• Keine Ergebnisse gefunden

Shrodingershe Storungstheorie 5 2

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "Shrodingershe Storungstheorie 5 2"

Copied!
82
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Sommersemester 2000

Klaus Fredenhagen

II. Institut fur Theoretishe Physik

Universitat Hamburg

(2)
(3)

Kapitel I. Naherungsverfahren 5

1. Shrodingershe Storungstheorie 5

2. Rayleigh-Ritzshes Variationsverfahren 18

3. Zeitabhangige Storungstheorie 22

4. Plotzliheund adiabatishe



Anderungen 28

Kapitel I I. Der klassishe Limes 31

1. KlassisheMehanik alsGrenzfall der Quantenmehanik 31

2. Die WKB-Metho de 32

Kapitel I I I. Pfadintegrale 37

Kapitel IV. Symmetrieninder Quantenmehanik 45

1. Symmetrieop eratoren 45

2. Symmetriegrupp en 46

3. Innitesimale Symmetrien 50

4. Tensorpro dukte 53

5. Tensor-Op eratoren und Wigner-Ekart-Theorem 56

6. UnuntersheidbareTeilhen 58

Kapitel V. RelativistisheQuantenmehanik 61

1. Die Klein-Gordon-Gleihung 61

2. Die Dira-Gleihung 63

Kapitel VI. Streutheorie 67

1. Zeitabhangige Streutheorie 67

2. ZeitunabhangigeStreutheorie 70

3. Vielkanalstreuung 74

Kapitel VI I. Naherungsverfahren fur Mehrteilhenprobleme 77

1. Hartree-Fo k-Verfahren 77

2. Thomas-Fermi-Gleihung 79

(4)
(5)

Naherungsverfahren

Nur wenige quantenmehanishe Probleme lassen sih geshlossen

losen.Manistdaher imallgemeinenaufNaherungsmetho denangewie-

sen. Es gibt eine ganze Reihe hohst untershiedliher Naherungsver-

fahren, deren Eektivitat und Zuverlassigkeitoftmalsshwerzu

 ub er-

blikensind. Wirwollenuns zunahst mitden Naherungsverfahrenfur

gebundeneZustandeb eshaftigen;hierb eigibtesdiezeitunabhangigen

Verfahren-ShrodingersheStorungstheorieunddasRayleigh-Ritzshe

Variationsverfahren-mitdenenmanInformationenub erdieEigenwer-

te und Eigenzustande erhalt, und die zeitabhangigen Verfahren, mit

deren Hilfeman die



Ub ergange zwishenstationaren Zustandenunter-

suht.

1. Shrodingershe Storungstheorie

Ausgangspunkt der Shrodingershen Storungstheorie isteineAuf-

spaltung des Hamiltonop erators

H =H

0 +H

1

;

so dass Eigenwerte und Eigenfunktionen des selbstadjungierten Op e-

rators H

0

b ekannt sind und der hermiteshe Op erator H

1

in einem

geeigneten Sinn als kleineStorung aufgefasst werden kann.

In einemersten Shritt b etrahtetman dieFamilieder Op eratoren

H() = H

0 +H

1

, 2 [0;1℄, und nimmt an, dass es (unendlih oft)

dierenzierbare FunktionenE() und () 2Hnf0ggibt, so dass gilt

H() ()=E() () :

Die Funktion (0); ()

ist nah Annahme dierenzierbar und un-

gleihNull. Wirkonnen daherdieHilb ertraum-wertigeFunktion ()

so wahlen, dass dieNormierungsb edingung

(0); ()

=1

erfulltist. Fur die Taylorko eÆzienten der Funktionen E() und ()

folgen dieGleihungen

H

0 0

= E

0 0

(I.1)

H

1 0 +H

0 1

= E

1 0 +E

0 1

(I.2)

(I.3)

H

1 n 1 +H

0 n

= E

n 0

++E

0 n

(I.4)

(6)

6 I.NAHERUNGSVERFAHREN

aus der Eigenwertgleihungsowie

0

;

n

n0

(I.5)

aus der Normierungsb edingung.Aus derGleihung(I.1)folgt,dass

0

ein Eigenvektorvon H

0

zumEigenwertE

0

sein muss.

SeiP

0

der Projektorauf den Raumder Eigenvektorenvon H

0 zum

EigenwertE

0

. Dann ergibt sihaus (I.2)wegenP

0 (H

0 E

0 )

0

=0

P

0 H

1 P

0 0

=E

1 0

;

d.h.

0

isteinEigenvektorvonP

0 H

1 P

0

zumEigenwertE

1 .IstE

0 niht

entartet,so ist

P

0

=j

0 ih

0 j

und daher

P

0 H

1 P

0

=

0

;H

1 0

P

0

;

also E

1

=

0

;H

1 0

. Die erste Korrektur zum Eigenwert E

0

ergibt

sih daher als der Erwartungswert des Storterms im ungestorten Zu-

stand. Ist E

0

endlihentartetund istf

1

;::: ;

n

g eineOrthonormal-

basis des Eigenraums, so ist

P

0

= n

X

i=1 j

i ih

i j:

E

1

ergibt sihdann alsEigenwertder (nn)-Matrix

i

;H

1

k

i;k =1;:::;n

; (I.6)

und

0

ergibt sih zu

0

= P

i

i

,wob eider Spaltenvektor

= 0

B

B

1

:::

:::

n 1

C

C

A

der zugehorigeEigenvektorder Matrixin (I.6)ist.

WirwollenunszunahstmitdemnihtentartetenFallb eshaftigen.

In diesemFall ist

1

durh (I.2)und (I.5)eindeutigb estimmt.Es gilt

1

= (H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0

: (I.7)

Hierb ei ist der Op erator (H

0 E

0 )

1

auf dem Unterraum (1 P

0 )H

das Inversevon H

0 E

0

; auf demUnterraumP

0

H wird ergleih Null

gesetzt. Wir wollen auh annehmen, dass E

0

im Sp ektrum von H

0

isoliert ist; dann ist(H

0 E

0 )

1

auf ganz Hdeniert.

Die Ko eÆzientenE

n und

n

ndet man jetztdurhRekursion. Es

gilt fur n2

E = ;(H E )

(I.8)

(7)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 7

und

n

=(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

n 1 +E

2 n 2

++E

n 0

: (I.9)

Oft b erehnet man die Korrektur zweiter Ordnung zur Energie. Sie

ergibt sihzu

E

2

= (H

1 E

1 )

0

;(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0

: (I.10)

IstE

0

dieGrundzustandsenergievonH

0

,so istE

2

0,d.h.dieGrund-

zustandsenergie ist einekonkave Funktionvon .

Als BeispielfurdieAnwendungder Storungstheorieb etrahtenwir

das Heliumatom, der Einfahheit halb er wird der Kern als unendlih

shwer angenommen. Der Hilb ertraum der Zustandsvektoren ist (b ei

Vernahlassigung des Spins)

H=L 2

(R 6

)=f:R 3

R 3

!C; Z

d 2

x

1 d

3

x

2 j(x

1

;x

2 )j

2

<1g :

Der Hamiltonop erator ist

H = 1

2m (

x

1 +

x

2 )+(

Z

jx

1 j

Z

jx

2 j

+ 1

jx

1 x

2 j

)

mit der Elektronenmasse m,der Kernladungszahl Z (=2 furHelium)

und der Feinstrukturkonstanten 1

137

. Es ist zwekmaig, dimensi-

onslose Ko ordinaten

y

i

= Z

a x

i

einzufuhren, mitdemBohrshen Radius a=(m) 1

. Manndet

H =2RZ 2

(H

0 +H

1 )

mit der Rydb ergkonstanten R= 1

2 m

2

=13;6eV und = 1

Z ,

H

0

= 1

2 (

y1 +

y2 )

1

jy

1 j

1

jy

2 j

und

H

1

= 1

jy

1 y

2 j

:

Die physikalish realisierbaren Werte von sind 1

Z

, Z 2 N (H , He,

Li +

, Be ++

, :::).

