Editing Operatoren im Hilbertraum

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Übergang zur Quantentheorie in der Ortsdarstellung
Übergang zur Quantentheorie in der Ortsdarstellung


In der Wellenmechanik nach Schrödinger haben wir statt dem Impuls (klassisch) den Impulsoperator zur Beschreibung der Observable:
In der Wellenmechanik nach Schrödinger haben wir statt dem Impuls ( klassisch) den Impulsoperator zur Beschreibung der Observable:


:<math>\bar{p}\to \frac{\hbar }{i}\nabla </math>
:<math>\bar{p}\to \frac{\hbar }{i}\nabla </math>
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Also:
Also:


:<math>\hat{\bar{p}}\left| {\bar{p}} \right\rangle =\bar{p}\left| {\bar{p}} \right\rangle </math>mit dem ABSTRAKTEN (Darstellungsfreien) Impulsoperator:<math>\hat{\bar{p}}:=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \left( \frac{\hbar }{i}\nabla  \right)\left\langle  {\bar{r}} \right|</math>
:<math>\hat{\bar{p}}\left| {\bar{p}} \right\rangle =\bar{p}\left| {\bar{p}} \right\rangle </math>mit dem ABSTRAKTEN ( Darstellungsfreien) Impulsoperator:<math>\hat{\bar{p}}:=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \left( \frac{\hbar }{i}\nabla  \right)\left\langle  {\bar{r}} \right|</math>


Dabei gilt: einen darstellungsfreien Operator bekommt man immer, indem man einen Operator in bestimmter Darstellung wählt und zwischen den Projektor auf diese Darstellung packt (einen vollständigen Projektor!)
Dabei gilt: einen darstellungsfreien Operator bekommt man immer, indem man einen Operator in bestimmter Darstellung wählt und zwischen den Projektor auf diese Darstellung packt ( einen vollständigen Projektor !)


→ Bei Anwendung wir die entsprechende Wellenfunktion, egal in welcher Darstellung erst mal auf die entsprechende Darstellung projiziert, in der dann der Operator wirken kann. Man braucht sich keine Sorgen mehr machen. Der Operator <math>\hat{\bar{p}}:=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \left( \frac{\hbar }{i}\nabla  \right)\left\langle  {\bar{r}} \right|</math> ist in dieser Weise darstellungsfrei!
→ Bei Anwendung wir die entsprechende Wellenfunktion, egal in welcher Darstellung erst mal auf die entsprechende Darstellung projiziert, in der dann der Operator wirken kann. Man braucht sich keine Sorgen mehr machen. Der Operator <math>\hat{\bar{p}}:=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \left( \frac{\hbar }{i}\nabla  \right)\left\langle  {\bar{r}} \right|</math> ist in dieser Weise darstellungsfrei !


====Verallgemeinerung====
====Verallgemeinerung====
Sei<math>F(\bar{r},\bar{p})</math>eine klassische Observable, beispielsweise der Impuls, die Energie, der Drehimpuls,...),
Sei<math>F(\bar{r},\bar{p})</math>eine klassische Observable, beispielsweise der Impuls, die Energie, der Drehimpuls, ...),


so ergibt sich F als Operator in der Ortsdarstellung:
so ergibt sich F als Operator in der Ortsdarstellung:
Line 29: Line 29:
:<math>F(\bar{r},\bar{p})\to \hat{F}(\hat{\bar{r}},\tfrac{\hbar }{i}\nabla )</math>
:<math>F(\bar{r},\bar{p})\to \hat{F}(\hat{\bar{r}},\tfrac{\hbar }{i}\nabla )</math>


Der abstrakte (darstellungsfreie Operator) folgt durch Aufintegration der Projektionen (Einschub des Vollständigen Satzes von Eigenfunktionen, auf die projiziert wird, Einschub einer Eins):
Der abstrakte ( darstellungsfreie Operator) folgt durch Aufintegration der Projektionen ( Einschub des Vollständigen Satzes von Eigenfunktionen, auf die projiziert wird, Einschub einer Eins):


:<math>\hat{F}=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \hat{F}(\hat{\bar{r}},\tfrac{\hbar }{i}\nabla )\left\langle  {\bar{r}} \right|</math>
:<math>\hat{F}=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r}\left| {\bar{r}} \right\rangle \hat{F}(\hat{\bar{r}},\tfrac{\hbar }{i}\nabla )\left\langle  {\bar{r}} \right|</math>
Line 47: Line 47:
:<math>\Phi (\bar{r})=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }\left\langle  {\bar{r}} \right|\hat{F}\left| \bar{r}\acute{\ } \right\rangle }\Psi (\bar{r}\acute{\ })</math>
:<math>\Phi (\bar{r})=\int_{{}}^{{}}{{{d}^{3}}r\acute{\ }\left\langle  {\bar{r}} \right|\hat{F}\left| \bar{r}\acute{\ } \right\rangle }\Psi (\bar{r}\acute{\ })</math>


Im Allgemeinen werden die Operatoren in speziellen Darstellungen, wie der obigen Ortsdarstellung zu LINEAREN  INTEGRALOPERATOREN (nichtlokal!)
Im Allgemeinen werden die Operatoren in speziellen Darstellungen, wie der obigen Ortsdarstellung zu LINEAREN  INTEGRALOPERATOREN ( nichtlokal!)


