Το θεώρημα virial1 στην κβαντική μηχανική

Σχετικά έγγραφα
Μια γενική έκφραση της κυματοσυνάρτησης στον χώρο των ορμών για μια δέσμια κατάσταση

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΡΜΟΝΙΚΟΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΜΕΣΑ ΣΕ ΟΜΟΓΕΝΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ: ΤΕΛΕΣΤΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ, ΒΑΣΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ, ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Αρμονικός ταλαντωτής Ασκήσεις

Η κυματοσυνάρτηση στην αναπαράσταση ορμής Ασκήσεις. Σπύρος Κωνσταντογιάννης Φυσικός, M.Sc. 8 Δεκεμβρίου 2017

(φορτισμένος αρμονικός 2 ταλαντωτής μέσα σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο) είναι

( x) Half Oscillator. Σωμάτιο βρίσκεται υπό την επίδραση του δυναμικού

ˆ ˆ. (τελεστής καταστροφής) (τελεστής δημιουργίας) Το δυναμικό του συστήματός μας (αρμονικός ταλαντωτής μέσα σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο) είναι

Είναι (1) Έστω (2) Τότε η (1) γράφεται (3) Από την (3) βλέπουμε ότι η y ( x; a ) περιγράφει μια συνοχική κατάσταση μάλιστα

ΜΙΓΑΔΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΓΕΝΙΚΑ. Έστω σωμάτιο, στις τρεις διαστάσεις, που βρίσκεται υπό την επίδραση μιγαδικού δυναμικού της μορφής

ii) Υπολογίστε τις μέσες τιμές της θέσης και της ορμής του ταλαντωτή όταν t 0.

Λυμένες ασκήσεις στροφορμής

Â. Θέλουμε να βρούμε τη μέση τιμή

+ z, όπου I x, I y, I z είναι οι ροπές αδράνειας

Για να υπολογίσουμε το ολοκλήρωμα στο δεξιό μέλος της (3), κάνουμε την αλλαγή μεταβλητής

Ιδιοσυναρτήσεις του αρμονικού ταλαντωτή Πολυώνυμα Hermite

Η άλγεβρα της στροφορμής

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ II (ΑΠΕΙΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΣΕ ΠΕΡΙΟΧΗ/ΠΕΡΙΟΧΕΣ), και τις ενεργειακές στάθμες του, 2. E E E, όπου ˆ

ΕΞΙΣΩΣΗ ΣΥΝΕΧΕΙΑΣ ΣΕ ΜΙΑ ΤΥΧΑΙΑ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ

Δύο διακρίσιμα σωμάτια με σπιν s 1

μαγνητικό πεδίο παράλληλο στον άξονα x

Σπιν 1 2. Γενικά. Ŝ και S ˆz γράφονται. ιδιοκαταστάσεις αποτελούν ορθοκανονική βάση στον χώρο των καταστάσεων του σπιν 1 2.

1 p p a y. , όπου H 1,2. u l, όπου l r p και u τυχαίο μοναδιαίο διάνυσμα. Δείξτε ότι μπορούν να γραφούν σε διανυσματική μορφή ως εξής.

Δείξτε ότι οι ιδιοκαταστάσεις της ενέργειας του ελεύθερου κβαντικού 2

1. Μετάπτωση Larmor (γενικά)

( x) (( ) ( )) ( ) ( ) ψ = 0 (1)

Σπιν 1/2. Γενικά. 2 Υπενθυμίζουμε ότι τα έξι κουάρκ και τα έξι λεπτόνια του Καθιερωμένου Προτύπου,

και χρησιμοποιώντας τον τελεστή A r P αποδείξτε ότι για

Σύστημα δύο αλληλεπιδρώντων σπιν μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο (άσκηση)

, που, χωρίς βλάβη της γενικότητας, μπορούμε να θεωρήσουμε χρονική στιγμή μηδέν, δηλαδή

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ. Ασκήσεις Κεφαλαίου Ι

ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 07. ΣΤΡΟΦΟΡΜΗ ΚΑΙ ΤΟ ΑΤΟΜΟ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ


ETY-202 ΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 02. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ. Στέλιος Τζωρτζάκης 1/11/2013

Εύρεση των ιδιοτιμών της στροφορμής

Αγγύλες Poisson. Ας θεωρήσουμε κάποια συνάρτηση των κανονικών μεταβλητών. Οι

21/11/2013 ETY-202 ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 06. Ο ΑΡΜΟΝΙΚΟΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ. 1396; office Δ013 ΙΤΕ. Στέλιος Τζωρτζάκης

μαγνητικό πεδίο τυχαίας κατεύθυνσης

. Να βρεθεί η Ψ(x,t).