Die Grundzustandswellenfunktion des ungestortenHamiltonop era-

tors H

0

ist dasPro dukt derWellenfunktionen'

100

des Grundzustands

der Einteilhen-Hamiltonop eratoren 1

2

1

jy j ,

'

100

(y )=Ne r

;r =jy j;N >0 Normierungsfaktor

mitderGrundzustandsenergie 1

2

,daheristdieGrundzustandsenergie

von H

0

E = 1 :

(8)

8 I.NAHERUNGSVERFAHREN

Das kontinuierlihe Sp ektrum b eginnt, wenn ein Teilhen im Grund-

zustand ist und das andere im Kontinuum, also b ei 1

2

. Fur Helium

z.B. ist die Grundzustandsenergie 2 R 2 2

= 108;8eV und die

Ionisationsenergie 54;4eV.

Zur Bestimmung der ersten Korrektur zur Grundzustandsenergie

b erehnenwir den Erwartungswert von H

1

imGrundzustand

hH

1 i=

0

;H

1 0

= Z

d 3

y

1 d

3

y 3

2 j'

100 (y

1 )j

2

j'

100 (y

2 )j

2 1

jy

1 y

2 j

:

Dieses Integral ist symmetrish unter Vertaushung der b eiden Orts-

vektoren. Wirkonnen esdaher durhdas Zweifahedes Integrals

 ub er

den Bereih jy

2

j > jy

1

j ersetzen. Fur die y

2

-Integration fuhren wir

Kugelko ordinaten mitder z-Ahse in Rihtung von y

1

ein und setzen

wie



ublih w = os . Das Ergebnis hangt nur no h von jy

1

j ab. Wir

erhalten

hH

1 i=N

4

16 2

Z

1

0 dr

1 r

2

1 Z

1

r

1 dr

2 r

2

2 e

2(r

1 +r

2 )

Z

+1

1 dw (r

2

1 +r

2

2 2r

1 r

2 w )

1=2

:

Die Integration ub er w ergibt

Z

+1

1 dw (r

2

1 +r

2

2 2r

1 r

2 w )

1=2

= 2

r

2

Damit folgt

hH

1 i=N

4

32 2

Z

1

0 dr

1 r

2

1 e

2r1 Z

1

r

1 dr

2 r

2 e

2r2

:

Es gilt

Z

1

s

dr r e 2r

=( s

2 +

1

4 )e

2s

:

Einsetzen ergibt

hH

1 i=N

4

32 2

Z

1

0 dr (

r 3

2 +

r 2

4 )e

4r

Mit

Z

1

0 drr

k

e r

= (k +1)

k!

fur k 2 N

0

und > 0 ndet man den Normierungsfaktor N = 1=2

und damit

hH

1

i=3!2 4

+2!2 3

= 5

8 :

Also b etragt dieKorrekturersterOrdnung zur Grundzustandsenergie-

energie

E

1

= 5

E

0 :

(9)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 9

FurdasWassersto-IonH liegtdieb erehneteEnergiedannb ereitsim

Kontinuum;tatsahlihb esitzt dasWaasersto-Ion ab er einenstabilen

GrundzustandmiteinerEnergieunterhalbderIonisationsenergie.Beim

Heliumndet man

E

0 +E

1

=(1 5

16

)( 108;8eV)= 74;8eV

verglihenmitdemexp erimentellenWert

E

exp

= 78;975eV :

FurLi +

(Z =3) und Be ++

(Z =4) wird die



Ub ereinstimmungb esser.

Als nahstes b erehnen wir die Korrektur 1.Ordnung zum ersten

angeregten Zustand. Die Energie des ersten angeregten Zustands von

H

0 ist

E

0

= 1

2 (1+

1

4 )=

5

8 :

Dieser Eigenwertist 8-fahentartet, mitEigenfunktionen

'

100 (y

1 )'

200 (y

2 ) ; '

100 (y

1 )'

21m (y

2

) ; m = 1;0;1

unddendaraus durhVertaushungvony

1

undy

2

entstehendenFunk-

tionen. Hierb ei ist '

nlm

die normierte Eigenfunktion des Op erators

1

2

1

jy j

mit Quantenzahlen n = n

r

+l +1, n

r

radiale Quanten-

zahl, l Drehimpulsquantenzahlund m magnetisheQuantenzahl.

Da der Gesamtdrehimpuls L = L (1)

+L (2)

mit H

0

und H

1 ver-

tausht, kann das Eigenwertproblemfur jedenEigenwertvon jLj 2

und

L

3

getrennt gelost werden. Der Eigenraum zu E

0

zerfallt daher in 4

zweidimensionaleUnterraume,dieEigenraume von jLj 2

und L

3 sind.

Auf diesen Unterraumen b erehnet man die Matrixelemente von

H

1

. Fur l =0 ergibtsihdie22-Matrix

H

1

=

J K

K J

mit demsogenannten Coulombintegral

J = Z

d 3

y

1 Z

d 3

y

2 j'

100 (y

1 )j

2 1

jy

1 y

2 j

j'

200 (y

2 )j

2

und demsogenannten Austaushintegral

K = Z

d 3

y

1 Z

d 3

y

2 '

100 (y

1 )'

200 (y

2 )

1

jy

1 y

2 j

'

100 (y

2 )'

200 (y

1 ) :

J b eshreibtdieWehselwirkungsenergiedermitdenWellenfunktionen

verbundenen Ladungsdihten. K hat dagegen kein klassishes Analo-

gon.

Die obige Matrixhat dieEigenwerteJK mitden Eigenvektoren

(1;1).Die normiertenEigenfunktionen in0.Ordnung sind also

(y

1

;y

2 )=

1

p '

100 (y

1 )'

200 (y

2 )'

100 (y

2 )'

200 (y

1 )

:

(10)

10 I.NAHERUNGSVERFAHREN

Sie sind Eigenvektorendes Transp ositionsop erators ,

()(y

1

;y

2

)=(y

2

;y

1 ) ;

der seinerseitsmitH

0 , H

1

und L vertausht.Die gemeinsamenEigen-

funktionenvonH

0

undP

0 H

1 P

0

konnendaherimmeralsEigenvektoren

von gewahlt werden.

J undKlassensih



ahnlihwieb eiderBerehnungder1.Korrektur

zur Grundzustandsenergie b erehnen. Da K >0 ist dieantisymmetri-

she Wellenfunktion der Zustand mit der kleineren Energie. Dies

leuhtet ein, da die b eiden Elektronen in diesem Zustand im Mittel

weitervoneinanderentferntsind.

Bei der obigen



Ub erlegung hab en wir den Spin und das Pauli-

Prinzip niht b eruksihtigt. Die volleWellenfunktion muss nah dem

Pauli-Prinzip antisymmetrish sein. Ist die Ortswellenfunktion sym-

metrish, so muss die Spinwellenfunktion antisymmetrish sein, und

umgekehrt. Antisymmetrishe Spinwellenfunktionen hab en den Spin

0, symmetrishe den Spin 1. Die Positivitat des Austaushintegrals

b egunstigt also die Parallelstellung der Spins. Dies ist die von Hei-

senb erg erkanntequantenmehanisheUrsahedes Ferromagnetismus.

