ssb2mikes • Quantum Notes Страница с формулами по квантовой механике
v1.0 • static К формулам
Квантовая механика • справочник-минимум

Основные факты и формулы
в одном месте

Эта страница — «красивый экран ожидания» и одновременно компактная шпаргалка: уравнения Шрёдингера, осциллятор, возмущения, моменты, матрица плотности, рассеяние, вторичное квантование и спин.

Открыть разделы Что здесь

Подсказка: используй поиск и фильтры, чтобы быстро найти нужное. На мобильных всё адаптировано. Горячая клавиша поиска: /

Структура Секции + раскрывающиеся карточки с пояснениями и LaTeX
Поиск Фильтрация по заголовкам, ключам и тексту формул
Мобильная версия Сетки перестраиваются; формулы скроллятся по X
Статика Один файл, без сборки и зависимостей, кроме MathJax CDN
Все Основы Осциллятор Возмущения Моменты Спин Матрица плотности Рассеяние Вторичное квантование

Основы: постулаты, эволюция, операторы

Базовые уравнения, полнота, коммутаторы и операторы эволюции.

Уравнение Шрёдингера (временное) QM-1 (1)
Описывает унитарную эволюцию состояния в неврелятивистской КМ.
\[ i\hbar\,\frac{\partial \Psi}{\partial t}=\hat H\,\Psi \]
Источник: файл “Квантовая механика – 1”
Стационарное уравнение Шрёдингера QM-1 (2)
Собственные состояния \(|n\rangle\) гамильтониана имеют энергии \(E_n\).
\[ \hat H\,|n\rangle = E_n\,|n\rangle \]
Соотношение полноты QM-1 (3)
Разложение единицы по полному набору собственных состояний.
\[ \sum_n |n\rangle\langle n| = \mathbf{1} \]
Производная оператора по времени (Гейзенберг) QM-1 (4)
В представлении Гейзенберга эволюция заключена в операторах.
\[ \dot{\hat A}=\frac{\partial \hat A}{\partial t} + \frac{i}{\hbar}[\hat H,\hat A] \]
Импульс и коммутатор \([\hat p_x,x]\) QM-1 (5–7)
Стандартное координатное представление:
\[ \hat{\mathbf p}=-i\hbar\nabla,\qquad [\hat p_x,x]=-i\hbar. \]
Оператор эволюции QM-1 (9)
Для стационарного \(\hat H\): \(\hat U(t)\) унитарен и задаёт \(|\psi(t)\rangle=\hat U(t)|\psi(0)\rangle\).
\[ \hat U(t)=\exp\!\left(-\frac{i}{\hbar}\hat H t\right). \]

Гармонический осциллятор

Гамильтониан, осцилляторные единицы, лестничные операторы, уровни энергии.

Гамильтониан 1D осциллятора QM-1 (10)
\[ \hat H=\frac{\hat p^2}{2m}+\frac{m\omega^2 x^2}{2}. \]
Осцилляторные единицы QM-1 (11)
Удобные масштабы энергии/длины/импульса:
\[ \varepsilon_0=\hbar\omega,\quad x_0=\sqrt{\frac{\hbar}{m\omega}},\quad p_0=\frac{\hbar}{x_0}=\sqrt{\hbar m\omega}. \]
Операторы \( \hat a, \hat a^\dagger \) QM-1 (12–13)
Лестничные операторы и выражение гамильтониана:
\[ [\hat a,\hat a^\dagger]=1,\qquad \hat H=\hbar\omega\left(\hat a^\dagger\hat a+\frac12\right). \]
Уровни энергии и собственные состояния QM-1 (14–15)
\[ E_n=\hbar\omega\left(n+\frac12\right),\quad n=0,1,2,\dots \] \[ |n\rangle=\frac{(\hat a^\dagger)^n}{\sqrt{n!}}\,|0\rangle. \]

Теория возмущений и переходы

Стационарные поправки и золотое правило Ферми.

