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第三章力學(xué)量用算符表達(dá)第1頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月代表對波函數(shù)進(jìn)行某種運(yùn)算或變換的符號?u=v表示
?
把函數(shù)u
變成
v,?就是這種變換的算符。1)du/dx=v,
d/dx就是算符,其作用是對函數(shù)u微商,故稱為微商算符。2)xu=v,
x也是算符。它對u作用是使u變成v。由于算符只是一種運(yùn)算符號,所以它單獨存在是沒有意義的,僅當(dāng)它作用于波函數(shù)上,對波函數(shù)做相應(yīng)的運(yùn)算才有意義,例如:算符定義§3.1算符的運(yùn)算規(guī)則
第2頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月設(shè)波函數(shù),求解:
例題1第3頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)線性算符?(c1ψ1+c2ψ2)=c1?ψ1+c2?ψ2其中c1,c2是任意復(fù)常數(shù),ψ1,ψ1是任意兩個波函數(shù)。滿足如下運(yùn)算規(guī)律的算符?稱為線性算符(2)算符相等若兩個算符?、?對體系的任何波函數(shù)ψ的運(yùn)算結(jié)果都相同,即?ψ=?ψ,則算符?
和算符?
相等記為?=?。例如:開方算符、取復(fù)共軛就不是線性算符。注意:描寫可觀測量的力學(xué)量算符都是線性算符,這是態(tài)疊加原理的反映。第4頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題2指出下列算符哪個是線性的,說明其理由。
①
;②
;③解:①是線性算符第5頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月②不是線性算符③是線性算符第6頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(3)算符之和若兩個算符?、?對體系的任何波函數(shù)ψ有:(?+?)ψ=?ψ+?ψ=êψ則?+?=ê
稱為算符之和。顯然,算符求和滿足交換率和結(jié)合率。例如:體系Hamilton算符注意,算符運(yùn)算沒有相減,因為減可用加來代替。?-?=?+(-?)。很易證明線性算符之和仍為線性算符。第7頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(4)算符之積若?(?ψ)=(??)ψ=êψ則??=ê其中ψ是任意波函數(shù)。一般來說算符之積不滿足交換律,即??≠??這是算符與通常數(shù)運(yùn)算規(guī)則的唯一不同之處。(5)對易關(guān)系若??≠??,則稱?與?不對易。顯然二者結(jié)果不相等,所以:對易關(guān)系第8頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月量子力學(xué)中最基本的對易關(guān)系。若算符滿足??=-??,
則稱
?
和
?
反對易。寫成通式:但是坐標(biāo)算符與其非共軛動量對易,各動量之間相互對易。注意:當(dāng)?與?對易,?與ê對易,不能推知?與ê對易與否。例如:第9頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(6)對易括號為了表述簡潔,運(yùn)算便利和研究量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系,人們定義了對易括號:
[?,?]≡??-??這樣一來,坐標(biāo)和動量的對易關(guān)系可改寫成如下形式:不難證明對易括號滿足如下對易關(guān)系:
1)[?,?]=-[?,?]2)[?,?+ê]=[?,?]+[?,ê]3)[?,?ê]=[?,?]ê+?[?,ê]4)[?,[?,ê]]+[?,[ê,?]]+[ê,[?,?]]=0
上面的第四式稱為
Jacobi恒等式。第10頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題3(1)第11頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)第12頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月角動量算符的對易關(guān)系證:第13頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第14頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(7)逆算符1.定義:設(shè)?ψ=φ,能夠唯一的解出
ψ,則可定義算符
?
之逆
?-1
為:
?-1φ=ψ并不是所有算符都存在逆算符,例如投影算符就不存在逆.2.性質(zhì)I:若算符
?
之逆
?-1
存在,則
??-1=?-1?=I,[?,?-1]=0證:ψ=?-1φ=?-1(?ψ)=?-1?ψ因為ψ是任意函數(shù),所以?-1?=I成立.同理,??-1=I亦成立.3.性質(zhì)II:若?,?均存在逆算符,則(??)-1=?-1?-1第15頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例如:設(shè)給定一函數(shù)F(x),其各階導(dǎo)數(shù)均存在,其冪級數(shù)展開收斂則可定義算符?的函數(shù)F(?)為:(9)復(fù)共軛算符算符?的復(fù)共軛算符
?*就是把?表達(dá)式中的所有量換成復(fù)共軛.例如:坐標(biāo)表象中(8)算符函數(shù)第16頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月利用波函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件:當(dāng)|x|→∞時ψ,
→0。由于ψ、φ是任意波函數(shù),
所以同理可證:(10)轉(zhuǎn)置算符第17頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(11)厄密共軛算符由此可得::轉(zhuǎn)置算符的定義厄密共軛算符亦可寫成:算符?之厄密共軛算符?+定義:可以證明:(?
