Các vector riêng và trị riêng của toán tử Hamilton

Một phần của tài liệu Toán tử năng lượng trong biểu diễn số hạt (Trang 25 - 28)

Việc nghiên cứu phổ năng lƣợng của dao động tử điều hòa quy về bài toán tìm các vectơ riêng và trị riêng của Hamiltonian (3.5), trong đó các toán tử ˆaaˆthỏa mãn hệ thức giao hoán (3.4). Để làm điều đó ta định nghĩa một toán tử mới nhƣ sau:

Nˆ a aˆ ˆ (3.6) Và có hệ thức giao hoán giữa toán tử này với các toán tử ˆaaˆ:

N aˆ ˆ,    aˆ hay Naˆˆ a Nˆ ˆ 1 , (3.7) N aˆ ˆ,   aˆhay Naˆˆ aˆNˆ 1 .

(3.8) Thật vậy, theo định nghĩa (3.6) và sử dụng hệ thức giao hoán (3.4), ta có:   ˆ,ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ, N a Na aN a aaaa aaaa a aa              chính là hệ thức (3.7), và   ˆ,ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ , N aNaa Na aa  a a a  aaaa aa            chính là hệ thức (3.8).

Ký hiệu n là vector riêng của toán tử Nˆ ứng với trị riêng n

N nˆ n n . (3.9) Từ phƣơng trình (3.9) ta suy ra ngay

ˆ ˆ ˆ 0, n N n n a a n n n n n n     (3.10) Vì  2 0 n n n  r dr Và

 2

ˆ ˆ ˆ n 0.

n a a n  ar dr

Do đó, các trị riêng của toán tử Nˆ là các số không âm.

Thật vậy, xét vector trạng thái thu đƣợc bằng cách tác dụng toán tử ˆ

alên n . Đó là vector trạng thái ˆa n . Tác dụng lên vector trạng thái này toán tử ˆNvà sử dụng công thức (3.7), ta có:

     

ˆˆ ˆ ˆ 1 ˆ 1 1 ˆ .

Na na Nna nnna n

Hệ thức vừa thu đƣợc có nghĩa là ˆa n cũng là một vector riêng của

ˆ

Nnhƣng ứng với trị riêng n1. Tƣơng tự nhƣ vậy, dễ dàng chứng minh đƣợc rằng a n a nˆ2 ,ˆ3 ,... cũng là các vector riêng của Nˆ ứng với các trị

riêng n2,n3,...

Tiếp theo ta xét vector trạng thái thu đƣợc bằng cách tác dụng toán tử

ˆ

alên n . Đó là vetor trạng thái a nˆ . Tác dụng lên vector trạng thái này toán tử Nˆ và sử dụng công thức (3.8), ta có:

     

ˆˆ ˆ ˆ 1 ˆ 1 1 ˆ .

Na n aNnannna n

Hệ thức trên có nghĩa a nˆ cũng là một vector riêng của Nˆ nhƣng

ứng với trị riêng n1. Tƣơng tự nhƣ vậy, dễ dàng chứng minh đƣợc rằng

2 3

ˆ ,ˆ ,...

an an cũng là các vector riêng của ˆN ứng với các trị riêng

2, 3,...

nn do đó ta có thể tổng quát hóa nhƣ sau:

Nếu n là một vector riêng của toán tử ˆN ứng với trị riêng n thì, với

ˆ 1, 2, 3,..., p

pa n cũng là một vector riêng của toán tử Nˆ ứng với trị riêng

np và ˆ p

an cũng là một vector riêng của toán tử ˆN ứng với trị riêng

Kết hợp hai tính chất trên ta thấy rằng nếu n là một trị riêng của ˆN thì chuỗi các số không âm n1,n2,n3,...cũng là các trị riêng của Nˆ . Vì chuỗi này giảm dần nên phải tồn tại một số không âm nhỏ nhất nmin. Xét vector trạng thái nmin ứng với trị riêng nhỏ nhất nmin. Rõ ràng là:

a nˆ min 0, (3.11) Vì, nếu a nˆ min 0 thì đó là vector trạng thái ứng với trị riêng min 1 min,

n  n trái với giả thiết nmin là trị riêng nhỏ nhất. Từ đẳng thức (3.11) ta suy ra:

min ˆ min

ˆ ˆ 0.

a a n N n  Mặt khác, theo định nghĩa của nmin thì

min min min

ˆ .

N nn n

So sánh hai phƣơng trình trên ta có: Trị riêng nhỏ nhất của toán tử Nˆ là

min 0.

n

Khi đó, vector trạng thái ứng với trị riêng nhỏ nhất của Nˆ đƣợc ký hiệu là 0 . Vector trạng thái này thỏa mãn điều kiện:

ˆ 0 0.

a  Khi đó

ˆ 0

a

Tỷ lệ với vector riêng 1 của Nˆ

ứng với trị riêng n1,

2

ˆ 0

a

Tỷ lệ với vector riêng 2 của Nˆ ứng với trị riêng n2,...,

ˆ n 0

a

1 1 ˆ ˆ ˆ ˆ , 2 2 H a a   N           

Nên 0 là vector riêng của Hˆ ứng với trị riêng

0 1

, 2

E  

1 là vector riêng của Hˆ ứng với trị riêng

1 1 1 1 ,..., 2 E      

n là vector riêng của Hˆ ứng với trị riêng

1 . 2 n E n    

Một phần của tài liệu Toán tử năng lượng trong biểu diễn số hạt (Trang 25 - 28)