Z L L L N b d g 5 * " # $ % $ ' $ % % % ) * + *, - %. / / + 3 / / / / + * 4 / / 1 " 5 % / 6, 7 # * $ 8 2. / / % 1 9 ; < ; = ; ; >? 8 3 " #

Κεφάλαιο 1. Κβαντική Μηχανική ΙΙ - Περιλήψεις, Α. Λαχανάς

ΕΜΒΟΛΙΜΗ ΠΑΡΑΔΟΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ. Μερικές βασικές έννοιες διανυσματικού λογισμού

Εξετάσεις 1ης Ιουλίου Για την ϐασική κατάσταση του ατόµου του Υδρογόνου της οποίας η κανονικοποιηµένη στην µονάδα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΤΟ ΔΙΩΝΥΜΙΚΟ ΘΕΩΡΗΜΑ

Χρησιμοποιείστε την πληροφορία αυτή για να δείξετε ότι ο τελεστής που θα μεταφέρει το άνυσμα


ΛΥΣΕΙΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΘΕΜΑΤΩΝ 3 13/04/2016 ΣΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΑΙ ΣΠΟΥΔΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Αρμονικός Ταλαντωτής

Κίνηση σε Μονοδιάστατα Τετραγωνικά Δυναμικά

Διάλεξη 2: Κεντρικά Δυναμικά. Αναζητούμε λύσεις της χρονοανεξάρτητης εξίσωσης Schrödinger για κεντρικά δυναμικά

Η Αναπαράσταση της Θέσης (Position Representation)

Δηλαδή. Η Χαμιλτονιανή του περιστροφέα μέσα στο μαγνητικό πεδίο είναι

ΜΕΓΙΣΤΙΚΟΣ ΤΕΛΕΣΤΗΣ 18 Σεπτεμβρίου 2014

Τι είναι βαθμωτό μέγεθος? Ένα μέγεθος που περιγράφεται μόνο με έναν αριθμό (π.χ. πίεση)

( ) * Λύση (α) Καθώς η Χαµιλτονιανή είναι ερµιτιανός τελεστής έχουµε ότι = = = = 0. (β) Απαιτούµε

(ταλαντούμενο) μαγνητικό πεδίο τυχαίας κατεύθυνσης Επίλυση με αλλαγή βάσης

ETY-202. Ο γενικός φορμαλισμός Dirac ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 05. Ο ΓΕΝΙΚΟΣ ΦΟΡΜΑΛΙΣΜΟΣ DIRAC. Στέλιος Τζωρτζάκης 21/11/2013

Κβαντομηχανική σε. τρεις διαστάσεις. Εξίσωση Schrödinger σε 3D. Τελεστές 2 )

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι Τελική (επί πτυχίω) Εξέταση: 17 Ιούνη 2013 ( ιδάσκων: Α.Φ. Τερζής) ΘΕΜΑ 1[ ]

Εισαγωγή σε προχωρημένες μεθόδους υπολογισμού στην Επιστήμη των Υλικών

Δομή Διάλεξης. Οι τελεστές της τροχιακής στροφορμής στην αναπαράσταση της θέσης. Τελεστές δημιουργίας και καταστροφής για ιδιοκαταστάσεις στροφορμής

Κατηγορία 1 η. Σταθερή συνάρτηση Δίνεται παραγωγίσιμη συνάρτηση f : 0, f '( x) 0 για κάθε εσωτερικό σημείο x του Δ

[1] είναι ταυτοτικά ίση με το μηδέν. Στην περίπτωση που το στήριγμα μιας συνάρτησης ελέγχου φ ( x)

Λύσεις των θεμάτων προσομοίωσης -2- Σχολικό Έτος

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Τελική Εξέταση: 31 Γενάρη 2012 ( ιδάσκων: Α.Φ. Τερζής) ιάρκεια εξέτασης 3 ώρες.

ΘΕΜΑΤΑ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΙΙ. Θέμα 2. α) Σε ένα μονοδιάστατο πρόβλημα να δείξετε ότι ισχύει

ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ

Διάλεξη 1: Κβαντομηχανική σε τρεις διαστάσεις

ETY-202 ΟΙ ΓΕΝΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΤΩΝ ΘΕΜΕΛΙΩΔΩΝ ΑΡΧΩΝ ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 03. ΟΙ ΓΕΝΙΚΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ. Στέλιος Τζωρτζάκης 1/11/2013

ΦΥΣ Διάλ Άλγεβρα. 1 a. Άσκηση για το σπίτι: Διαβάστε το παράρτημα Β του βιβλίου

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Τελική Εξέταση: 30 Αυγούστου 2010 ( ιδάσκων: Α.Φ. Τερζής) ιάρκεια εξέτασης 2,5 ώρες.

Δομή Διάλεξης. Εύρεση ακτινικού μέρους εξίσωσης Schrödinger. Εφαρμογή σε σφαιρικό πηγάδι δυναμικού απείρου βάθους. Εφαρμογή σε άτομο υδρογόνου

ΒΑΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ. ii) = x και. Περιπτώσεις στις οποίες η συνάρτηση είναι πολλαπλού τύπου και το x

Για να εκφράσουμε τη διαδικασία αυτή, γράφουμε: :

- ΟΡΙΟ - ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 6: ΜΗ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΟ ΟΡΙΟ ΣΤΟ

Κβαντικό Σωμάτιο σε Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 12: Θεωρήματα Ehrenfest-Parity- -Μέση τιμή τελεστή. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κλασική Hλεκτροδυναμική

