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大学物理12量子力学基础习题思考题习题12 12-1计算下列客体具有10MeV动能时的物质波波长，电子；质子。 解：具有10MeV动能的电子，可以试算一下它的速度： 2Ek2´107´1.6´10-1912=>光速c，所以要考虑相对论效应。 mv=EkÞv=-31m9.11´102设电子的静能量为m0c2，总能量可写为：E=Ek+m0c2，用相对论公式： 24E2=c2p2+m0c，可得：p=1124E2-m0c=Ek2+2m0c2Ek ccl=h=phc22Ek+2m0cEk6.63´10-34´3´108= 7-192-31827-19(10´1.6´10)+2´9.11´10´(3´10)´10´1.6´10=1.2´10-13m； 对于具有10MeV动能的质子，可以试算一下它的速度： 2Ek2´107´1.6´10-197v=4.4´10m/s，所以不需要考虑相对论效应。 -27m1.67´10利用德布罗意波的计算公式即可得出： hh6.63´10-34l=9.1´10-15m。 p2mE2´1.67´10-27´107´1.6´10-1912-2计算在彩色电视显像管的加速电压作用下电子的物质波波长，已知加速电压为用非相对论公式；用相对论公式。 25.0kV，解：用非相对论公式： 2´9.11´10-31´1.6´10-19´25´103用相对论公式：设电子的静能为m0c2，动能为：Ek=eU， hl=ph=2meU6.63´10-34=7.76´10-12m； 2ìhcïE=eU+m0c=7.67´10-12m。 由í，有：l=222242m0c2eU+(eU)2ïîE=cp+m0c12-3设电子与光子的德布罗意波长均为0.50nm，试求两者的动量只比以及动能之比。 解：动量为 p=hl 因此电子与光子的动量之比为 pe=1； pg电子与光子的动能之比为 EkeEkgch2p2lh2me2me=2.4´10-3 chpc2melcl312-4以速度v=6´10m/s运动的电子射入场强为E=5V/cm的匀强电场中加速，为使电子波长l=1A，电子在此场中应该飞行多长的距离？ 解：利用能量守恒，有：E=o1hh， mv2+eU，考虑到l=p22mE有：U=11h2111h-mv2=2-mv2 e2ml22eml116.63´10-342-3132=-9.11´10´(6´10) -19-31-102´1.6´109.11´10101910=(4.82´10-17-3.28´10-23)=150.6V， 3.2­太小，舍去利用匀强电场公式E=UU150.6有：d=0.301m。 dE50012-5用电子显微镜来分辨大小为1nm的物体，试估算所需要电子动能的最小值。 解：由于需要分辨大小为1nm的物体，所以电子束的徳布罗意波长至少为1nm， 6.63´10-34=6.63´10-25kgm/s； -9l10p6.63´10-25=7.28´105m/s<<光速c， 试算一下它的速度：v=-31m09.11´10由p=，有电子的动量为：p=hp2所以不考虑相对论效应，则利用Ek=，有电子动能的最小值： 2m0(6.63´10-25)2-19Ek=2.4´10J=1.5eV。 -312´9.11´1012-6设电子的位置不确定度为0.1A，计算它的动量的不确定度；若电子的能量约为1keV，计算电子能量的不确定度。 oh6.63´10-34解：由不确定关系：Dx×Dp»h，有Dp»=6.63´10-23kg×m/s， -10Dx0.1´10由E=Ek+mec，可推出： 22Ekæp2öpDE=DEk=Dç=Dp=Dp÷m2mmeeèeø。 3-192´10´1.6´10=´6.63´10-23=1.24´10-15J-300.91´1012-7氢原子的吸收谱线l=4340.5A的谱线宽度为10平均寿命。 解：能量E=hn=o-2oA，计算原子处在被激发态上的hcl，由于激发能级有一定的宽度DE，造成谱线也有一定宽度Dl，两者之间的关系为：DE=hcl2Dl，由不确定关系，DE×Dt³h/2，平均寿命t=Dt，则： (4340.5´10-10)2hhl2l2t=Dt=5´10-11s。 8-122DE2hcDl4pcDl4´3.14´3´10´1012-8若红宝石发出中心波长l=6.3´10-7m的短脉冲信号，时距为1ns(10s)，计算该-9信号的波长宽度Dl。 