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北京大学量子力学课件
(2)态矢的一级修正 |ψn(1) 为了求出体系态矢的一级修正,我们先利用扰动态矢|ψn 的归一化条件证明上式展开系数中an n(1)= 0 (可以取为 0 )。 基于|ψn 的归一化条件并考虑上面的展开式, 证: 由于 归一, 所以 an n (1) 的实部为 0。an n (1) 是一个纯虚数,故可令 an n (1) = i ? ( ? 为实)。 上式结果表明,展开式中,an n(1) |ψn (0) 项的存在只不过是使整个态矢量|ψn 增加了一个相因子,这是无关紧要的。所以我们可取 ? = 0,即 an n(1) = 0。这样一来, 与求态矢的一阶修正一样,将|ψn (2) 按 |ψn (0) 展开: 与|ψn (1) 展开式一起代入 关于 ?2 的第三式 (三)能量的二阶修正 左乘态矢 ψm (0) | 1. 当 m = n 时 在推导中使用了微扰矩阵的厄密性 正交归一性 2. 当 m ≠ n 时 能量的二级修正 在计及二阶修正后,扰动体系能量本征值由下式给出: 总结上述, 在非简并情况下,受扰动体系的能量和态矢量分别由下式给出: 欲使二式有意义,则要求二级数收敛。由于不知道级数的一般项,无法判断级数的收敛性,我们只能要求级数已知项中,后项远小于前项。由此我们得到微扰理论适用条件是: 这就是本节开始时提到的关于 H’ 很小的明确表示式。当这一条件被满足时,由上式计算得到的一级修正通常可给出相当精确的结果。 (四)微扰理论适用条件 微扰适用条件表明: (2)|En(0) – Ek(0)| 要大,即能级间距要宽。 例如:在库仑场中,体系能量(能级)与量子数n2成反比,即 En = - μ Z2 e2 /2 ?2 n2 ( n = 1, 2, 3, ...) 由上式可见,当n大时,能级间距变小,因此微扰理论不适用于计算高能级(n大)的修正,而只适用于计算低能级(n小)的修正。 (1)|H’kn| = | ψk(0) | H’ |ψn(0) | 要小,即微扰矩阵元要小; 表明扰动态矢|ψn可以看成是未扰动态矢|ψk(0)的线性叠加。 (2)展开系数 H’k n /(E n (0) - E k (0)) 表明第k个未扰动态矢|ψk(0)对第n个扰动态矢|ψn 的贡献有多大。展开系数反比于扰动前状态间的能量间隔,所以能量最接近的态|ψk(0) 混合的也越强。因此态矢一阶修正无须计算无限多项。 (3)由En = E n (0) + Hn n可知,扰动后体系能量是由扰动前第n态能量E n (0)加上微扰Hamilton量 H’在未微扰态|ψn(0)中的平均值组成。该值可能是正或负,引起原来能级上移或下移。 (4)对满足适用条件 微扰的问题,通常只求一阶微扰其精度就足够了。如果一级能量修正H’n n = 0 就需要求二级修正,态矢求到一级修正即可。 (5)在推导微扰理论的过程中,我们引入了小量λ,令: H’ = λH(1)只是为了便于将扰动后的定态Schrodinger方程能够按λ的幂次分出各阶修正态矢所满足的方程,仅此而已。一旦得到了各阶方程后,λ就可不用再明显写出,把H (1) 理解为H’ 即可,因此在以后讨论中,就不再明确写出这一小量。 (1)在一阶近似下: (五)讨论 例1.一电荷为 e 的线性谐振子,受恒定弱电场ε作用。电场沿 x 正向,用微扰法求体系的定态能量和波函数。 解: (1)电谐振子Hamilton 量 将 Hamilton 量分成H0 + H’ 两部分,在弱电场下,上式最后一项很小,可看成微扰。 (2)写出 H0 的本征值和本征函数 E(0), ψn(0) (3)计算 En(1) 上式积分等于 0 是因为被积函数为奇函数所致。 (六)实例 (4)计算能量 二级修正 欲计算能量二级修正, 首先应计算 H’k n 矩阵元。 利用线性谐振子本征函数的递推公式: 对谐振子有; En(0) - En-1(0) = ?ω, En(0) - En+1(0) = - ?ω, 代入 由此式可知,能级移动与 n 无关,即与扰动前振子的状态无关。 (6)讨论: 1.电谐振子问题亦可在粒子数表象中求解微扰矩阵元 计算二级修正: 代入能量二级修正公式: 2. 电谐振子的精确解 实际上这个问题是可以精确求解的,只要我们将体系Hamilton量作以下整理: 其中x’ = x – [eε/μω2 ],可见,体系仍是一个线性谐振子。它的每一个能级都比无电场时的线性谐振子的相应能级低{e2ε2 / 2μω2 },而平衡点向右移动了{eε/μω2} 距离。 由于势场不再具有空间反射对称性,所以波函数没有确定的宇称。这一点可以从下式扰动后的波函数ψn已变成ψn(0), ψn+1(0), ψ
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