熱二定律,即熱平衡系統的狀態總是使得系統熵 S 取極值

玻爾茲曼對統計力學的研究表明,熵 S 可關聯於系統微觀狀態數 :

大家都是取極值,作用量和熵兩個符號一樣看來並非巧合?

試試把 (1) 左邊的 S 解釋為粒子作用量,而把右邊的狀態數 解釋為粒子態,重新寫成:

其中 h 是個具有作用量量綱的常數, 是粒子態(先不去管它是個啥,胡來一把再說)

嘗試對 (2) 求導,比如對時間座標 t 和空間座標 x 求導:

經典力學裡,作用量 S 的偏導 對應於能量, 對應於動量,因此有:

這樣看來, E 和 p 分別是運算元 和 的本徵值

另一方面我們可以寫出 E 和 p 的關係式,其中 m 是質量,U 是勢:

為了能夠應用 (7) 到 (5) (6) 以消去左邊,我們將 再次應用到 (6) 以便得到平方項:

這樣組合 (5) (7) (8) 就得到:

注意到如果 h 是實值,則上面給出的是個擴散方程,其典型解如 ,並非我們希望的波動解,不過只需把 h 替換成虛值 ,則典型解即變成波動解 ,因此很自然得到波動方程如下:

這就是大名鼎鼎的薛丁格方程 (づ ̄ 3 ̄)づ

注:玻爾茲曼和薛丁格都是奧地利物理學家,都在維也納大學工作過,薛丁格還寫過 統計熱力學 教程,所以這個思路是完全可能滴

統計熱力學 (豆瓣)

6樓:Phoebus Apollo

真空中自由傳播的電磁波滿足波動方程:

它的解為:

根據愛因斯坦——德布羅意關係式: , ,

由上兩式可得:

因此,算符 代表光子的能量,並且算符代表光子的動量。於是記:

代表光子的能量

代表光子的動量

若粒子在含有勢場的系統中運動時,力學關係為:

由於: , , ,因此:

相應的波動方程為:

將勢場隨時間變化的最一般情況包括進去,得到:

這就是著名的薛丁格方程。

在經典分析力學中,動能 和勢能 之和為哈密頓量 ,若寫為算符形式,即: ,因此上式還可以寫成:

伽羅瓦:薛丁格:另乙個物理學天才

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