统计物理 · 第一部分 预备知识 · 预备章 P2

量子力学要点

Essentials of Quantum Mechanics
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

给出第二、三部分用到的量子力学结论及其推导:量子态与算符、盒中粒子与周期性边界条件、谐振子、角动量与刚性转子、自旋与磁矩、全同粒子、微扰论(含交换作用与费米黄金规则)、密度矩阵。第2–8章中的【量子力学提示 D1–D5】分别对应 §P2.2–§P2.6。

§P2.1量子态、算符与薛定谔方程

物理输入
量子力学的基本假设

(1) 系统的状态由一个复向量空间中的归一化向量 ∣ψ⟩\lvert\psi\rangle 描述;对单个粒子,在坐标表象中就是波函数 ψ(x)\psi(x),∣ψ(x)∣2dx\lvert\psi(x)\rvert^2dx 是在 [x,x+dx][x,x+dx] 中找到粒子的概率。

(2) 可观测量对应厄米算符 A^\hat A;测量结果只能是 A^\hat A 的本征值 ana_n,测得 ana_n 的概率为 ∣⟨an∣ψ⟩∣2\lvert\langle a_n\vert\psi\rangle\rvert^2(∣an⟩\lvert a_n\rangle 为归一化本征向量,设不简并)。

(3) 坐标与动量满足正则对易关系 [x^,p^]≡x^p^−p^x^=iℏ[\hat x,\hat p]\equiv\hat x\hat p - \hat p\hat x = i\hbar;在坐标表象中 p^=−iℏ d/dx\hat p = -i\hbar\,d/dx。

(4) 状态随时间的演化由薛定谔方程 iℏ ∂t∣ψ⟩=H^∣ψ⟩i\hbar\,\partial_t\lvert\psi\rangle = \hat H\lvert\psi\rangle 决定,H^\hat H 是哈密顿算符。

复向量空间、厄米算符与狄拉克记号

⟨ϕ∣ψ⟩\langle\phi\vert\psi\rangle 是复内积,⟨ϕ∣ψ⟩∗=⟨ψ∣ϕ⟩\langle\phi\vert\psi\rangle^\ast = \langle\psi\vert\phi\rangle;对波函数 ⟨ϕ∣ψ⟩=∫ϕ∗ψ dx\langle\phi\vert\psi\rangle = \int\phi^\ast\psi\,dx。厄米算符满足 ⟨ϕ∣A^ψ⟩=⟨A^ϕ∣ψ⟩\langle\phi\vert\hat A\psi\rangle = \langle\hat A\phi\vert\psi\rangle。正交归一基 {∣n⟩}\lbrace\lvert n\rangle\rbrace 满足完备性 ∑n∣n⟩⟨n∣=1\sum_n\lvert n\rangle\langle n\rvert = 1,任意向量可展开为 ∣ψ⟩=∑n∣n⟩⟨n∣ψ⟩\lvert\psi\rangle = \sum_n\lvert n\rangle\langle n\vert\psi\rangle。(详见附录 B4。)

厄米算符的两条性质。设 A^∣a⟩=a∣a⟩\hat A\lvert a\rangle = a\lvert a\rangle。由厄米性,a⟨a∣a⟩=⟨a∣A^a⟩=⟨A^a∣a⟩=a∗⟨a∣a⟩a\langle a\vert a\rangle = \langle a\vert\hat Aa\rangle = \langle\hat Aa\vert a\rangle = a^\ast\langle a\vert a\rangle,所以本征值是实数。若 A^∣a′⟩=a′∣a′⟩\hat A\lvert a'\rangle = a'\lvert a'\rangle 且 a′≠aa'\ne a,则 a⟨a′∣a⟩=⟨a′∣A^a⟩=⟨A^a′∣a⟩=a′⟨a′∣a⟩a\langle a'\vert a\rangle = \langle a'\vert\hat Aa\rangle = \langle\hat Aa'\vert a\rangle = a'\langle a'\vert a\rangle,所以 (a−a′)⟨a′∣a⟩=0(a - a')\langle a'\vert a\rangle = 0:不同本征值的本征向量正交。

平均值。把 ∣ψ⟩\lvert\psi\rangle 按 A^\hat A 的本征向量展开,∣ψ⟩=∑ncn∣an⟩\lvert\psi\rangle = \sum_nc_n\lvert a_n\rangle,cn=⟨an∣ψ⟩c_n = \langle a_n\vert\psi\rangle,则

⟨A⟩=∑nan∣cn∣2=⟨ψ∣A^∣ψ⟩(P2.1)\langle A\rangle = \sum_na_n\lvert c_n\rvert^2 = \langle\psi\vert\hat A\vert\psi\rangle \tag{P2.1}

(第二个等号:A^∣ψ⟩=∑ncnan∣an⟩\hat A\lvert\psi\rangle = \sum_nc_na_n\lvert a_n\rangle,再用正交归一性。)

验证对易关系:对任意 ψ\psi,[x^,p^]ψ=−iℏxψ′+iℏ(xψ)′=iℏψ[\hat x,\hat p]\psi = -i\hbar x\psi' + i\hbar(x\psi)' = i\hbar\psi。这正是泊松括号 {x,p}=1\lbrace x,p\rbrace = 1((P1.8))的量子对应:{A,B}→[A^,B^]/(iℏ)\lbrace A,B\rbrace\to[\hat A,\hat B]/(i\hbar)。

定态。若 H^∣E⟩=E∣E⟩\hat H\lvert E\rangle = E\lvert E\rangle,则 ∣ψ(t)⟩=e−iEt/ℏ∣E⟩\lvert\psi(t)\rangle = e^{-iEt/\hbar}\lvert E\rangle 满足薛定谔方程。整体相位因子不改变任何概率,所以能量本征态是定态:一切可观测量的分布都不随时间变化。统计力学中的"微观态"就是指这些定态(§2.5)。在坐标表象中,单粒子的定态方程为

