从练习题推导中加深对量子化学理论的理解

练习题1-2

判断下列算子是否可交换

[1] [x^,p^x][2] [l^x,ly^][3] [l^2,l^z]

解决本题首先要了解可交换的定义,对于任意两个算子有:

f^g^ψ(r)=g^f^ψ(r)  (f^g^g^f^)ψ(r)=0

那么这两个算子可交换,否则不可交换。其中下列式子称为交换子:

[f^,g^]f^g^g^f^

除此之外,还需要了解以下观测量在古典力学中的变量和量子力学中的算子对应:

观测量 变量 算子
位置 x (r) x^ (x^)
动量 px (p) p^x=iddx (p^)
角动量 l2=lx2+ly2+lz2 l^2=l^x2+l^y2+l^z2
    l^x=i(yzzy)
    l^y=i(zxxz)
    l^z=i(xyyx)

算子组一

p^x=iddx 代入可得

[x^,p^x]ψ(x)=(x^p^xp^xx^)ψ(x)=ixddxψ(x)(i)ddx[xψ(x)]

这里需要注意算子 ddx 是求导算子,根据链式法则应该对 [xψ(x)] 分别对 x 求导,于是:

=ixddxψ(x)+i[xddxψ(x)+ψ(x)]=iψ(x)0

因此,这两个算子不可交换

算子组二

l^xl^y 代入可得 (注意 (i)2=1)

l^xl^y=(i)2(yzzy)(zxxz)=2(yzzxzyzxyzxz+zyxz)
求偏导中的注意点

  这里需要注意“求偏导的函数中是否包含了偏导的对象”,如果不包含则可以直接将变量左移,如果包含则需要根据链式法则分别求导。

接着有

l^xl^y=2[y(z2zx+x)z22yxxy2z2+xz2yz]=2[yz2zx+yxz22yxxy2z2+xz2yz]

同理

l^yl^x=(i)2(zxxz)(yzzy)=2(zxyzxzyzzxzy+xzzy)=2[yz2xzxy2z2z22xy+x(y+z2zy)]=2(yz2xzxy2z2z22xy+xy+xz2zy)

因此交换子为(减法抵消相同项)

[l^x,l^y]=l^xl^yl^yl^x=2(yxxy)=i22(yxxy)=i[i(xyyx)]=il^z0

因此,这两个算子不可交换

算子组三

通过算子组二可以类似推理得到:

[l^y,l^z]=il^x [l^z,l^x]=il^y

将其代入可得:

[l^2,l^z]=l^2l^zl^2l^z=(l^x2+l^y2+l^z2)l^zl^z(l^x2+l^y2+l^z2)=l^xl^xl^z+l^yl^yl^z+l^zl^zl^zl^zl^xl^xl^zl^yl^yl^zl^zl^z=l^xl^xl^z+l^yl^yl^z+l^zl^zl^zl^zl^xl^xl^zl^yl^yl^zl^zl^z=l^xl^xl^z+l^xl^zl^xl^xl^zl^xl^zl^xl^x+l^yl^yl^z+l^yl^zl^yl^yl^zl^yl^zl^yl^y=l^x(l^xl^zl^zl^x)+(l^xl^zl^zl^x)l^x+l^y(l^yl^zl^zl^y)+(l^yl^zl^zl^y)l^y=l^x([l^z,l^x])+([l^z,l^x])l^x+l^y[l^y,l^z]+[l^y,l^z]l^y=il^xl^yil^yl^x+il^yl^x+il^xl^y=0

因此,这两个算子可交换

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本文标题:《 《手解量子化学》练习题 1-2 》

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