北大量子力学课程教学大纲

中文名称：量子力学周学时：4英文名称：QuantumMechanics学分：4课程类别：主干基础课量子力学为泛物理学专业必修的专业基础课，是物理学教育的关键课程，同时也是其它文，理专业的重要的选修课程。量子物理学的近期发展，使其成为公认的现代文明发展的基石。掌握它的基本知识和手段，是进入物理学前沿问题研究的不可或缺的基础。在对物理学专业本科生人才培养上起着至关重要的作用。本课程包括：量子力学的基本原理和数学工具、定态问题的处理，及一些常用的近似方法等内容。由于量子力学中的新的物理概念不能从第一原理直接推导来得到，它们也不能凭借我们所熟悉的经典概念去证明。若沿用日常经验的直观感觉来理解和处理量子力学的问题是会产生误导的。因此，在教学中，强调掌握实验事实以及它给予我们的启示，不直接与主观经验联系，不先入为主。并时时将新的概念和结论与经典物理学的结果作比较，以使同学能正确理解量子力学的基本概念，从而能掌握量子力学的精髓和学会正确处理具体问题的方法。在课堂教学中，采用多媒体中的演示文稿手段，给同学深刻的感观印象，从而更易接受新建立的概念和所导出的物理结果。通过内容的讲授，课堂的讨论，组织讲座和习题训练，使同学能牢固地掌握量子力学的基本原理和基本数学工具，灵活地应用它们解决一些简单问题。从而使同学的分析问题和解决问题的能力得以提高。为以后的理论研究和应用研究打下良好的基础。一、授课进度主要内容课时第一章绪论经典物理学的失效3第二章波函数与波动方程8第三章一维定态问题8第四章量子力学中的力学量7期中考查第五章变量可分离型的三维定态问题7第六章量子力学的矩阵形式及表示理论7第七章自旋8第八章量子力学中束缚态的近似方法5第九章含时间的微扰论-量子跃迁3第十章量子散射的近似方法4总结及要求2详细大纲二、授课方式本课程全程采用多媒体教学，图文并茂，课程讲义每个授课学期都更新并上网，提高了教学效益。指导学生阅读英文资料，拓宽视野，增强学生用英语学习物理的能力。同学参与程度逐步提高。除课堂内外讨论之外，每个同学都要轮流做一次小报告。授课时对各种知识原理讲解深入、有趣。教学大纲（教学计划）掌握和理解量子力学的基本概念，新的数学方法（微积分、微分方程、线性代数、数理方程、复变等等）和能解决一些简单的量子力学问题。第一章：定性了解经典困难的实例：微观粒子的波–粒二象性；第二章，第三章：要全面掌握：波函数与波动方程，一维定态问题，波函数的统计诠释，态叠加原理，薛定谔方程和定态；知0t=的波函数，给出t时刻的波函数，概率通量矢，反射份额，透射份额，完全透射。第四章：算符运算规则，厄密算符定义，厄密算符的本征方程，观测值的可能值，概率幅。力学量完全集（包括Hˆ的，即为运动常数的完全集）。共同本征态lmY的性质（lmm*lmY)1(Y−=，宇称l)1(−）。力学量平均值随时间变化，运动常数，维力定律。第五章：变量可分离型的三维定态问题有心势下，dingeroSch&&equation解在0r→的渐近行为。氢原子波函数，能量本征值的推导和结论要全面掌握。三维各向同性谐振子在直角坐标和球坐标中的解，能级的结果和性质。Hellmann-FeynmanTheorem。电磁场下的nHamiltonia，规范不变性，概率通量矢。正常塞曼效应及引起的原因。均匀磁场下的带电粒子的能量本征值磁通量量子化的现象。第六章：量子力学的矩阵形式及表象理论算符本征方程，薛定谔方程和平均值的矩阵表示；求力学量在某表象中的矩阵表示；利用算符矩阵表示求本征值和本征函数。表象变换。dingeroSch&&Picture和HeisenbergPicture第七章：量子力学的算符代数方法-因子化方法哈密顿量的本征值和本征矢；因子化方法的一些例子；形状不变伴势和谱的对称性第八章：自旋自旋引入的实验证据。