−ℏ22m∇2ψ+V(r)ψ=Eψ(P2.2)-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V(\mathbf r)\psi = E\psi \tag{P2.2}

平均值的演化。由薛定谔方程及其共轭 −iℏ ∂t⟨ψ∣=⟨ψ∣H^-i\hbar\,\partial_t\langle\psi\rvert = \langle\psi\rvert\hat H,对不显含时间的 A^\hat A:

d⟨A⟩dt=1iℏ⟨ψ∣[A^,H^]∣ψ⟩(P2.3)\frac{d\langle A\rangle}{dt} = \frac{1}{i\hbar}\langle\psi\vert[\hat A,\hat H]\vert\psi\rangle \tag{P2.3}

与 (P1.8) 对照:经典的 {A,H}\lbrace A,\mathcal H\rbrace 换成了 [A^,H^]/(iℏ)[\hat A,\hat H]/(i\hbar)。

§P2.2一维问题:盒中粒子与周期性边界条件(对应提示 D1)

盒中粒子。§2.5 的提示 D1 已求出无限深势阱中的解 ψn=Asin⁡(nπx/L)\psi_n = A\sin(n\pi x/L)、εn=π2ℏ2n2/(2mL2)\varepsilon_n = \pi^2\hbar^2n^2/(2mL^2)。归一化:∫0Lsin⁡2(nπx/L) dx=L/2\int_0^L\sin^2(n\pi x/L)\,dx = L/2,所以 A=2/LA = \sqrt{2/L}。基态能量 π2ℏ2/(2mL2)>0\pi^2\hbar^2/(2mL^2)>0:把粒子限制在有限区域内,它就不可能静止——这是"零点能"的一个例子(§P2.3 中谐振子的零点能也是如此)。三维立方盒的能级 (2.17) 往往简并:例如 (nx,ny,nz)=(2,1,1)(n_x,n_y,n_z) = (2,1,1)、(1,2,1)(1,2,1)、(1,1,2)(1,1,2) 能量相同,简并度为 3。

周期性边界条件。研究宏观样品的体性质时,常要求 ψ(x+L)=ψ(x)\psi(x+L) = \psi(x)(想象把一维样品首尾相接成一个环)。自由粒子的解为

ψk(x)=1Leikx,k=2πnL (n=0,±1,±2,… ),p^ ψk=ℏk ψk,εk=ℏ2k22m(P2.4)\psi_k(x) = \frac{1}{\sqrt L}e^{ikx},\qquad k = \frac{2\pi n}{L}\ (n = 0,\pm1,\pm2,\dots),\qquad \hat p\,\psi_k = \hbar k\,\psi_k,\qquad \varepsilon_k = \frac{\hbar^2k^2}{2m} \tag{P2.4}

它们同时是动量的本征态,代表沿 ±x\pm x 方向传播的波。相邻 kk 值的间隔为 2π/L2\pi/L;三维中每个态在 kk 空间占体积 (2π)3/V(2\pi)^3/V,用 p=ℏkp = \hbar k 换算,即每个态在动量空间占 h3/Vh^3/V——这就是 (2.20) 的来源。驻波边界条件(k=nπ/Lk = n\pi/L,n>0n>0)与周期性边界条件给出的态数相同(§2.5);后者处理传播的波(电子、声子、光子)更方便,第三部分都将使用它。

§P2.3谐振子:升降算符与零点能(对应提示 D2)

H^=p^2/2m+mω2x^2/2\hat H = \hat p^2/2m + m\omega^2\hat x^2/2。定义

a^=mω2ℏ(x^+ip^mω),a^†=mω2ℏ(x^−ip^mω)(P2.5)\hat a = \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\left(\hat x + \frac{i\hat p}{m\omega}\right),\qquad \hat a^\dagger = \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\left(\hat x - \frac{i\hat p}{m\omega}\right) \tag{P2.5}

两个代数关系。由 [x^,p^]=iℏ[\hat x,\hat p] = i\hbar:

  • [a^,a^†]=mω2ℏ(−imω[x^,p^]+imω[p^,x^])=mω2ℏ⋅2ℏmω=1[\hat a,\hat a^\dagger] = \frac{m\omega}{2\hbar}\left(-\frac{i}{m\omega}[\hat x,\hat p] + \frac{i}{m\omega}[\hat p,\hat x]\right) = \frac{m\omega}{2\hbar}\cdot\frac{2\hbar}{m\omega} = 1;
  • a^†a^=mω2ℏ(x^2+p^2m2ω2+imω[x^,p^])=H^ℏω−12\hat a^\dagger\hat a = \frac{m\omega}{2\hbar}\left(\hat x^2 + \frac{\hat p^2}{m^2\omega^2} + \frac{i}{m\omega}[\hat x,\hat p]\right) = \frac{\hat H}{\hbar\omega} - \frac12。

所以

H^=ℏω(N^+12),N^≡a^†a^,[a^,a^†]=1(P2.6)\hat H = \hbar\omega\left(\hat N + \frac12\right),\qquad \hat N\equiv\hat a^\dagger\hat a,\qquad [\hat a,\hat a^\dagger] = 1 \tag{P2.6}

