19043

Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай невырожденного спектра

Лекция

Физика

Лекция 25 Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай невырожденного спектра Точное решение стационарного уравнения Шредингера как правило представляет собой существенную математическую проблему и возможно только для простейших кв...

Русский

2013-07-11

279 KB

34 чел.

Лекция 25

Теория стационарных возмущений для состояний дискретного спектра. Случай невырожденного спектра

Точное решение стационарного уравнения Шредингера, как правило, представляет собой существенную математическую проблему и возможно только для простейших квантовых систем. Поэтому при решении уравнения Шредингера приходится прибегать к приближенным методам. Одним из таких методов является теория возмущений. Основная идея этого метода заключается в том, что часто в условиях задачи фигурируют величины разного порядка – среди них могут оказаться малые величины, после пренебрежения которыми задача упрощается настолько, что становится возможным ее точное решение. В таком случае первый шаг в решении задачи состоит в точном решении упрощенной задачи, второй – в приближенном вычислении поправок, обусловленных малыми членами, отброшенными в упрощенной задаче. Метод нахождения этих поправок и называется теорией возмущений.

Итак, пусть оператор Гамильтона некоторой квантовой системы является стационарным (не зависит от времени) и имеет вид  где  - малая величина, которую в дальнейшем мы будем называть возмущением. Пусть далее, все, что связано с невозмущенным гамильтонианом, нам известно

  (1)

Спектр собственных значений и собственных функций гамильтониана  может быть как дискретным, так и непрерывным.

Рассмотрим теперь уравнение Шредингера для возмущенного гамильтониана квантовой системы

  (2)

Любое собственное состояние гамильтониана  можно разложить по собственным функциям  

  (3)

где - некоторые коэффициенты. Подставим это выражение в уравнение Шредингера (2). В результате получим:

  (4)

Теперь умножаем (4) на функцию  и интегрируем по всем переменным, от которых зависят собственные функции (При этом мы воспользовались ортнормированностью собственных функций невозмущенного гамильтониана

)

В результате этих преобразований возмущенное уравнение Шредингера (4) принимает следующий вид:

  (5)

В правой части получили матричный элемент от оператора возмущения с собственными функциями невозмущенного гамильтониана:

  (6)

Считаем, что все, что связано с , мало. По малым матричным элементам будем делать разложение, которое, фактически, представляет собой ряды Тейлора для функций малого параметра  и :

  (7)

В нулевом приближении () формулы (7) должны привести к решениям невозмущенного уравнения  и . Поэтому в нулевом порядке по возмущению коэффициенты разложения таковы

  (8)

Будем искать поправку к энергии и волновым функциям, относящимся к невырожденной части спектра. В первом порядке по малому возмущению имеем.

Для :

  (9)

Из формулы (9) заключаем, что поправка первого порядка к энергии  уровня равна среднему значению возмущения в состоянии .

Для :

  (10)

Знаменатель здесь не равен нулю, поскольку по условию уровни энергии невозмущенной системы являются невырожденными. Положим .

  (11)

Эта функция должна быть нормирована, так как нормированы невозмущенные волновые функции. Легко проверить, что функция (11) нормирована не точно, а только с точностью до членов первого порядка. Отличие условия нормировки от единицы, как это следует из (11) составляет

 

т.е. величину второго порядка по возмущению. А поскольку функции (11) находились в первом порядке по возмущению, то дополнительно «поднормировать» эти функции нельзя (это было бы превышением точности). Такая ситуация неудивительна, поскольку собственные функции находились приближенно.

Условие применимости полученных формул - малость вычисленных по теории возмущений поправок по сравнению с основными слагаемыми. Как следует из формулы (11), поправка мала, если

  (12)

Рассмотрим поправку второго порядка к энергиям уровней. Для  имеем из формулы (5) для поправки к энергии:

  (13)

Отсюда находим поправку второго порядка к энергии уровней

  (14)

Из-за эрмитовости оператора  формулу (14) для поправки второго порядка к энергии можно переписать в более компактном виде:

  (15)

Обратим внимание на то, что суммирования в (11), (15) проводятся по всем собственным состояниям оператора  за исключением того состояния, к которому ищутся поправки. Поэтому нигде в этих формулах знаменатели не обращаются в нуль. Если же спектр собственных значений невозмущенного гамильтониана  является вырожденным, то условие применимости теории возмущений (12) нарушается для любого, сколь угодно малого возмущения, и полученными формулами пользоваться нельзя. В этом случае следует использовать несколько другой вариант теории возмущений, который принято называть теорией возмущений при наличии вырождения и который будет рассмотрен в следующих лекциях.

Формулы теории возмущений для поправок к энергиям и волновым функциям стационарных состояний можно обобщить и на случай наличия у невозмущенного оператора Гамильтона  непрерывного спектра собственных значений (при этом речь по-прежнему идет о поправках к энергиям состояний дискретного спектра – в случае непрерывного спектра любая энергия – собственное значение). В этом случае в правые части (11), (15) должен быть добавлен интеграл по состояниям непрерывного спектра. Можно также получить формулы и для поправок теории возмущений к энергиям и волновым функциям стационарных состояний более высокого порядка. Нам эти формулы далее не понадобятся.

Обратим внимание на еще одно важное обстоятельства, которое часто используется в тех или иных рассуждениях. Поскольку в числителе каждого слагаемого формулы (15) – неотрицательная величина, и энергия основного состояния невозмущенного гамильтониана меньше энергии любого другого , то поправка второго порядка к энергии основного состояния всегда отрицательна. Поэтому, если поправка первого порядка к энергии основного состояния равна нулю, то энергия основного состояния понижается, независимо от того, какое на систему действует возмущение.

