§3.7 算符的对易关系 两力学量同时有确定值的条件

1、3.7 算符的对易关系 两力学量同时有确定值的条件测不准关系一、泊松括号 “ ”1定义： 2性质： （1） 计算力学量算符对易式的基本方法有二：一是将对易式作用在任意函数上，进行运算，以求之。二、量子力学的基本对易式下面我们用第一种方法求出坐标、动量算符之间的对易式。对于任意函数，有由的任意性，设 （2）同理： 将以上式子写成通式有： （3） （4）其中 由上可知：动量分量和它所对应的坐标是不对易的，而和它不对应的坐标是对易的；动量各分量之间也是对易的。力学量都是坐标和动量的函数，知道了坐标和动量之间的对易关系后，就可以得出其他力学之间的对易关系。三、角动量算符的对易式 （5）同理： （6）

2、（7）（5）、（6）和（7）三式可以合写为一个矢量公式 （8）上式可看作是角动量算符的定义。（它具有普遍性）（5）、（6）、（7）写成通式为： 可见，是不对易的其中，而 即在中任意掉换两脚标的位置要使之变号，且在中任意两角标相同时为零。即下面我们计算与之间的对易关系。同理：同理： 写成通式： 可见，分别和 中的每一个都对易。例：求（1） （2）解：（1） （2）四、不同力学量算符有共同本征函数系的充要条件1定理：如果算符和有共同的完全的本征函数系，则算符和对易。证明：见书89页，设2逆定理：如果两算符对易，则这两个算符有共同的完全的本征函数系。证明：为简单起见，这里仅讨论无简并的状况。设是的对

3、应本征值为的本征函数，今和对易，故可见亦为的本征函数，且所对应的本征值为，因为已假定无简并，因而和描述的是同一态，二者只差一个常数因子，以表示该因子，则有说明也是的本征函数，即是的共同本征函数，因为的本征函数组成完全系故和有共同的完全的本征函数系。证毕！3推论：一组算符有完全的共同本征函数系的充要条件是：这组算符中的任意两个算符都可对易。五、不同力学量同时确定值的必要条件1体系处于的本征态时，测量才有确定值；2.两力学量同时有确定值的条件是： 两力学量算符具有共同的本征函数（或处于共同的本征态）或两力学量算符和对易，即： 3.一组力学量同时有确定值的条件是：这组力学量算符两两对易。（它们有共同

4、的完全的本征函数系）作业：书第101-102，3.6，3.7，3.8，3.9六.测不准关系的严格证明1.测不准关系的普遍表达式若 则 （1）或 （2）其中 2.证明：设，分别代表在态中的平均值令 ，考虑积分：注意到和都是厄密算符：所以： 又因为：所以：要使上式恒成立，必有：故：例如：这时：所以：或 这就是坐标和动量的测不准关系注：同理有：又如：角动量各分量之间也有：在的本征态下，因而和的测不准关系为：显然只有m=0的态，才可能有，其他各态都不为零，可见m=0的态是例外。3.讨论及应用（1）势垒内部粒子动能为负值问题因为：坐标与动量算符不对易，所以，势能与动能算符不对易，即势能与动能不能同时确定，所以说在某一点或某一区域内粒子的能量等于动能与势能之和是没有意义的。只说明在一个态中平均总能量等于平均动能与平均势能之和，而对一个态求平均时，要对变量的整个区域求积分。当粒子在势垒范围内被激