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エネルギー演算子

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エネルギー演算子(エネルギーえんざんし、英: energy operator)とは、量子力学において、系の波動関数に作用することでエネルギーを定義する演算子(作用素)である。

エネルギー演算子は次のように与えられる[1]:

これは波動関数(系の異なる配位空間に対する確率振幅)

に作用する。

応用

エネルギー演算子は系の全エネルギーに対応している。シュレーディンガー方程式は量子系のゆっくり変化する(非相対論的な)波動関数の空間・時間依存性を記述する。結合系に対するこの方程式の解は離散的(エネルギー準位で各々特徴づけられる、許容状態の集合)であり、このことが量子という概念をもたらす。

シュレーディンガー方程式

粒子のエネルギー保存に関する古典的な方程式を用いる:

ここで E は粒子の全エネルギー、H はハミルトニアン、T は運動エネルギー、V はポテンシャルエネルギーである。エネルギー演算子とハミルトニアン演算子に置換し、

波動関数を掛けることで、シュレーディンガー方程式を得る:

これは次のように書き直せる:

ここで i は虚数単位、ħ は換算プランク定数、ˆH はハミルトニアン演算子である。

クライン-ゴルドン方程式

相対論的な質量とエネルギーの関係式(英語版)を考える:

ここで E は全エネルギー、p は粒子の全3次元運動量、m は不変質量、c は光速度である。この式から、シュレーディンガー方程式の場合と同様にして、クライン-ゴルドン方程式を得ることができる:

ここで ˆp は運動量演算子である。これは次のように書き直せる:

更に、ダランベルシアン □ を用いると次のように書きなおせる。

導出

脚注

関連項目

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