1-й порядок (невырожденный) QM-1 (20)
Поправка к энергии — диагональный матричный элемент возмущения:
\[ E_n^{(1)} = V_{nn}. \]
2-й порядок (невырожденный) QM-1 (21)
Суммирование по промежуточным состояниям (\(\sum_m'\) — без \(m=n\)):
\[ E_n^{(2)}=\sum_{m\ne n}\frac{|V_{nm}|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}. \]
Золотое правило Ферми QM-1 (23)
Скорость перехода из \(|i\rangle\) в \(|f\rangle\) при слабом возмущении:
\[ dw_{fi}=\frac{2\pi}{\hbar}|V_{fi}|^2\,\delta(E_f-E_i)\,d\nu_f. \]

Орбитальный момент и центральное поле

Коммутаторы, спектр \(\hat l^2\), разделение переменных, водород.

Коммутаторы для \(\hat{\ell}\) QM-1 (24–26)
\[ [\hat \ell_\alpha,\hat \ell_\beta]= i\,\varepsilon_{\alpha\beta\gamma}\hat \ell_\gamma,\qquad [\hat \ell^2,\hat \ell_\alpha]=0. \]
Собственные значения \(\ell^2\) и \(\ell_z\) QM-1 (27–28)
\[ \ell^2 = \ell(\ell+1),\ \ \ell=0,1,2,\dots;\qquad m=\ell,\ell-1,\dots,-\ell. \]
Разделение переменных в центральном поле QM-1 (29)
\[ \psi_{nlm}(\mathbf r)=R_{nl}(r)\,Y_{lm}(\theta,\varphi). \]
Атом водорода и кулоновские единицы QM-1 (31–33)
\[ \hat H=\frac{\hat p^2}{2m}-\frac{e^2}{r},\qquad a_B=\frac{\hbar^2}{me^2}. \] \[ \varepsilon_n=-\frac{1}{2n^2},\quad n=1,2,\dots \]

Спин 1/2 и матрицы Паули

Алгебра Паули, вращения, магнетон Бора.

Матрицы Паули и оператор спина QM-1 (40–44)
\(\hat{\mathbf s}=\frac{\hbar}{2}\boldsymbol{\sigma}\) (в файле дано \(\hat s=\sigma/2\) в выбранных единицах). Основные тождества:
\[ \{\sigma_\alpha,\sigma_\beta\}=2\delta_{\alpha\beta},\quad [\sigma_\alpha,\sigma_\beta]=2i\varepsilon_{\alpha\beta\gamma}\sigma_\gamma, \] \[ \sigma_\alpha\sigma_\beta=\delta_{\alpha\beta}+i\varepsilon_{\alpha\beta\gamma}\sigma_\gamma. \]
Оператор конечного вращения QM-1 (45)
Вращение вокруг единичного вектора \(\mathbf n\) на угол \(\varphi\):
\[ \hat U_{\mathbf n}(\varphi)=e^{\,i(\mathbf n\cdot\boldsymbol{\sigma})\varphi/2} =\cos\frac{\varphi}{2}+i(\mathbf n\cdot\boldsymbol{\sigma})\sin\frac{\varphi}{2}. \]
Магнетон Бора QM-1 (46)
\[ \mu_B=\frac{|e|\hbar}{2mc}. \]
Уравнение Паули и спин-орбитальное взаимодействие QM-2 (33–34)
\[ i\hbar\frac{\partial \phi}{\partial t} =\frac{(\mathbf p-\frac{e}{c}\mathbf A)^2}{2m}\phi-\frac{e\hbar}{2mc}\,\boldsymbol{\sigma}\mathbf H\,\phi+e\Phi\,\phi. \] \[ H_{so}=-\frac{e\hbar}{4m^2c^2}\,(\mathbf E\times \mathbf p)\,\boldsymbol{\sigma}. \]

Матрица плотности

Чистое состояние, редукция по подсистеме, средние значения.