电子自旋算符，本征值及表示。泡利算符性质，泡利矩阵。自旋存在下的波函数和算符的表示。)j,j,lˆ(r2的共同本征态的矩阵形式。自旋为1/2的两粒子总自旋波函数，Bell不等式。碱金属的双线结构及反常塞曼效应的现象及形成原因。全同粒子的波函数结构，泡利原理第九章：量子力学中束缚态的近似方法定态微扰论：非简并定态微扰论，能级的一级，二级修正，波函数的一级修正。碱金属光谱的双线结构和反常塞曼效应。简并定态微扰论：能级的一级修正，二级修正及零级波函数。变分法：用Ritz变分法求基态能级上限及近似波函数；哈特里自洽场方法达尔戈诺-刘易斯方法双原子分子，玻恩-奥本海默近似等。第十章：含时间的微扰论-量子跃迁量子跃迁：一级近似下的跃迁概率和跃迁率。常微扰，周期性微扰，Fermi’sGoldenRule的表示式及物理含义。磁共振；绝热近似；贝利(Berry)相位。第十一章：量子散射的近似方法一般描述：定态散射波函数的形式，散射振幅和散射截面；玻恩近似；卢森堡散射有心势中的分波法和相移共振散射全同粒子的散射。第十二章：量子力学的经典极限和WKB近似量子力学的经典极限；WKB近似教学进度表第一章绪论：经典物理学的困难§1.1辐射的微粒性（1）黑体辐射（2）固体低温比热第一讲（3）光电效应（4）康普顿散射§1.2原子结构的稳定性（1）原子行星模型（2）元素的线光谱，即有标志频率………………§1.3物质粒子的波动性（1）德布罗意假设（2）物质粒子波动性的实验证据第二讲第二章波函数与波动方程§2.1波－粒两象性§2.2波函数的玻恩（MaxBorn,1926年）概率诠释—概率波………………§2.3波函数的性质，态叠加原理（1）波函数的性质（2）位置和位能的平均值第三讲（3）动量平均值………………（4）态叠加原理§2.4含时间的薛立谔方程（1）dingeroSch&&equation的建立第四讲（2）对dingeroSch&&equation的讨论………………§2.5不含时间的薛立谔方程，定态问题（1）含时间的薛定谔方程第五讲（2）定态………………§2.6测不准关系（1）一些例子（2）一些实验（3）测不准关系是波一粒两象性的必然结果第三章一维定态问题第六讲§3.1一般性质（1）定理（2）不同的分立能级的波函数是正交的（3）振荡定理（4）在无穷大位势处的边条件………………§3.2阶梯位势（1）0VE（2）0VE§3.3位垒穿透（1）0VE（2）0VE第七讲§3.4方位阱穿透§3.5一维无限深方位阱（1）量本征值和本征函数（2）结果讨论………………§3.6宇称，一维有限深方势阱，双δ位势（1）宇称（2）有限对称方位阱第八讲（3）求粒子在双δ位阱中运动………………§3.7束缚能级与反射振幅极点的关系（1）半壁δ位阱的散射（2）有限深方位阱§3.8一维谐振子的代数解法第九讲（1）能量本征值（2）能量本征函数（3）讨论和结论………………§3.9相干态（1）湮灭算符aˆ的本征态第十讲（2）相干态的性质第二章，第三章波函数，波动方程，一维定态问题小结第一章量子力学中的力学量§4.1表示力学量算符的性质（1）一般运算规则………………（2）算符的对易性（3）算符的厄密性§4.2厄密算符的本征值和本征函数第十一讲（1）算符的本征方程………………（2）算符的本征值和本征方程性质§4.3连续谱本征函数“归一化”（1）连续谱本征函数“归一化”第十二讲（2）δ函数（3）本征函数的封闭性………………§4.4算符的共同本征函数（1）算符“涨落”之间的关系第十三讲（2）算符的共同本征函数组（0）角动量的共同本征函数组―球谐函数………………（4）力学量的完全集§4.5力学量平均值