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氢原子位动量及其密度研究--第1页
氢原子位动量及其密度研究
摘要:本文研究的是与氢原子有关的位动量及位动量密度。关于位动量和位动量
密度的研究可以追溯到量子力学刚诞生那个时候。玻尔-索末菲模型似乎解决了
氢原子的运动轨迹问题并假设其动量是量子化。但是,海森堡的不确定原理指出,
微观粒子的位置r和动量p不能同时被精确测量到。所以,同时研究微观粒子的
位置和动量变得不太可能。但是,由玻恩的理论可知一个波函数的平方的模可以
得到与其相应的概率密度。而波函数的概率密度可以由实验得到,通过比较波函
数的位置和动量概率密度,就可以得知微观粒子的位置和动量的一些性质,并且
可以相互借鉴各自所包含的信息,形成对位动量的研究。通过比较梅林变换和傅
里叶变换两种方法来计算位动量,发现傅里叶变换在计算位动量时更容易,并由
此得出位动量密度。通过氢原子的一些概念,在类氢原子的实例中将会阐述傅里
叶变换得出的结论。即氢原子位动量密度是一个可观测量,并且在高激发态接近
相应的经典密度。
关键词:位动量概念;位动量密度;梅林变换;傅里叶变换;氢原子
1.引言
著名的玻尔的氢原子模型是第一次成功地尝试了解电子行为的理论。玻尔将角动量量
子化为n 的整数倍(主量子数),他试图用圆形轨道,即类似行星运动的模型来描述电子运
动。就在玻尔的模型发表后不久,索末菲就提出了椭圆轨道的理论。他提出用两个量子条件,
量子化的角动量z分量与径向分量 产生来解释椭圆轨道的特性,并提出了旧量子论。在这l
种模式下,电子遵循椭圆轨道。虽然玻尔-索末菲模型似乎解释了一批原子光谱的特点,而
且这个理论坚持认为电子遵循经典的轨迹基本上是不正确的,不过这种理论也已经被现代量
子力学抛弃。其后海森堡不确定性原理的问世,指出的粒子的位置r和动量p不能同时被精
确地测量到,表明经典概念轨迹在微观系统中已经失去了它的意义。在微观的情况下,相对
于经典力学旨在预测在时间t发现粒子的位置r,量子力学仅提供一个波函数 (r),就可
以在时间t在r处发现粒子的概率。在非相对论波动力学中,波函数 和一个粒子的能
(r)
n
级 可以通过求解薛定谔方程 而求得(其中H系统的是哈密顿算符)。狄拉克
E
H E
n n n n
发现,这些位置波函数n(r)与粒子的动量波函数n(p)的傅里叶变换有关。事实上,一个
函数的方差与其傅立叶变换的方差是严格符合薛定谔对不确定原理的解释的。原则上,玻恩
的解释认为波函数的平方模数将得到相应的概率密度,并且用这种方式,可以得到粒子相应
位置密度 2 的|和动量密度 2 。不像波函数,密度是可以实验观测到。
S(r) (r) (p) (p)
n n
而且可以通过 x 射线或者中子的散射实验来测量位置密度S(r),通过康普顿光谱测量动量
密度(p)。我们注意到,虽然 (r)和 (p)的包含相同的信息,但密度S(r)的包含的信
息与代(p)包含的信息并不一样。通过这种方式,位置和动量性质可以相互借鉴,所以相
1
氢
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