Magnetishe Wehselwirkungen zwishen den Spins spielen meist nur

eineuntergeordneteRolle.

AlseinweiteresBeispielfurStorungstheorieb etrahtenwir dieHy-

p erfeinstruktur des Wasserstos. Diesewird verursahtdurhdas vom

magnetishen Moment des Kerns erzeugte Magnetfeld. Das magneti-

sheMomentdes Protons ist

~

p

=g

p e

2m

p S

p

;

wob eiedieLadung des Protons, S

p

der Op erator des Protonspinsund

g

p

5;56 der gyromagnetisheFaktor des Protons ist.

Das von einem punktformigen magnetishen Moment ~ am Ur-

sprung erzeugteVektorp otentialinder Eihung divA=0 ist

A(x)= 1

4

~

grad 1

jxj

;

das zugehorige Magnetfeldist

B(x)=rotA(x)= 1

4

(~ (~r)r) 1

jxj :

In einemZustand mit l =0 ist der Wehselwirkungstermallein durh

den Spin des Elektrons b estimmt(Ladung -e)

H

1

=g e

SB :

(11)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 11

Der Grundzustand ist b ei Beruksihtigung von Elektron und Kern-

spin 4-fahentartet.Der Erwartungswertvon

i

j 1

jy j

in einemGrund-

zustand istunabhangig vomSpin und ergibt sih zu

b

ij :=

Z

d 3

y j'

100 (y )j

2

i

j 1

jy j

=N 2

Z

d 3

y e 2jyj

i

j 1

jy j

= 1

3 Æ

ij N

2 Z

d 3

y e 2jyj

1

jy j

wegen Rotationsinvarianz.Mit 1

jy j

= 4Æ(y )und N = 1=2

folgt

b

ij

= 4

3 Æ

ij :

Mit B(ay ) = 1

4 a

3

(~ (~ r)r) 1

jy j

ndet man fur den Erwar-

tungswert des vomKernmomenterzeugten Magnetfeldes

hBi = 1

4 a

3

~

p 8

3 :

Also erhalt man fur P

0 H

1 P

0

die folgende 4 4-Matrix, ausgedrukt

durh dieSpinop eratoren S undS

p

(H

1 )=

1

4 SS

p gg

p e

2m e

2m

p 8

3

= 2

3 gg

p m

2

m

p

4

SS

p :

Es bleibt,dasPro dukt derSpinop eratoren zudiagoalisieren.Eineana-

logeRehnungwurdeb eiderBerehnungderSpin-Bahn-Wehselwirkung

gemaht.Esgilt

SS

p

= 1

2

jS+S

p j

2

jSj 2

jS

p j

2

=j(j +1) 3

4 2=

1

4

; j =1

3

4

; j =0 :

FurdieEnergieaufspaltungzwishenOrtho-undParawassersto ergibt

sihalso

E =

2

3 gg

p m

m

p

4

m :

Berehnung des Vorfaktors mitm=m

p

=1=1840 liefert

E =1;1410 11

m :

Mit der Elektronmasse m = 0;511MeV ergibt sih E zu 5;8eV.

DieWellenlangederzugehorigenelektromagnetishenWelleergibtsih

aus der Comptonwellenlange des Elektrons 2

m

= 2;410 12

m zu =

21;4m.

ElektromagnetisheStrahlung dieser Wellenlange wird im Kosmos

b eobahtet.AusderIntensitat dieserLinieziehtmanRukshlusseauf

(12)

12 I.NAHERUNGSVERFAHREN

(Dihte1m 3

, Temp eratur100K imBereih der Milhstrae, in dem

unser Sonnensystem liegt).

Als eindrittes Beispielb etrahten wirden Stark-Eekt. Damitb e-

zeihnet man die Veranderung der Sp ektrallinien eines Atoms infolge

eines von auen angelegtenhomogenen elektrishen Feldes E. Fur das

Wasserstoatom ergibt sih alsStorterm

H

1

=exE :

In einemZustand, dessenWellenfunktioneinEigenzustandder Paritat

P,

(P')(x)='( x);

ist,vershwindetder ErwartungswertvonH

1

.EinsolherZustand hat

kein p ermanentes elektrishes Dip olmoment (= h exi). Alle Drehim-

pulseigenzustande sind Eigenzustande der Paritat (mitParitat ( 1) l

).

Da b eim Wasserstoatom ab er die Energieniveaus zusatzlihentartet

sind, gibt es auh Energieeigenzustande, die keine Eigenzustande der

Paritat sind

Wir legen die z-Ahse in Rihtungdes elektrishen Feldes und b e-

rehnenfurdieHauptquantenzahln =2 dieMatrixelemente

'

200

;z'

21m

; m= 1;0;1 :

Da z und L

z

vertaushen, kann nurdas Matrixelementmitm=0von

Null vershieden sein. Es gilt (mit x = ay , a Bohrsher Radius) in

Polarko ordinaten fury

'

200

(r; ;)=(8) 1

2

(1 r

2 )e

r

2

;

'

210

(r; ;)=(32) 1

2

r e r

2

os :

Mit z =aros folgt

'

200

;z'

210

=(16) 1

Z

dr r 2

r (1 r

2 )ar e

r

2

Z

dsinos 2

=a Z

dr (r 4

r 5

2 )e

r

2

16

2

3

=a(4!

1

2 5!)

1

12

= 3a :

Die Eigenwertedes StortermsH

1

auf demUnterraumzur Hauptquan-

tenzahl n = 2 und zur magnetishen Quantenzahl m = 0 sind also

3aeE mitEigenvektoren N('

200 '

210 ).

Eigenraume des Hamiltonop erators,die keineEigenraume des Pa-

ritatsop erators sind, konnen also Zustande mit p ermanentem Dip ol-

momententhalten undzeigen daher den linearenStark-Eekt, d.h.ei-

(13)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 13

Eigenzustande des Paritatsop erators konnen ab er ein induziertes Di-

p olmomenthab en, das prop ortional zumangelegten Feldist.Die Ver-

shiebung der Energieeigenwerte ist dann fur kleine Feldstarken pro-

p ortional zum Quadrat der angelegten Feldstarke. Dieser sogenannte

quadratishe Stark-Eekt wird durh die Korrektur 2. Ordnung der

Storungstheorie b eshrieb en.

Furden Grundzustand von Wassersto gilt

E

1

=eEhxi =0:

DaderGrundzustandnihtentartetist(derSpinkannb eidieser



Ub er-

legung auer Betraht bleib en), ist die erste Korrektur zur Grundzu-

standswellenfunktion

1

= (H

0 E

0 )

1

H

1 '

100

;

und dieKorrekturzweiterOrdnung zur Grundzustandsenergie ist

E

2

= e 2

jEj 2

z'

100

;(H

0 E

0 )

1

z'

100

:

EineexpliziteBerhnungvonE

2

istetwasmuhsam;wirb eshranken

uns daher auf eine grob e Abshatzung. Ist (

k

) eine verallgemeinerte

Orthonormalbasis shwaher Eigenvektoren von H

0

mit Eigenwerten

E(k), so ist fur E(k)6=E

0

(H

0 E

0 )

1

k

=(E(k) E

0 )

1

k :

Auf'

100

vershwindetderOp eratordenitionsgema.Daderniedrigste

Eigenwertnah E

0

den Wert 1

4 E

0

hat, gilt im Sinne von Erwartungs-

werten

(H

0 E

0 )

1

(

1

4

1)E

0

1

= 4

3 jE

0 j

1

:

Der Betrag von E

2

wird daher abgeshatzt durh

jE

2 j

4

3 e

2

jEj 2

hz 2

i

jE

0 j

:

Wir b erehnen

hr 2

os 2

i = R

dr r 4

e 2r

R

dw w 2

R

dr r 2

e 2r

R

dw

= 2

5

4!