Κεφάλαιο 1. Κβαντική Μηχανική ΙΙ - Περιλήψεις, Α. Λαχανάς

ΕΦΑΠΤΟΜΕΝΗ ΓΡΑΦΙΚΗΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗΣ

ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ - Ενότητα 5

ΠΑΝΕΛΛΑΔΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΔΕΥΤΕΡΑ 11 ΙΟΥΝΙΟΥ 2018 ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ Γ ΤΑΞΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ

Παραμαγνητικός συντονισμός

0 + a = a + 0 = a, a k, a + ( a) = ( a) + a = 0, 1 a = a 1 = a, a k, a a 1 = a 1 a = 1,

Κβαντομηχανική σε μία διάσταση

Μιγαδικός λογισμός και ολοκληρωτικοί Μετασχηματισμοί

ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 7: ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΘΕΩΡΗΜΑΤΟΣ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

0x2 = 2. = = δηλαδή η f δεν. = 2. Άρα η συνάρτηση f δεν είναι συνεχής στο [0,3]. Συνεπώς δεν. x 2. lim f (x) = lim (2x 1) = 3 και x 2 x 2

αβ (, ) τέτοιος ώστε f(x

Θεωρητική μηχανική ΙΙ

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 10: Ερμιτιανοί τελεστές και εισαγωγή στους μεταθέτες. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Πρότυπα. x y x z για κάθε x, y, R με την ιδιότητα 1R. x για κάθε x R, iii) υπάρχει στοιχείο 1 R. ii) ( x y) z x ( y z)

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Συναρτήσεις Πολλών Μεταβλητών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Το κυματοπακέτο. (Η αρίθμηση των εξισώσεων είναι συνέχεια της αρίθμησης που εμφανίζεται στο εδάφιο «Ελεύθερο Σωμάτιο».

ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΘΕΩΡΕΙΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΛΥΜΕΝΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Σωμάτιο σε Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

Ανακεφαλαίωση. q Εισήγαμε την έννοια των δεσμών. Ø Ολόνομους και μή ολόνομους δεσμούς. Ø Γενικευμένες συντεταγμένες

Το Ελεύθερο Σωμάτιο Ρεύμα Πιθανότητας

Transcript:

Το θεώρημα val στην κβαντική μηχανική Σπύρος Κωνσταντογιάννης Φυσικός, M.Sc. sposkonsanoganns@gal.co 7 Φεβρουαρίου 08 Η λέξη val προέρχεται από το λατινικό vs, που σημαίνει «δύναμη», «ενέργεια», «ισχύς» (σθένος). Δεν είναι το όνομα του επιστήμονα που σχετίζεται με τη διατύπωση του θεωρήματος. Επομένως, καλό είναι να γράφεται με μικρό v (val). hp://wodnfo.nfo/un/485/p:4/l:v hps://en.wkpeda.og/wk/val_heoe 7//08

Copygh Σπύρος Κωνσταντογιάννης, 08. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Επιτρέπεται μόνο η μη εμπορική χρήση περιεχομένου από το παρόν έγγραφο, με την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. 7//08

Περιεχόμενα Το θεώρημα val στην κβαντική μηχανική... Περιεχόμενα... 3 Εισαγωγή... 4. Το θεώρημα val στη μία διάσταση... 5 Παραδείγματα...3. Το θεώρημα val στις τρεις διαστάσεις...8 3. Αναφορές...3 3 7//08

Εισαγωγή Υπολογίζουμε πρώτα τρεις χρήσιμους μεταθέτες και τους χρησιμοποιούμε για να εξάγουμε, με τη βοήθεια του θεωρήματος του Ehenfes, την έκφραση του β νόμου του Νεύτωνα στην κβαντική μηχανική. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούμε πάλι τους προηγούμενους μεταθέτες, και το θεώρημα του Ehenfes, για να αποδείξουμε το θεώρημα val στη μία διάσταση. Εφαρμόζουμε το θεώρημα val στον αρμονικό ταλαντωτή, σε ένα γενικό ελκτικό δυναμικό, στο απλό ελκτικό δυναμικό δέλτα, και στο μονοδιάστατο άτομο του υδρογόνου, όπου δείχνουμε ότι οι δέσμιες ενέργειές του είναι αρνητικές και οι αντίστοιχες κυματοσυναρτήσεις μηδενίζονται στο μηδέν. Στην τελευταία ενότητα, με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που χρησιμοποιήσαμε στη μία διάσταση, αποδεικνύουμε το θεώρημα val στις τρεις διαστάσεις. Λέξεις-Κλειδιά: θεώρημα val, θεώρημα Ehenfes, μονοδιάστατο άτομο υδρογόνου, δέσμιες ιδιοκαταστάσεις 4 7//08