随时间的变化，运动常数（守恒量）,恩费斯脱理（EhrenfestTheorem）（1）力学量的平均值，随时间变化；运动常数（2）VivialTheorem维里定理（3）能量—时间测不准关系（4）恩费斯脱定理（EhrenfestTheorem）期中考查第二章变量可分离型的三维定态问题§5.1有心力（1）不显含时间的dingeroSchr&&方程解在0r→的渐近行为（2）三维自由粒子运动第十四讲………………（3）球方势阱第十五讲（4）氢原子………………（5）类氢离子§5.2Hellmann－Feynman定理（海尔曼－费曼定理）第十六讲………………§5.3三维各向同性谐振子（1）三维各向同性谐振子（2）讨论§5.4带电粒子在外电磁场中的薛定谔方程，恒定匀场中带电粒子运动（1）带电粒子在外电磁场中的dingeroSchr&&equation（2）正常塞曼效应（NormalZeemanEffect）（3）带电粒子在均匀强磁场中的运动第十七讲（4）磁通量的量子化………………第三章量子力学的矩阵形式及表示理论§6.1量子体系状态的表示§6.2Dirac符号介绍第十八讲（1）量子态、Ket矢，Bra矢（Bracket）（2）标积………………（3）算符及其表示（4）不可约张量算符的矩阵元计算简介（5）投影算符§6.3表象变换，幺正变换第十九讲（1）同一状态在不同表象中的表示间的关系（2）两表象的基矢之间关系（3）力学量在不同表象中的矩阵表示之间的关系………………（4）幺正变换§6.4平均值，本征方程和Schrodingerequation的矩阵形式（1）平均值（2）本征方程第二十讲（3）dingeroSchr&&equation………………§6.5量子态的不同描述（1）dingeroSchr&&Picture（2）HeisenbergPicture第七章自旋§7.1电子自旋存在的实验事实第二十一讲（1）Stern-Gerlach实验（2）电子自旋存在的其他证据………………§7.2自旋－微观客体的一个动力学变量（1）电子的自旋算符和它的矩阵表示第二十二讲（2）考虑自旋后，状态和力学量的描述………………（3）考虑自旋后，电子在中心势场中的薛定谔方程§7.3碱金属的双线结构（1）总角动量（2）碱金属的双线结构第二十三讲§7.4两自旋为21的粒子的自旋波函数（1）)S,S(z2z1表象中两自旋为21的粒子的自旋波函数（2）)Sˆ,Sˆ(z2表象中两自旋为21的粒子的自旋波函数（3）Bell基………………§7.5Einstein-Podolsky-Rosen佯谬和Bell不等式（1）Einstein-Podolsky-Rosen佯谬（2）BellInqualities第二十四讲§7.6全同粒子交换不变性－波函数具有确定的交换对称性（1）交换不变性（2）全同粒子的波函数结构，泡利原理………………（3）全同粒子的交换不变性的后果第八章量子力学中束缚态的近似方法第二十五讲§8.1定态微扰论（1）非简并能级的微扰论………………（2）碱金属光谱的双线结构和反常塞曼效应第二十六讲………………（3）简并能级的微扰论第二十七………………§8.2变分法（1）体系的哈密顿量在某一试探波函数的平均值必大于等于体系基态能量（2）Ritz变分法（3）Hartree自洽场方法第九章含时间的微扰论-量子跃迁§9.1量子跃迁（1）含时间的微扰论第二十八讲（2）跃迁几率（3）微扰引起的跃迁………………（4）磁共振（5）绝热近似第二十九讲（6）贝利(Berry)相位………………第十章量子散射的近似方法一般描述玻恩近似；卢森堡散射第三十讲………………有心势中的分波法和相移共振散射第三十一讲全同粒子的散射………………总结及要求第三十二讲………………