N^\hat N 的本征值。由 [N^,a^]=a^†[a^,a^]+[a^†,a^]a^=−a^[\hat N,\hat a] = \hat a^\dagger[\hat a,\hat a] + [\hat a^\dagger,\hat a]\hat a = -\hat a 及同理 [N^,a^†]=a^†[\hat N,\hat a^\dagger] = \hat a^\dagger:若 N^∣ν⟩=ν∣ν⟩\hat N\lvert\nu\rangle = \nu\lvert\nu\rangle,则 N^(a^∣ν⟩)=(ν−1)a^∣ν⟩\hat N(\hat a\lvert\nu\rangle) = (\nu-1)\hat a\lvert\nu\rangle,N^(a^†∣ν⟩)=(ν+1)a^†∣ν⟩\hat N(\hat a^\dagger\lvert\nu\rangle) = (\nu+1)\hat a^\dagger\lvert\nu\rangle:a^\hat a 把本征值降低 1,a^†\hat a^\dagger 升高 1("降算符""升算符")。又 ∥a^∣ν⟩∥2=⟨ν∣a^†a^∣ν⟩=ν\lVert\hat a\lvert\nu\rangle\rVert^2 = \langle\nu\vert\hat a^\dagger\hat a\vert\nu\rangle = \nu,所以 ν≥0\nu\ge0。反复作用 a^\hat a 会使本征值无限减小而变为负数,除非这一序列在某个满足 a^∣ν0⟩=0\hat a\lvert\nu_0\rangle = 0 的态上终止;而这个态的 ν0=∥a^∣ν0⟩∥2=0\nu_0 = \lVert\hat a\lvert\nu_0\rangle\rVert^2 = 0。因此 ν\nu 只能取 n=0,1,2,…n = 0,1,2,\dots:

εn=(n+12)ℏω,n=0,1,2,…(P2.7)\varepsilon_n = \left(n + \frac12\right)\hbar\omega,\qquad n = 0,1,2,\dots \tag{P2.7}

这就是第6章用作输入的谐振子能级。∥a^†∣n⟩∥2=⟨n∣a^a^†∣n⟩=n+1\lVert\hat a^\dagger\lvert n\rangle\rVert^2 = \langle n\vert\hat a\hat a^\dagger\vert n\rangle = n + 1,所以 a^†∣n⟩=n+1 ∣n+1⟩\hat a^\dagger\lvert n\rangle = \sqrt{n+1}\,\lvert n+1\rangle,同理 a^∣n⟩=n ∣n−1⟩\hat a\lvert n\rangle = \sqrt n\,\lvert n-1\rangle。

基态与零点能。a^ψ0=0\hat a\psi_0 = 0 在坐标表象中是一阶微分方程 (x+ℏmωddx)ψ0=0\left(x + \frac{\hbar}{m\omega}\frac{d}{dx}\right)\psi_0 = 0,其解唯一(除归一化常数外):ψ0∝e−mωx2/2ℏ\psi_0\propto e^{-m\omega x^2/2\hbar}。所以基态不简并,再由升算符逐级得到的各能级也都不简并。∣ψ0∣2∝e−mωx2/ℏ\lvert\psi_0\rvert^2\propto e^{-m\omega x^2/\hbar} 是高斯分布,由 (2.5),⟨x2⟩=ℏ/(2mω)\langle x^2\rangle = \hbar/(2m\omega),平均势能 12mω2⟨x2⟩=14ℏω\frac12m\omega^2\langle x^2\rangle = \frac14\hbar\omega;动能同样是 14ℏω\frac14\hbar\omega,合计零点能 12ℏω\frac12\hbar\omega。粒子在基态也不能静止于势能最低点:若把它限制在 Δx\Delta x 的范围内,它的动量就至少有 ℏ/Δx\hbar/\Delta x 量级的弥散。

与经典计数的对应:能量不超过 EE 的能级约有 E/ℏωE/\hbar\omega 个,正好等于相空间椭圆面积 2πE/ω2\pi E/\omega 除以 hh(第2章自测题 2),验证了 (2.20)。

§P2.4角动量与刚性转子(对应提示 D3)

对易关系。轨道角动量 L^=r^×p^\hat{\mathbf L} = \hat{\mathbf r}\times\hat{\mathbf p},例如 L^x=y^p^z−z^p^y\hat L_x = \hat y\hat p_z - \hat z\hat p_y。不同方向的坐标与动量对易,只有 [x^a,p^a]=iℏ[\hat x_a,\hat p_a] = i\hbar 不为零,于是

[L^x,L^y]=[y^p^z,z^p^x]+[z^p^y,x^p^z]=y^p^x[p^z,z^]+x^p^y[z^,p^z]=iℏ(x^p^y−y^p^x)=iℏL^z[\hat L_x,\hat L_y] = [\hat y\hat p_z,\hat z\hat p_x] + [\hat z\hat p_y,\hat x\hat p_z] = \hat y\hat p_x[\hat p_z,\hat z] + \hat x\hat p_y[\hat z,\hat p_z] = i\hbar(\hat x\hat p_y - \hat y\hat p_x) = i\hbar\hat L_z

轮换即得另外两式。由此 [L^x2,L^z]=L^x[L^x,L^z]+[L^x,L^z]L^x=−iℏ(L^xL^y+L^yL^x)[\hat L_x^2,\hat L_z] = \hat L_x[\hat L_x,\hat L_z] + [\hat L_x,\hat L_z]\hat L_x = -i\hbar(\hat L_x\hat L_y + \hat L_y\hat L_x),[L^y2,L^z]=+iℏ(L^yL^x+L^xL^y)[\hat L_y^2,\hat L_z] = +i\hbar(\hat L_y\hat L_x + \hat L_x\hat L_y),所以 [L^2,L^z]=0[\hat L^2,\hat L_z] = 0:L^2\hat L^2 与 L^z\hat L_z 可以有共同本征态。

本征值。令 L^±=L^x±iL^y\hat L_\pm = \hat L_x\pm i\hat L_y。由对易关系,[L^z,L^±]=±ℏL^±[\hat L_z,\hat L_\pm] = \pm\hbar\hat L_\pm,且