. Το θεώρημα val στη μία διάσταση Θα υπολογίσουμε πρώτα τους μεταθέτες é p,v ( ) ù, é p, H ù, και é, H ù. Γενικά, οι μεταθέτες δεν εξαρτώνται από την αναπαράσταση, επομένως μπορούμε να τους υπολογίσουμε σε όποια αναπαράσταση μάς βολεύει. Επιλέγουμε τον χώρο των θέσεων (αναπαράσταση θέσης), όπου και p -h d. d. é p,v ( ) ù Έστω y ( ) μια τυχαία κυματοσυνάρτηση στον χώρο των θέσεων. Η δράση του μεταθέτη στην y ( ) μάς δίνει d d é ù éd ù æd ö ê -h d,v ( ) y ( ) -h ê d,v ( ) y ( ) -h çè d (V ( )y ( ) ) - V ( ) d y ( ) ø -h (V ( )y ( ) + V ( )y ( ) - V ( )y ( ) ) -hv ( )y ( ) d é ù ê -h d,v ( ) y ( ) -hv ( )y ( ) Επειδή η κυματοσυνάρτηση y ( ) είναι τυχαία, d é ù ê -h d,v ( ) -hv ( ) Επειδή ο μεταθέτης δεν εξαρτάται από την αναπαράσταση, καταλήγουμε ότι é p,v ( ) ù -hv ( ) () Παρατηρήσεις ) Για V ( ) a, η () γράφεται [ p, a ] -ha Για a, παίρνουμε 5 7//08

[ p, ] -h ή [, p ] h, καταλήγουμε δηλαδή στον γνωστό μεταθέτη θέσης ορμής. ) Για V ( ) a, η () γράφεται é p,v ( ) ù 0, και επειδή é ù ê é p ù ê p, T{ ê p, 0, ê Τελεστής ê κινητικής ενέργειας είναι é p, H ù é p, T + V ù é p, T ù + é p, V ù 0 Επομένως é H, p ù 0 Έτσι, αν χρησιμοποιήσουμε το θεώρημα του Ehenfes, η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής της ορμής στο σταθερό δυναμικό V ( ) a είναι, εφόσον ο τελεστής της ορμής δεν εξαρτάται από τον χρόνο, d p 0 p σταθερή Η μέση τιμή της ορμής είναι επομένως χρονικά σταθερή, όπως συμβαίνει και στην κλασική μηχανική για κίνηση σε χωρικά σταθερό δυναμικό. Σημείωση 6 7//08

Το θεώρημα του Ehenfes μάς λέει ότι η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής ενός ερμιτιανού τελεστή A δίνεται από τη σχέση d A é ù A H, A + h όπου H είναι η Χαμιλτονιανή του συστήματος. Ο δείκτης στις μέσες τιμές δηλώνει ότι οι μέσες τιμές αφορούν τη χρονική στιγμή. Αν ο τελεστής A δεν εξαρτάται ρητά από τον χρόνο, δηλαδή αν A 0, τότε το θεώρημα του Ehenfes γράφεται d A é ù H, A h. é p, H ù Είναι é p ù é p, H ù é p, T + V ù é p, T ù + é p, V ù ê p, + é p, V ( ) ù é p, V ( ) ù -hv ( ) 44 3 0 όπου στην τελευταία ισότητα χρησιμοποιήσαμε την (). Επομένως é p, H ù -hv ( ) () Αν χρησιμοποιήσουμε πάλι το θεώρημα του Ehenfes, και τον μεταθέτη (), η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής της ορμής στο τυχαίο δυναμικό V ( ) είναι, εφόσον ο τελεστής της ορμής δεν εξαρτάται από τον χρόνο, d p é H, p ù - é p, H ù } hv ( ) -V ( ) h d p -V ( ) 7 7//08

Αν F ( ) - dv ( ) -V ( ) είναι ο τελεστής της δύναμης, η προηγούμενη σχέση d γράφεται d p F ( ) (3) Καταλήγουμε δηλαδή στον β νόμο του Νεύτωνα, με τη διαφορά ότι στην κβαντική μηχανική ισχύει για τις μέσες τιμές της δύναμης και της ορμής. 3. é, H ù Είναι é ù é, H ù é, T + V ù é, T ù + é, V ( ) ù ê, p é, p ù [, pp ] 44 3 0 h h) hp p [, p ] p + p [, p ]) ( hp + p ( h é, H ù p (4) Αν χρησιμοποιήσουμε πάλι το θεώρημα του Ehenfes, και τον μεταθέτη (4), η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής της θέσης στο τυχαίο δυναμικό V ( ) είναι, εφόσον ο τελεστής της θέσης δεν εξαρτάται από τον χρόνο, d é H, ù - é, H ù } h - p h p p ή, επειδή d (5) d p v v, 8 7//08

Αν παραγωγίσουμε την (5) ως προς τον χρόνο και αντικαταστήσουμε την (3), παίρνουμε F ( ) d (6) που είναι μια ισοδύναμη έκφραση του β νόμου του Νεύτωνα για τις μέσες τιμές της δύναμης και της θέσης. Θα προχωρήσουμε τώρα στην απόδειξη του θεωρήματος val στη μία διάσταση. Προς τούτο, θα χρησιμοποιήσουμε πάλι το θεώρημα του Ehenfes για να γράψουμε. τη χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής του τελεστή p δεν εξαρτάται από τον χρόνο, Επειδή ο τελεστής p d p é H, p ù h (7) Σημείωση ) p p ¹ p. δεν είναι ερμιτιανός, αφού ( p Ο τελεστής p + p είναι ερμιτιανός, όπως μπορούμε εύκολα να Ωστόσο, ο τελεστής p διαπιστώσουμε. + p, θα πάρουμε Αν εφαρμόσουμε το θεώρημα του Ehenfes για τον τελεστή p + p d p é H, p + p ù, h + p δεν εξαρτάται από τον χρόνο. αφού ο τελεστής p Όμως + p d p d p + d p και é H, p + p ù é H, p ù + é H, p ù é H, p ù + é H, p ù Επομένως d p + d p + d p d p ( é H, p ù ) h é H, p ù h é H, p ù + é H, p ù, h h ù + é H, p + é H, p ù h απ όπου βλέπουμε ότι 9 7//08

