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为什么最小角动量是 h/(2π)? - 知乎

 6 years ago
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为什么最小角动量是 h/(2π)?

最近在学 Bohr model,在推导氢原子电子能量时 ,即介绍 [公式] 时,老师提到 [公式] 是 最小角动量。她给出的原因来自于接下来对能级存在…
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物理学话题下的优秀答主

(本答案仅用作讨论,可能答非所问)

大二上量子讨论班的时候写过一点东西,我把它截过来

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这就是WKB近似的相关内容。对于最后一张图,我做一下解释

另外@ 相关人士

匿名用户

Bohr Model的历史比较混乱,其构建的过程大致是

  • 1913年,Bohr为了解释实验光谱,从一系列假设出发,建立了Bohr模型
  • 随后Arnold Sommerfeld从浸渐不变量角度出发推广了Bohr模型,是谓Bohr–Sommerfeld量子化
  • In 1924,de Broglie提出de Broglie波粒二象性,从中可以图像清晰的给出Bohr–Sommerfeld量子化等价于形成驻波

实际上你的老师的说法本质就是错误的,没有什么最小角动量的说法,只能说在Bohr模型中基态电子轨道具有的角动量最小。

Bohr–Sommerfeld量子化的原理(旧量子论)的核心就一条:

∮H(p,q)=Epidqi=nih ;

在一维条件(譬如无限深势阱)下对应的是: pi×2L=nih ;

在三维条件(Bohr模型)下对应的是: pi×2πr=nih (或者说 2πLi=nih ,de Broglie驻波条件);

从而可以解出与量子力学同样的结论;

实际上,我完全没有使用什么角动量的说法,只有广义动量 p_i 与坐标 q_i ,任何一组广义动量与广义坐标及其量子数都满足这个,所以这里没什么理由能提出来一个最小角动量;你能提出一个最小角动量,我还能搞个最小动量呢,没意义的。

至于Bohr–Sommerfeld量子化,经典力学中浸渐不变量(或称绝热不变量),也已经说的很清楚了:

对于任意的周期运动,作用量仅依赖于其广义坐标 q_i (缩短作用量),

广义动量 p_i=\dfrac{\partial S_0}{\partial q_i}=\dfrac{dS_i}{dq_i} ;

作用量 S_i=\int p_i dq_i ;

通过正则变换,将广义动量化成常量 I_i ,此时 I_i 称为浸渐不变量,

同时此时广义坐标 \omega_i =\dfrac{\partial E(I)}{\partial I_i}t+constant ,实际上对于系统的频率.

当我们把系统的广义动量定为某个分立的数值时(这就是所谓的量子化),

就得到对应的广义坐标坐标。

譬如令 I_n=n \hbar 时, \omega=\dfrac{E}{n\hbar } ;

E=n\hbar \omega ,这就是Einstein给出的光量子的能量量子化条件;

同样的我们也能给出Bohr–Sommerfeld量子化,就是

\oint p_i dq_i=n_i h .

商业互吹:蔡家麒 专栏“力学”文章

力学(七)—哈密顿力学之刘维尔定理与绝热不变量

物理学话题下的优秀答主
为什么最小角动量是 h/(2π)?

最近在学Bohr Model,在推导氢原子电子能量时,即介绍pr=nh/(2π)时老师提到h/(2π)是最小角动量。她给出的原因来自于接下来对能级存在(或对电子绕核运动时不会因损失能量而“掉入“原子核)的解释,即:因为mv^2/r=ke^2/r^2, r=ke^2/(mv^2), 又因为pr=nh/(2π),2πr=nh/p, 根据de Broglie Hypothesis, λ=h/p,所以2πr= nλ;对于电子的运动轨迹,可以看作matter wave形成的standing wave,由于standing wave的能量“储存”在振源上,那么可以得出电子不会“掉入”原子核的结论。但是我不知道这则解释对解释h/(2π)为最小角动量的帮助。

不确定关系、德布罗意理论

这个方法很多人称之为量纲分析。赵凯华有一本书上专门用这个方法推导量子问题。

这个方法其实是有物理道理的。原因在于,距离小于德布罗意波波长 λ=h/p 时,电子不能再视为粒子。这些经典理论的分析不再适用(应该用量子理论代替)。而距离正比与 r ,若令距离恰好为 r ,那么可以得到 pr=h ,相差的无量纲常数需要具体理论(量子力学)给出来。

这个论证同样可以用不确定关系:即认为 pr\ge \hbar 。对于基态,等号给出一个下限。

尊师讲的驻波是玻尔原始的解释。这里定性的解释与其相融。当然驻波解释能给出一个更强的结论,即玻尔-索末菲量子化:

\oint p \,\mathrm d q = nh

这里常数和高激发态都给出来了。不过,相比于不确定关系,驻波解释的物理含义比较模糊,需要量子力学的支持。

那么如何从量子力学推导出玻尔-索末菲量子化条件呢?答案是:Hamilton-Jacobi 理论。

Hamilton-Jacobi 理论

参看这个文章: 从量子力学到经典力学

从HJ方程,可以做 \hbar 展开,得到的半经典近似理论叫做WKB。

参看

的回答。注意到,玻尔-索末菲量子化是严格成立的,不依赖于WKB近似。

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