L^∓L^±=L^2−L^z2∓ℏL^z(P2.8)\hat L_\mp\hat L_\pm = \hat L^2 - \hat L_z^2\mp\hbar\hat L_z \tag{P2.8}

设 L^2∣λ,m⟩=λℏ2∣λ,m⟩\hat L^2\lvert\lambda,m\rangle = \lambda\hbar^2\lvert\lambda,m\rangle,L^z∣λ,m⟩=mℏ∣λ,m⟩\hat L_z\lvert\lambda,m\rangle = m\hbar\lvert\lambda,m\rangle。与 §P2.3 同理,L^±\hat L_\pm 使 mm 增减 1 而不改变 λ\lambda。由于 ⟨L^x2+L^y2⟩≥0\langle\hat L_x^2 + \hat L_y^2\rangle\ge0,有 m2≤λm^2\le\lambda,所以升降序列必须在两端终止:存在 mmax⁡=lm_{\max} = l 使 L^+∣λ,l⟩=0\hat L_+\lvert\lambda,l\rangle = 0,由 (P2.8),0=L^−L^+∣λ,l⟩=(λ−l2−l)ℏ2∣λ,l⟩0 = \hat L_-\hat L_+\lvert\lambda,l\rangle = (\lambda - l^2 - l)\hbar^2\lvert\lambda,l\rangle,即 λ=l(l+1)\lambda = l(l+1);同理最低的 mmin⁡m_{\min} 满足 λ=mmin⁡2−mmin⁡\lambda = m_{\min}^2 - m_{\min},即 mmin⁡=−lm_{\min} = -l。从 −l-l 到 ll 以整数步长相连,要求 2l2l 为非负整数:

L^2: l(l+1)ℏ2,L^z: mℏ,m=−l,−l+1,…,l(2l+1 个态)(P2.9)\hat L^2:\ l(l+1)\hbar^2,\qquad \hat L_z:\ m\hbar,\quad m = -l,-l+1,\dots,l\qquad(2l+1\text{ 个态}) \tag{P2.9}

由 (P2.8) 还得 ∥L^±∣l,m⟩∥2=ℏ2[l(l+1)−m(m±1)]\lVert\hat L_\pm\lvert l,m\rangle\rVert^2 = \hbar^2[l(l+1) - m(m\pm1)],即 L^±∣l,m⟩=ℏl(l+1)−m(m±1) ∣l,m±1⟩\hat L_\pm\lvert l,m\rangle = \hbar\sqrt{l(l+1) - m(m\pm1)}\,\lvert l,m\pm1\rangle。轨道角动量的 ll 只能是整数:在球坐标中 L^z=−iℏ ∂/∂φ\hat L_z = -i\hbar\,\partial/\partial\varphi,本征函数 eimφe^{im\varphi} 绕 zz 轴转一周必须回到原值,所以 mm 为整数;半整数的值由自旋实现(§P2.5)。

刚性转子。由 (P1.3),线形转子的经典能量为 L2/2IL^2/2I;量子力学中 H^=L^2/2I\hat H = \hat L^2/2I,由 (P2.9):

εJ=ℏ22IJ(J+1),gJ=2J+1,J=0,1,2,…(P2.10)\varepsilon_J = \frac{\hbar^2}{2I}J(J+1),\qquad g_J = 2J+1,\qquad J = 0,1,2,\dots \tag{P2.10}

这就是第7章用作输入的转动能级。

§P2.5自旋与磁矩(对应提示 D4)

物理输入

电子、质子、中子等粒子具有内禀角动量(自旋)S^\hat{\mathbf S},它满足与 L^\hat{\mathbf L} 相同的对易关系,但量子数可以是半整数;电子、质子、中子的 s=1/2s = 1/2,Sz=±ℏ/2S_z = \pm\hbar/2。粒子的磁矩正比于自旋:μ^=γS^\hat{\boldsymbol\mu} = \gamma\hat{\mathbf S},γ\gamma 称为旋磁比;磁矩在磁场中的能量为 −μ⋅B-\boldsymbol\mu\cdot\mathbf B(§P3.1)。

塞曼能级。取 B\mathbf B 沿 zz 方向,H^=−γBS^z\hat H = -\gamma B\hat S_z,本征值为 ∓12γℏB\mp\frac12\gamma\hbar B。两能级的间隔与角频率 ω0=γB\omega_0 = \gamma B 相对应:

ΔE=γℏB=ℏω0=hν0(P2.11)\Delta E = \gamma\hbar B = \hbar\omega_0 = h\nu_0 \tag{P2.11}

这就是 (6.8) 中用到的关系,ν0\nu_0 称为拉莫尔频率。质子的 γp/2π≈42.58 MHz/T\gamma_{\mathrm p}/2\pi\approx42.58\ \mathrm{MHz/T},所以 9.4 T 对应约 400 MHz。

电子与原子的磁矩。电子的磁矩与自旋反向,μ^=−gsμBS^/ℏ\hat{\boldsymbol\mu} = -g_s\mu_{\mathrm B}\hat{\mathbf S}/\hbar,其中 gs≈2.0023g_s\approx2.0023,玻尔磁子 μB=eℏ/(2me)=9.274×10−24 J/T\mu_{\mathrm B} = e\hbar/(2m_{\mathrm e}) = 9.274\times10^{-24}\ \mathrm{J/T},比质子的磁矩大约三个数量级。原子或离子的总角动量量子数为 JJ 时,磁矩的 zz 分量取 2J+12J+1 个值 −gJμBmJ-g_J\mu_{\mathrm B}m_J(gJg_J 称为朗德因子),在磁场中的能级为 gJμBBmJg_J\mu_{\mathrm B}Bm_J——这就是第6章自测题 1 的出发点。

