19044

Теория стационарных возмущений в случае невырожденного спектра: примеры

Лекция

Физика

Лекция 26 Теория стационарных возмущений в случае невырожденного спектра: примеры Рассмотрим несколько примеров. Пусть на одномерный гармонический осциллятор наложено возмущение . Найдем поправки первого и второго порядка к энергетическим уровням осциллятора. ...

Русский

2013-07-11

309 KB

25 чел.

Лекция 26

Теория стационарных возмущений в случае невырожденного спектра: примеры

Рассмотрим несколько примеров.

Пусть на одномерный гармонический осциллятор наложено возмущение . Найдем поправки первого и второго порядка к энергетическим уровням осциллятора.

Согласно формулам теории возмущений поправка первого порядка к уровням энергии квантовой системы определяется диагональным матричным элементом оператора возмущения с невозмущенными собственными функциями

   (1)

где  - собственные функции гамильтониана невозмущенного осциллятора. Очевидно, диагональные матричные элементы оператора координаты с волновыми функциями невозмущенного осциллятора (1) равны нулю для любого . Это связано с тем, что все волновые функции стационарных состояний осциллятора обладают определенной четностью, поэтому  - функция четная,  - функция нечетная, поэтому подынтегральная функция в (1) является нечетной, и интеграл равен нулю

      (2)

Поправки второго порядка определяются соотношением (15) из предыдущей лекции. Поскольку матричные элементы оператора координаты  не равны нулю только для следующих значений индексов -  (эти матричные элементы были вычислены на одной из предыдущих лекций), в сумме (15) представлены только два слагаемых, и поэтому эта сумма легко вычисляется. Имеем

    (3)

Учитывая, что  и используя вычисленные ранее матричные элементы оператора координаты с невозмущенными осцилляторными функциями

      (4)

найдем

    (5)

Поэтому в первых двух порядках теории возмущений уровни энергии возмущенного осциллятора имеют вид

    (6)

С другой стороны, уровни энергии частицы в потенциале  можно найти точно, дополняя потенциал до полного квадрата и сводя таким образом эту задачу к сдвинутому осциллятору. Ответ будет в точности совпадать с (6). Этот результат неслучаен. Действительно, ряд теории возмущений представляет собой разложение точных уровней энергии в степенной ряд по степеням малого возмущения (в данном случае по степеням малого параметра ). Поскольку точные собственные энергии частицы в потенциале  определяются квадратичной функцией , то первые два порядка теории возмущений должны дать точный результат. Кроме того, из этого рассуждения следует, что все поправки более высокого порядка по  строго равны нулю, и, следовательно, теория возмущений справедлива для любых значений .

Найдем теперь по теории возмущений волновую функцию основного состояния возмущенного осциллятора в первом порядке теории возмущений. Используем формулу первого порядка теории возмущений для волновой функции (11) из предыдущей лекции. Поскольку матричные элементы оператора координаты с осцилляторными функциями отличны от нуля только в том случае, когда индексы отличаются на единицу, в сумме (11) для поправки к основному состоянию представлено одно слагаемое (если бы мы искали поправку к волновой функции любого другого состояния в формуле (11) было бы представлено только два слагаемых). Используя (4), получим

 (7)

где   и  - волновые функции основного и первого возбужденного стационарных состояний невозмущенного гамильтониана.

С помощью формулы (7) легко найти вероятности различных значений четности и среднюю четность основного состояния возмущенного осциллятора. Действительно, согласно постулатам квантовой механики вероятности различных значений четности определяются квадратами коэффициентов разложения волновой функции по собственным функциям оператора четности. Поскольку функция  является четной, а функция  - нечетной, то выражение (7) является разложением волновой функции основного состояния возмущенного осциллятора по функциям с определенной четностью. Отсюда находим вероятности различных значений четности для возмущенного осциллятора в основном состоянии

     (8)

Как следует из (8), сумма вероятностей различных значений четности не равна единице (отметим, что в первом порядке по параметру  условие нормировки вероятностей различных значений четности выполнено: , ). Этот «парадокс» связан с приближенной нормировкой волновых функций, вычисленных в первом порядке теории возмущений. Учет поправки второго порядка теории возмущений для волновых функций стационарных состояний приведет к тому, что коэффициент перед функцией  будет отличаться от единицы на величину второго порядка по возмущению: . Возведение этого коэффициента в квадрат даст слагаемое, пропорциональное  (а также слагаемое ), и в результате условие нормировки для вероятностей различных значений четности будет выполнено во втором порядке по возмущению.