Für die Ortsdarstellung für ein Teilchen im Potenzial F gilt speziell
Für die Ortsdarstellung für ein Teilchen im Potenzial F gilt speziell


:<math>\left\langle  {\bar{r}} \right|\hat{F}\left| \bar{r}\acute{\ } \right\rangle =\delta (\bar{r}-\bar{r}\acute{\ })\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )</math> (lokaler Differenzialoperator, Lokalisation an r´)
:<math>\left\langle  {\bar{r}} \right|\hat{F}\left| \bar{r}\acute{\ } \right\rangle =\delta (\bar{r}-\bar{r}\acute{\ })\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )</math> ( lokaler Differenzialoperator, Lokalisation an r´)


Übungsweise soll der nichtlokale Hamiltonoperator bestimmt werden.
Übungsweise soll der nichtlokale Hamiltonoperator bestimmt werden.
Line 146: Line 146:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Häufig (aber nicht immer!!) ist die Energiedarstellung VOLLSTÄNDIG (sie ist beispielsweise beim eindimensionalen harmonischen Oszi vollständig):
Häufig ( aber nicht immer !!) ist die Energiedarstellung VOLLSTÄNDIG ( sie ist beispielsweise beim eindimensionalen harmonischen Oszi vollständig):


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 156: Line 156:
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Vollständigkeitsrelation!
Vollständigkeitsrelation !


Dann gilt auch die Spekteraldarstellung des Hamiltonoperators. Jedoch nur, wenn die Darstellung der zugehörigen Observable vollständig ist:
Dann gilt auch die Spekteraldarstellung des Hamiltonoperators. Jedoch nur, wenn die Darstellung der zugehörigen Observable vollständig ist:
Line 162: Line 162:
:<math>\hat{H}=\sum\limits_{n=0}^{\infty }{{\hat{H}}}\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|=\sum\limits_{n=0}^{\infty }{{{E}_{n}}}\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|</math>
:<math>\hat{H}=\sum\limits_{n=0}^{\infty }{{\hat{H}}}\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|=\sum\limits_{n=0}^{\infty }{{{E}_{n}}}\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|</math>


Der Operator kann durch die Summe aller Koordinaten in den entsprechenden Eigenzuständen angegeben werden, wenn das System der Zustände eine vollständige Basis repräsentiert. (Und die Zustände Eigenzustände des Operators sind)
Der Operator kann durch die Summe aller Koordinaten in den entsprechenden Eigenzuständen angegeben werden, wenn das System der Zustände eine vollständige Basis repräsentiert. ( Und die Zustände Eigenzustände des Operators sind)


:<math>\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|</math>ist dabei der Projektionsoperator auf den n. Eigenzustand.
:<math>\left| n \right\rangle \left\langle  n \right|</math>ist dabei der Projektionsoperator auf den n. Eigenzustand.
Line 170: Line 170:
Aus einer Quantenmechanischen Observable wird ein linearer Operator im Hilbertraum: <math>\hat{F}:H\to H</math>.
Aus einer Quantenmechanischen Observable wird ein linearer Operator im Hilbertraum: <math>\hat{F}:H\to H</math>.


Bei reellen Observablen, besser: reellen Erwartungswerten der Observablen muss der zugehörige Operator nicht nur linear, sondern auch hermitesch sein
Bei reellen Observablen , besser: reellen Erwartungswerten der Observablen muss der zugehörige Operator nicht nur linear, sondern auch hermitesch sein


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
Line 244: Line 244:
\end{align}</math> Antilinearität
\end{align}</math> Antilinearität


Das Skalarprodukt ist linear im 2. Faktor und antilinear im 1. Faktor!
Das Skalarprodukt ist linear im 2. Faktor und antilinear im 1. Faktor !


Weitere Relationen:
Weitere Relationen:
Line 299: Line 299:
:<math>\left\langle  \Psi  \right|\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )\left| \Psi  \right\rangle =\left\langle  \Psi  \right|\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )\left| \Psi  \right\rangle *</math>
:<math>\left\langle  \Psi  \right|\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )\left| \Psi  \right\rangle =\left\langle  \Psi  \right|\hat{F}(\bar{r},\frac{\hbar }{i}\nabla )\left| \Psi  \right\rangle *</math>


Umgekehrt gilt:Operatoren mit reellen Eigenwerten sind hermitesch! (im Allgemeinen).
Umgekehrt gilt:Operatoren mit reellen Eigenwerten sind hermitesch ! ( im Allgemeinen).


Physikalische Observablen sind also immer durch hermitesche Operatoren darzustellen
Physikalische Observablen sind also immer durch hermitesche Operatoren darzustellen
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