第五章 定态微扰
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第五章 微扰理论第一部分:基本概念与基本思想题目1. 定态微扰理论主要研究什么样的物理体系?2. 00//ˆˆˆˆˆ 在微扰理论中,中的和各应满足什么条件?HH H H H =+ 3. 讨论无简并微扰理论的适用条件,说明其表达式的物理意义。
4. 何为吸收和发射? 说明自发发射和受激发射? 为什么量子力学无法解释自发发射?5. 讨论原子中的电子与光的相互作用时,为什么忽略电子和磁场间的相互作用?6. 与定态微扰理论相比,含时微扰理论所要解决的问题有何不同?7. 何为Stark 效应?8. 试述变分法的基本思想及其所解决的问题?9. 中心力场中电子跃迁选择定则是什么?第二部分: 基本技能训练题1. 设氢原子中价电子所受有效作用势为2222020() 014s s s e e a e U r e r r λλπε=--=<≤其中 试用微扰理论求基态能量(准确到一级).2. 00102030000123100()()**()()()()()ˆ, : H , ||||,设在表象中的矩阵表示为其中和试用微扰理论求能量本征方程的本征值准确到二级。
H HE a E b a b E E E E a b E ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦<<<<3. 转动惯量为I 电偶极矩为D 的空间转子处于均匀电场ε中,若电场很小,用微扰法计算转子基态能量的二级修正。
4. 设体系未受微扰时只有二个能级E 10及E 20, 现在受到微扰H /作用,微扰矩阵元为12211122////, ; a,b ,H H a H H b ====都是实数用微扰公式计算能量到二级修正.5. 基态氢原子处于平行电场中,若电场是均匀的且随时间按指数下降,即0t -0 t 0e t 0 ( 0 )τεετ<⎧⎪=⎨⎪≥>⎩当当的参数求经过长时间后氢原子处于2p 态的几率。
6. 粒子处于宽为a 的一维无限深势阱中,若微扰为/a 0x 2()a x a 2b H x b ⎧-≤≤⎪⎪=⎨⎪<≤⎪⎩求粒子能量的一级修正。
第五章 微扰理论本章介绍:在量子力学中,由于体系的哈密顿算符往往比较复杂,薛定谔方程能严格求解的情况不多(一维谐振子,氢原子)。
因此,引入各种近似方法就显得非常重要,常用的近似方法有微扰论,变分法,WKB (半经典近似),Hatree-Fock 自恰场近似等。
本章将介绍微扰论和变分法。
本章将先讨论定态微扰论和变分法,然后再讨论含时微扰以及光的发射和吸收等问题。
§5.1 非简并定态微扰论 §5.2 简并定态微扰论§5.3 氢原子的一级Stark 效应§5.4 变分法§5.5 氦原子基态§5.6 含时微扰§5.7 跃迁几率和黄金费米规则§5.8 光的发射与吸收§5.9 选择定则附录: 氦原子基态计算过程非简并定态微扰论本节将讨论体系受到外界与时间无关的微小扰动时,它的能量和波函数所发生的变化。
假设体系的哈密顿量不显含时间,能量的本征方程ˆH E ψψ= 满足下列条件: ˆH 可分解为 0ˆH 和 ˆH '两部分,而且 0ˆH 远大于ˆH'。
00ˆˆˆˆˆ H H H H H ''=+ 0ˆH 的本征值和本征函数已经求出,即 0ˆH 的本征方程(0)(0)(00ˆn n n H E ψψ=中,能级(0)n E 和波函数(0)n ψ都是已知的。
微扰论的任务就是从0ˆH 的本征值和本征函数出发,近似求出经过微扰ˆH ' 后,ˆH 的本征值和本征函数。
3. 0ˆH 的能级无简并。
严格来说,是要求通过微扰论来计算它的修正的那个能级无简并的。
例如我们要通过微扰计算ˆH '对 0ˆH 的第n 个能级(0)n E 的修正,就要求(0)n E 无简并,它相应的波函数只有(0)n ψ一个。
其他能级既可以是简并的,也可以是无简并的。
4. 0H 的能级组成分离谱。
严格说来,是要求通过微扰来计算它的修正的那个能级(0)n E 处于分离谱内,(0)n ψ是束缚态。