解：光波列长度与原子发光寿命的关系为：Dx=cDt， 22hhll由不确定关系：Dpx×Dx³，有：Dx= =»2Dpx4pDlDl22(6.3´10-7)2lDl=1.323´10-3nm。 8-9cDt3´10´1012-9设粒子作圆周运动，试证其不确定性关系可以表示为DLDq³h，式中DL为粒子角动量的不确定度，Dq为粒子角位置的不确定度。 证明：当粒子做圆周运动时，设半径为r，角动量为：L=rmv=rp， 则其不确定度DL=rDP，而做圆周运动时：Dx=rDq， 利用：DP×Dx³h代入，可得到：DLDq³h。 12-10计算一维无限深势阱中基态粒子处在x=0到x=L/3区间的几率。设粒子的势能分ìU(x)=0，0<x<L布函数为：í U(x)=¥，x<0和x>Lî解：根据一维无限深势阱的态函数的计算，当粒子被限定在0<x<L之间运动时，其定态ì2npsinx，0<x<LïYn(x)=归一化的波函数为：í， llïY(x)=0，x<0和x>Lîn概率密度为：Pn(x)=22npsinx，0<x<L lll3022np112npsinx=-sin， òll32np3l112p322p如果是基态，n=1，则P(x)=sinx=-sin=0.195=19.5%。 nò0ll32p3粒子处在x=0到x=L/3区间的几率：Pn(x)=-1412-11一个质子放在一维无限深阱中，阱宽L=10m。 质子的零点能量有多大？ 由n=2态跃迁到n=1态时，质子放出多大能量的光子？ h22n 解：由一维无限深势阱粒子的能级表达式：En=8mL2h2(6.63´10-34)2-13=3.29´10J。 n=1时为零点能量：E1=2-27-1428mL8´1.67´10´(10)由n=2态跃迁到n=1态时，质子放出光子的能量为： DE=E2-E1=(22-1)E1=9.87´10-13J。 思考题12 12-1证明玻尔理论中氢原于中的电子轨道是电子德布罗意波长的整数倍。 证明：设电子轨道的半径为rn，则电子轨道的周长为2prn，需要证明2prn=nl。 e0h2玻尔理论中，氢原子中的电子轨道为：rn=nr0=n 2pme222e0h2h1me4=n而电子的德布罗意波长：l= 222men8eh2mE0e0h22e0h2=n×n=nl，是德布罗意波长的整数倍。 可见电子轨道：2prn=2pn22pmeme212-2为什么说电子既不是经典意义的波，也不是经典意义的粒子？ 答：因为单个的电子是不具有波动的性质的，所以它不是经典意义的波，同时对于经典意义的粒子它的整体行为也不具有波动性，而电子却具有这个性质，所以电子也不是经典意义的粒子。 12-3图中所示为电子波干涉实验示意图，S为电子束发射源，发射出沿不同方向运动的电子，F为极细的带强正电的金属丝，电子被吸引后改变运动方向，下方的电子折向上方，上方的电子折向下方，在前方交叉区放一电子 感光板A，S1、S2分别为上、下方电子束的 虚电子源，S1S=SS2，底板A离源S的距离 为D，设D>>a，电子的动量为p，试求： 电子几率密度最大的位置； 相邻暗条纹的距离。 h，类似于波的干涉现象，在两边的第一级明纹之间pDDh分布的电子最多，所以其几率最大的位置应该在±l=±×之间； d2apDDh相邻暗条纹的距离：Dx=l=。 d2ap答：电子的德布罗意波长：l=12-4在一维势箱中运动的粒子，它的一个定态波函数如图a所示，对应的总能量为4eV，若它处于另一个波函数的态上时，它的总能量是多少？粒子的零点能是多少？ 答：由一维无限深势阱粒子的能级表达式： En=E0n2 。在a图中，n=2， 知E2=E0×2=4eV， 所以粒子的零点能E0=1eV； 若它处于另一个波函数的态上时， 它的总能量是：E3=E0n=E03=9eV。 12-5图中所示为一有限深势阱，宽为a，高为U。 写出各区域的定态薛定谔方程和边界条件； 比较具有相同宽度的有限深势阱和无限深势阱中粒子的最低能量值的大小。 答：第I区域定态薛定谔方程： 222d2y1(x)2mEaa+y(x)=0， -<x<122dxh24第II区域定态薛定谔方程： d2y2(x)2m(E-U)aa+y(x)=0，； x<-x>2dx2h222aaaa边界条件：y1(-)=y2(-)，y1=y2。 2222p2h22p2h2n，最低能量值E1=无限深势阱中粒子的能量表述式为En=，显然与222ma2maa的平方成反比，粒子的自由范围越大，最低能量值越低，应该说粒子在相同宽度的有限深势阱比在无限深势阱中的自由范围大一些，所以粒子在有限深势阱中的最低能量值低一些。