§P2.6全同粒子:交换对称性与泡利不相容原理(对应提示 D5)

交换算符。对两个全同粒子定义 P^12ψ(x1,x2)=ψ(x2,x1)\hat P_{12}\psi(x_1,x_2) = \psi(x_2,x_1)(xx 包括坐标与自旋)。全同粒子的哈密顿量对交换对称,所以 [P^12,H^]=0[\hat P_{12},\hat H] = 0;又 P^122=1\hat P_{12}^2 = 1,所以 P^12\hat P_{12} 的本征值只能是 ±1\pm1。

物理输入
对称化假设与自旋–统计关系

全同粒子系统的状态在交换任意两个粒子时,要么完全对称(玻色子,自旋为整数,如光子、4^4He 原子),要么完全反对称(费米子,自旋为半整数,如电子、质子、中子、3^3He 原子)。

泡利不相容原理。设两个无相互作用的全同粒子分别处于单粒子态 ϕa\phi_a、ϕb\phi_b。满足对称化假设的态为

ψ±(x1,x2)=12[ϕa(x1)ϕb(x2)±ϕb(x1)ϕa(x2)](P2.12)\psi_\pm(x_1,x_2) = \frac{1}{\sqrt2}\left[\phi_a(x_1)\phi_b(x_2)\pm\phi_b(x_1)\phi_a(x_2)\right] \tag{P2.12}

(++ 对玻色子,−- 对费米子;a=ba = b 时玻色子的态为 ϕa(x1)ϕa(x2)\phi_a(x_1)\phi_a(x_2)。)对费米子,若 a=ba = b,则 ψ−≡0\psi_- \equiv 0:两个全同费米子不能处于同一个单粒子态。NN 个费米子的反对称态可以写成以 ϕai(xj)\phi_{a_i}(x_j) 为矩阵元的行列式(斯莱特行列式):交换两个粒子就是交换两列,行列式变号;两个单粒子态相同就是两行相同,行列式为零(提示 B3)。

数态:与 1/N!1/N! 的比较。两个粒子、两个单粒子态 aa、bb:

  • 可区分粒子:aaaa、abab、baba、bbbb,共 4 个态;
  • 玻色子:aaaa、bbbb、(ab+ba)(ab+ba) 的对称组合,共 3 个;
  • 费米子:只有 (ab−ba)(ab-ba) 的反对称组合,1 个;
  • 经典的"除以 2!2!":4/2=24/2 = 2——对两者都不对。

只有当两个粒子几乎不会处于同一个态时(单粒子态远多于粒子数),三种计数才趋于一致:这正是 §3.7、§4.5 中 1/N!1/N! 修正的适用条件,第12章将严格处理。由于全同粒子不可区分,多粒子态完全由各单粒子态上的占据数 {nj}\lbrace n_j\rbrace 确定:费米子 nj∈{0,1}n_j\in\lbrace0,1\rbrace,玻色子 nj=0,1,2,…n_j = 0,1,2,\dots(§8.6)。

两个自旋 1/2 的合成。由 §P2.4 的结果(s=1/2s = 1/2),S^+∣↓⟩=ℏ∣↑⟩\hat S_+\lvert\downarrow\rangle = \hbar\lvert\uparrow\rangle,S^−∣↑⟩=ℏ∣↓⟩\hat S_-\lvert\uparrow\rangle = \hbar\lvert\downarrow\rangle,其余为零。写 S^1⋅S^2=S^1zS^2z+12(S^1+S^2−+S^1−S^2+)\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2 = \hat S_{1z}\hat S_{2z} + \frac12(\hat S_{1+}\hat S_{2-} + \hat S_{1-}\hat S_{2+}),直接作用得:

S^1⋅S^2=+ℏ24 (对三个对称态 ∣↑↑⟩, 12(∣↑↓⟩+∣↓↑⟩), ∣↓↓⟩),−3ℏ24 (对反对称态 12(∣↑↓⟩−∣↓↑⟩))(P2.13)\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2 = +\frac{\hbar^2}{4}\ \text{(对三个对称态 }\lvert\uparrow\uparrow\rangle,\ \tfrac{1}{\sqrt2}(\lvert\uparrow\downarrow\rangle+\lvert\downarrow\uparrow\rangle),\ \lvert\downarrow\downarrow\rangle\text{)},\qquad -\frac{3\hbar^2}{4}\ \text{(对反对称态 }\tfrac{1}{\sqrt2}(\lvert\uparrow\downarrow\rangle-\lvert\downarrow\uparrow\rangle)\text{)} \tag{P2.13}

(例如 S^1⋅S^2∣↑↓⟩=−ℏ24∣↑↓⟩+ℏ22∣↓↑⟩\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2\lvert\uparrow\downarrow\rangle = -\frac{\hbar^2}{4}\lvert\uparrow\downarrow\rangle + \frac{\hbar^2}{2}\lvert\downarrow\uparrow\rangle,对两个组合分别得 −ℏ24±ℏ22-\frac{\hbar^2}{4}\pm\frac{\hbar^2}{2}。)由 S^2=S^12+S^22+2S^1⋅S^2\hat S^2 = \hat S_1^2 + \hat S_2^2 + 2\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2 及 S^i2=34ℏ2\hat S_i^2 = \frac34\hbar^2,对称态 S2=2ℏ2S^2 = 2\hbar^2(总自旋 S=1S = 1,三重态),反对称态 S2=0S^2 = 0(S=0S = 0,单态)。对两个电子,总的波函数必须反对称:自旋三重态配反对称的空间波函数,自旋单态配对称的空间波函数。这一点是 §P2.7 中交换作用的来源。