Чистое состояние: \(\hat\rho=|\psi\rangle\langle\psi|\) QM-2 (27)
\[ \hat\rho = |\psi\rangle\langle\psi|,\qquad \rho_{a'a}=\psi_{a'}\psi_a^*. \]
Редуцированная матрица: \(\rho_A=\mathrm{tr}_B\,\rho_{A+B}\) QM-2 (28)
\[ \rho_A=\mathrm{tr}_B\,\rho_{A+B},\qquad (\rho_A)_{aa'}=\sum_b (\rho_{A+B})_{ab;a'b}. \]
Среднее: \(\langle Q\rangle=\mathrm{tr}(\hat Q\hat\rho)\) QM-2 (29)
\[ \langle Q\rangle=\mathrm{tr}\,(\hat Q\,\hat\rho). \]
Свойства \(\rho\): эрмитовость, нормировка, положительность QM-2 (30)
\[ \hat\rho^\dagger=\hat\rho,\qquad \mathrm{tr}\,\hat\rho=1,\qquad \hat\rho\ge 0. \]

Рассеяние: амплитуда, сечения, Борн

Асимптотика, дифференциальное/полное сечение, оптическая теорема, T-матрица.

Асимптотика и амплитуда рассеяния QM-2 (1)
\[ \psi(\mathbf r)=e^{i\mathbf k\cdot \mathbf r}+\frac{f(\theta)}{r}\,e^{ikr}. \]
Дифференциальное сечение QM-2 (2)
\[ d\sigma = |f(\theta)|^2\,d\Omega. \]
Полное сечение QM-2 (3)
\[ \sigma=\int |f(\theta)|^2\,d\Omega. \]
Борновское приближение QM-2 (7–9)
\[ f(\theta)=-\frac{m}{2\pi\hbar^2}\,V_{\mathbf q},\qquad \mathbf q=\mathbf k'-\mathbf k \] \[ f(\theta)=-\frac{m}{2\pi\hbar^2}\int d\mathbf r\,V(\mathbf r)\,e^{-i\mathbf q\cdot \mathbf r}. \]
Оптическая теорема QM-2 (12)
Связь мнимой части амплитуды в прямом направлении и полного сечения:
\[ \operatorname{Im} f(\mathbf n,\mathbf n)=\frac{k}{4\pi}\,\sigma. \]

Вторичное квантование и тождественные частицы

Бозоны/фермионы, коммутаторы/антикоммутаторы, полевая форма гамильтониана.

Бозонные операторы: \([a_i,a_j^\dagger]=\delta_{ij}\) QM-2 (16–18)
\[ \hat a_i|\,\dots,n_i,\dots\rangle=\sqrt{n_i}\,|\,\dots,n_i-1,\dots\rangle,\quad \hat a_i^\dagger|\,\dots,n_i,\dots\rangle=\sqrt{n_i+1}\,|\,\dots,n_i+1,\dots\rangle, \] \[ [a_i,a_j]=0,\ [a_i^\dagger,a_j^\dagger]=0,\ [a_i,a_j^\dagger]=\delta_{ij}. \]
Фермионные операторы: \(\{a_i,a_j^\dagger\}=\delta_{ij}\) QM-2 (21–22)
\[ \{a_i,a_j\}=0,\ \{a_i^\dagger,a_j^\dagger\}=0,\ \{a_i,a_j^\dagger\}=\delta_{ij}. \]
Гамильтониан во вторичном квантовании QM-2 (19)
Для тождественных частиц во внешнем поле и с парным взаимодействием:
\[ H=\int dx\,\hat\psi^\dagger(x)\left(-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2}{\partial x^2}+U(x)\right)\hat\psi(x) +\frac12\int\!\!\int dx\,dy\,\hat\psi^\dagger(x)\hat\psi^\dagger(y)V(x,y)\hat\psi(y)\hat\psi(x). \]
Гейзенберг, Лиувилль, взаимодействие QM-2 (24–26)
\[ \frac{\partial \hat A}{\partial t}=\frac{i}{\hbar}(\hat H\hat A-\hat A\hat H), \qquad \frac{d\rho}{dt}=\frac{i}{\hbar}[\rho,H], \] \[ \frac{d}{dt}|\psi_{\text{int}}\rangle =-\frac{i}{\hbar}V_{\text{int}}(t)|\psi_{\text{int}}\rangle,\ \ V_{\text{int}}(t)=e^{iH_0 t/\hbar} V e^{-iH_0 t/\hbar}. \]

Как использовать эту странцу

Как хотите.

By Mike, with love MathJax грузится с CDN