2

3

2 3

2!2

=1 ;

also gilt

jE

2 j

4

3 e

2

jEj 2

a 2

jE

0 j

:

Man erwartet niht, dass die Storungstheorie gute Ergebnisse lie-

fert, wenn die 1. Korrektur zumEigenwert groer ist als der Abstand

zumnahsten PunktimSp ektrum.Ist ab er eineMengevon Eigenwer-

ten M dihtkonzentriertund weitentfernt vom



ubrigen Sp ektrum,so

kannman dieStorunginder folgendenWeiseb ehandeln:SeiP der zu

(14)

14 I.NAHERUNGSVERFAHREN

den Eigenwertengehorige Sp ektralprojektor,undseiE

0

derMittelwert

der b etrahteten Eigenwerte.Dann deniertman dieOp eratoren

H()=H

0 (1 P

0 )+E

0 P

0

+ (H

0 E

0 )P

0 +H

1

DieEigenwertevonH

0 +H

1

,dieden b etrahtetenEigenwertenvon H

0

entsprehen, werden inerster Ordnung in durhdie Eigenwertevon

P

0 (H

0 +H

1 )P

0

aufdemUnterraumP

0

H gegeb en.

Als Beispieluntersuhenwir den Stark-Eekt b eimAmmoniakmo-

lekul NH

3

. In einer halbklassishen Betrahtung hat das Molekul die

Form einer dreiseitigen Pyramide, wob ei die 3 Wasserstoatome ein

gleihseitigesDreiekbildenunddasStikstoatomsihentwederob er-

o der unterhalbderdadurhgebildetenEb eneb endet.Quantenmeha-

nish kann man die Position des Stikstoatoms auf der Mittelsenk-

rehten naherungsweise durh die 1-dimensionale Shrodigergleihung

und ein Dopp elwall-Potential b eshreib en, b ei dem die Minima einen

Abstand 2hhab en.Die Wellenfunktiondes Grundzustands istsymme-

trish,die des ersten angeregten Zustands antisymmetish.Ihre Ener-

giedierenz istsehr klein(a. 10 4

eV). Sind '

0

und '

1

dienormierten

Eigenvektoren mitEigenwerten E

0

,so mussenwir die Matrix

E

0

p

p E

0 +

diagonalisieren, mit p = QjEj '

0

;x'

1

QjEjh. Hierb ei ist Q die

mittlereelektrisheLadung des Stikstoatoms.Die Eigenwertesind

E

0

p

2

+p 2

E

0

p(1+

2

2p 2

)

fur p .In diesemFallergibt sih also ein eektivesDip olmoment

furdas Ammoniakmolekul.

NahdiesenBeispielen,aus denenmanentnehmenkann.wiereih-

haltigundvielfaltigdieAnwendungenderStorungstheoriesind,wollen

wir uns kritish mit der Rehtfertigung der Storungstheorie und mit

ihren Grenzen b eshaftigen.

Betrahten wir zunahst das endlihdimensionale Problem. Seien

H

0

und H

1

hermiteshenn-Matrizen.Die Eigenwertevon H

0 +H

1

sind dannNullstellen des harakteristishenPolynoms

p

(z)=det(H

0 +H

1

z1):

NahSatzen der Funktionentheorie sind dieNullstellenz

i

()algebrai-

sheFunktionen in . Sie lassen sih in einer Umgebungvon =0 in

einePotenzreihevon 1=p

entwikeln,wob eipn dieMultiplizitatder

Nullstelleb ei =0ist.Hierb eidarfauhkomplexeWerteannehmen.

Wir nutzen jetzt aus, dass H

0

+H

1

fur reelle hermitesh ist.

Daher mussz

i

() furrelle selbstreellsein.Dies istab er nurmoglih,

wenninderPotenzreihenentwiklungausshlielihVielfahevonpals

(15)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 15

Umgebung des Nullpunkts sogar analytishe Funktionen von sind

(Theorem von Rellih). So hatten wir b ei der Diskussion des Stark-

Eektsb eimAmmoniakdieEigenwertealsalgebraisheFunktionender

elektrishen Feldstarke erhalten, die fur reelle Feldstarken analytish

sind und imKomplexenVerzweigungspunkteb esitzen.

ImunendlihdimensionalenFall erweistsih der Begri der Resol-

ventealsgunstig. IstH selbstadjungiertund z nihtim Sp ektrumvon

H, dannb esitzt der Op erator H z1 einInversesR(z)=(H z1) 1

.

R(z) istauf ganz Herklart und isteinb eshrankter Op erator, d.h.

kR(z)k:= sup

kk=1

kR(z)k <1

(es gilt kR(z)k = dist(z;spH) 1

, wie aus der Sp ektraldarstellung von

H leihtzu entnehmenist).

MannenntdieaufdemKomplementdesSp ektrums denierteop e-

ratorwertige Funktion R(z) dieResoventevon H. R(z) erfullt diefol-

gende Gleihung(1.Resolventengleihung)

R(z

1

) R(z

2 )=(z

1 z

2 )R(z

1 )R(z

2

) : (I.11)

Beweis: Esgilt

R(z

1 )(z

1 z

2 )R(z

2

)=R(z

1 ) (z

1

H) (z

2 H)

R(z

2

)=R(z

1

) R(z

2 ) :

IsteinTeildesSp ektrumsvonH isoliert,sokannmandenzugehori-

gen Sp ektralprojektor P durh dieResovente ausdruken.Man wahlt

dazu einen Weg , der den gewunshten Teil des Sp ektrums p ositiv

umrandet.Dann gilt

P = 1

2i Z

dzR(z): (I.12)

Zum Beweis geht man in die Sp ektraldarstellung von H. Sei ein

Eigenvektorvon H zumEigenwert E.Dann gilt

1

2i Z

dzR(z) = 1

2i Z

dz

1

z E

=

; E wird von eingeshlossen,

0 ; sonst :

FurdieResolventegibteseinesehreinfaheStorungstheorie. Diese

b eruht auf der 2. Resolventengleihung.Seien H

1

undH

2

selbstadjun-

gierteOp eratoren mitdemselb enDenitionsb ereihund mitResolven-

ten R

1

bzw. R

2

.Dann gilt:

R

1 R

2

=R

1 (H

2 H

1 )R

2

: (I.13)

Beweis: Esgilt

R

1 (z)(H

2 H

1 )R

2

(z)=R

1 (z)(H

2

z1)R

2

(z) R

1 (z)(H

1

z1)R

2 (z)

=R

1

(z) R

2 (z):

(16)

16 I.NAHERUNGSVERFAHREN

Sei nun H()=H

0 +H

1

mitResolventeR

. Dann gilt

R

=R

0 R

0 H

1 R

:

DurhIteration erhaltman dieLosung

R

= 1

X

n=0 ( )

n

R

0 (H

1 R

0 )

n

:

Diese Reihe konvergiert fur alle z, fur die kH

1 R

0

(z)kjj < 1 ist.

Ist diese Bedingungaufder ganzenKurve erfullt,so erhaltmaneine

Reihenentwiklung fur den Projektor P

zu dem von eingeshlos-

senen Teil des Sp ektrums von H(). Insb esondere ist dann auh die

Dimension des zugehorigen Eigenraums

dimP

H=trP

analytish,also konstant.

Im Fall, dass einen einzigen nihtentarteten Eigenwert E

0 von

H

0

umrandet, ist dimP

H = 1. Sei ein Eigenvektor von H

0 zum

EigenwertE

0

.DieAbbildung ! ;P

iststetigundvershwindet

nihtb ei Null

;P

0

=kk 2

6=0 :

Also ist P

6= 0 fur kleine und damit ein Eigenvektor von H().