d p é H, p ù h é H, p ù h και d p ù γράφεται Ο μεταθέτης é H, p é H, p ù p é H, ù + é H, p ù - p é, H ù - é p, H ù Αν αντικαταστήσουμε τους μεταθέτες é p, H ù και é, H ù από τις () και (4), αντίστοιχα, παίρνουμε h h é H, p ù - p p - ( -hv ( ) ) - p + hv ( ) h é H, p ù - p + hv ( ) Επειδή ο μεταθέτης év ( ), ù είναι μηδέν, αφού ο τελεστής της θέσης μετατίθεται με τον εαυτό του, παίρνουμε ( ) V ( ) V ù γράφεται Οπότε ο μεταθέτης é H, p h é H, p ù - p + hv ( ) Αν αντικαταστήσουμε στην (7), θα πάρουμε d p h ( ) - p + hv h ( ) p - V d p ( ) p - V (8) Όμως 0 7//08

T p p Άρα p T Αν αντικαταστήσουμε στην (8), θα πάρουμε d p ( ) T - V (9) Θα θεωρήσουμε τώρα ότι οι προηγούμενες μέσες τιμές λαμβάνονται σε μια (τυχαία) δέσμια ιδιοκατάσταση της ενέργειας, οπότε d p 0 (0) Απόδειξη Επειδή η κατάσταση ας τη συμβολίσουμε με y είναι δέσμια, το σωμάτιο είναι είναι, κάθε στιγμή, εντοπισμένο στον χώρο και η μέση τιμή του τελεστή p πεπερασμένη. Έτσι, η μέση τιμή του προηγούμενου τελεστή τη χρονική στιγμή γράφεται, στον χώρο των θέσεων (αναπαράσταση θέσης), p d ö æ * * ò- dy (, ) çè -h d ø y (, ) -h-ò dy (, ) ( y (, ) ) -h ò dy * (, ) ( y (, ) ) p - όπου ο τόνος συμβολίζει παραγώγιση ως προς τη θέση. Επομένως d p d -h ò dy * (, ) ( y (, ) ) - () Σημείωση 7//08

Η μέση τιμή δεν εξαρτάται από την αναπαράσταση, επομένως μπορούμε να την υπολογίσουμε σε όποια αναπαράσταση μάς βολεύει. Επειδή η κατάσταση y είναι ιδιοκατάσταση της ενέργειας, η χρονική της εξέλιξη y ( ) είναι æ E ö y è h ø y ( ) ep ç - όπου E είναι η ενέργεια της κατάστασης. Η κυματοσυνάρτηση y (, ) που περιγράφει την προηγούμενη κατάσταση στον χώρο των θέσεων μια τυχαία χρονική στιγμή είναι, επομένως, æ E ö y ( ) è h ø y (, ) ep ç - όπου y ( ) είναι η κυματοσυνάρτηση τη χρονική στιγμή μηδέν. Με τη βοήθεια της τελευταίας σχέσης, η ολοκληρωτέα συνάρτηση της σχέσης () γράφεται * æ ö æ ö æ E ö æ E ö y (, ) ( y (, ) ) ç ep ç - y ( ) ç ep ç y ( ) è h ø è h ø è ø è ø æ E ö * æ E ö * ep ç y ( ) ep ç ( y ( ) ) y ( ) ( y ( ) ) è h ø è h ø * y * (, ) ( y (, ) ) y * ( ) ( y ( ) ) Βλέπουμε ότι η ολοκληρωτέα συνάρτηση δεν εξαρτάται από τον χρόνο, επομένως ούτε το ολοκλήρωμα στο δεξιό μέλος της () εξαρτάται από τον χρόνο, άρα d dy * (, ) ( y (, ) ) 0 ò - και τότε η () μάς δίνει τη (0), δηλαδή d p 0 Με τη βοήθεια της (0), η (9) γράφεται 7//08

T ( ) V () Η σχέση () είναι το θεώρημα val στη μία διάσταση. Είναι φανερό ότι η σχέση (), δηλαδή το θεώρημα val, ισχύει και για δέσμιες καταστάσεις που δεν είναι ιδιοκαταστάσεις της ενέργειας, αρκεί για τις καταστάσεις αυτές να ισχύει η (0). Παραδείγματα Ι. V ( ) w (αρμονικός ταλαντωτής) Τότε V ( ) w Þ V ( ) w V ( ) V ( ) V ( ) Έτσι, το θεώρημα val γράφεται T V όπου, για απλότητα, παραλείπουμε τον δείκτη του χρόνου και το σύμβολο των τελεστών. ΙΙ. V ( ) k n, k > 0, n,,... Τότε V ( ) nk n - Þ V ( ) nk n nv ( ) V ( ) nv ( ) Έτσι, το θεώρημα val γράφεται T n V Επίσης 3 7//08