?)+=?+
?+
(?
??...)+=...?+
?+
?+第18頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(12)厄密算符1.定義:滿足下列關(guān)系的算符稱為厄密算符.2.性質(zhì)性質(zhì)I:兩個厄密算符之和仍是厄密算符。即若?+=?,?+=?則(?+?)+=(?+?)性質(zhì)II:兩個厄密算符之積一般不是厄密算符,除非二算符對易。
因為
(??)+=?+?+=??≠??僅當(dāng)[?,?]=0成立時,(??)+=??才成立。第19頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月指出下列算符哪個是厄米算符,說明其理由。例題4第20頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第21頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第22頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題5證明是厄米算符。所以是厄米算符,同理都是厄米算符第23頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月證明:如果算符和都是厄米的,那么也是厄米的+()證:
∴
也是厄米的。+()例題6第24頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月問下列算符是否是厄米算符:例題7①
②解:①
因為
∴
不是厄米算符。第25頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月②
∴
是厄米算符。
第26頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月定理I:體系任何狀態(tài)ψ下,其厄密算符的平均值必為實數(shù)。證:逆定理:在任何狀態(tài)下,平均值均為實數(shù)的算符必為厄密算符。根據(jù)假定在任意態(tài)下有:證:取ψ=ψ1+cψ2,其中ψ1
、ψ2
也是任意態(tài)的波函數(shù),c是任意常數(shù)。第27頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月因為對任意波函數(shù)左式=右式令c=1,得:令c=i,得:二式相加得:二式相減得:所得二式正是厄密算符的定義式,故逆定理成立。實驗上的可觀測量當(dāng)然要求在任何狀態(tài)下平均值都是實數(shù),因此相應(yīng)的算符必須是厄密算符。所以左右兩邊頭兩項相等相消,于是有:第28頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例1:(為實數(shù))
例2:動量算符為厄密算符例3:證明Hamilton為厄密算符綜上所述:表示力學(xué)量的算符必為線性、厄密算符,但線性厄密算符不一定是力學(xué)量算符。所以明確厄米算符的基本性質(zhì)是討論力學(xué)量的理論基礎(chǔ)。表示力學(xué)量的算符必為線性厄密算符。第29頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)量的算符為線性厄密算符當(dāng)我們試圖用算符表示力學(xué)量時,首先注意到:力學(xué)量的測量值都是實數(shù)值,而算符只表示對態(tài)函數(shù)的某種作用,并不代表數(shù)值,只有算符本征態(tài)的本征值才是一個確定的數(shù)值。進(jìn)一步說,只有厄米算符本征態(tài)的本征值才是一個確定的實數(shù)值。這提示我們,力學(xué)量的值只可能與厄米算符的本征值相聯(lián)系。于是提出假設(shè):量子力學(xué)中每一個力學(xué)量可以用一個線性厄米算符來表示,狀態(tài)用線性厄米算符的本征態(tài)表示。第30頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)漲落因為是厄密算符必為實數(shù)因而也是厄密算符厄密算符平方的平均值一定大于等于零于是有:(2)力學(xué)量的本征方程若體系處于一種特殊狀態(tài),在此狀態(tài)下測量F所得結(jié)果是唯一確定的,即:則稱這種狀態(tài)為力學(xué)量F的本征態(tài)。可把常數(shù)記為Fn,把狀態(tài)記為ψn,于是得:其中Fn,ψn分別稱為算符F的本征值和相應(yīng)的本征態(tài),上式即是算符F的本征方程。求解時,ψ作為力學(xué)量的本征態(tài)或本征函數(shù)還要滿足物理上對波函數(shù)的要求即波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件。證明:§3.2厄米算符的本征值與本征函數(shù)第31頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月定理1:厄密算符的本征值必為實。
