北京大学量子力学课件-第28讲

第二十八讲

Ⅰ.简并能级的一级修正北京大学量子力学ppt课件-第28讲1要有非零解(即不全为)，则必须由这可解得

2

A.新的零级波函数之间是正交的

B．在 子空间中是对角的

3北京大学量子力学ppt课件-第28讲4

Ⅱ．简并态的二级微扰

A.若北京大学量子力学ppt课件-第28讲5

B.若则北京大学量子力学ppt课件-第28讲6

因此，求得北京大学量子力学ppt课件-第28讲7

C．简并态可用非简并微扰处理的条件则可选非微扰态为的共同本征态作为零级波函数

8若任意则可用非简并微扰方法处理

若9北京大学量子力学ppt课件-第28讲10

例1:在均匀电场中的刚体转子

所以的能级

有重简并例1:在均匀电场中的刚体转子11而（在方向）如取的共同本征函数作为零级波函数，则可直接用非简并微扰方法求微扰对能级能量的影响而12

而我们现在取的共同本征态，，简并态的标记恰好为的量子数。因所以因此，如处理，则不必担心其它简并态(）的存在。

13

例2：在均匀外电场中的平面转子

有本征态

14相应本征值为。所以，是两重简并

而

(在轴)

北京大学量子力学ppt课件-第28讲15即，简并态之间无作用；显然

按照前面的讨论。现在态的简并是以的量子数 来表示的。但所以原则上不能用非简并微扰去做。即，简并态之间无作用；显然16

在上一节，我们已看到，用非简并微扰论去求二级修正，所得结果，对是错误的我们已利用正确的公式求得正确的能量二级修正

17

所以，利用不行。看能否找到另一力学量来将的简并态分类，以便能用非简并微扰论来处理？

北京大学量子力学ppt课件-第28讲18

有一算符使由于

北京大学量子力学ppt课件-第28讲19

所以因此，的本征态，不是按 分类，而是按分类，即取的共同本征函数组作为零级波函数，则可用非简并微扰方法来处理。

所以 20

注意

21

于是，一级微扰修正为

而二级微扰修正

22

23北京大学量子力学ppt课件-第28讲24错误错误25

例3：若以来分类，两重简并态北京大学量子力学ppt课件-第28讲26或以来分类，两重简并态由于,，所以原则上都不能用非简并微扰方法去做。若用非简并微扰方法求能量的修正，则北京大学量子力学ppt课件-第28讲27而用第二组北京大学量子力学ppt课件-第28讲28

但若用，它是将 显然，若取的共同本征函数为的本征函数

29这时，可用非简并微扰方法做如严格按简并微扰论做，在第一组北京大学量子力学ppt课件-第28讲30

在第二组

在第二组31

在处理简并能级微扰时，要特别用心于

A.选取正确的零级波函数;

B.正确判断能否用非简并微扰论的方法去求微扰修正。北京大学量子力学ppt课件-第28讲32§8.2变分法：定态微扰论有效，是必须找到，要求有解析解，且逼近。但这并不是容易做到的。另一种求解法，是用变分法求定态解。

（1）体系的哈密顿量在某一满足物理要求的试探波函数上的平均值必大于等于体系基态能量证：

§8.2变分法：定态微扰论有效，是必须找到33

设：是的本征态，本征值为显然，形成－正交完备组，于是设：是的本征态，本征34北京大学量子力学ppt课件-第28讲35

当时，等号成立。因此，当我们用一试探波函数去找能量平均值时，一般总比基态能量大。再通过求变分，以得尽可能小的平均值及相应波函数，使之较为接近真值。当然，这平均值仍大于等于基态能量，即由变分给出的平均值是基态能量的上限。

（2）Ritz变分法现可利用变分原理到具体问题上，以求体系的近似本征能量和本征函数。

基本思想：根据物理上的考虑给出含一组参当时，等号成立。36量的试探波函数

A.求能量平均值，以表示，

B.对求极值，从而确定显然，（基态能量）量的试探波函数37

当然，如果要求第条能级的近似本征值和本征函数，则要求知道第一条（基态）第条能级的波函数，（设已归一化）。取试探波函数 ，然后处理一下，给出新的波函数再求的极值，定出当然，如果要求第条能级的近似本征值38从而给出第条能级的近似本征值（即上限）及近似波函数从而给出第条能级的近似本征值（即上限）39所以，是第条能级的上限。