В заключение рассмотрения этой задачи отметим, что формулу (7) можно получить и по другому: во-первых, с помощью выделения полного квадрата задача сводится к сдвинутому осциллятору. Поэтому точная волновая функция возмущенного основного состояния совпадает с волновой функцией невозмущенного осциллятора, но «привязанной» не к началу координат, а к сдвинутому положению равновесия. Первые два члена разложения этой функции в ряд Тейлора по величине сдвига и дадут функцию (7). Предлагаем проверить это всем слушателям самостоятельно.

Рассмотрим еще один пример вычисления волновой функции в рамках теории возмущений.

Пусть на атом водорода наложено малое возмущение . В рамках первого порядка теории возмущений для волновой функции найти, какие значения может принимать момент импульса электрона и его проекция на ось  в основном состоянии.

Волновая функция основного состояния электрона в невозмущенном атоме водорода имеет вид:

 (9)

где  - боровский радиус. В первом порядке теории возмущений волновая функция электрона возмущенного атома определяется соотношением (11) из предыдущей лекции, в котором сумма распространяется на все собственные состояния невозмущенного гамильтониана, кроме основного. Чтобы ответить на поставленный в задаче вопрос о значениях момента и проекции, найдем, какие сферические функции будут представлены в сумме (11) из предыдущей лекции. Это определяется матричными элементами оператора возмущения. Если для какого-то состояния  матричный элемент  равен нулю,  момент и проекция, отвечающие состоянию , не  представлены в сумме (11). Тогда согласно постулатам квантовой механики эти значения момента и проекции невозможно обнаружить при измерениях в основном состоянии возмущенного атома.

Оценим матричные элементы. Для этого представим оператор возмущения в следующем  виде

   (10)

где  - полярный и азимутальный углы сферической системы координат,  и  - сферические функции. Поскольку все собственные функции невозмущенного оператора Гамильтона (волновые функции стационарных состояний электрона в атоме водорода) можно выбрать так, чтобы они содержали определенную сферическую функцию, причем волновая функция основного состояния - сферическую функцию  (которая от углов не зависит), то матричные элементы не равны нулю только для таких состояний, которые отвечают моменту  и его проекции на ось  . Таким образом, разложение возмущенной волновой функции основного состояния по собственным функциям операторов квадрата момента и его проекции на ось  содержит только слагаемые с  (функция ),  и  (поправка). Отсюда согласно постулатам квантовой механики заключаем, что при измерении момента импульса электрона возмущенного атома могут быть получены два значения  и , а при измерении проекции момента на ось  три значения ,  и . Причем, поскольку матричные элементы и невозмущенные энергии одинаковы для состояний с  и  (так как радиальные части невозмущенных собственных функций и невозмущенные энергии от магнитного квантового числа не зависят), вероятности значений проекции  и  одинаковы.