當(dāng)體系處于F的本征態(tài)ψn時,則每次測量結(jié)果都是Fn。 由本征方程可以看出,在ψn(設(shè)已歸一)態(tài)下證(3)量子力學(xué)基本假定根據(jù)上節(jié)定理I測量力學(xué)量F時所有可能出現(xiàn)的值,都對應(yīng)于線性厄密算符F的本征值Fn(即測量值是本征值之一),該本征值由力學(xué)量算符F的本征方程給出:第32頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月定理II:厄密算符屬于不同本征值的本征函數(shù)彼此正交證:設(shè)取復(fù)共軛,并注意到Fm為實。兩邊右乘φn后積分二式相減得:若Fm≠Fn,則必有:[證畢]第33頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月微觀體系所處的狀態(tài),只可能分為兩大類:一是體系狀態(tài)恰好處于力學(xué)量算符的本征態(tài);二是處于任意態(tài)。當(dāng)體系處于力學(xué)量算符的本征態(tài)時,力學(xué)量具有確定值。這種確定的關(guān)系可以表示為:
量子力學(xué)重要的基本任務(wù)之一,就是確定力學(xué)量算符的本征態(tài)及本征值。但必須隨時注意:力學(xué)量算符的本征態(tài)可能不止一個。
第34頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月
的本征值和本征函數(shù)例1:第35頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例2:動量分量
的本征值和本征函數(shù)若粒子位置不受限制,則可以取一切實數(shù),是連續(xù)變化的.是平面波,不能歸一化.第36頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例3:
一維自由粒子的能量本征值和本征函數(shù)一維自由粒子的Hamilton量其本征函數(shù)可以取為:相應(yīng)能量本征值為:二重簡并第37頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月大致可分為三類:(1)連續(xù)譜—本征值可取任何實數(shù)值。如自由粒子的坐標(biāo)和動量的本征值譜;(2)帶譜—本征值被限定在某些區(qū)域,例如固體中的能帶;(3)分立譜—本征值只能取一系列孤立實數(shù),如粒子在束縛態(tài)下的能譜。重點討論連續(xù)譜和分立譜。通常連續(xù)譜記為或分立譜記為。對應(yīng)的本征函數(shù)分別記為及。力學(xué)量算符的本征態(tài)及本征值可能不是一一對應(yīng),而出現(xiàn)若干個(如f個)本征態(tài)對應(yīng)一個本征值,稱這種情況為f度簡并。力學(xué)量算符的本征值被稱為力學(xué)量譜或本征值譜第38頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月下列函數(shù)哪些是算符的本征函數(shù),其本征值是什么?①,②
,③,④,⑤
解:①∴不是的本征函數(shù)。
②∴是的本征函數(shù),其對應(yīng)的本征值為1。
③④
⑤
例題8第39頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月試求算符的本征函數(shù)
解:的本征方程為(的本征值)例題9第40頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(4)簡并情況上面證明厄密算符本征函數(shù)的正交性時,曾假設(shè)這些本征函數(shù)屬于不同本征值,即非簡并情況。如果F的本征值Fn是f度簡并的,則對應(yīng)Fn有f個本征函數(shù):φn1,φn2,...,φnf