Der zugehorige Eigenwert ergibtsih aus

E()=

;H()P

;P

:

Falls dimP

H = n, konstruiert man unitare Op eratoren U

mit

U

P

0

=P

U

. Dierentiation liefert

U 0

P

0

=P 0

U

+P

U

0

:

Auosen nah P 0

ergibt, unterBenutzungvon P

0 U

1

=U 1

P

P 0

=[U 0

U

1

;P

℄ :

UmeineLosungdieserGleihungzunden,dierenzierenwirzunahst

die ProjektorgleihungP 2

=P

,

P 0

P

+P

P

0

=P 0

:

Hieraus folgtinsb esondere durhMultiplikationmit P

P

P

0

P

=0:

Aus diesen Gleihungenergibt sih

P 0

=[[P 0

;P

℄;P

℄:

WirsetzenQ

=[P 0

;P

℄.EineLosungfurU

ergibtsihalsoalsLosung

der Gleihung

U 0

=Q

U

(I.14)

(17)

1. SCHRODINGERSCHE STORUNGSTHEORIE 17

mit der Anfangsb edingung U

0

= 1. Die Losung kann durh einen Po-

tenzreihenansatz gefunden werden:

Q

=Q

0 +Q

1 +:::

U

=U

0 +U

1 +:::

mit U

0

=1 und

U

k

=k 1

(Q

0 U

k 1 +Q

1 U

k 2

+:::+Q

k 1 ):

PerKonstruktion b esitzt jetzt der Op erator

~

H

=U 1

H

U

den invariantenUnterraumP

0

H.SeienE

;i

dieEigenwerteund

~

;i die

zugehorigen Eigenvektoren von

~

H

auf diesemUnterraum. Dann sind

;i

=U

~

;i

dieEigenvektorenvonH

aufP

HmitEigenwertenE

;i .

In erster Ordnung gilt

P

=P

0 +P

1

; P

1

= 1

2i Z

dzR

0 (z)H

1 R

0 (z) ;

U

=1+Q

0

; Q

0

=[P

0

;P

1

℄ ;

und damit

~

H

=H

0

+(H

1 +[H

0

;[P

1

;P

0

℄℄):

Mit [H

0

;P

0

℄=0 und P

0 P

1 P

0

=0 folgt

P

0

~

H

P

0

=P

0 (H

0 +H

1 )P

0 :

Es ergibt sih also genau derjenige Op erator, den wir b ereits b ei der

formalen Storungstheorie erster Ordnung b etrahtethab en.

Die hoheren Ordnungen der Storungstheorie fuhren in derselb en

Weiseauf endlihdimensionale Eigenwertprobleme.

Ausden obigen



Ub erlegungenentnimmtman,dass dieAnwendung

der Storungstheorie gerehtfertigt ist, wenn die folgenden Vorausset-

zungen erfulltsind:

(i) kH

1 R

0

(z)k<1 furallez 62spH

0 .

(ii) Die untersuhteMenge von Eigenwerten von H

0

ist isoliertvom



ubrigen Sp ektrum.

(iii) Der Storparameter ist genugend klein (in Abhangigkeit von

kH

1 R

0

(z)kund demAbstandder zuuntersuhendenEigenwerte

vom restlihenSp ektrum).

BeivielenerfolgreihenAnwendungenderStorungstheoriesinddie-

se Voraussetzungen nihterfullt.Einb esonders merkwurdigesBeispiel

bildet der Stark-Eekt. Man kann namlihzeigen, dass der Op erator

H

= 1

1

+y

3

(18)

18 I.NAHERUNGSVERFAHREN

fur6=0



ub erhaupt keinenormierbarenstationaren Zustande b esitzt.

Dies liegt daran,dass das Potentialim Unendlihen nahunten unb e-

shrankt ist und dass es fur jeden Zustand eine endliheWahrshein-

lihkeitgibt, indas Gebiet unendlihtiefenPotentials zugelangen. Es

stelltsihdaherdieFrage,

"

wiesoso vielePhysikererfolgreiheKarrie-

ren durh Messung und Berehnung der Eigenwerte von H

gemaht

hab en\(Thirring, Bd.3).

Die Antwort ist, dass dieser Op erator langlebige Resonanzen b e-

sitzt, deren Energienman mit Hilfeder Storungstheorie approximativ

b erehnenkann. Allerdingsistder Begri der Resonanzmathematish

shwer zufassen. Eineinfahes Argument,warum dieStorungstheorie

oft b essere Antwortenliefert,alsnahder obigenAnalysezu erwarten

ist, kann wiefolgt gegeb en werden.

Sei P

0

ein Sp ektralprojektor von H

0

zum Eigenwert E

0

und sei

0 2P

0

HeinEigenvektorvon P

0 H

1 P

0

zumEigenwertE

1

.Der Vektor

=

0

(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0

erfulltdieEigenwertgleihungbis aufTermeder Ordnung 2

,

(H() E())

=

2

(H

1 E

1 )(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0 :

Damit folgt

k e itH()

e itE()

k

2

=

4

;sin 2

t

2

(H() E())

t 2

;(H() E()) 2

=t 2

4

k(H

1 E

1 )(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0 k

2

;

furZeiten, diekleinsind verglihenmit

T = 2

k(H

1 E

1 )(H

0 E

0 )

1

(H

1 E

1 )

0 k

1

;

verhaltsih

alsowie einstationarer Zustand der Energie E().

2. Rayleigh-Ritzshes Variationsverfahren

Ein einfahes, ab er sehr eektives Verfahren zur Abshatzung der

Grundzustandsenergie E

0

b eruht darauf, dass der Erwartungswert ei-

nes selbstadjungierten Op erators H immermindestensso gro ist wie

der kleinsteSp ektralwert,

;H

E

0 kk

2

:

Mankann durh Variation von versuhen,diese Shrankezuverb es-

sern. Tatsahlihgilt

Theorem I.1.

inf ;H

=E

0

(19)

Beweis: Da E

0

ein verallgemeinerterEigenwertvon H ist,gibt es

eineFolge

n

2D(H) mitk

n

k=1 und (H E

0 )

n

!0. Daher gilt

n

;H

n

=E

0

+

n

;(H E

0 )

n

!0:

Wir wollen dieses Verfahren zur Abshatzung der Grundzustands-

energie des Heliumsanwenden. Seiwie imvorigenAbshnitt

H = 1

2

y

1 1

jy

1 j

1

2

y

2 1

jy

2 j

+ 1

Z 1

jy

1 y

2 j

:

Als Versuhsfunktion wahlen wir ein Pro dukt von Einteilhenwellen-

funktionen, die Grundzustande des Einteilhenhamiltonop erators h

mit teilweiseabgeshirmtemCoulombp otentialsind,

h

= 1

2

jy j

; 2(0;1) :

Die Grundzustandswellenfunktion von h

ist

'

(y )= 3=2

1=2

e jy j

mit Eigenwert 1

2

2

. Die Versuhsfunktionistdaher

(y

1

;y

2 )='

(y

1 )'

(y

2 ) :

Der Erwartungswertvon H indiesemZustand ist

;H

=2 '

;h

'

+2 '

;

1

jy j '

+ 1

Z

; 1

jy

1 y

2 j

:

Es gilt

'

; 1

jy j '

= 3

1

Z

dr 4r 2

1

r e

2r

= ;

sowie

; 1

jy

1 y

2 j

=

1

; 1

jy

1 y

2 j

1

:

ImvorigenAbshnitthab enwirdasSkalarpro duktaufderrehtenSeite

zu 5

8

b erehnet. Damitfolgt

;H

=

2

+2( 1)+ 1

Z

5

8

= 2

(2 5

8Z ) :

Das Minimumwird angenommen fur =1 5

16Z

und b etragt

inf

;H

= (1 5

16Z )

2

:

FurHeliumergibt sih

E

0

4m

2 27

32

2

= 77;46eV:

Die



Ub ereinstimmungmit dem exp erimentellenWert (-78.975 eV) ist

also wesentlih b esser als b ei der Storungstheorie 1. Ordnung (-74,8

(20)

20 I.NAHERUNGSVERFAHREN

ImRahmenderStorungstheoriehattenwirgefunden,dassdieGrund-

zustandsenergie E

0

()der Hamiltonop eratorenH

0 +H

1

einekonkave

Funktionvon ist(wegen d

2

d 2

E

0

()0). MitHilfedes Variationsver-

fahrens konnen wir diesen Sahverhaltsehr allgemeinb eweisen:

Theorem I.2. Sei H() =H

0 +H

1

, 2 Rselbstadjungiert mit

D(H())=D(H

0

).DannistdieGrundzustandsenergieE

0

()einekon-

kaveFunktion von .

Beweis: Fur alle 2D(H

0

) mitk k=1ist dieFunktion

E ()= ;H()

= ;H

0

+( ;H

1 )

linear inhomogen, also konkav. Daher ist E

0

() als Inmumkonkaver

Funktionenselbst konkav.

DieVariationsmetho deliefertexakteob ereShrankenfurdieGrund-

zustandsenergie. Sie gibt ab er keine Information ub er die Gute dieser

Shranken.

EineuntereShrankefurdieGrundzustandsenergie erhaltmanaus

der TempleshenUngleihung:

Theorem I.3. Sei H selbstadjungiert, sei E

0

die Grundzustands-

energie und Æ der Abstand vom



ubrigen Sp ektrum von H. Sei 2

D(H) mitk k=1 und

hHi:= ;H

<

^

E <E

0 +Æ :

Dann gilt

E

0

hHi

(H) 2

^

E hHi

mit der quadratishen Unsharfe (H) 2

= ;(H hHi) 2

.

Beweis: Fur alleE 2spH gilt

(E E

0 )(E

^

E) 0:

Also erfulltder Vektor imTheorem dieUngleihung

;(H

^

E)H

E

0

;(H

^

E)

:

NahAnnahme giltfur

;(H

^

E)

<0 :

Daher folgt

E

0

;(H

^

E)H

;(H

^

E)

=

^

EhHi hH 2

i

^

E hHi

=hHi

(H) 2

^

E hHi :

Um diese Ungleihung anwenden zu konnen, b enotigt man Infor-

(21)

Eigenvektor

0

zurGrundzustandsenergie E

0

b ekanntist,so giltnah

dem Variationsprinzip

E

1

= inf

? 0;kk=1

;H

:

Ist

0

nihtb ekannt, so b etrahtetman furjedes 2HdieGroe

E

1

( )= inf

? ;kk=1

;H

Oenbar gilt E

1

( ) E

1

. Daraus folgt das sogenannte Minimax-

Prinzip

E

1

=sup inf

? ;kk=1

;H

:

Allgemeingiltfurden n-tenEigenwertE

n

,von unten an mitMultipli-

zitat gezahlt,

E

n

= sup

1

;:::; n2H

inf

?

1

;:::;

n

;

kk=1

;H

:

AusdemMinimax-PrinzipergibtsihsofortdieplausibleAussage,dass

p ositive Storungen die Eigenwerte erhohen: seien H

1 , H

2

selbstadjun-

giert mitdemselb enDenitionsb ereih,und sei

;H

1

;H

2

fur alle 2 D(H

1

) = D(H

2

). Dann ist der n-te Eigenwert von H

1

groer o der gleihdemn-ten Eigenwertvon H

2 .

Zur praktishen Anwendung des Minimax-Prinzips dient das fol-

gende Corollar:

Corollar 1. SeiV einn-dimansionalerTeilraumvonD(H),und

sei P der Ortogonalprojektor auf V. Seien

^

E

1

:::

^

E

n

die Eigen-

wertevon PHP, eingeshranktauf V. Dann gilt

E

k

^

E

k

; k =1;::: ;n :

Beweis:

^

E

k

= sup

1

;:::;

k 1 2V

inf

?

1

;:::;

k 1

;

2V;kk=1

;H

= sup

1

;:::;

k 1 2H

inf

?

1

;::: ;

k 1

;

2V;kk=1

;H

sup

1

;:::;

k 1 2H

inf

?

1

;:::;

k 1

;

2D(H);kk=1

;H

=E

k :

(22)

22 I.NAHERUNGSVERFAHREN

3. Zeitabhangige Storungstheorie

WirwollenindiesemAbshnittdiezeitliheEntwiklungvonZustanden

approximativb erehnen. Hierb eisind wir vor alleman zeitabhangigen

Hamiltonop eratoren interessiert.

Sei H(t) einedurh die Zeitt parametrisierteFamilieselbstadjun-

gierter Op eratoren. Zur Losung der Shrodingergleihung

i

t

(t)=H(t) (t)

suhen wir eine Familie unitarer Op eratoren U(t

1

;t

2

) mit den Eigen-

shaften

i

t U(t;t

0

)=H(t)U(t;t

0 ) ;

U(t

1

;t

2 )U(t

2

;t

3

)=U(t

1

;t

3 ) ;

U(t;t)=1 :

Dann ist

(t)=U(t;t

0 )

0

eineLosung der Shrodingergleihung mitder Anfangsb edingung

(t

0 )=

0 :

Um U zu nden, formt man die Dierentialgleihung fur U in eine

Integralgleihungum(t >t

0 ),

U(t;t

0

)=1 i Z

t

t

0 dt

1 H(t

1 )U(t

1

;t

0 ) ;

und lost diese durhIteration:

U(t;t

0

)=1 i Z

t

t

0 dt

1 H(t

1

)+( i) 2

Z

t

t

0 dt

1 Z

t

1

t

0 dt

2 H(t

1 )H(t

2 )

++( i) n

Z

t

t

0 dt

1

Z

tn

1

t

0 dt

n H(t

1

)H(t

n )+

Die obigeReihenenntmandieDyson-Reihe;siespieltinder Quanten-

feldtheorie eine groe Rolle. Mit dem Begri des zeitgeordneten Pro-

dukts lasst sie sihin eine



ub ersihtliheFormbringen:

Definition I.1. SeiA(t)eineop eratorwertigeFunktionvont.Dann

deniert man das zeitgeordnetePro dukt

TA(t

1

)A(t

n )

als dieop eratorwertige symmetrisheFunktion der n reellenVariablen

t

1

;:::;t

n

mitder Eigenshaft

TA(t

1

)A(t

n

)=A(t

1

)A(t

n ) ;

falls dieArgumentezeitgeordnet sind, t t t .

(23)

3.ZEITABHANGIGE STORUNGSTHEORIE 23

Damit erhalt dieDyson-Reihe dieForm

U(t;t

0 )=

1

X

n=0 ( i)

n

n!

Z

[t

0

;t℄

n d

n

tTH(t

1

)H(t

n )

=:Te i

R

t

t

0 dt

0

H(t 0

)

;

wob ei der Ausdruk in der letzten Zeile,das

"

zeitgeordnete Exp onen-

tial\,durhdie angegeb ene Reihedeniertwird.

