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B.1

常用公式与常数表

第 1–12 章核心公式的分章速查表,每条注明出处小节,末尾附物理常数与单位换算。

这一页是全书的公式速查面板:按章组织,每条公式注明它在正文中的出处, 点链接可以回到推导现场。每章开头用一两句话点明这一章公式的主线。 末尾附常用对易子恒等式、物理常数与做题时最好用的单位换算。

三种打开方式:

  • 做题时:按章跳到对应表格,顺链接回正文看推导与适用条件;
  • 复习时:只看每章开头的「主线」句子,能否自己把表里的公式默写出一半;
  • 查符号时:直接看下面的符号约定表。

先把撑起全书的骨架单独列出——如果只允许背十条,就是这十条:

符号约定

全书统一使用的记号,供跨章阅读时对照:

符号含义备注
Ψ(x,t)\Psi(x,t) / ψ(x)\psi(x)含时波函数 / 定态(空间部分)波函数大写含时、小写不含时
ψ\ket{\psi}ϕ\bra{\phi}ϕ|ψ\braket{\phi}{\psi}态矢、对偶矢、内积Dirac 记号,见 3.2
A^\hat AA^\hat A^\dagger算符及其厄米共轭戴帽子的都是算符
[A^,B^][\hat A,\hat B]{A^,B^}\{\hat A,\hat B\}对易子 A^B^B^A^\hat A\hat B-\hat B\hat A、反对易子 A^B^+B^A^\hat A\hat B+\hat B\hat A花括号偶尔也表示集合,看上下文
σA\sigma_A可观测量 AA 的标准差(不确定度)σA2=A^2A^2\sigma_A^2=\langle\hat A^2\rangle-\langle\hat A\rangle^2
σx,σy,σz\sigma_x,\sigma_y,\sigma_zPauli 矩阵与不确定度的 σ 无关,习惯如此
=h/2π\hbar=h/2\pi约化 Planck 常数公式里几乎只出现 \hbar
i\iie\eed\dd虚数单位、自然常数、微分号正体排版,区别于变量 i,e,di,e,d
δmn\delta_{mn}δ(x)\delta(x)Kronecker 符号、Dirac δ 函数离散用下标版、连续用函数版,见 A.2
ρ^\hat\rho密度算符与概率密度 ρ(x)\rho(x) 靠帽子区分

第 1 章 · 旧量子论

主线:一批「经典物理解释不了」的实验,各自逼出一个含 hh 的公式—— 它们还不是理论,但已经把普朗克常数钉进了物理学。

公式说明出处
E=hν=ωE=h\nu=\hbar\omegaPlanck 能量子;一份光的能量1.2
ω=W+12mvmax2\hbar\omega=W+\frac{1}{2}mv_{\max}^2光电效应方程,WW 为逸出功1.3
En=13.6 eVn2E_n=-\dfrac{13.6\ \text{eV}}{n^2}Bohr 氢原子能级1.4
L=nL=n\hbarBohr 角动量量子化条件1.4
1λ=R(1n121n22)\dfrac{1}{\lambda}=R\left(\dfrac{1}{n_1^2}-\dfrac{1}{n_2^2}\right)氢光谱的 Rydberg 公式,Bohr 模型的胜利1.4
λ=hp\lambda=\dfrac{h}{p}de Broglie 物质波波长1.5
σxσp\sigma_x\sigma_p\gtrsim\hbar不确定性关系的启发式版本1.7

