引入
经典力学用牛顿方程描述轨迹,量子力学用什么描述“没有轨迹”的粒子?
为什么能量会自然量子化,而不是人为设定的?
为什么只有氢原子能精确求解,其他原子都要近似?
经典力学用牛顿方程描述粒子的运动轨迹。微观粒子具有波粒二象性,不能用确定的轨道描述,需要一个能统一处理波动性和粒子性的方程。1926 年薛定谔提出了这个方程,成为量子力学的核心工具。
正文
定义
薛定谔方程是描述微观粒子量子态随空间和时间演化的基本方程。它不是从更基本的原理推导出来的,而是量子力学的基本假设,其正确性由实验检验。
含时薛定谔方程
其中 为哈密顿算符, 为波函数。
方程的结构可以这样理解:
| 部分 | 含义 | 经典对应 |
|---|---|---|
| 时间演化算符 | 能量 | |
| 总能量算符(动能 + 势能) |
定态薛定谔方程
当势场 不随时间变化时,波函数可以分离时间变量:
代入含时方程,得到定态方程:
其中:
这是一个本征值问题:解出的 是本征函数, 是本征值。 与时间无关,所以叫“定态”。
求解思路
求解薛定谔方程 = 找到使方程成立的波函数和对应能量。不同势场下解法不同:
| 势场模型 | 对应物理系统 | 能量特征 | 求解方法 |
|---|---|---|---|
| 一维无限深势阱 | 被束缚的粒子 | 离散能级 | 边界条件直接定 |
| 有限深势阱 | 量子阱、量子点 | 有限个束缚态 | 边界匹配 |
| 谐振子势 | 分子振动近似 | 等间距能级,零点能 | 厄米多项式 |
| 库仑势 | 氢原子 | 主量子数决定能级 | 球坐标分离变量 |
| 周期势 | 晶体 | 能带结构 | 布洛赫定理 |
量子化的自然出现
能量量子化不是人为假设,而是方程在边界条件下的自然结果。只有特定能量值才能使波函数满足:
| 条件 | 含义 |
|---|---|
| 连续性 | 波函数及其一阶导数连续 |
| 单值性 | 同一位置只能有一个值 |
| 有限性 | 平方可积,能归一化 |
| 边界条件 | 在无穷远处趋于零(束缚态) |
以一维无限深势阱(宽度 )为例,要求波函数在两侧壁处为零,只有
才能满足。这就是“边界条件锁死能量取值”的典型例子。
值得注意的是 从 1 开始,不存在 :势阱中总有零点能,粒子不可能完全静止。
为什么只有少数系统可精确求解
| 系统 | 可解性 | 原因 |
|---|---|---|
| 氢原子 | 精确可解 | 单电子,球对称库仑势 |
| 谐振子 | 精确可解 | 势能是二次型 |
| 一维势阱 | 精确可解 | 势能分段常数 |
| 多电子原子 | 不可精确解 | 电子间相互作用,多体问题 |
| 分子 | 不可精确解 | 原子核与电子多体耦合 |
多电子体系必须用近似方法:变分法、微扰论、哈特里-福克、密度泛函理论。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “薛定谔方程能推出所有量子现象” | 它本身是基本假设,还需要其他公设(如波函数统计解释) |
| “定态就是静止的” | 波函数不随时间变,但粒子仍在运动 |
| “量子化是假设的” | 是边界条件的数学结果 |
| “势阱中 是基态” | 从 1 开始,零点能不为零 |
引出
薛定谔方程可精确求解的系统有限,多电子体系需要用近似方法处理。
波函数是薛定谔方程的解,理解波函数的物理意义是下一步。
薛定谔方程是非相对论的。相对论情形需要用狄拉克方程或克莱因-戈尔登方程。