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

29 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

31481. Аналіз джерел формування капіталу підприємства 108.5 KB
  Аналіз джерел формування капіталу підприємства Лекція 9 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів із значенням та методами аналізу капіталу підприємства поглибити їхні знання з питань оцінки складу і динаміки джерел формування капіталу методики оцінки стану та ефективності використання капіталу розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Значення і методи аналізу капіталу підприємства. Аналіз наявності складу і динаміки джерел формування капіталу.
31482. Аналіз грошових потоків, оцінка руху грошових коштів 164 KB
  Аналіз грошових потоків Лекція 10 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів із методами оцінки руху грошових коштів поглибити їхні знання з питань необхідності та мети використання грошових потоків на підприємстві аналізом грошових коштів у розрізі видів діяльності розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Поняття види та значення грошових потоків для підприємства. Аналіз грошових коштів від основної інвестиційної та фінансової діяльності...
31483. Аналіз грошових потоків, оцінка грошових надходжень 121.5 KB
  Аналіз грошових потоків Лекція 11 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів із балансовим методом оцінки грошових надходжень методикою аналізу грошових потоків із застосуванням системи коефіцієнтів поглибити їхні знання стосовно методів розрахунку обертання грошових потоків на підприємстві та їх ефективності розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Оцінка динаміки грошових потоків по періодах. Балансовий метод оцінки грошових надходжень.
31484. Аналіз ліквідності і платоспроможності підприємства 243.5 KB
  Аналіз ліквідності і платоспроможності підприємства Лекція 12 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів та поглибити їхні знання з питань необхідності та методики аналізу показників ліквідності і платоспроможності підприємства розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Поняття ліквідності і платоспроможності підприємства. Основні показники ліквідності підприємства – порядок їх розрахунку та методи оцінки.
31485. Аналіз фінансової стійкості підприємства 104 KB
  Аналіз фінансової стійкості підприємства Лекція 13 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів та поглибити їхні знання з питань сутності фінансової стійкості підприємства порядку оцінки та визначення основних показників і типів фінансової стійкості розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Сутність фінансової стабільності та стійкості підприємства. Дидактична мета заняття: сформувати у студентів сучасне економічне мислення щодо поняття фінансової...
31486. Аналіз кредитоспроможності підприємства 153 KB
  Аналіз кредитоспроможності підприємства Лекція 14 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів із класифікаційними моделями аналізу кредитоспроможності методикою оцінки кредитоспроможності позичальниківюридичних осіб згідно з методикою НБУ та методикою комплексного аналізу кредитоспроможності поглибити їхні знання щодо сутності кредитоспроможності підприємства розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. ПЛАН Сутність кредитоспроможності підприємства....
31487. Аналіз ділової активності підприємства 46.26 KB
  Аналіз ділової активності підприємства Лекція 15 2 год. Мета заняття: ознайомити студентів і поглибити їхні знання з питань основних напрямів оцінки ділової активності підприємства аналізу і порядку розрахунку показників ділової активності розвивати логічне мислення студентів привчати творчо оперувати набутими знаннями виховувати інтерес до обраної професії. Основні напрямки оцінки ділової активності підприємства. Показники що характеризують ділову активність підприємства – порядок їх розрахунку та методи оцінки.
31488. Комплексне оцінювання фінансового стану підприємства 93.99 KB
  Комплексне оцінювання фінансового стану підприємства Лекція 19 2 год. Студент повинен знати виховна мета: теоретичний матеріал досліджуваної теми методи створення рейтингу кластерного аналізу матричного аналізу та методи бальних оцінок методи порівняльної рейтингової оцінки метод рейтингового фінансового аналізу інтегральна рейтингова оцінка підприємства а також методи узагальнення результатів фінансового аналізу діяльності підприємства повинен навчитись практично застосовувати здобуті знання у подальшій практичній діяльності....
31489. Аналіз прибутковості та рентабельності підприємства 66.56 KB
  Аналіз прибутковості та рентабельності підприємства Лекція 16 2 год Актуальність теми: прибуток є головною метою та мотивом підприємницької діяльності матеріальним джерелом економічного та соціального розвитку інвестиційної та інноваційної діяльності. Дана тема дає можливість отримати уявлення про те які показники використовуються у процесі аналізу та оцінки прибутковості та рентабельності підприємства також осмислене вивчення даної теми дасть можливість оволодіти методикою розрахунку показників рентабельності та прибутковості та...