第 2 章 · 波函数

主线:一条方程(薛定谔方程)加一条解释规则(Born 规则), 再在四五个标准势场里把它们完整解一遍。

公式说明出处
P(x,t)=Ψ(x,t)2P(x,t)=\lvert\Psi(x,t)\rvert^2Born 规则:模平方是概率密度2.1
j=mIm(ΨxΨ)j=\dfrac{\hbar}{m}\operatorname{Im}(\Psi^*\partial_x\Psi)概率流;配合 tΨ2+xj=0\partial_t\lvert\Psi\rvert^2+\partial_x j=02.2
itΨ=22mx2Ψ+VΨ\ii\hbar\,\partial_t\Psi=-\dfrac{\hbar^2}{2m}\partial_x^2\Psi+V\Psi含时薛定谔方程2.4
22mψ+Vψ=Eψ-\dfrac{\hbar^2}{2m}\psi''+V\psi=E\psi定态(不含时)薛定谔方程2.3
Ψn(x,t)=ψn(x)eiEnt/\Psi_n(x,t)=\psi_n(x)\,\ee^{-\ii E_nt/\hbar}定态解只挂一个相位2.5
A=ΨA^Ψdx\langle A\rangle=\displaystyle\int\Psi^*\hat A\,\Psi\,\dd x期望值2.6
σxσp2\sigma_x\sigma_p\ge\dfrac{\hbar}{2}不确定性原理(精确版)2.6
En=n2π222mL2E_n=\dfrac{n^2\pi^2\hbar^2}{2mL^2}ψn=2LsinnπxL\psi_n=\sqrt{\dfrac{2}{L}}\sin\dfrac{n\pi x}{L}无限深势阱,n1n\ge12.7
偶宇称:ktankL2=κk\tan\dfrac{kL}{2}=\kappa;奇宇称:kcotkL2=κ-k\cot\dfrac{kL}{2}=\kappa有限深势阱的能级条件(超越方程,图解或数值求根)2.8
En=(n+12)ωE_n=\left(n+\dfrac12\right)\hbar\omega谐振子能级,n0n\ge02.9
ψ0(x)=(mωπ)1/4emωx2/2\psi_0(x)=\left(\dfrac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\ee^{-m\omega x^2/2\hbar}谐振子基态:最小不确定度的高斯2.9
a^n=n+1n+1\hat a^\dagger\ket{n}=\sqrt{n+1}\ket{n+1}a^n=nn1\hat a\ket{n}=\sqrt{n}\ket{n-1}升降算符2.9
x^=2mω(a^+a^)\hat x=\sqrt{\dfrac{\hbar}{2m\omega}}(\hat a+\hat a^\dagger)p^=imω2(a^a^)\hat p=\ii\sqrt{\dfrac{m\hbar\omega}{2}}(\hat a^\dagger-\hat a)用升降算符算任何矩阵元的入口2.9
vg=dωdk=kmv_g=\dfrac{\dd\omega}{\dd k}=\dfrac{\hbar k}{m}波包群速度 = 粒子速度2.10
σx(t)=σ01+(t2mσ02)2\sigma_x(t)=\sigma_0\sqrt{1+\left(\dfrac{\hbar t}{2m\sigma_0^2}\right)^2}自由高斯波包的扩散:越窄的包散得越快2.10
Te2γT\approx\ee^{-2\gamma}γ=12m(VE)dx\gamma=\dfrac{1}{\hbar}\displaystyle\int\sqrt{2m(V-E)}\,\dd x隧穿概率(Gamow 因子)2.11