应用:氢分子的正、仲态与对称数。H2\mathrm H_2 的两个质子是费米子(核自旋 1/2)。把两个质子交换,相当于把分子转过 180°,转动波函数乘以 (−1)J(-1)^J(JJ 阶球谐函数的宇称)。总波函数对质子交换反对称,所以核自旋单态(1 个态,仲氢)只能配偶数 JJ,核自旋三重态(3 个态,正氢)只能配奇数 JJ。高温下偶数与奇数 JJ 的转动配分函数各占一半(约 T/2ΘrT/2\Theta_{\mathrm r}),合起来是

qrqn≈1⋅T2Θr+3⋅T2Θr=4⋅T2Θrq_{\mathrm r}q_{\mathrm n}\approx1\cdot\frac{T}{2\Theta_{\mathrm r}} + 3\cdot\frac{T}{2\Theta_{\mathrm r}} = 4\cdot\frac{T}{2\Theta_{\mathrm r}}

即核自旋简并度 (2⋅12+1)2=4(2\cdot\tfrac12+1)^2 = 4 乘以 T/(σΘr)T/(\sigma\Theta_{\mathrm r}),σ=2\sigma = 2:这证明了 §7.3 中对称数的量子起源。低温下正、仲氢的比例偏离 3:1,相互转化又极慢,这正是 H2\mathrm H_2 低温热容"反常"的原因(§27.6)。

§P2.7微扰论初步

定态微扰。设 H^=H^0+V^\hat H = \hat H_0 + \hat V,V^\hat V 很小,H^0\hat H_0 的本征态 ∣n(0)⟩\lvert n^{(0)}\rangle 与能级 En(0)E_n^{(0)} 已知且不简并。把 En=En(0)+En(1)+En(2)+⋯E_n = E_n^{(0)} + E_n^{(1)} + E_n^{(2)} + \cdots、∣n⟩=∣n(0)⟩+∣n(1)⟩+⋯\lvert n\rangle = \lvert n^{(0)}\rangle + \lvert n^{(1)}\rangle + \cdots(取 ⟨n(0)∣n(1)⟩=0\langle n^{(0)}\vert n^{(1)}\rangle = 0)代入 H^∣n⟩=En∣n⟩\hat H\lvert n\rangle = E_n\lvert n\rangle,按小量的阶数比较:

  • 一阶:H^0∣n(1)⟩+V^∣n(0)⟩=En(0)∣n(1)⟩+En(1)∣n(0)⟩\hat H_0\lvert n^{(1)}\rangle + \hat V\lvert n^{(0)}\rangle = E_n^{(0)}\lvert n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)}\lvert n^{(0)}\rangle。左乘 ⟨n(0)∣\langle n^{(0)}\rvert 得 En(1)=VnnE_n^{(1)} = V_{nn};左乘 ⟨m(0)∣\langle m^{(0)}\rvert(m≠nm\ne n)得 ⟨m(0)∣n(1)⟩=Vmn/(En(0)−Em(0))\langle m^{(0)}\vert n^{(1)}\rangle = V_{mn}/(E_n^{(0)} - E_m^{(0)}),其中 Vmn≡⟨m(0)∣V^∣n(0)⟩V_{mn}\equiv\langle m^{(0)}\vert\hat V\vert n^{(0)}\rangle。
  • 二阶:左乘 ⟨n(0)∣\langle n^{(0)}\rvert 得 En(2)=⟨n(0)∣V^∣n(1)⟩E_n^{(2)} = \langle n^{(0)}\vert\hat V\vert n^{(1)}\rangle。于是
En≈En(0)+Vnn+∑m≠n∣Vmn∣2En(0)−Em(0)(P2.14)E_n\approx E_n^{(0)} + V_{nn} + \sum_{m\ne n}\frac{\lvert V_{mn}\rvert^2}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}} \tag{P2.14}

对基态,二阶修正的每一项分母都为负:二阶微扰总是降低基态能量(§P3.3 的色散力就是一例)。

应用:交换作用的起源。两个电子处于两个正交的空间轨道 aa、bb 上,把它们之间的库仑排斥 V^\hat V 当作微扰。由 §P2.6,空间部分取 ψ±=12[a(r1)b(r2)±b(r1)a(r2)]\psi_\pm = \frac{1}{\sqrt2}[a(\mathbf r_1)b(\mathbf r_2)\pm b(\mathbf r_1)a(\mathbf r_2)](++ 配自旋单态,−- 配自旋三重态)。V^\hat V 对交换 1↔21\leftrightarrow2 对称,计算 ⟨ψ±∣V^∣ψ±⟩\langle\psi_\pm\vert\hat V\vert\psi_\pm\rangle,展开后的四项两两相等:

E±(1)=K±Jex,K=∫∣a(1)∣2∣b(2)∣2V d3r1d3r2,Jex=∫a∗(1)b∗(2) V b(1)a(2) d3r1d3r2(P2.15)E_\pm^{(1)} = K\pm J_{\mathrm{ex}},\qquad K = \int\lvert a(1)\rvert^2\lvert b(2)\rvert^2V\,d^3r_1d^3r_2,\qquad J_{\mathrm{ex}} = \int a^\ast(1)b^\ast(2)\,V\,b(1)a(2)\,d^3r_1d^3r_2 \tag{P2.15}

所以 E单态−E三重态=2JexE_{\text{单态}} - E_{\text{三重态}} = 2J_{\mathrm{ex}}。利用 (P2.13),这两个能量可以用一个只含自旋的等效哈密顿量统一写出:

H^等效=常数−2Jexℏ2 S^1⋅S^2(P2.16)\hat H_{\text{等效}} = \text{常数} - \frac{2J_{\mathrm{ex}}}{\hbar^2}\,\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2 \tag{P2.16}