定态微扰在实际问题中,薛定谔方程大多数是不能够精确求解的,因此要借助一些技巧来近似求解,如果我们能够把哈密顿量分解成两部分H? H?o H,并且H?o能够精确求解,且知其能量本征态方程为H o Ej EjEj,能量本征态并不简并,也就是说,不同的本征态对应着不同的能量,没有两个不同的能量本征态对应着相同的能量值,我们可以把H?'看作是对H?o能量本征值和本征态的一种微扰。
设H? E) E n E),E)是H?能量本征态,而E.为相应的本征值。
由于有H?0|EJ E n|Ej,因此H?o的所有的本征态{EJ}构成一组正交完备的基,体系的任何量子态均可以用这一组基来展开。
) n E n), n (.En )。
n由H? E) E n E”),H ?『可知(E n H?o) E n)旳E")(1)F面介绍微扰的思想,我们将的能量本征态E)和能量本征值En进行逐级展开设En)巳)1 |2(2)其中E n;,1,2;,…分别为零级,1级、2级,…E n E n a1 a2・・・・(3)其中E n.a i.a2,...,分别为零级,1级、2级,…将(2) (3)式分别代入(1)式得到(E n H?0 a i a2 ....)(E n) |1)2 ...)H?'(EJ 1 |2)...)(4)并令(4)式的同级相等,注意E n ?是零级,H?'是一级。
规则是两项相乘等于其级相加,例如(E n H?o) En;』E n.分别为零级和1级,而(E n H o) 14 1分别为1级和2级。
于是有方程两边零级相等为:(E n Ro) Enl 0(5)方程两边1级相等为:(E n R o)|1)ajE n) H?' E n)(6)方程两边2级相等为(E n H?o)|2)a1 1)a2 巴)H?'|1)(7)由零级得到本征方程H?o Ej匕匕)用:;En左乘方程(6)两边得到(匕|侃H?o) 1(E g|E n)(巳|『|巳)这是能量的一级修正值,所以E'在一级修正下为用《E m (m n)左乘方程(6)两边得到求和符号中’的撇是表示不含m n。
量子力学第五章微扰理论微扰理论在量子力学中,由于体系的哈密顿算符往往比较复杂,薛定谔方程能够严格求解的情况寥寥可数。
因此,引入各种近似方法以求解薛定谔方程的问题就显得十分重要。
常用的近似方法有微扰论、变分法等。
不同的近似方法有不同的适用范围。
在本章中将讨论分立谱的微扰理论、变分法。
由于体系的哈密顿算符既可以显含时间,又可以不显含时间,因此,近似方法也可以分为适用于定态的和适用于非定态的两类。
本章将先讨论定态的微扰理论、变分法,然后再讨论含时间的微扰理论以及光的发射和吸收等问题。
§5. 1 非简并定态微扰理论近似方法的精神是从已知的简单问题的准确解出发,近似地求较复杂一些的问题的解。
当然,我们还希望了解这些求解方法的近似程度,估算出近似解和准确解之间的最大偏离。
本节将讨论体系在受到外界与时间无关的微小扰动时,它的能级和波函数所发生的变化。
假定体系的哈密顿量H不显含t,能量的本征方程:Hψ=Eψ (5.1.1)满足下述条件:(1) H可分解为H(0)和H'两部分,而且H'远小于H(0)H=H(0) + H' (5.1.2) H'H(0) (5.1.3)(5.1.3)式表示,H与H(0)的差别很小,H'可视为加于H(0)上的微扰。
(5.1.3)式的严格意义将在后面再详细说明。
由于H 不显含t,因此,无论H(0)或是H'均不显含t。
(2) H(0) 的本征值和本征函数已经求出,即H(0)的本征方程(0)(0)(0)H(0)ψn=Enψn (5.1.4)中,能级En及波函数ψn都是已知的。
微扰论的任务就是从H(0)的本征值和本征函数出发,近似求出经过微扰后,H的本征值和本征函数。
(3) H(0)的能级无简并。
严格说来,是要求通过微扰论来计算它的修正的那个能级无简并,例如,要通过微扰论计算H'对H(0)的第n个能级En的修正,就要求En不简并,它相应的波函数(0)ψn只有一个。