第 3 章 · 形式理论

主线:把第 2 章的具体计算升级成一套抽象语法——态是向量、 可观测量是厄米算符、测量按谱分解投影、演化是幺正变换。

公式说明出处
nnn=1^\displaystyle\sum_n\ket{n}\bra{n}=\hat{\mathbb{1}}完备性关系(插基神器)3.2
x|p=eipx/2π\braket{x}{p}=\dfrac{\ee^{\ii px/\hbar}}{\sqrt{2\pi\hbar}}位置—动量表象变换核3.3
[x^,p^]=i[\hat x,\hat p]=\ii\hbar正则对易关系3.6
σAσB12[A^,B^]\sigma_A\sigma_B\ge\dfrac{1}{2}\left\lvert\langle[\hat A,\hat B]\rangle\right\rvert广义不确定性关系3.6
ΔEΔt2\Delta E\,\Delta t\gtrsim\dfrac{\hbar}{2}能量—时间不确定性:Δt\Delta t 是可观测量显著变化所需的时间3.9
A^=A^ \hat A=\hat A^\dagger\ \Rightarrow 本征值实、本征态正交完备可观测量为什么必须厄米3.5
p(an)=an|ψ2p(a_n)=\lvert\braket{a_n}{\psi}\rvert^2测量得 ana_n 的概率;测后态坍缩为 an\ket{a_n}3.8
ψP^nψP^nψ\ket{\psi}\mapsto\dfrac{\hat P_n\ket{\psi}}{\lVert\hat P_n\ket{\psi}\rVert}P^n=anan\hat P_n=\ket{a_n}\bra{a_n}投影公设(简并时 P^n\hat P_n 为子空间投影)3.8
U^(t)=eiH^t/\hat U(t)=\ee^{-\ii\hat Ht/\hbar}时间演化算符(H^\hat H 不含时)3.9
dA^dt=1i[A^,H^]+tA^\dfrac{\dd\langle\hat A\rangle}{\dd t}=\dfrac{1}{\ii\hbar}\langle[\hat A,\hat H]\rangle+\left\langle\partial_t\hat A\right\rangleEhrenfest 定理3.9
ρ^=ipiψiψi\hat\rho=\displaystyle\sum_i p_i\ket{\psi_i}\bra{\psi_i}A^=tr(ρ^A^)\langle\hat A\rangle=\operatorname{tr}(\hat\rho\hat A)密度算符与期望值3.10

第 4 章 · 一维问题进阶

主线:对称性帮你少算一半,散射问题用透射/反射系数与转移矩阵系统化。

公式说明出处
Π^ψ(x)=ψ(x)\hat\Pi\psi(x)=\psi(-x),本征值 ±1\pm1宇称算符:Π^2=1^\hat\Pi^2=\hat{\mathbb{1}} 逼出的仅有两个本征值4.1
[H^,Π^]=0  [\hat H,\hat\Pi]=0\ \Rightarrow\ 本征态可取确定宇称对称势的宇称定理4.1
T+R=1T+R=1透射率加反射率守恒4.2
Mtotal=MNM2M1M_{\text{total}}=M_N\cdots M_2M_1转移矩阵按区域连乘4.3
ψψj+12ψj+ψj1h2\psi''\approx\dfrac{\psi_{j+1}-2\psi_j+\psi_{j-1}}{h^2}三点有限差分(数值解的起点)4.4C.1

第 5 章 · 角动量与自旋

主线:一套对易关系 [L^i,L^j]=iϵijkL^k[\hat L_i,\hat L_j]=\ii\hbar\,\epsilon_{ijk}\hat L_k 就决定了全部谱结构——轨道、自旋、以及它们的相加都只是这套代数的不同表示。

公式说明出处
[L^x,L^y]=iL^z[\hat L_x,\hat L_y]=\ii\hbar\hat L_z(轮换)角动量代数5.1
L^2,m=(+1)2,m\hat L^2\ket{\ell,m}=\ell(\ell+1)\hbar^2\ket{\ell,m}L^z,m=m,m\hat L_z\ket{\ell,m}=m\hbar\ket{\ell,m}本征值谱,m=,,m=-\ell,\dots,\ell5.1
L^±,m=(+1)m(m±1),m±1\hat L_\pm\ket{\ell,m}=\hbar\sqrt{\ell(\ell+1)-m(m\pm1)}\ket{\ell,m\pm1}升降算符5.1
S^i=2σi\hat S_i=\dfrac{\hbar}{2}\sigma_i自旋 1/2 与 Pauli 矩阵5.3
σiσj=δij1^+iϵijkσk\sigma_i\sigma_j=\delta_{ij}\hat{\mathbb{1}}+\ii\epsilon_{ijk}\sigma_kPauli 矩阵乘法一条顶十条5.3
R^n(θ)=eiθnσ/2=cosθ21^isinθ2nσ\hat R_{\vec n}(\theta)=\ee^{-\ii\theta\,\vec n\cdot\vec\sigma/2}=\cos\dfrac{\theta}{2}\,\hat{\mathbb{1}}-\ii\sin\dfrac{\theta}{2}\,\vec n\cdot\vec\sigma自旋 1/2 的转动算符;转 2π2\pi 差个负号5.3
ωL=gqB2m\omega_L=\dfrac{g q B}{2m}磁场中自旋进动(Larmor)频率5.5
单态 2\dfrac{\ket{\uparrow\downarrow}-\ket{\downarrow\uparrow}}{\sqrt2};三态 , +2, \ket{\uparrow\uparrow},\ \dfrac{\ket{\uparrow\downarrow}+\ket{\downarrow\uparrow}}{\sqrt2},\ \ket{\downarrow\downarrow}两个自旋 1/2 的相加:101\oplus05.6
j1j2jj1+j2\lvert j_1-j_2\rvert\le j\le j_1+j_2角动量相加的取值范围5.6
L^S^=12(J^2L^2S^2)\hat{\vec L}\cdot\hat{\vec S}=\dfrac{1}{2}\left(\hat J^2-\hat L^2-\hat S^2\right)自旋轨道耦合的标准处理5.7

