量子力学Ⅰ/3次元調和振動子
(1)
(2)
(3)
この式は
すなわち、
のとき成り立つ。
(4)
(5) (発展)
したがって、
であれば条件を満たす。
すなわち、適当な
に対して
を満たすよう
を定めれば与式を満たす。
グラフ†
LANG:Mathematica
ListPlot[Table[{l, l + 2 n + 3/2}, {n, 0, 20}, {l, 0, 8}] // Flatten[#, 1] &,
PlotRange -> {{-0.2, 7.2}, {0, 10}},
GridLines -> {Table[i, {i, 1, 8}], Table[i, {i, 1, 16}]},
GridLinesStyle -> LightGray, PlotStyle -> {PointSize[0.02]},
ImageSize -> 400]
LANG:Mathematica
c[k_, n_, l_] := 2 (k - 1 - n)/((k - 1 + 1) (2 l + 2 (k - 1) + 3)) c[k - 1, n, l];
c[0, n_, l_] := 1
X[n_, l_] := Sum[c[k, n, l] x^(2 k), {k, 0, n}] x^(l + 1) Exp[-x^2/2]
Table[ D[X[n, l], {x, 2}] == (x^2 - 2 (l + 2 n + 3/2) + l (l + 1)/x^2) X[n, l],
{n, 0, 3}, {l, 0, 3}] // Simplify // Flatten // Apply[And, #] &
Table[Plot[
Table[(x X[n, l])^2/
Integrate[(x X[n, l])^2 /. x -> y, {y, 0, 10}], {l, 0, 3}] //
Evaluate, {x, 0, 6}, PlotRange -> Full,
PlotLabel -> ("n = " <> ToString[n]),
PlotLegends ->
If[n == 3, Table["l = " <> ToString[l], {l, 0, 3}], None]], {n,
0, 3}] // Partition[#, 2] & // TableForm
$N=2$ の場合†
であり、
であるから、
のように、
と、
との線形結合で
を表せる。係数比は、
-
-
より、
-
は
-
は
-
-
より、
-
は
-
は固有値
これを逆に解けば
と、
とを
で表すこともできる。
LANG:mathematica
Y[l_, m_] := SphericalHarmonicY[l, m, \[Theta], \[Phi]]
-1 + 2 ( \[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2 == 2 Sqrt[\[Pi]] (-1 + (2 \[Xi]^2)/3) Y[0, 0] + 2 Sqrt[(2 \[Pi])/15] \[Xi]^2 (Y[2, 2] + Y[2, -2]) - 4/3 Sqrt[\[Pi]/5] \[Xi]^2 Y[2, 0] // FullSimplify
-1 + 2 ( \[Xi] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2 == 2 Sqrt[\[Pi]] (-1 + (2 \[Xi]^2)/3) Y[0, 0] - 2 Sqrt[(2 \[Pi])/15] \[Xi]^2 (Y[2, 2] + Y[2, -2]) - 4/3 Sqrt[\[Pi]/5] \[Xi]^2 Y[2, 0] // FullSimplify
-1 + 2 ( \[Xi] Cos[\[Theta]])^2 == 2 Sqrt[\[Pi]] (-1 + (2 \[Xi]^2)/3) Y[0, 0] + 8/3 Sqrt[\[Pi]/5] \[Xi]^2 Y[2, 0] // FullSimplify
Sin[\[Phi]] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]]^2 == -I 2 Sqrt[\[Pi]/30] (Y[2, 2] - Y[2, -2]) // FullSimplify
Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]] Cos[\[Theta]] == I 2 Sqrt[\[Pi]/30] (Y[2, 1] + Y[2, -1]) // FullSimplify
Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]] Cos[\[Theta]] == 2 Sqrt[\[Pi]/30] (-Y[2, 1] + Y[2, -1]) // FullSimplify
$N=3$ の場合†
がんばって計算すると、
のように、
と、
との線形結合で
を表せる。
LANG:mathematica
Y[l_, m_] := SphericalHarmonicY[l, m, \[Theta], \[Phi]]
\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]] - 2/3 (\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^3 == -(1/ 3) (2 Sqrt[\[Pi]/35] \[Xi]^3 (Y[3, -3] - Y[3, 3])) + 2/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^3 (Y[3, -1] - Y[3, 1]) + Sqrt[(2 \[Pi])/ 3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) \[Xi] (Y[1, -1] - Y[1, 1]) // FullSimplify