E T + V n V + V ( n + ) V E ( n + ) V Αν το σύστημα βρίσκεται σε ιδιοκατάσταση της ενέργειας, E E, οπότε E ( n + ) V ΙΙΙ. V ( ) -ld ( ), l > 0 (απλό ελκτικό δυναμικό δέλτα) Για να βρούμε την παράγωγο του δυναμικού, δηλαδή την παράγωγο της συνάρτησης δέλτα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σχέση d ( ) 0. Αν παραγωγίσουμε και τα δύο μέλη της τελευταίας εξίσωσης, θα πάρουμε ( d ( ) ) 0 Þ d ( ) + d ( ) 0 Þ d ( ) -d ( ) Οπότε V ( ) - l d ( ) ld ( ) -V ( ) V ( ) -V ( ) Έτσι, το θεώρημα val γράφεται T + V 0 Θυμίζουμε ότι το απλό ελκτικό δυναμικό δέλτα έχει μόνο μία δέσμια κατάσταση. IV. Μονοδιάστατο άτομο του υδρογόνου Το δυναμικό σε αυτήν την περίπτωση είναι V ( ) - l, l >0 Για > 0, V ( ) V ( ) l l, οπότε Þ V ( ) l -V ( ) 4 7//08

V ( ) -V ( ) Για < 0, V ( ) V ( ) - l l, οπότε Þ V ( ) - l -V ( ) V ( ) -V ( ) Έτσι, σε κάθε περίπτωση, V ( ) -V ( ), ¹ 0 Έτσι, το θεώρημα val γράφεται T + V 0 ή T - V Αν το σύστημα βρίσκεται σε ιδιοκατάσταση της ενέργειας, E E, και E T + V - V V + V Επομένως V E (3). Με τη βοήθεια της (3), δηλαδή με τη βοήθεια του θεωρήματος val, θα δείξουμε ότι οι δέσμιες ενέργειες του μονοδιάστατου ατόμου του υδρογόνου είναι αρνητικές. Απόδειξη Η μέση τιμή του δυναμικού σε μια τυχαία ιδιοκατάσταση y της ενέργειας του συστήματος γράφεται, στον χώρο των θέσεων, 5 7//08

V ( ) y ( ) ò d y ( ) V ( ) -l ò d ò dy ( ) V{ * - Βαθμωτή συνάρτηση - y ( ) - V -l ò d y ( ) - (4) H y ( ), ως ιδιοσυνάρτηση, πρέπει να είναι γραμμικά ανεξάρτητη, επομένως δεν μπορεί να είναι ταυτοτικά μηδενική, δηλαδή θα πρέπει να παίρνει και μη μηδενικές τιμές, οπότε θα υπάρχει 0 Î έτσι ώστε y ( 0 ) ¹ 0. Τότε, επειδή η y ( ) είναι συνεχής (ως κυματοσυνάρτηση), θα παίρνει μη μηδενικές τιμές σε μια γειτονιά του 0 και άρα εκεί y ( ) > 0, οπότε ò d - y ( ) > 0, άρα, από τη (4), V < 0, και από τη (3) (θεώρημα val), E < 0, δηλαδή οι δέσμιες ενέργειες του μονοδιάστατου ατόμου του υδρογόνου είναι αρνητικές.. Θα χρησιμοποιήσουμε πάλι την έκφραση του θεωρήματος val, δηλαδή τη σχέση (3), για να δείξουμε ότι η κυματοσυνάρτηση μιας τυχαίας δέσμιας κατάστασης του συστήματος μηδενίζεται στο μηδέν. Απόδειξη Η κυματοσυνάρτηση μιας τυχαίας δέσμιας κατάστασης είναι γραμμικός συνδυασμός κυματοσυναρτήσεων δέσμιων ιδιοκαταστάσεων της ενέργειας, επομένως αρκεί να δείξουμε ότι η κυματοσυνάρτηση y ( ) μιας τυχαίας δέσμιας ιδιοκατάστασης της ενέργειας μηδενίζεται στο μηδέν. Έστω ότι η y ( ) δεν μηδενίζεται στο μηδέν. Τότε, επειδή είναι συνεχής, ως κυματοσυνάρτηση, θα παίρνει μη μηδενικές τιμές σε μια γειτονιά του 0 0, επομένως θα υπάρχει > 0 έτσι ώστε y ( ) ³ και y ( ) ³, στη γειτονιά του 0 0. Έτσι, αν το διάστημα [ -e, e ] ανήκει είναι δηλαδή υποσύνολο της προηγούμενης γειτονιάς, 6 7//08