Die Dyson-Reihe ist b esonders dann nutzlih, wenn man die zeit-

liheEntwiklung furvershiedeneHamiltonop eratoren vergleiht.Sei

U

0 (t;t

0

) dieFamilieder Zeitentwiklungsop eratoren zuden Hamilton-

op eratoren H

0

(t) und sei

H

1

(t)=U

0 (t;t

0 )

1

(H(t) H

0 (t))U

0 (t;t

0 ) :

Wir b etrahten die unitaren Op eratoren

U

1 (t;t

0

)=Te i

R

t

t

0 dt

0

H

1 (t

0

)

:

Dann gilt

U(t;t

0 )=U

0 (t;t

0 )U

1 (t;t

0 )

Als Anwendung b erehnen wir die



Ub ergangswahrsheinlihkeit zwi-

shen stationaren Zustanden eines zeitunabhangigen Hamiltonop era-

tors H

0

unterdemEinuss eines zeitabhangigen StortermsH(t) H

0 .

Seien

i

und

f

normierteEigenvektorenvonH

0

mitEnergeieigenwer-

ten E

i 6= E

f

. Zur Zeit t

0

sei das Systemim Anfangszustand

i

. Dann

ist dieWahrsheinlihkeit,das System zur Zeit t > t

0

im Zustand

f

zu nden,gegeb en durh

W

i!f (t;t

0

)=j

f

;U(t;t

0 )

i

j 2

=j

f

;U

1 (t;t

0 )

i

j 2

:

In untersterOrdnung inder Storung ndetman

W

i!f (t;t

0 )=j

Z

t

t

0 dt

0

f

;H(t)

i

e i(t

0

t

0 )(E

f E

i )

j 2

WeihtH(t) nur ineinemendlihenZeitintervallvon H

0

ab, und ist

W

i!f

= lim

t0! 1;t!1 W

i!f (t;t

0 );

so gilt

W

i!f

=2j [

h

i!f (!

if )j

2

;h

i!f

(t) =

f

;H(t)

i

;!

if

=E

i E

f :

Sei z.B.H(t) =H

0

+Af(t)+A

f(t) mitsuppf kompakt. Dann ist

W =2j

^

f(! ) ;A

+

^

f( ! ) ;A

j 2

:

(24)

24 I.NAHERUNGSVERFAHREN

Ist f(t)=e i! t

fur t2[ T=2;T=2℄ und Null auerhalb, so ist

^

f(!

if )=

(2) 1

2sin(! !

if )T=2

! !

if

.Die



Ub ergangswahrsheinlihkeitzeigtb ei!!

if

ein Resonanzverhalten,

W

i!f

j

f

;A

i

j 2

4sin 2

(! !

if )T=2

(! !

if )

2

T 2

j

f

;A

i

j 2

:

In vielenFallen, z.B.b ei der Bestrahlung eines Atoms mitinkoharen-

tem Liht,kann f als eineZufallsvariable angesehen werden, mitdem

statistishen Mittelwertder 2-Punkkorrelationen

hf(t)f(t 0

)i= Z

d!I(!)e i! (t t

0

)

hf(t)f(t 0

)i=0=hf(t)f(t 0

)i:

Ist dieQuelleeineZeitT lang eingeshaltet,so giltfurdie



Ub ergangs-

wahrsheinlihkeitimstatistishen Mittel

W

i!f

= Z

d!I(!) j

f

;A

i

j 2

4sin 2

(! !

if )T=2

(! !

if )

2

+j

f

;A

i

j 2

4sin 2

(!+!

if )T=2

(!+!

if )

2

:

Ist die Frequenzverteilung I konzentriert b ei !

if

, so kann der zweite

Termvernahlassigtwerden.Setzenwir ! 0

=(! !

if

)T,so ergibt sih

W

i!f T

Z

d!

0

I(!

if +

! 0

T )

4sin 2

! 0

=2

! 0

2

Ist I stetig, so wahst die



Ub ergangswahrsheinlihkeitlinear an, und

man erhalt fur die



Ub ergangsrate w

i!f (



Ub ergangswahrsheinlihkeit

pro Zeit) den Ausdruk

w

i!f

=2I(!

if )j

f

;A

i

j 2

Hierb ei hab en wir die Formel

Z

d!

4sin 2

!=2

! 2

=2

ausgenutzt.

Als eine Anwendung b etrahten wir das Wasserstoatom im elek-

tromagnetishen Feld. Wirb eshreib en dieWelledurheinVektorp o-

tentialA(x;t), das die Wellengleihung

(

2

t 2

)A(x;t)=0

erfulltund der Coulomb eihb edingung

(25)

3.ZEITABHANGIGE STORUNGSTHEORIE 25

genugt. Der Hamiltonop eratorist

H(t)= 1

2m

(p eA) 2

e 2

4jxj ge

2m SB

mit demMagnetfeldB =rotA. Wirsetzen

H

0

= 1

2m jpj

2 e

2

4jxj

und wievorher

H

1

(t)=e iH0t

( e

2m pA

ge

2m

SB+ e

2

2m jAj

2

)e iH0t

:

Wir wollen voraussetzen, dass das magnetisheFeld so klein ist, dass

der quadratisheTerminAvernahlassigtwerdenkann. Nahdervor-

angegangenen Diskussion kommtder Hauptb eitrag furdie



Ub ergangs-

wahrsheinlihkeitvon den Frequenzen, die nahe b ei !

if

liegen. Die

zugehorigenWellenlangensind groverglihenmitdemBohrshenRa-

dius

= 2

!

if

2

m 2

=a 2

mit der Feinstrukturkonstante = e

2

4

1=137. Wir konnendaher die

Ortsabhangigkeit von A (und damit B) vernahlassigen.Wir erhalten

furdie



Ub ergangswahrsheinlihkeitin1. Ordnung

W

i!f

=2 e

2

m 2

j

^

A(!

if )

f

;p

i

j 2

:

Nutzt man no h aus, dass wegen

f

;x(t)

i

=e i!

if t

f

;x(0)

i

gilt

f

;p

i

= i!

if

m

f

;x

i

;

sowie dass das elektrishe Feld E durh E =

t

A gegeb en ist (fur

dieFouriertransformiertengiltalso

^

E(!)=i!

^

A(!)),so ndetmandie

Formel

W

i!f

=2e 2

j

^

E(!

if )

f

;x

i

j 2

:



Ub ergange, b ei denen dieser Term dominiert, nennt man elektrishe

Dip olub ergange.



Ub ergange,b ei denen das Matrixelelement

f

;x

i

vershwindet, nennt man verb oten. Tatsahlih konnen auh die ver-

b otenen



Ub ergange auftreten, ab er ihre Intensitat ist geringer. Man

ndet als Auswahlregel fur erlaubte



Ub ergange (falls das elektrishe

Feld in z-Rihtung zeigt) m = 0;l = 1, wie sih leiht aus den

Eigenshaften der Kugelfunktionen ergibt,

Y ;os Y 0 0

=0furm 6=m 0

o der jl l 0

j6=1 :

(26)

26 I.NAHERUNGSVERFAHREN



Ub ergange mit E

f

> E

i

nennt man Absorption; das Atom ab-

sorbiert ein Quant der Groe ! = E

f E

i

aus dem Strahlungsfeld;



Ub ergange mit E

f

< E

i

nennt man induzierte Emission; das Atom

emittiert ein Quant der Groe E

i E

f

. Dieser Prozess ist die Grund-

lage furden Laser.

Bei inkoharenter linear p olarisierter Strahlung mit Polarisations-

rihtung n ndet manals



Ub ergangsrate

w

i!f

=e 2

I(!

if )j

i

;nx

i

j 2

wob ei I(!)d! die Intensitat der elektromagnetishen Welle im Fre-

quenzb ereih[j!j;j!j+d!℄ ist.