第 6 章 · 氢原子

主线:中心力场分离变量,角向部分通用(球谐), 径向方程给出能级——三个量子数 n,,mn,\ell,m 各司其职。

公式说明出处
u+[2m2(EV)(+1)r2]u=0u''+\left[\dfrac{2m}{\hbar^2}(E-V)-\dfrac{\ell(\ell+1)}{r^2}\right]u=0u=rRu=rR径向方程(含离心势垒)6.2
En=me42(4πε0)221n2=13.6 eVn2E_n=-\dfrac{me^4}{2(4\pi\varepsilon_0)^2\hbar^2}\dfrac{1}{n^2}=-\dfrac{13.6\ \text{eV}}{n^2}氢原子能级6.4
a0=4πε02me20.529 A˚a_0=\dfrac{4\pi\varepsilon_0\hbar^2}{me^2}\approx0.529\ \text{Å}Bohr 半径6.3
ψ100=1πa03er/a0\psi_{100}=\dfrac{1}{\sqrt{\pi a_0^3}}\,\ee^{-r/a_0}氢原子基态波函数6.3
简并度 =n2=n^2(含自旋 2n22n^2=0,,n1\ell=0,\dots,n-1m=,,m=-\ell,\dots,\ell6.4
T=En\langle T\rangle=-E_nV=2En\langle V\rangle=2E_n位力定理(库仑势 1/r\propto1/r 情形)6.4
ΔEfsα2En\Delta E_{\text{fs}}\sim\alpha^2 E_nα1137\alpha\approx\dfrac{1}{137}精细结构的量级6.6
ΔEZ=gJμBBmJ\Delta E_Z=g_J\,\mu_B\,B\,m_J(弱场)Zeeman 分裂6.7

第 7 章 · 近似方法

主线:解不出来的问题占绝大多数——微扰、变分、WKB 三板斧 各有适用范围,含时微扰则通向「跃迁速率」这个可测量。

公式说明出处
En(1)=n(0)|H^n(0)E_n^{(1)}=\braket{n^{(0)}}{\hat H'\,n^{(0)}}一阶能量修正 = 微扰在无微扰态里的平均7.1
En(2)=mnm(0)H^n(0)2En(0)Em(0)E_n^{(2)}=\displaystyle\sum_{m\ne n}\frac{\lvert\bra{m^{(0)}}\hat H'\ket{n^{(0)}}\rvert^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}二阶能量修正;基态永远被压低7.1
简并空间内先对角化 H^\hat H'简并微扰的核心操作7.2
EgsψTH^ψTψT|ψTE_{\text{gs}}\le\dfrac{\bra{\psi_T}\hat H\ket{\psi_T}}{\braket{\psi_T}{\psi_T}}变分原理:任何试探态给出基态能上界7.3
n(1)=mnm(0)H^n(0)En(0)Em(0)m(0)\ket{n^{(1)}}=\displaystyle\sum_{m\ne n}\frac{\bra{m^{(0)}}\hat H'\ket{n^{(0)}}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}\ket{m^{(0)}}一阶波函数修正7.1
ψ1p(x)exp(±ipdx)\psi\sim\dfrac{1}{\sqrt{p(x)}}\exp\left(\pm\dfrac{\ii}{\hbar}\displaystyle\int p\,\dd x\right)WKB 波函数7.4
pdx=(n+12)2π\displaystyle\oint p\,\dd x=\left(n+\tfrac12\right)2\pi\hbarWKB 量子化条件(两个软转折点)7.4
共振时二能级完全翻转:Pif(t)=sin2ω1t2P_{i\to f}(t)=\sin^2\dfrac{\omega_1 t}{2}Rabi 振荡(ω1\omega_1 正比于驱动强度)7.5
Γif=2πfH^i2ρ(Ef)\Gamma_{i\to f}=\dfrac{2\pi}{\hbar}\lvert\bra{f}\hat H'\ket{i}\rvert^2\rho(E_f)Fermi 黄金规则7.6
骤变近似:Pif=fnew|iold2P_{i\to f}=\lvert\braket{f_{\text{new}}}{i_{\text{old}}}\rvert^2哈密顿量突变时态来不及动,直接投影7.8
γn=in| ⁣RndR\gamma_n=\ii\displaystyle\oint\braket{n}{\nabla_{\!R}\,n}\cdot\dd\vec RBerry 相位7.7