e òe d y ( ) - e e ³ ò d -e { ò d 0 ( ln e - ln 0 ) Άρτια συνάρτηση αφού ln e πεπερασμένο και ln 0 -. Επομένως e ò d y ( ) -e Επειδή η ολοκληρωτέα συνάρτηση ò d y ( ) ³ - e ò d -e y ( ) y ( ) είναι μη αρνητική, Οπότε ò d - y ( ) Τότε, από τη (4), V -, και από τη (3) (θεώρημα val), E -, δηλαδή η ενέργεια της ιδιοκατάστασης είναι -. Αυτό όμως είναι αδύνατο, αφού το μονοδιάστατο άτομο του υδρογόνου έχει πεπερασμένη ελάχιστη ενέργεια (για την απόδειξη, δείτε την αναφορά 4). Επομένως, η y ( ) μηδενίζεται στο μηδέν, και επειδή είναι τυχαία, όλες οι κυματοσυναρτήσεις των δέσμιων ιδιοκαταστάσεων της ενέργειας μηδενίζονται στο μηδέν, και κατ επέκταση, όλες οι κυματοσυναρτήσεις των δέσμιων καταστάσεων όχι απαραίτητα ιδιοκαταστάσεων της ενέργειας του μονοδιάστατου ατόμου του υδρογόνου μηδενίζονται στο μηδέν. Ως συνέπεια του προηγούμενου, η κυματοσυνάρτηση της βασικής κατάστασης του μονοδιάστατου ατόμου του υδρογόνου έχει ένα μηδενικό, στο μηδέν. 7 7//08

. Το θεώρημα val στις τρεις διαστάσεις Με το σκεπτικό που χρησιμοποιήσαμε στη μία διάσταση, θα υπολογίσουμε τους () μεταθέτες é p, V ù, é p, H ù, και é, H ù, και στη συνέχεια θα χρησιμοποιήσουμε το θεώρημα του Ehenfes. Στις τρεις διαστάσεις, ισχύουν οι μεταθετικές σχέσεις é j, k ù 0 é p j, p k ù 0 é j, p k ù hd jk όπου j, k,, 3, με τον δείκτη να αναφέρεται στη συντεταγμένη, τον στην y, και τον 3 στη z. Το στο δεξιό μέλος της τελευταίας σχέσης είναι η φανταστική μονάδα. Το σύμβολο d jk είναι το δέλτα του Κρόνεκερ, δηλαδή ì, j k î0, j ¹ k d jk í Όπως στην περίπτωση της μίας διάστασης, επιλέγουμε τον χώρο των θέσεων (αναπαράσταση θέσης) για να υπολογίσουμε τους προηγούμενες μεταθέτες. Ας συμβολίσουμε με e, e, e3 τα μοναδιαία διανύσματα στους καρτεσιανούς άξονες, y, z, αντίστοιχα. () Η δράση του μεταθέτη é p, V ù σε μια τυχαία κυματοσυνάρτηση y ( ) μάς δίνει é ù ê é p,v ùy ( ) ê p j e j,v ( ) y ( ) ( p j e jv ( ) - V ( ) p j e j )y ( ) ê { j είναι δείκτης ê Οάθροισης, με ê τιμές,,3 æ æ ( p jv ( )y ( ) - V ( ) p jy ( ) ) e j h V y V ç ( ) ( ) ( ) çç -h ( ) { ç j j è è p j - h () j º, º y, 3 º z 8 ö ö y ( ) e j ø ø 7//08

æ V ( ) V ( ) y ( ) ö -h ç V ( )y ( ) ) - V ( ) e j -h y ( ) e j -h e j y ( ) ( ç j ø j j è j 44 3 ÑV ( ) -hñv ( )y ( ) é p, V ùy ( ) -hñv ( )y ( ) () Επειδή η κυματοσυνάρτηση y ( ) είναι τυχαία, é p, V ù -hñv ( ) () (5) Θα υπολογίσουμε τώρα τον μεταθέτη é p, H ù. Είναι é p ù é p ù é p, H ù é p, T + V ù é p, T ù + é p,v ù ê p, é p, V ù ê p, + h Ñ V ( ) όπου στην τελευταία ισότητα χρησιμοποιήσαμε τη (5). Επομένως é p ù é p, H ù ê p, h Ñ V ( ) (6) Όμως é p ù é p j e j, p k ù é p j, p k ù e j ê p, όπου οι δείκτες j, k είναι δείκτες άθροισης, με τιμές,,3. Επειδή ο μεταθέτης é p j, p k ù είναι μηδέν, ο μεταθέτης é p j, p k ù είναι επίσης μηδέν, é p ù επομένως και ο μεταθέτης ê p, είναι μηδέν, οπότε η (6) γράφεται é p, H ù -hñv ( ) (7) Θα υπολογίσουμε τώρα τον μεταθέτη é, H ù. 9 7//08

Είναι é ù ê é, H ù é, T + V ù é, T ù + é,v ù ê j e j, p + é j e j,v ( ) ù ê { j είναι ê Οδείκτης ê άθροισης é ù ê ê é j, p k ù e j j e j, { p k + é j, V ( ) ù e j 4 4 3 ê Ο k είναι 0 ê δείκτης άθροισης é, H ù é j, p k ù e j (8) όπου οι δείκτες j, k είναι δείκτες άθροισης, με τιμές,,3. Όμως, είναι é j, p k ù é j, p k p k ù p k é j, p k ù + é j, p k ù p k p k hd jk + hd jk p k hd jk p k hp j é j, p k ù hp j Σημείωση Στον μεταθέτη é j, p k ù, ο δείκτης k επαναλαμβάνεται, αφού p k p k p k, οπότε αθροίζεται, είναι δηλαδή δείκτης άθροισης. Αντίθετα, ο δείκτης j δεν επαναλαμβάνεται, οπότε δεν είναι δείκτης άθροισης. Στο δεξιό μέλος της (8), και οι δύο δείκτες j, k επαναλαμβάνονται, οπότε είναι και οι δύο δείκτες άθροισης. Γενικά, σε μια παράσταση με δείκτες, όταν ένα δείκτης επαναλαμβάνεται, τότε είναι δείκτης άθροισης. Οι δείκτες που αθροίζονται, δεν εμφανίζονται στο τελικό αποτέλεσμα. Έτσι, για παράδειγμα, το αποτέλεσμα του υπολογισμού του μεταθέτη é j, p k ù εξαρτάται μόνο από τον δείκτη j. Έτσι, η (8) γράφεται 0 7//08