滿足本征方程:一般說來,這些函數(shù)并不一定正交??梢宰C明由這f個函數(shù)可以線性組合成f個獨立的新函數(shù), 它們?nèi)詫儆诒菊髦礔n且滿足正交歸一化條件。但是證明由這f個φni線性組合成f個新函數(shù)ψnj可以滿足正交歸一化條件:證明分如下兩步進(jìn)行1.Ψnj是本征值Fn的本征函數(shù)。2.滿足正交歸一條件的f個新函數(shù)ψnj可以組成。第41頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月1.ψnj是本征值Fn的本征函數(shù)。2.滿足正交歸一條件的f個新函數(shù)ψnj可以組成。方程的歸一化條件有f
個,正交條件有f(f-1)/2
個,所以共有獨立方程數(shù)為二者之和等于f(f+1)/2
。為此只需證明線性疊加系數(shù)Aji的個數(shù)f2大于或等于正交歸一條件方程個數(shù)即可。算符F本征值Fn簡并的本質(zhì)是:當(dāng)Fn
確定后還不能唯一的確定狀態(tài),要想唯一的確定狀態(tài)還得尋找另外一個或幾個力學(xué)量算符,F(xiàn)算符與這些算符兩兩對易,其本征值與Fn一起共同確定狀態(tài)。綜合上述討論可得如下結(jié)論:既然厄密算符本征函數(shù)總可以取為正交歸一化的,所以以后凡是提到厄密算符的本征函數(shù)時,都是正交歸一化的,即組成正交歸一系。因為f2-f(f+1)/2=f(f-1)/2≥0,所以,方程個數(shù)少于待定系數(shù)Aji的個數(shù),因而,我們有多種可能來確定這f2
個系數(shù)使上式成立。f
個新函數(shù)Ψnj
的確是算符
F對應(yīng)于本征值Fn的正交歸一化的本征函數(shù)。第42頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3.1測不準(zhǔn)關(guān)系的嚴(yán)格推導(dǎo)由上節(jié)討論表明,當(dāng)體系處于力學(xué)量A的本征態(tài)時,若對它測量,則可以得到一個確切值,即相應(yīng)的本征值,而不會出現(xiàn)漲落。在A的這個本征態(tài)下,如去測量另一個力學(xué)量B,是否也可以得到一個確定的值?不確定度:測量值Fn
與平均值<F>的偏差的大小。(1)測不準(zhǔn)關(guān)系的嚴(yán)格推導(dǎo)證:§3.3共同本征函數(shù)第43頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月II
測不準(zhǔn)關(guān)系的嚴(yán)格推導(dǎo)設(shè)二厄密算符對易關(guān)系為:是算符或普通數(shù)第44頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月最后有:對任意實數(shù)
均成立由代數(shù)二次式理論可知,該不等式成立的條件是系數(shù)必須滿足下列關(guān)系:兩個不對易算符均方偏差關(guān)系式測不準(zhǔn)關(guān)系均方偏差其中:第45頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月坐標(biāo)和動量的測不準(zhǔn)關(guān)系表明:坐標(biāo)與動量的均方偏差不能同時為零,其一越小, 另一就越大。測不準(zhǔn)關(guān)系:總之,若兩個力學(xué)量F和G不對易,則一般說來和不能同時為零,即F與G不能同時測定,或者說它們不能有共同本征態(tài),反之,若兩個厄密算符對易,則可以找出這樣的態(tài),使和,即可找到它們的共同本征態(tài)。第46頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)兩力學(xué)量同時有確定值的條件體系處于任意狀態(tài)
(x)時,力學(xué)量F一般沒有確定值。如果力學(xué)量F有確定值,
(x)必為F的本征態(tài),即如果有另一個力學(xué)量G在
態(tài)中也有確定值,則
必也是G的一個本征態(tài),即結(jié)論:當(dāng)在
態(tài)中測量力學(xué)量F和G時,如果同時具有確定值,那么
必是二力學(xué)量共同本征函數(shù)。第47頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月思考題:
1、若兩個厄米算符對易,是否在所有態(tài)下它們都同時具有確定值?2、若兩個厄米算符不對易,是否一定都沒有共同本征態(tài)?3、若兩個厄米算符有共同本征態(tài),是否它們就彼此對易?
