19050

Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр

Лекция

Физика

Лекция 32 Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр Рассмотрим теперь случай возмущений зависящих от времени периодически. Пусть на частицу находящуюся в стационарном состоянии с энергией действует

Русский

2013-07-11

1.21 MB

38 чел.

Лекция 32

Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр

Рассмотрим теперь случай возмущений, зависящих от времени периодически. Пусть на частицу, находящуюся в стационарном состоянии с энергией , действует малое периодическое возмущение

      (1)

где  - частота возмущения, причем возмущение действует в течение длительного времени , так что  (в противном случае бессмысленно говорить о периодичности возмущения, даже если оно описывается формулой (1). Докажем, что в первом порядке теории возмущений переходы с заметной вероятностью происходят только в такие состояния , энергия которых отличаются от энергии начального состояния на величину : .

Исходим из формулы теории нестационарных возмущений

   (2)

где  - матричный элемент оператора . Интеграл по времени вычисляется элементарно:

   (3)

Рассмотрим зависимость вероятности перехода (2), (3) от частоты возмущения  для больших значений времени действия возмущения . Как будет показано ниже, первое слагаемое в формуле (3) как функция частоты возмущения имеет узкий максимум при частоте , второе - при частоте . Или, другими словами, под действием периодического возмущения с частотой  в квантовой системе происходят переходы только в состояния  с энергией . Поэтому при анализе зависимости вероятности (2), (3) от частоты возмущения  достаточно рассмотреть только значения  и и ограничится в первом случае только первым слагаемым формулы (3), во втором - вторым. Отметим, что так как , первый случай отвечает переходам  в состояния  с энергией , большей энергии , второй – с меньшей. Итак, при  из (2), (3) имеем

 (4)

Рассмотрим зависимость вероятности перехода  (4) от частоты возмущения при больших значениях . Если , то  в (4) можно разложить в ряд и

     (5)

Если же , то  в (5) может для разных  принимать все значения от нуля до единицы и, следовательно,

   (6)

Таким образом, если частота возмущения  лежит в узком интервале частот  вблизи частоты, равной , то вероятность перехода , существенно превосходит вероятность этого перехода, происходящего под действием возмущения с частотой, вне этого интервала (причем этот интервал тем уже, чем больше время действия возмущения). Другими словами, при фиксированной частоте возмущения  квантовая система с подавляющей вероятностью совершает переходы только в такие состояния , энергии которых определяется соотношением , где  - энергия начального состояния. Аналогичное рассмотрение второго слагаемого в (3) приводит к возможности перехода в состояния  с энергиями . Переходы в состояния с другими энергиями под действием периодических возмущений маловероятны. При этом, если выполняются строгие равенства , вероятность перехода  при достаточно больших  может стать большой, и для ее вычисления теория возмущений может оказаться неприменимой.

В этом случае используют другое приближение, которое называют резонансным. Основная идея его заключается в том, что если частота возмущения близка к частоте перехода между двумя состояниями, то с подавляющей вероятностью переходы будут происходить только в одно состояние, а всеми остальными слагаемыми в разложении волновой функции системы по волновым функциям стационарных состояний можно пренебречь.

Итак, пусть

 

и  близко к  ( - частота перехода между двумя состояниями  и  в системе); пусть (для определенности) - чуть больше:

 

Величину  называют «отстройкой».

Если нет резонанса, используем теорию возмущений. Для состояний  и  справедливо стационарное уравнение Шредингера:

  (7)

(мы выбрали начало отсчета энергий посередине между энергиями состояний  и ). Будем искать решения уравнения

  (8)

в виде

 

(в этом и состоит резонансное приближение). Подставляя это выражение в уравнение (8) и оставляя только главные члены (зависимость которых от времени определяется малой частотой ), получим

 

 (9)

Делаем подстановку , получаем

 (10)

Исключаем из этих уравнений , получим:

  (11)

В качестве линейно независимых решений этих уравнений выбираем

 

 (12)

где  постоянные, и введены обозначения

 (13)

Таким образом, под влиянием возмущения функции  и  переходят в функции  с коэффициентами (12), (13). Из этих формул следует, что если в начальный момент система находилась в состоянии , то коэффициент при  в последующем равен

    (14)

Из формулы (14) следует, что система периодически (с периодом ) переходит из одного состояния в другое и обратно. Частота  называется частотой Раби.

