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A.3

常用特殊函数

Hermite、Legendre 与球谐、Laguerre、球 Bessel 四族函数的定义、递推、低阶显式表达与出场章节——按「查表」标准整理。

建议先掌握

  • 幂级数与常微分方程的基本概念

学完本节你应该能

  • 知道每族特殊函数解决的是哪个物理问题、在哪一章登场
  • 会用递推关系从低阶生成高阶
  • 能查表写出前几个显式表达式并核对归一化

「特殊函数」这个名字听起来吓人,其实它们只是几个常见微分方程的解, 被前人算好、编号、列成了表。薛定谔方程在几种规则势场里分离变量后, 剩下的常微分方程翻来覆去就那么几个——每个都对应一族特殊函数。 本节按族整理:解什么方程、怎么定义、递推关系、前几个长什么样、正文哪一章用。

先给一张总索引:

函数族物理场景出场章节
Hermite HnH_n谐振子本征态2.9
Legendre PℓP_\ell 与球谐 YℓmY_\ell^m角动量、任何中心力场的角向部分5.1、5.2
Laguerre LnkL_n^k氢原子径向波函数6.3
球 Bessel jℓ,nℓj_\ell,n_\ell自由粒子的径向解、三维散射6.1、6.2

Hermite 多项式

解决的问题:谐振子的定态方程。代入无量纲变量 ξ=mω/ℏ x\xi=\sqrt{m\omega/\hbar}\,x 并剥离高斯衰减因子 ψ=h(ξ) e−ξ2/2\psi=h(\xi)\,\ee^{-\xi^2/2} 后,hh 满足 Hermite 方程

h′′−2ξh′+2nh=0(A.3.1)h''-2\xi h'+2n h=0\tag{A.3.1}

只有 nn 取非负整数时解才是多项式(否则级数不截断、ψ\psi 发散)—— 这正是谐振子能级 En=(n+12)ℏωE_n=(n+\tfrac12)\hbar\omega 量子化的来源。

定义(Rodrigues 公式,一条式子生成全家):

Hn(ξ)=(−1)n eξ2dndξne−ξ2(A.3.2)H_n(\xi)=(-1)^n\,\ee^{\xi^2}\frac{\dd^n}{\dd\xi^n}\ee^{-\xi^2}\tag{A.3.2}

递推与求导(数值和手算都靠这两条,不用背显式表达式):

Hn+1=2ξHn−2nHn−1,Hn′=2nHn−1(A.3.3)H_{n+1}=2\xi H_n-2nH_{n-1},\qquad H_n'=2nH_{n-1}\tag{A.3.3}

前几个:

nnHn(ξ)H_n(\xi)
011
12ξ2\xi
24ξ2−24\xi^2-2
38ξ3−12ξ8\xi^3-12\xi
416ξ4−48ξ2+1216\xi^4-48\xi^2+12

正交性(权函数是高斯):

∫−∞∞HmHn e−ξ2dξ=2nn!π δmn(A.3.4)\int_{-\infty}^{\infty}H_m H_n\,\ee^{-\xi^2}\dd\xi=2^n n!\sqrt{\pi}\,\delta_{mn}\tag{A.3.4}

由此得到归一化的谐振子本征态 ψn(x)=(mωπℏ)1/412nn!Hn(ξ) e−ξ2/2\psi_n(x)=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\frac{1}{\sqrt{2^n n!}}H_n(\xi)\,\ee^{-\xi^2/2}。 HnH_n 是 nn 次多项式、宇称为 (−1)n(-1)^n、有 nn 个实零点—— 对应 ψn\psi_n 有 nn 个节点。

Legendre 多项式与球谐函数

解决的问题:任何中心力场 V(r)V(r) 中分离变量后的角向方程—— 它与 VV 无关,所以角向解是通用的。θ\theta 方向的方程(令 u=cos⁡θu=\cos\theta)是 Legendre 方程

ddu ⁣[(1−u2)dPdu]+ℓ(ℓ+1)P=0(A.3.5)\frac{\dd}{\dd u}\!\left[(1-u^2)\frac{\dd P}{\dd u}\right]+\ell(\ell+1)P=0\tag{A.3.5}

在两极 u=±1u=\pm1 处解要保持有限,逼出 ℓ=0,1,2,…\ell=0,1,2,\dots——角动量量子化的来源。

定义与递推:

Pℓ(u)=12ℓℓ!dℓduℓ(u2−1)ℓ,(ℓ+1)Pℓ+1=(2ℓ+1) u Pℓ−ℓPℓ−1(A.3.6)P_\ell(u)=\frac{1}{2^\ell \ell!}\frac{\dd^\ell}{\dd u^\ell}(u^2-1)^\ell, \qquad (\ell+1)P_{\ell+1}=(2\ell+1)\,u\,P_\ell-\ell P_{\ell-1}\tag{A.3.6}

前几个:P0=1P_0=1,P1=uP_1=u,P2=12(3u2−1)P_2=\tfrac12(3u^2-1),P3=12(5u3−3u)P_3=\tfrac12(5u^3-3u)。

带上 mm 的连带 Legendre 函数 Pℓm(u)=(1−u2)∣m∣/2 d∣m∣Pℓ/du∣m∣P_\ell^m(u)=(1-u^2)^{|m|/2}\,\dd^{|m|}P_\ell/\dd u^{|m|}, 再配上 φ\varphi 方向的 eimφ\ee^{\ii m\varphi} 和归一化系数,就是球谐函数—— 角动量算符 L^2,L^z\hat L^2,\hat L_z 的公共本征函数:

L^2Yℓm=ℓ(ℓ+1)ℏ2 Yℓm,L^zYℓm=mℏ Yℓm,m=−ℓ,…,ℓ(A.3.7)\hat L^2Y_\ell^m=\ell(\ell+1)\hbar^2\,Y_\ell^m, \qquad \hat L_zY_\ell^m=m\hbar\,Y_\ell^m, \qquad m=-\ell,\dots,\ell\tag{A.3.7}

最常用的几个(正文 5.2 节有三维图像):

YℓmY_\ell^m表达式
Y00Y_0^01/4π\sqrt{1/4\pi}
Y10Y_1^03/4π cos⁡θ\sqrt{3/4\pi}\,\cos\theta
Y1±1Y_1^{\pm1}∓3/8π sin⁡θ e±iφ\mp\sqrt{3/8\pi}\,\sin\theta\,\ee^{\pm \ii\varphi}
Y20Y_2^05/16π (3cos⁡2θ−1)\sqrt{5/16\pi}\,(3\cos^2\theta-1)

正交归一(在整个球面上积分):

∫02π ⁣ ⁣∫0πYℓ′m′∗ Yℓm sin⁡θ dθ dφ=δℓℓ′δmm′(A.3.8)\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{\pi}Y_{\ell'}^{m'*}\,Y_\ell^m\,\sin\theta\,\dd\theta\,\dd\varphi=\delta_{\ell\ell'}\delta_{mm'}\tag{A.3.8}

化学里的 px,py,pzp_x,p_y,p_z 轨道就是 Y1±1,Y10Y_1^{\pm1},Y_1^0 的实线性组合。

Laguerre 多项式

解决的问题:氢原子径向方程。剥离长程衰减 e−r/na\ee^{-r/na} 与短程行为 rℓr^\ell 之后, 剩下的多项式部分满足连带 Laguerre 方程。级数截断条件给出主量子数 nn, 这就是氢原子能级 En=−13.6 eV/n2E_n=-13.6\,\text{eV}/n^2 的来源 (完整推导见 6.3 节)。

定义(Rodrigues 公式;LqkL_q^k 是 qq 次多项式):

Lq(x)=exq!dqdxq ⁣(xqe−x),Lqk(x)=(−1)kdkdxkLq+k(x)(A.3.9)L_q(x)=\frac{\ee^{x}}{q!}\frac{\dd^q}{\dd x^q}\!\left(x^q\ee^{-x}\right), \qquad L_q^{k}(x)=(-1)^k\frac{\dd^k}{\dd x^k}L_{q+k}(x)\tag{A.3.9}

前几个:L0=1L_0=1,L1=1−xL_1=1-x,L2=1−2x+x22L_2=1-2x+\tfrac{x^2}{2}; L01=1L_0^1=1,L11=2−xL_1^1=2-x。

氢原子径向波函数的组装方式(aa 为 Bohr 半径):

Rnℓ(r)  ∝  (2rna)ℓLn−ℓ−12ℓ+1 ⁣(2rna)e−r/na(A.3.10)R_{n\ell}(r)\;\propto\;\left(\frac{2r}{na}\right)^{\ell} L_{n-\ell-1}^{2\ell+1}\!\left(\frac{2r}{na}\right)\ee^{-r/na}\tag{A.3.10}

多项式部分有 n−ℓ−1n-\ell-1 个零点,正是径向节点数。

球 Bessel 函数

解决的问题:势能为零(或常数)区域的径向方程。令 u=rRu=rR 之后径向方程变成 R′′+2rR′+[k2−ℓ(ℓ+1)r2]R=0R''+\frac{2}{r}R'+\left[k^2-\frac{\ell(\ell+1)}{r^2}\right]R=0, 解是球 Bessel 函数 jℓ(kr)j_\ell(kr)(原点处规则)与球 Neumann 函数 nℓ(kr)n_\ell(kr)(原点处发散)。

低阶显式表达式(都是三角函数除以幂次,可以手算):

ℓ\elljℓ(x)j_\ell(x)nℓ(x)n_\ell(x)
0sin⁡xx\dfrac{\sin x}{x}−cos⁡xx-\dfrac{\cos x}{x}
1sin⁡xx2−cos⁡xx\dfrac{\sin x}{x^2}-\dfrac{\cos x}{x}−cos⁡xx2−sin⁡xx-\dfrac{\cos x}{x^2}-\dfrac{\sin x}{x}

递推(fℓf_\ell 代表 jℓj_\ell 或 nℓn_\ell,同一条递推):

fℓ+1(x)=2ℓ+1xfℓ(x)−fℓ−1(x)(A.3.11)f_{\ell+1}(x)=\frac{2\ell+1}{x}f_\ell(x)-f_{\ell-1}(x)\tag{A.3.11}

两端行为(判断解的取舍全靠这两条):

jℓ(x)→x→0xℓ(2ℓ+1)!!,jℓ(x)→x→∞sin⁡(x−ℓπ/2)x(A.3.12)j_\ell(x)\xrightarrow{x\to0}\frac{x^\ell}{(2\ell+1)!!},\qquad j_\ell(x)\xrightarrow{x\to\infty}\frac{\sin(x-\ell\pi/2)}{x}\tag{A.3.12}

nℓn_\ell 在原点发散如 x−ℓ−1x^{-\ell-1},所以包含原点的区域只能用 jℓj_\ell; 远处的正弦振荡(相位平移 ℓπ/2\ell\pi/2)是三维散射分波法里「相移」概念的参照零点。

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