(验证:三重态 S^1⋅S^2=ℏ2/4\hat{\mathbf S}_1\cdot\hat{\mathbf S}_2 = \hbar^2/4,单态 −3ℏ2/4-3\hbar^2/4,两者之差恰为 2Jex2J_{\mathrm{ex}}。)Jex>0J_{\mathrm{ex}}>0 时自旋平行的能量较低。这个看起来像"自旋–自旋相互作用"的项,实际上来自静电排斥加上泡利原理,大小可达 eV 量级,远大于磁偶极相互作用(§P3.2)。它是铁磁性的根源,也是第18章伊辛模型的物理基础。

含时微扰与费米黄金规则。设 t=0t = 0 时系统处于 H^0\hat H_0 的本征态 ∣i⟩\lvert i\rangle,此后受到微扰 V^(t)\hat V(t)。把 ∣ψ(t)⟩=∑ncn(t)e−iEnt/ℏ∣n⟩\lvert\psi(t)\rangle = \sum_nc_n(t)e^{-iE_nt/\hbar}\lvert n\rangle 代入薛定谔方程,左乘 ⟨f∣\langle f\rvert 得 iℏ c˙f=∑nVfn(t)eiωfntcni\hbar\,\dot c_f = \sum_nV_{fn}(t)e^{i\omega_{fn}t}c_n,ωfn=(Ef−En)/ℏ\omega_{fn} = (E_f - E_n)/\hbar。一阶近似下右边取 cn=δnic_n = \delta_{ni}:

cf(t)≈1iℏ∫0tVfi(t′) eiωfit′ dt′c_f(t)\approx\frac{1}{i\hbar}\int_0^tV_{fi}(t')\,e^{i\omega_{fi}t'}\,dt'

对 t>0t>0 时不变的 V^\hat V:cf=Vfiiℏ⋅eiωfit−1iωfic_f = \frac{V_{fi}}{i\hbar}\cdot\frac{e^{i\omega_{fi}t} - 1}{i\omega_{fi}},于是 ∣cf∣2=∣Vfi∣2ℏ2⋅4sin⁡2(ωfit/2)ωfi2\lvert c_f\rvert^2 = \frac{\lvert V_{fi}\rvert^2}{\hbar^2}\cdot\frac{4\sin^2(\omega_{fi}t/2)}{\omega_{fi}^2}。作为 ωfi\omega_{fi} 的函数,4sin⁡2(ωt/2)/ω24\sin^2(\omega t/2)/\omega^2 在 ω=0\omega = 0 处有高为 t2t^2、宽约 2π/t2\pi/t 的峰;令 u=ωt/2u = \omega t/2 并用 ∫−∞∞(sin⁡2u/u2) du=π\int_{-\infty}^\infty(\sin^2u/u^2)\,du = \pi,其积分为 2πt2\pi t。所以 tt 很大时它趋于 2πt δ(ω)2\pi t\,\delta(\omega)。

δ 函数

δ(x)\delta(x) 是"宽度趋于零、面积为 1 的尖峰":∫f(x)δ(x−x0) dx=f(x0)\int f(x)\delta(x - x_0)\,dx = f(x_0)。任何面积为 1、宽度趋于零的函数序列都以它为极限;δ(ax)=δ(x)/∣a∣\delta(ax) = \delta(x)/\lvert a\rvert。(详见 §A14.5。)

跃迁概率随时间线性增长,单位时间的跃迁概率(跃迁速率)为常数。用 δ(ω)=ℏ δ(E)\delta(\omega) = \hbar\,\delta(E):

Wi→f=2πℏ∣Vfi∣2 δ(Ef−Ei)(P2.17)W_{i\to f} = \frac{2\pi}{\hbar}\lvert V_{fi}\rvert^2\,\delta(E_f - E_i) \tag{P2.17}

对能量连续分布、态密度为 ρ(Ef)\rho(E_f) 的一组末态求和,δ\delta 函数被积掉,得 W=2πℏ∣Vfi∣2ρ(Ef)W = \frac{2\pi}{\hbar}\lvert V_{fi}\rvert^2\rho(E_f)——这就是费米黄金规则。若微扰随时间按 e∓iωte^{\mp i\omega t} 振荡,同样的推导给出 δ(Ef−Ei∓ℏω)\delta(E_f - E_i\mp\hbar\omega):系统吸收或放出能量 ℏω\hbar\omega。由于 ∣Vfi∣=∣Vif∣\lvert V_{fi}\rvert = \lvert V_{if}\rvert,i→fi\to f 与 f→if\to i 的速率相同;这一"微观可逆性"与平衡时的玻尔兹曼分布结合,就是第五部分中细致平衡条件的来源。

§P2.8密度矩阵与量子系综

统计力学处理的系统往往不处于确定的量子态,而是以概率 pkp_k 处于态 ∣ψk⟩\lvert\psi_k\rangle(这些态不必正交)。定义密度矩阵

ρ^=∑kpk∣ψk⟩⟨ψk∣,⟨A⟩=∑kpk⟨ψk∣A^∣ψk⟩=Tr(ρ^A^)(P2.18)\hat\rho = \sum_kp_k\lvert\psi_k\rangle\langle\psi_k\rvert,\qquad \langle A\rangle = \sum_kp_k\langle\psi_k\vert\hat A\vert\psi_k\rangle = \mathrm{Tr}(\hat\rho\hat A) \tag{P2.18}