Рассмотрим теперь переходы под действием периодического возмущения из стационарных состояний дискретного в состояния непрерывного спектра (например, ионизация атома, когда электрон из связанного состояния переходит в непрерывный спектр). Возмущение запишем как (здесь явно учтена эрмитовость возмущения)

  (15)

Так как спектр непрерывен, то всегда найдется энергия, в точности удовлетворяющая условию

  (16)

и, следовательно, переход всегда будет. В выражении для  оставляем только:

  (17)

Вероятность перехода за время  равна:

  (18)

Вводим . Тогда:

  (19)

Мы интересуемся вероятностью ионизации за время, много большее периода собственных колебаний системы. Рассмотрим . 

  (20)

Поэтому

  (21)

Вероятность перехода в единицу времени есть

  (22)

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42347. Определение световой характеристики и интегральной чувствительности фотосопротивления 59 KB
  Цель работы: определение световой характеристики и интегральной чувствительности фотосопротивления. Ф 1 где Ф световой поток; В чувствительность как одна из важнейших характеристик фотосопротивления. Проводимость фотосопротивления в сильной степени зависит от величины падающего на него светового потока внутренний фотоэффект. При освещении поверхности фотосопротивления лучистым потоком Ф ток возрастает так как увеличивается число носителей тока.
42348. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА 88 KB
  Световой поток Ф падающий на катод покрытый фоточувствительным слоем фотокатод вызывает фотоэлектронную эмиссию и при положительном напряжении на аноде относительно катода в вакуумном промежутке создается поток свободных электронов фототок рис. Основными характеристиками фотоэлемента являются следующие: 1 вольтамперная характеристика зависимость фототока от анодного напряжения U при постоянном световом потоке рис.2; 2 частотная характеристика зависимость фототока от частоты при постоянном световом потоке рис. При...
42349. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАНКА 121 KB
  Цель работы: построение по опытным данным кривой распределения излучения чёрного тела по длинам волн по частотам и ознакомление с методами оптической радиационной пирометрии. Этот вид излучения может существовать независимо от агрегатного состояния вещества в газообразных жидких и твёрдых телах. Основной особенностью теплового излучения является его равновесность: в изолированной системе тел имеющих разные начальные температуры в...
42350. ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ 188.5 KB
  Цель работы: изучение явления внутреннего фотоэффекта и работы фотосопротивления. 2 Приборы работающие на принципе внутреннего фотоэффекта называются фотосопротивлениями. Для предохранения от влияния воздуха фоточувствительная поверхность фотосопротивления покрывается тонкой пленкой лака.
42351. ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ 87 KB
  Цель работы: получение спектральной характеристики фотосопротивления для определения спектральной области его использования. Дело в том что проводимость фотосопротивления зависит от частоты длины волны поглощаемого им света так как поглощение фотонов различной энергии происходит по-разному. Спектральная характеристика фотосопротивления – это кривая зависимости отношения фототока I при данной частоте к максимальному фототоку во всем диапазоне чувствительности фотосопротивления.
42352. Опыт Франка и Герца 75 KB
  Описание метода и экспериментальной установки В работе используется метод задерживающего потенциала для регистрации неупругих соударений и определения величины энергии передаваемой электроном атому при его соударении с атомом в тиратроне. При абсолютно упругих столкновениях внутренняя энергия взаимодействующих частиц не изменяется и поэтому их суммарная кинетическая энергия после столкновения равна суммарной кинетической энергии до взаимодействия. При неупругом соударении наблюдается переход механической энергии во внутреннюю энергию что...
42353. Разработка функциональных модулей обработки агрегатных данных 112 KB
  Даны две вещественные квадратные матрицы размер вводится пользователем. Даны две вещественные квадратные матрицы размер вводится пользователем. Даны четыре вещественные матрицы произвольной размерности размерность вводится пользователем. Упорядочить по возрастанию элементы главной диагонали той из полученных матриц след которой является наибольшим следом матрицы называется сумма элементов главной диагонали.
42354. Оценка и планирование доходов предприятия 114 KB
  Основную часть прибыли предприятия получают от реализации продукции и услуг. В процессе анализа изучаются динамика, выполнение плана прибыли от реализации продукции и определяются факторы изменения ее суммы.