é, H ù hp j e j h p j e j h p é, H ù h p (9) Εξάλλου, η (7) γράφεται V ( ) V ( ) é p j e j, H ù -h e j Þ é p j, H ù e j -h ej j j Επειδή τα μοναδιαία διανύσματα e j, j,, 3, είναι γραμμικά ανεξάρτητα, από την τελευταία ισότητα παίρνουμε V ( ) é p j, H ù -h (0) j Με τον ίδιο τρόπο, από τη (9) παίρνουμε h é j, H ù p j () Προχωράμε τώρα στον υπολογισμό της χρονικής εξέλιξης της μέσης τιμής του p, που είναι το εσωτερικό γινόμενο του (διανυσματικού) τελεστή της ορμής με τον (διανυσματικό) τελεστή της θέσης. Προσοχή! Για το εσωτερικό γινόμενο δύο διανυσματικών τελεστών ΔΕΝ ισχύει η αντιμεταθετική ιδιότητα, που ισχύει για το εσωτερικό γινόμενο δύο διανυσμάτων. Επειδή ο τελεστής p δεν εξαρτάται από τον χρόνο, η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής του, όπως δίνεται από το θεώρημα του Ehenfes, είναι d p é ù H, p h () Όπως και στην περίπτωση της μίας διάστασης, ο δείκτης στις μέσες τιμές δηλώνει ότι οι μέσες τιμές λαμβάνονται τη χρονική στιγμή. 7//08

Ο μεταθέτης é H, p ù γράφεται é ù ê h V ê é H, p ù - é p, H ù p j j, H p j é j, H ù + é p j, H ù j p j p j - h j Χώρος{ ê{ j θέσεων j είναι ê Οδείκτης ê άθροισης όπου στην τελευταία ισότητα χρησιμοποιήσαμε τις (0) και (). Επομένως p é H, p ù p j h p j - h V j h j - hj V h p - h ÑV ( ) h T - ÑV ( ) j j ( é H, p ù h T - ÑV ( ) ( ) (3) Με τη βοήθεια της (3), η () γράφεται d p h T - ÑV ( ) h ( ) - T - ÑV ( ) - T + ÑV ( ) d p - T + ÑV ( ) (4) Στον χώρο των θέσεων, η χρονική εξέλιξη της μέσης τιμής του τελεστή p γράφεται d p d d 3 y * (, ) p y (, ) ò - (5) Αν, όπως στην περίπτωση της μίας διάστασης, θεωρήσουμε ότι η κατάσταση y είναι δέσμια ιδιοκατάσταση ενέργειας E, τότε æ E ö y ( ) è h ø y (, ) ep ç Επομένως 7//08 )

æ E ö * æ E ö p ep ç y ( ) { y ( ) h è h ø è ø Δεν εξαρτάται y * (, ) p y (, ) ep ç από τον χρόνο æ E ö æ E ö * * ep ç ep ç y ( ) p y ( ) y ( ) p y ( ) è h ø è h ø y * (, ) p y (, ) y * ( ) p y ( ) Βλέπουμε ότι η ολοκληρωτέα συνάρτηση y * (, ) p y (, ) δεν εξαρτάται από τον χρόνο, επομένως ούτε το ολοκλήρωμα στο δεξιό μέλος της (5) εξαρτάται από τον χρόνο, άρα d d 3 y * (, ) p y (, ) 0 ò - Οπότε, από την (5) παίρνουμε d p 0 (6) Έτσι, η (4) γράφεται T ÑV ( ) (7) Η σχέση (7) είναι το θεώρημα val στις τρεις διαστάσεις. Όπως και στη μία διάσταση, η σχέση (7), δηλαδή το θεώρημα val, ισχύει και για δέσμιες καταστάσεις που δεν είναι ιδιοκαταστάσεις της ενέργειας, αρκεί για τις καταστάσεις αυτές να ισχύει η (6). 3. Αναφορές [] Eugen Mezbache, Quanu Mechancs (Wley, Thd Edon, 998). [] Davd J. Gffhs, Inoducon o Quanu Mechancs (Pence Hall, Inc., 995). [3] S. LeBohec, Quanu echancal appoaches o he val, 30 June 05, hp://www.physcs.uah.edu/~lebohec/scalerelavy/val/val.pdf [4] Gulleo Pala and Ulch Raff, The One Densonal Hydogen Ao Revsed, hps://av.og/abs/quan-ph/0608038 3 7//08