\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]] - 2/3 (\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^3 == -(1/ 3) (2 Sqrt[\[Pi]/35] \[Xi]^3 (Y[3, -3] - Y[3, 3])) + 2/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^3 (Y[3, -1] - Y[3, 1]) + Sqrt[(2 \[Pi])/ 3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) \[Xi] (Y[1, -1] - Y[1, 1]) // FullSimplify
\[Xi] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]] - 2/3 (\[Xi] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^3 == I 2/3 Sqrt[\[Pi]/35] \[Xi]^3 (Y[3, -3] + Y[3, 3]) + I 2/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^3 (Y[3, -1] + Y[3, 1]) + I Sqrt[(2 \[Pi])/ 3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) \[Xi] (Y[1, -1] + Y[1, 1]) // FullSimplify
\[Xi] Cos[\[Theta]] - 2/3 (\[Xi] Cos[\[Theta]])^3 == 2 Sqrt[ \[Pi]/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) \[Xi] (Y[1, 0]) - 8/15 Sqrt[\[Pi]/7] \[Xi]^3 Y[3, 0] // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2) Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]] == I Sqrt[( 2 \[Pi])/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (Y[1, 1] + Y[1, -1]) + I 2/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^2 (Y[3, 1] + Y[3, -1]) - I 2/1 Sqrt[\[Pi]/35] \[Xi]^2 (Y[3, 3] + Y[3, -3]) // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2) Cos[\[Theta]] == 2 Sqrt[ \[Pi]/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (Y[1, 0]) + 4/5 Sqrt[\[Pi]/7] \[Xi]^2 (Y[3, 0]) + 2/1 Sqrt[(2 \[Pi])/105] \[Xi]^2 (Y[3, 2] + Y[3, -2]) // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Cos[\[Theta]])^2) Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]] == Sqrt[(2 \[Pi])/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (-Y[1, 1] + Y[1, -1]) - 8/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^2 (-Y[3, 1] + Y[3, -1]) // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2) Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]] == Sqrt[(2 \[Pi])/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (-Y[1, 1] + Y[1, -1]) + 2/5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^2 (-Y[3, 1] + Y[3, -1]) + 2/1 Sqrt[\[Pi]/35] \[Xi]^2 (-Y[3, 3] + Y[3, -3]) // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Cos[\[Theta]])^2) Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]] == I Sqrt[(2 \[Pi])/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (Y[1, 1] + Y[1, -1]) - (I 8)/ 5 Sqrt[\[Pi]/21] \[Xi]^2 (Y[3, 1] + Y[3, -1]) // FullSimplify
(1 - 2 (\[Xi] Cos[\[Phi]] Sin[\[Theta]])^2) Cos[\[Theta]] == 2 Sqrt[ \[Pi]/3] (1 - (2 \[Xi]^2)/5) (Y[1, 0]) + 4/5 Sqrt[\[Pi]/7] \[Xi]^2 (Y[3, 0]) - 2/1 Sqrt[(2 \[Pi])/105] \[Xi]^2 (Y[3, 2] + Y[3, -2]) // FullSimplify
Cos[\[Phi]] Sin[\[Phi]] Sin[\[Theta]]^2 Cos[\[Theta]] == I Sqrt[( 2 \[Pi])/105] (-Y[3, 2] + Y[3, -2]) // FullSimplify
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