例：求氦原子的基态能量(即外有两个电子)我们知道，氦原子的哈密顿量为（忽略）北京大学量子力学ppt课件-第28讲40

从物理上考虑，当二个电子在原子中运动，它们互相屏蔽，使每个电子感受到原子核的作用不是两个单位的正电荷，而是比它小。究竟是多少？很自然可把它当作待定参量，利用Ritz变分法来求基态能量的近似值。因类氢离子的基态波函数为从物理上考虑，当二个电子在原子中运动，41则满足所以，取试探波函数为

北京大学量子力学ppt课件-第28讲42显然，于是

显然，43（这里是已归一化的）（这里是已归一化的）44北京大学量子力学ppt课件-第28讲45

Ritz变分，是由给定（函数形式给定），即，仅改变参量，使取极小（但函数形式不变），所以只能得到近似的本征函数和本征值的上限

46§8.3量子跃迁前二节，我们解决的是与无关，但不会直接求解，而利用有解析解，并且 较小，通过定态微扰论求解的近似本征值和本征函数

§8.3量子跃迁47

或通过变分法，利用试探波函数，来获得所求能级的能量上限。现在要处理的问题是：体系原处于的本征态（或叠加），而后有一微扰作用到该体系。因此，与有关显然，这时体系的能量不是运动常数，其状态并不处于定态（即使在一段时间中不变），在的各定态中的几率并不是常数，而是随时间变化的。或通过变分法，利用试探波函数，来获得所求48也就是，体系可以从的一个态以一定几率跃迁到另一态，我们称这为量子跃迁。处理这样的问题就需要利用含时间的微扰论。总之，含时间的微扰论就是处理体系所处的位势随时间发生变化时，或变化后，体系所处状态发生的变化。

(1)含时间的微扰论：与有关，体系的哈氏量原为，随有一微扰也就是，体系可以从的一个态以一定几49

因不显含，而有则

的通解为

因不显含，而有50而

是常数而当时，即时，处于即微扰不存在时，体系处于定态上。

当微扰存在时，特别是与有关时，则体系处于的各本征态（或定态）的几率将可能随时间发生变化而 是常数51

设：当然，仍可按的定态展开。但由于

不是的定态，所以展开系数是与有关。

设：52

代人S.eq.与标积，得代人S.eq.53于是有

北京大学量子力学ppt课件-第28讲54（为的本征态）

是时刻，以描述的体系，处于的本征态中的几率振幅。实际上，上式是S.eq.在表象中的矩阵表示。这方程的解依赖初态和。假设很小，可看作一微扰，则可通过逐级近似求解。令

北京大学量子力学ppt课件-第28讲55则有

56于是有解，它与无关由初条件时，体系处于即得于是有

于是有解，它与57

又由

58

由此类推而

由此类推59

（2）跃迁几率：若很小，即跃迁几率很小。我们只要取一级近似即可，则

这表明，体系在时刻处于定态。在时刻，体系可处于的定态，而其几率振幅为（）。因此，我们在时刻，测量发现体系处于这一态的几率为（2）跃迁几率：若很小，即跃60

例1：处于基态（）的氢原子，受位势（为实参数）扰动,①求时，处于态的几率

61

求②②62

③选择定则：由∴

∴∴63

∴对选择定则为：

北京大学量子力学ppt课件-第28讲64

当很大（即微扰时间很短），所以氢原子受扰动后仍处于基态（Sudden近似）;当很小（微扰缓慢加上），当很大（即微扰时间很短），65所以氢原子经扰动后仍处于基态（非简并态）(Adiabatic近似）。

例2．将自旋为，磁矩为的粒子置于转动磁场中

北京大学量子力学ppt课件-第28讲66时，粒子处于的状态，讨论跃迁情况解：设时，粒子处于，末态为北京大学量子力学ppt课件-第28讲67

仅与自旋相关，所以其它量子数应不变。而时处于，所以仅项引起跃迁，而项不引起跃迁。

68于是

（3）微扰引起的跃迁A.

常微扰下的跃迁率：在某些实验中，于是69微扰常常是不依赖于的（在作用时间内）

（）

北京大学量子力学ppt课件-第28讲70

所以，时，体系处于本征态，而在时刻，体系处于