第 8 章 · 全同粒子

主线:全同粒子交换只允许两种结局——对称(玻色子)或反对称(费米子), 一切「交换效应」都从这条二选一里长出来。

公式说明出处
Ψ(1,2)=±Ψ(2,1)\Psi(1,2)=\pm\Psi(2,1)玻色子取 ++、费米子取 -8.2
Ψ=1N!det[ψi(xj)]\Psi=\dfrac{1}{\sqrt{N!}}\det[\psi_i(x_j)]Slater 行列式;两行相同即为零 ⇒ Pauli 不相容8.3
[a^i,a^j]=δij[\hat a_i,\hat a_j^\dagger]=\delta_{ij}(玻色);{c^i,c^j}=δij\{\hat c_i,\hat c_j^\dagger\}=\delta_{ij}(费米)二次量子化基本(反)对易关系8.5
Esinglet/triplet=E0±JE_{\text{singlet/triplet}}=E_0\pm J交换积分 JJ 劈裂自旋单态/三态8.4
平均场自洽:每个电子在其余电子的平均势里解单粒子方程,迭代到收敛Hartree–Fock 方法的一句话版本8.6

第 9 章 · 量子信息

主线:把「二能级系统 + 幺正演化 + 测量」当成计算资源, 纠缠是其中最关键的新资源。

公式说明出处
ψ=cosθ20+eiφsinθ21\ket{\psi}=\cos\dfrac{\theta}{2}\ket{0}+\ee^{\ii\varphi}\sin\dfrac{\theta}{2}\ket{1}量子比特的 Bloch 球参数化9.1
X,Y,Z=σx,σy,σzX,Y,Z=\sigma_x,\sigma_y,\sigma_zH=12(1111)H=\dfrac{1}{\sqrt2}\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}单比特门就是 Pauli 矩阵一家;HH 制备等权叠加9.2
不可克隆定理:不存在 U^ψ0=ψψ\hat U\ket{\psi}\ket{0}=\ket{\psi}\ket{\psi}(对任意 ψ\ket{\psi}线性性的直接推论;量子密码的根基9.2
S(ρ^A)=tr(ρ^Alog2ρ^A)S(\hat\rho_A)=-\operatorname{tr}(\hat\rho_A\log_2\hat\rho_A)纠缠熵(纯态二分纠缠的度量)9.3
CHSH2\lvert\langle\text{CHSH}\rangle\rvert\le2(经典)vs 222\sqrt2(量子)Bell 不等式与 Tsirelson 上限9.4
1 个 Bell 对 + 2 比特经典信息 ⇒ 传 1 个量子比特量子隐形传态的资源账本9.5
1 次查询判定「常函数还是平衡函数」(经典最坏要 2n1+12^{n-1}+1 次)Deutsch–Jozsa:量子并行的第一个干净示范9.7
O(N)O(\sqrt N) 次查询Grover 搜索的平方加速9.8

