Hamiltonoperator
Der Hamiltonoperator
Zeitentwicklung und Energie
In der Quantenmechanik wird jeder Zustand des betrachteten physikalischen Systems durch einen zugehörigen Vektor
mit
- der imaginären Einheit
- der reduzierten Planckschen Konstanten
Man erhält den Hamiltonoperator in vielen Fällen durch sogenannte kanonische Quantisierung aus der Hamiltonfunktion
Die Eigenwertgleichung
bestimmt die Eigenvektoren
Da der Hamiltonoperator hermitesch (genauer wesentlich selbstadjungiert) ist, besagt der Spektralsatz, dass die Energien reell sind und dass die Eigenvektoren eine Orthonormalbasis des Hilbertraums bilden. Je nach System kann das Energiespektrum diskret oder kontinuierlich sein. Manche Systeme, zum Beispiel das Wasserstoffatom oder ein Teilchen im Potentialtopf, haben ein nach unten beschränktes, diskretes Spektrum und darüber ein Kontinuum möglicher Energien.
Der Hamiltonoperator erzeugt die unitäre Zeitentwicklung. Falls für alle Zeiten
die unitäre Abbildung jedes anfänglichen Zustandes
Falls der Hamiltonoperator nicht von der Zeit abhängt, vereinfacht sich dies zu
Operatoren, die mit
Beispiele
Quantenmechanisches Teilchen im Potential
Aus der Hamiltonfunktion
für ein nichtrelativistisches, klassisches Teilchen der Masse
In der Ortsdarstellung wirkt der Impulsoperator
Hierbei ist
Die Schrödingergleichung lautet somit
Diese Schrödingergleichung einer Punktmasse im Potential ist die Grundlage zur Erklärung des Tunneleffekts. Sie liefert bei Einsetzen des Coulombpotentials (als Potential für die Wechselwirkung zwischen einem Elektron und einem Proton) die Spektrallinien des Wasserstoff-Atoms. Durch Einsetzen entsprechender Potentiale können auch die Spektrallinien anderer leichter Atome berechnet werden.
Eindimensionaler harmonischer Oszillator
Analog erhält man für den quantenmechanischen harmonischen Oszillator, der sich nur längs einer Linie bewegen kann, den Hamiltonoperator
Die Energien lassen sich algebraisch bestimmen. Man erhält
Es handelt sich dabei um dieselben Energien wie die eines Grundzustandes mit Energie
Spin im Magnetfeld
Zum Spin
Dabei ist
das gyromagnetische Verhältnis des Elektrons der Spinoperator.
Da der Spin in Richtung des Magnetfeldes nur die Eigenwerte
Geladenes, spinloses Teilchen im elektromagnetischen Feld
Den Hamiltonoperator eines Teilchen mit Ladung
Hier bezeichnet
das Vektorpotential das Skalarpotential.
Beim Ausmultiplizieren der Klammer ist zu beachten, dass die Operatoren