В следующих порядках теории возмущений волновая функция основного состояния приобретает слагаемые, содержащие сферические функции, отвечающие другим значениям момента и проекции. Поэтому в возмущенном основном можно обнаружить и эти значения момента и проекции, однако вероятности этих значений будут более высокого порядка малости по возмущению.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53401. Основні команди роботи з робочою книгою та її аркушами 607.5 KB
  Актуальність теми : при роботі з великими об’ємами даних важливе значення відіграє їх наглядність та наочність. І навіть наша приймальна комісія використовує електронні таблиці для сортування абітурієнтів та створення бази даних та ведення документації по прийому технікуму.Навчальні цілі заняття : знати правила створення формул в Excel математичні функції СЧЕТЕСЛИ ЧСТРОК ЕСЛИ ІІ рівень абстракції; Оволодіти навичками заповнення електронних таблиць ручним та автоматичним типом вводу даних навчитися проводити розрахунки за...
53402. Інтелектуальне інформ –кафе 525 KB
  Мета: в ігровій формі дати можливість старшокласникам проявити свої розумові та творчі здібності; повторити й закріпити основний матеріал у нестандартній формі; розширити знання про звязки інформатики з іншими предметами; сприяти інтелектуальному та духовному розвитку особистості; розвивати стійкий інтерес до інформатики; формувати творчу особистість; формувати...
53403. Уведення та редагування тексту. Перевірка правопису 69 KB
  Мета уроку Навчальна: Вдосконалити основні знання про текстовий редактор Microsoft Word та його можливості навчити вводити та редагувати текст засобами текстового процесора створювати документи за певною структурою засвоїти правила введення тесту навчитись проводити перевірку правопису. Тип уроку Урок засвоєння нових знань формування умінь та навичок Обладнання Комп’ютери підключені до локальної мережі текстовий процесор Microsoft Word текстовий документ до уроку UROK. Повідомлення теми та плану роботи на уроці мети та завдань...
53404. Розв’язування задач з використанням циклічних операторів 69.5 KB
  Мета: створити умови для формування навичок розв’язування найпростіших задач що містять цикли використовуючи різні команди повторення; розвивати логічне мислення операторську культуру; продемонструвати виконання на комп’ютері різних циклічних програм; виховувати працьовитість інтерес до предмета. Вправа Online Вибудуємо лінію ключових слів з теми Циклічні оператори Цикл повторення параметр циклдоки циклдо циклдля змінна лічильник оператор логічний вираз умова while repet begin end pscl програма виконання. На...
53405. Оформлення тексту в HTML – документі 234 KB
  Хід уроку Перед початком уроку на учнівські комп’ютери та робоче місце вчителя має бути розміщено папки : Організаційний момент Актуалізація опорних знань Учитель пропонує учням виконати завдання “Магічний квадрат. Завдання має бути виведене на інтерактивну дошку а кожен учень повинен отримати картку з наступним текстом : Юний друже Для виконання даного завдання знайди файл що міститься за наступною адресою : C: Documents nd Settings Учень Рабочий стол HTML Урок _3 mgic. Бажаю успіху D O C T I T H B T B D L E H Y G T...
53406. Занимательная Информатика 57.5 KB
  Вопросы Мозг компьютера Процессор Устройство для запуска считывания информации с магнитных дисков Дисковод Устройство для распечатки информации на бумаге Принтер Лицо компьютера Монитор Наиболее распространенный манипулятор Мышь Устройство введения графической информации Сканер Устройство введения звуковой информации Микрофон Устройство для сохранения информации Память Устройство которое обеспечивает запись и считывание информации с магнитной ленты...
53407. Введення, редагування й форматування тексту 151.5 KB
  ОБЛАДНАННЯ: персональні комп’ютери роздатковий матеріал таблиці Клавіатура Текстовий редактор MS Word. Заповнюють опитувальний лист: Підпишіть рисунок що зображує вікно ТП MS Word. Виберіть підкресліть із запропонованого списку можливості які надає ТП MS Word: створення і редагування текстів форматування абзаців створення таблиць вставка в текст об’єктів інших програм форматування дисків форматування символів створення малюнків форматування сторінки друк документа копіювання дисків.
53408. Компьютерная среда и алгоритмы 47 KB
  Тема: Компьютерная среда и алгоритмы. Цель: закрепление и проверка знаний учащихся по теме Алгоритмы и изучение нового материала по теме Компьютерная среда Логомиры Задачи: Обучающая: усвоить понятие алгоритма компьютерная среда логомиры. Она называется Компьютерная среда и алгоритмы Напомните мне что такое алгоритм Правильно. Среда каждой программы имеет свои инструменты и допускает определённый набор действий которые можно выполнить.
53409. Настроювання параметрів сторінок. Створення колонтитулів. Робота з редактором формул 651.5 KB
  Тому важливо оформити документ так щоб він гарно виглядав не тільки на екрані але й на аркуші паперу вміти правильно задати параметри сторінки. План Розмір сторінки поля. Орієнтація сторінки. Встановлення параметрів сторінки.