(最后一步:Tr(ρ^A^)=∑n⟨n∣ρ^A^∣n⟩=∑kpk⟨ψk∣A^(∑n∣n⟩⟨n∣)∣ψk⟩\mathrm{Tr}(\hat\rho\hat A) = \sum_n\langle n\vert\hat\rho\hat A\vert n\rangle = \sum_kp_k\langle\psi_k\rvert\hat A\left(\sum_n\lvert n\rangle\langle n\rvert\right)\lvert\psi_k\rangle,再用完备性。)ρ^\hat\rho 是厄米算符,Tr ρ^=∑kpk=1\mathrm{Tr}\,\hat\rho = \sum_kp_k = 1。ρ^2=ρ^\hat\rho^2 = \hat\rho 当且仅当系统处于一个确定的态(纯态),否则称为混合态。

混合态与叠加态不同。例如自旋 1/2:ρ^=12(∣↑⟩⟨↑∣+∣↓⟩⟨↓∣)\hat\rho = \frac12(\lvert\uparrow\rangle\langle\uparrow\rvert + \lvert\downarrow\rangle\langle\downarrow\rvert) 是完全无极化的混合态,各方向上 ⟨S^⟩=0\langle\hat S\rangle = 0;而叠加态 12(∣↑⟩+∣↓⟩)\frac{1}{\sqrt2}(\lvert\uparrow\rangle + \lvert\downarrow\rangle) 是沿 xx 方向完全极化的纯态,⟨S^x⟩=ℏ/2\langle\hat S_x\rangle = \hbar/2。

演化与平衡。由薛定谔方程,每个 ∣ψk⟩\lvert\psi_k\rangle 按 iℏ ∂t∣ψk⟩=H^∣ψk⟩i\hbar\,\partial_t\lvert\psi_k\rangle = \hat H\lvert\psi_k\rangle 演化,于是

iℏ∂ρ^∂t=[H^,ρ^](P2.19)i\hbar\frac{\partial\hat\rho}{\partial t} = [\hat H,\hat\rho] \tag{P2.19}

这是刘维尔方程(§P1.2:∂ρ/∂t=−{ρ,H}\partial\rho/\partial t = -\lbrace\rho,\mathcal H\rbrace)的量子形式。平衡(∂tρ^=0\partial_t\hat\rho = 0)要求 [H^,ρ^]=0[\hat H,\hat\rho] = 0,例如 ρ^\hat\rho 是 H^\hat H 的函数。三种系综的密度矩阵为

ρ^微正则=1Ω∑E≤Ei≤E+δE∣i⟩⟨i∣,ρ^正则=e−βH^Z, Z=Tr e−βH^,ρ^巨正则=e−β(H^−μN^)Ξ(P2.20)\hat\rho_{\text{微正则}} = \frac1\Omega\sum_{E\le E_i\le E+\delta E}\lvert i\rangle\langle i\rvert,\qquad \hat\rho_{\text{正则}} = \frac{e^{-\beta\hat H}}{Z},\ Z = \mathrm{Tr}\,e^{-\beta\hat H},\qquad \hat\rho_{\text{巨正则}} = \frac{e^{-\beta(\hat H - \mu\hat N)}}{\Xi} \tag{P2.20}

在能量本征态基中,e−βH^e^{-\beta\hat H} 是对角矩阵,Tr e−βH^=∑ie−βEi\mathrm{Tr}\,e^{-\beta\hat H} = \sum_ie^{-\beta E_i},回到 (4.3);冯·诺伊曼熵 S=−kBTr(ρ^ln⁡ρ^)S = -k_{\mathrm B}\mathrm{Tr}(\hat\rho\ln\hat\rho) 也回到吉布斯熵 (4.6)。所以第二部分中"对微观态求和"的做法,就是密度矩阵表述在能量本征态基中的写法。

例:热平衡的自旋 1/2。H^=−12γℏBσ^z\hat H = -\frac12\gamma\hbar B\hat\sigma_z,σ^z=diag(1,−1)\hat\sigma_z = \mathrm{diag}(1,-1)。令 x=βγℏB/2x = \beta\gamma\hbar B/2;由于 σ^z2=1\hat\sigma_z^2 = 1,指数展开中的偶次项与奇次项分别给出 exσ^z=cosh⁡x+σ^zsinh⁡xe^{x\hat\sigma_z} = \cosh x + \hat\sigma_z\sinh x,所以

ρ^=exσ^zTr exσ^z=12(1+σ^ztanh⁡x),⟨σ^z⟩=Tr(ρ^σ^z)=tanh⁡x\hat\rho = \frac{e^{x\hat\sigma_z}}{\mathrm{Tr}\,e^{x\hat\sigma_z}} = \frac12\left(1 + \hat\sigma_z\tanh x\right),\qquad \langle\hat\sigma_z\rangle = \mathrm{Tr}(\hat\rho\hat\sigma_z) = \tanh x

与 (6.6)、(6.8) 的极化度完全一致。

自测题

  1. 三维立方盒中,求能量为 π2ℏ22mL2×14\frac{\pi^2\hbar^2}{2mL^2}\times14 的能级的简并度。[答:6,即 (1,2,3)(1,2,3) 的全部排列]
  2. 利用 x^=ℏ/2mω (a^+a^†)\hat x = \sqrt{\hbar/2m\omega}\,(\hat a + \hat a^\dagger) 证明 ⟨n∣x^2∣n⟩=ℏ2mω(2n+1)\langle n\vert\hat x^2\vert n\rangle = \frac{\hbar}{2m\omega}(2n+1),从而谐振子定态的平均势能等于总能量的一半。
  3. 对 D2\mathrm D_2(氘核为玻色子,核自旋 1),说明正、仲态分别对应偶数还是奇数 JJ,并求高温下两者的数目之比。[答:核自旋对称的 6 个态配偶数 JJ,反对称的 3 个态配奇数 JJ;比值 2:1]