第48頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月
兩算符對易的物理含義所以?是特定函數(shù),非任意函數(shù)也!例如:
=0的態(tài),Y
m=Y00
LxLz
同時有確定值。 但是,如果兩個力學(xué)量的共同本征函數(shù)不止一個,而是一組且構(gòu)成完備系,此時二力學(xué)量算符必可對易??疾烨懊娑剑旱?9頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月定理:若兩個力學(xué)量算符有一組共同完備 的本征函數(shù)系,則二算符對易。證:由于
n
組成完備系,所以任意態(tài)函數(shù)
(x)可以按其展開:則因為
(x)是任意函數(shù)第50頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月逆定理:如果兩個力學(xué)量算符對易,則此二算符 有組成完備系的共同的本征函數(shù)。證:考察:
n也是G的本征函數(shù),同理F的所有本征函數(shù)
n
(n=1,2,…)也都是G的本征函數(shù),因此二算符具有共同完備的本征函數(shù)系.僅考慮非簡并情況即:與
n
只差一常數(shù)Gn第51頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月定理:一組力學(xué)量算符具有共同完備本征函數(shù)系的充要條件是這組算符兩兩對易。例1:例2:第52頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3.2的共同本征態(tài),球諧函數(shù)由于角動量的三個分量不對易,一般無共同本征態(tài),但由于
因此可以找出與任何一個分量的共同本征態(tài).采用球坐標(biāo):第53頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月由于的本征函數(shù)可以同時也取為的本征態(tài)此時的本征函數(shù)已分離變量,即令帶入本征方程是的本征值,無量綱,待定第54頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月令,則連帶Legendre方程其解:當(dāng)有一個多項式解本征方程:利用正交歸一性公式,可以定義一個歸一化的θ部分的波函數(shù)(實):第55頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月這樣,的正交歸一的共同本征函數(shù)表示為:稱為球諧函數(shù),它們滿足:對應(yīng)一個
值,m取值為0,±1,±2,±3,...,±
共(2
+1)個值。因此當(dāng)
確定后,尚有(2
+1)個磁量子狀態(tài)不確定。 換言之,對應(yīng)一個
值有(2
+1)個量子狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為簡并,
的簡并度是(2
+1)度。由于量子數(shù)
表征了角動量的大小,所以稱為角量子數(shù);m稱為磁量子數(shù)。的本征值為:的本征值為:第56頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月由角動量對易關(guān)系:代入平均值公式:同理:證明在LZ本征態(tài)Ylm下,<Lx>=<Ly>=0例題10第57頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月利用測不準(zhǔn)關(guān)系證明,在Lz本征態(tài)Ylm下, 〈Lx〉=〈Ly〉=0證:由于在Lz本征態(tài)Ylm中,測量力學(xué)量Lz
有確定值,所以Lz均方偏差必為零,即則測不準(zhǔn)關(guān)系:平均值的平方為非負(fù)數(shù)欲保證不等式成立,必有:同理:例題11第58頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月3.3.3力學(xué)量完全集合(1)定義:為完全確定狀態(tài)所需要的一組兩兩對易的力學(xué)量算符的最小(數(shù)目)集合稱為對易力學(xué)量完全集(CSCO)定義:設(shè)有一組彼此對易而又相互獨立的力學(xué)量算符?(?1,?2,...),如果它們的共同的本征函數(shù)是非簡并的,它們的共同本征函數(shù)記為
k,k是一組量子數(shù)的籠統(tǒng)記號。設(shè)給定k之后即給定這組本征值就能夠確定體系的一個可能狀態(tài),則稱這組力學(xué)量(?1,?2,...)構(gòu)成體系的對易力學(xué)量完全集。第59頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例1:三維空間中自由粒子,完全確定其狀態(tài)需要三個兩兩對易的力學(xué)量:例2:氫原子,完全確定其狀態(tài)也需要三個兩兩對易的力學(xué)量:例3:一維諧振子,只需要一個力學(xué)量就可完全確定其狀態(tài):(2)力學(xué)量完全集中力學(xué)量的數(shù)目一般與體系自由度數(shù)相同。(3)由力學(xué)量完全集所確定的本征函數(shù)系,構(gòu)成該體系態(tài)空間的 一組完備的本征函數(shù),即體系的任何狀態(tài)均可用它展開。第60頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月小結(jié):兩個力學(xué)量同時有確定值的條件體系恰好處在其共同本征態(tài)上。例:動量算符:兩兩對易,共同完備本征函數(shù)系:本征態(tài)下有確定值:第61頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月體系的任何態(tài)總可以用包含?在內(nèi)的一組力學(xué)量完全集的共同本征態(tài)來展開。
第62頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月已知空間轉(zhuǎn)子處于如下狀態(tài)試問:(1)Ψ是否是L2
的本征態(tài)? (2)Ψ是否是Lz
的本征態(tài)? (3)求L2的平均值; (4)在Ψ
態(tài)中分別測量L2
和Lz
時得到的可能值及 其相應(yīng)的幾率。解:
Ψ
沒有確定的
L2
的本征值,故
Ψ
不是
L2
的本征態(tài)。例題11第63頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月Ψ是Lz
的本征態(tài),本征值為
。(3)求L2的平均值方法I驗證歸一化:第64頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月歸一化波函數(shù)方法II(4)第65頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題12第66頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第67頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第68頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第69頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題13第70頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題14第71頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月例題15第72頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月第73頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)第74頁,課件共81頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)線性算符?(c1ψ1+c2ψ
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