Формулы (9), (11), (15) позволяют находить поправки первого и второго порядка к энергии невозмущенного собственного состояния и поправку первого порядка к собственной функции. Для того, чтобы эти соотношения были справедливы, поправки должны быть малы. Условием применимости теории возмущений является неравенство (12), которое накладывает ограничение на величину возмущения. Из неравенства (12) следует, что соотношения теории возмущений (9), (11), (12) неприменимы в том случае, когда то собственное состояние невозмущенного гамильтониана, к которому ищутся поправки, является вырожденным, то есть когда существует собственное состояние  гамильтониана , отличное от , но отвечающее тому же собственному значению , что и состояние . Поэтому соотношения (9), (11), (15) принято называть теорией возмущений без вырождения.

В следующей лекции мы рассмотрим примеры применения теории возмущений к вычислению энергий и волновых функций стационарных состояний ряда задач.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41505. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ТРАНЗИТНЫХ ВАГОНОВ С ПЕРЕРАБОТКОЙ. РАБОТА ПАРКА ПРИЁМА 206.5 KB
  Телетайпы устанавливаются в ИЦ станции расположенным обычно рядом с СТЦ. Таким образом до прибытия поезда СТЦ получает точную информацию о составе поезда в виде ТГНЛ в которой в порядке размещения в составе содержатся основные сведения о вагонах: его номер вес груза и наименование станция назначения получатель особые отметки. Оператор СТЦ различает полученную телеграмму натурку в соответствии с планом формирования поездов данной станции. Станция обычно получает 3 экземпляра натурки после разметки один экземпляр передается сначала...
41506. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ ПАРКОВ ОТПРАВЛЕНИЯ 144.5 KB
  На сортировочной станции А производится смена поездных локомотивов у всех поездов как транзитных так и прибывших в расформирование. На сортировочной станции Б четные и нечетные поезда отправляются с локомотивами депо 1; у транзитных поездов смена локомотивов не производится только смена бригад. Могут быть любые другие сочетания участков обращения локомотивов с участками работы локомотивных бригад. В зависимости от схемы обслуживания поездов поездными локомотивами и локомотивными бригадами на сортировочных станциях с локомотивами могут...
41507. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ СОРТИРОВОЧНЫХ ПАРКОВ. ПРОЦЕСС НАКОПЛЕНИЯ ВАГОНОВ В СОРТИРОВОЧНОМ ПАРКЕ 109 KB
  Процесс накопления вагонов отдельного назначения его показатели. Процесс накопления вагонов отдельного назначения его показатели. График накопления вагонов отдельного назначения.
41508. Технология работы станции с местными вагонами 120 KB
  Планирование и организация подачи и уборки вагонов на грузовой пункт. По характеру грузовых операций различают 4 вида местных вагонов: прибывшие в груженом состоянии под выгрузку; прибывшие в порожнем состоянии под погрузку; прибывшие гружеными выгруженными загруженные вновь со сдвоенными операциями; сборные вагоны и вагоны с контейнерами проходящие грузосортировку. С ними выполняются те же операции что и с транзитными вагонами с переработкой но кроме того с местными вагонами производятся: подача к грузовым пунктам...
41509. График движения поездов 174.5 KB
  Он представляет собой графическое изображение следования поездов на масштабной сетке на которой движение поездов изображаются прямыми наклонными линиями линиями хода поездов. Графики движения поездов различают: в зависимости от соотношения скоростей движения разных поездов по одному и тому же перегону параллельные и непараллельные. В параллельных графиках поезда имеют одинаковую скорость и линии их хода на данном перегоне параллельны а в непараллельных графиках линии хода поездов с разными скоростями; по числу...
41510. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ВАГОНОВ 33 KB
  При уходе подвижного состава на перегон ДСП обязан используя все имеющиеся в его распоряжении средства сообщить об этом машинистам поездов находящимся на перегоне ДПИ дежурным путевых постов соседней станции переездов и другим работникам чтобы задержать встречные поезда и принять меры к остановке ушедших вагонов. При закреплении составов поездов: на главные и к о путях руководство и контроль за закреплением осуществляет ДСП в отдельных маневровых районах ДСЦ; ДСП может разрешить отцепку локомотива только после убеждения в...
41511. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ СТАНЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ 49.5 KB
  Назначение и размещение СТЦ и ИЦ. Операции выполняемые в СТЦ и ИЦ. Оборудование СТЦ. Назначение и размещение СТЦ и ИЦ.
41512. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 100 KB
  Качественные показатели использования вагонов и локомотивов. Подача вагонов по стыковым пунктам дорог где n число стыковых пунктов; . число вагонов переданных за сутки в сумме чётного и нечётного направлений. По каждому стыковому пункту выделяют общий приём Uпр состоящий из суммы приёма гружённых и порожних а также общую сдачу складывающуюся из сдачи гружёных и порожних вагонов .
41513. Психологія особистості керівника 311 KB
  Феномен керівника в історії розвитку суспільства Мотиваційна сфера особистості керівника Труднощі вимоги та обмеження у роботі керівників Якості і риси керівника Проблема статі в управлінні Ортобіоз особистості керівника Регресивний розвиток керівника та управлінська деформація 1.Феномен керівника в історії розвитку суспільства Давні історичні політичні та соціальні вчення Єгипту Китаю Греції Риму та інших країн відображали не лише основні риси ранніх типів суспільства а й певні характерологічні особливості правителів...