第 10 章 · 开放系统

主线:系统与环境纠缠后,只看系统就必须用密度矩阵; 它的演化不再幺正,由 Lindblad 方程描述。

公式说明出处
ρ^A=trBρ^AB\hat\rho_A=\operatorname{tr}_B\,\hat\rho_{AB}偏迹:只看子系统时的唯一正确操作10.1
trρ^=1\operatorname{tr}\hat\rho=1ρ^=ρ^\hat\rho^\dagger=\hat\rhoρ^0\hat\rho\ge0密度矩阵三条件10.2
trρ^21\operatorname{tr}\hat\rho^2\le1,取等号仅当纯态纯度:区分纯态与混态10.2
ρ^kK^kρ^K^k\hat\rho\mapsto\displaystyle\sum_k\hat K_k\hat\rho\hat K_k^\daggerkK^kK^k=1^\sum_k\hat K_k^\dagger\hat K_k=\hat{\mathbb{1}}Kraus 表示(CPTP 映射)10.3
ρ^˙=i[H^,ρ^]+k(L^kρ^L^k12{L^kL^k,ρ^})\dot{\hat\rho}=-\dfrac{\ii}{\hbar}[\hat H,\hat\rho]+\displaystyle\sum_k\left(\hat L_k\hat\rho\hat L_k^\dagger-\dfrac12\{\hat L_k^\dagger\hat L_k,\hat\rho\}\right)Lindblad 主方程10.4
相干项衰减:ρ01(t)=ρ01(0)et/T2\rho_{01}(t)=\rho_{01}(0)\,\ee^{-t/T_2}退相干杀的是非对角元;T2T_2 是相干时间10.5

第 11 章 · 路径积分

主线:传播子 = 对所有路径求和,每条路径按经典作用量挂相位—— 经典力学是相位驻定的极限。

公式说明出处
K(b,a)=所有路径eiS[x(t)]/K(b,a)=\displaystyle\sum_{\text{所有路径}}\ee^{\ii S[x(t)]/\hbar}路径积分的核心思想11.1
K0=m2πitexp[im(xbxa)22t]K_0=\sqrt{\dfrac{m}{2\pi\ii\hbar t}}\,\exp\left[\dfrac{\ii m(x_b-x_a)^2}{2\hbar t}\right]自由粒子传播子11.2
δS=0 \delta S=0\ \Rightarrow 经典路径主导驻定相位 ⇒ 最小作用量原理11.3

第 12 章 · 相对论量子力学

主线:把 E2=p2c2+m2c4E^2=p^2c^2+m^2c^4 塞进量子力学, 代价与回报都是新自由度——负能解、自旋、反粒子。

公式说明出处
E2=p2c2+m2c4E^2=p^2c^2+m^2c^4相对论能量动量关系:一切的出发点12.1
(1c2t22+m2c22)ϕ=0\left(\dfrac{1}{c^2}\partial_t^2-\nabla^2+\dfrac{m^2c^2}{\hbar^2}\right)\phi=0Klein–Gordon 方程12.2
itψ=(cαp^+βmc2)ψ\ii\hbar\,\partial_t\psi=\left(c\,\vec\alpha\cdot\hat{\vec p}+\beta mc^2\right)\psiDirac 方程12.3
{γμ,γν}=2ημν\{\gamma^\mu,\gamma^\nu\}=2\eta^{\mu\nu}γ 矩阵代数12.3
四分量旋量 = (粒子 / 反粒子)×(自旋上 / 下)负能解的重新解释:反粒子12.4
g=2g=2Dirac 方程自动给出的电子 g 因子12.5

第 13 章是前沿综述,以概念地图为主、可背公式很少,故不入表; 各节自带的 KeyFormulas 块仍可用站内搜索直达。

常用对易子与算符恒等式

散落在各章、但每章都在用的「代数弹药库」。A^,B^,C^\hat A,\hat B,\hat C 为任意算符。

恒等式说明
[A^,B^C^]=[A^,B^]C^+B^[A^,C^][\hat A,\hat B\hat C]=[\hat A,\hat B]\hat C+\hat B[\hat A,\hat C]乘积展开(类莱布尼茨规则),拆长对易子全靠它
[x^,f(p^)]=if(p^)[\hat x,f(\hat p)]=\ii\hbar\,f'(\hat p)[p^,g(x^)]=ig(x^)[\hat p,g(\hat x)]=-\ii\hbar\,g'(\hat x)[x^,p^]=i[\hat x,\hat p]=\ii\hbar 逐阶推出
[a^,a^]=1[\hat a,\hat a^\dagger]=1N^=a^a^\hat N=\hat a^\dagger\hat a谐振子/二次量子化的全部代数起点
[J^i,J^j]=iϵijkJ^k[\hat J_i,\hat J_j]=\ii\hbar\,\epsilon_{ijk}\hat J_k[J^2,J^i]=0[\hat J^2,\hat J_i]=0任何角动量(轨道、自旋、总)通用
eA^B^eA^=B^+[A^,B^]+12![A^,[A^,B^]]+\ee^{\hat A}\hat B\,\ee^{-\hat A}=\hat B+[\hat A,\hat B]+\dfrac{1}{2!}[\hat A,[\hat A,\hat B]]+\cdotsHadamard 引理:算符「换到旋转参考系」的展开式
eA^eB^=eA^+B^+12[A^,B^]\ee^{\hat A}\ee^{\hat B}=\ee^{\hat A+\hat B+\frac12[\hat A,\hat B]}(当 [A^,B^][\hat A,\hat B] 与两者都对易)BCH 公式的可用特例;相干态、平移算符、C.2 分步法都靠它
tr(A^B^C^)=tr(B^C^A^)\operatorname{tr}(\hat A\hat B\hat C)=\operatorname{tr}(\hat B\hat C\hat A)迹的轮换不变性;密度矩阵计算的日常工具
(A^B^)=B^A^(\hat A\hat B)^\dagger=\hat B^\dagger\hat A^\dagger取厄米共轭要反序

物理常数与单位换算

做题强烈推荐用「eV 制」组合常数——避免 103410^{-34} 量级的数值相乘:

常数数值用法提示
\hbar1.055×1034 J⋅s=6.582×1016 eV⋅s1.055\times10^{-34}\ \text{J·s}=6.582\times10^{-16}\ \text{eV·s}频率 ↔ 能量
c\hbar c197.3 eV⋅nm=197.3 MeV⋅fm197.3\ \text{eV·nm}=197.3\ \text{MeV·fm}长度 ↔ 能量,最常用的组合
mec2m_ec^20.511 MeV0.511\ \text{MeV}电子静能;动能公式里配 c\hbar c
mpc2m_pc^2938.3 MeV938.3\ \text{MeV}质子静能
α=e24πε0c\alpha=\dfrac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\hbar c}1137.04\approx\dfrac{1}{137.04}精细结构常数,电磁作用强度
a0a_00.0529 nm0.0529\ \text{nm}Bohr 半径 =c/(αmec2)=\hbar c/(\alpha\, m_ec^2)
ERyE_{\text{Ry}}13.606 eV13.606\ \text{eV}Rydberg 能量 =12α2mec2=\tfrac12\alpha^2m_ec^2
μB\mu_B5.788×105 eV/T5.788\times10^{-5}\ \text{eV/T}Bohr 磁子,Zeeman 分裂用
kBTk_BT(300 K)0.0259 eV\approx0.0259\ \text{eV}「室温 ≈ 26 meV」判断热效应是否重要
hchc1240 eV⋅nm1240\ \text{eV·nm}光子能量 ↔ 波长:E=1240/λ(nm)E=1240/\lambda(\text{nm}) eV
1 eV1\ \text{eV}1.602×1019 J1.602\times10^{-19}\ \text{J}与 SI 制互换时才需要;能不换就不换
1 A˚1\ \text{Å}0.1 nm=1010 m0.1\ \text{nm}=10^{-10}\ \text{m}原子尺度的自然标尺(a00.53a_0\approx0.53 Å)

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