Als nahstes b etrahten wir die



Ub ergangswahrsheinlihkeit b ei

einer konstanten Storung. Dieser Fall ist b esonders dann interessant,

wenn ein Eigenwert des ungestorten Hamiltonop erators niht isoliert

liegt und daherb ereits durh kleineStorungen instabilwird.

Sei E

0

ein Eigenwert des ungestorten Hamiltonop erators H

0 mit

(normierter) Eigenfunktion , und seien

k

, k 2 R n

shwahe

EigenvektorenvonH

0

mitEigenwertenE(k),dieeineverallgemeinerte

Orthonormalbasis des orthogonalen Komplements von bilden, d.h.

es gibt einMa auf , so dass gilt

; 0

= Z

d(k) ;

k

k

; 0

+ ;

; 0

(Vollstandigkeit) und so dass fur alle 2 L 2

(;) ein 2 H, ?

existiert mit

k

;

=(k) :

FurdieZerfallswahrsheinlihkeitdes Zustands zur Zeitt nahEin-

shalten einerzeitlihkonstanten Storung H

1

gilt in1. Ordnung

W(t)= Z

d(k)j

k

;H

1

j 2

4sin 2

(E(k) E

0 )t=2

(E(k) E

0 )

2 :

FurgroetkommtderHauptb eitragvondenshwahenEigenvektoren

mit EnergieE(k)E

0

.Wir nehmen an, dass

g(E)= Z

d(k)j

k

;H

1

j 2

Æ(E(k) E)

in der Nahe von E

0

eine stetige Funktion ist (g(E)dE ist auf jeden

Fall ein wohldeniertes Ma). Dann folgt wie vorher, dass die Wahr-

sheinlihkeit prop ortional zur Zeit anwahst, und man ndet fur die

Zerfallsrate

w=2 Z

d(k)j

k

;H

1

j 2

Æ(E(k) E

0 )=:

(Fermis Goldene Regel\).

(27)

3.ZEITABHANGIGE STORUNGSTHEORIE 27

=2 lasst sih im folgenden Sinn als Imaginarteil der Energie in

zweiterOrdnungStorungstheorie interpretieren.ImFallisolierternih-

tentarteter Eigenwertehatten wir fur die Korrektur zweiter Ordnung

gefunden

E

2

= PH

1 ;(H

0 E

0 )

1

PH

1

;

wob ei P der Projektor auf das orthogonale Komplement von ist.

Wenn E

0

niht isoliert ist, dann ist (H

0 E

0 )

1

auf PH niht b e-

shrankt. Manb etrahtetstattdessen furImz >0

E

2

(z)= PH

1 ;(H

0 z)

1

PH

1

= Z

d(k)j

k

;H

1

j 2

(E(k) z) 1

Mit limIm 1

x i"

=Æ(x)ergibt sih

limImE

2 (E

0

+i")= =2 :

Als eine Anwendung b etrahten wir die sp ontane Emission. Die-

se ist im Rahmen der Quantenmehanik niht ableitbar. Sie b eruht

darauf, dass ein quantisierteselektromagnetishes Feldnihtidentish

vershwindenkann, weildieOp eratoren der elektrishenund magneti-

shen FeldstarkekanonisheVertaushungsrelationen b esitzenund da-

her Unsharferelationenerfullen.

Wir b etrahten einenHilb ertraum, der einTensorpro dukt des Hil-

b ertraumsdesuntersuhtenatomarenSystemmitdemHilb ertraumder

Photonen ist. Anfangs ist das System im Zustand

i

j0i, wob ei j0i

den Vakuumzustand des elektromagnetishen Feldes b ezeihnet. Das

gekopp elte System b esitzt ab er, wenn

i

niht der Grundzustand ist,

kontinuierlihesSp ektrum nahe b ei E

i

, namlihdie shwahen Eigen-

vektoren

f

jk;i mit jkj E

i E

f

. Hierb ei b ezeihnet jk;i den

1-Photonzustand mitImpulskund Polarisation . Wir normierendie

uneigentlihen 1-Photonzustande mitsharfemImpulsdurh

hk;jk 0

; 0

i=2jkjÆ(k k 0

0

(Diese Normierung hat den Vorteil, dass sie lorentzinvariant ist.) Um

Fermisgoldene Regel anwenden zukonnen, b erehnen wir dieMatrix-

elementedes Wehselwirkungsterms eAp=m. Hierb ei ist A(x) ein

Op erator im Fo kraum der Photonen, der aus dem Vakuum einen 1-

Photonzustand erzeugt.Es gilt

hk;jA(x)j0i =(2) 3=2

e ikx

e

Die Polarisationsvektoren e

; = 1;2 sind dab ei eine orthonormale

Basis des Orthogonalraums von k.Die Wellenlange,dieden atomaren



Ub ergangen entspriht, istsehr viel groer als der Radius der Atome,

daher kanne ikx

b eider Berehnungder Matrixelementezwishen

(28)

28 I.NAHERUNGSVERFAHREN

und

i

gleih1gesetztwerden.WirndenfurdieZerfallsratenahder

goldenen Regel

w=2 e

2

m 2

Z

d 3

k

2jkj X

Æ(jkj !

if )j

f

;hk;jA(x)j0ip

i

j 2

=2e 2

! 2

if j

f

;x

i

j 2

(2) 3

Z

dk k

2

Æ(k !

if )2

Z

dsin (1 os 2

)

= 4

3

! 3

if j

f

;x

i

j 2

:

4. Plotzliheund adiabatishe



Anderungen

WirwollenjetztzweiExtremfallezeitlihveranderliherHamilton-

op eratoren untersuhen. Sei H(s), s 2 [0;1℄ eine Familieselbstadjun-

gierter Op eratoren.Wir skalierendieZeitabhangigkeitvon H und set-

zenH

(t)=H(t=),t2[0;℄.Wiruntersuhendie-Abhangigkeitder

zugehorigen Zeitentwiklungsop eratoren U

(t;0). Zunahst b eshafti-

gen wiruns mitderplotzlihen



Anderung( !0).EsgiltdieIntegral-

gleihung

U

(s;0) =1 i Z

s

0 ds

0

H(s 0

)U

(s

0

;t) :

Ist H(s) gleihmaigb eshrankt,kH(s)k<,so folgt

kU

(s;0) 1k;

d.h. U

(s) ! 1 im Limes ! 0. Bei sprungartiger



Anderung des

Hamiltonop erators

H(t)=H

i

; i2[t

i

;t

i+1

℄ ; t

0

<t

1

<:::<t

n

tragenalso dieSprungstellennihtszumZeitentwiklungsop eratorb ei,

und wir erhalten

U(t;t 0

)=e iH

j (t t

j )

e iH

j 1 (t

j t

j 1 )

e iH

k 1 (t

k t

0

)

;

falls t

k 1 t

0

t

j

t t

j+1 .

EinBeispielfureineplotzlihe



Anderungistdie



AnderungdesCou-

lombfeldseines Kerns infolgeeines -Zerfalls.

Der andere Extremfall ist der adiabatishe (unendlih langsame)



Ub ergang. Hierb ei b etrahtet man den Limes ! 1. Sei E(s) ein

isolierter Eigenwert von H(s), s 2 [0;1℄, mit Sp ektralprojektor P(s),

so dassdieop eratorwertigenFunktionenH(s),E(s)undP(s)(ineinem

zuprazisierendenSinn)genugendglattsind.ImRahmenderStorungs-

theoriehab enwireineFamilieunitarerOp eratorenV

s

gefunden,dieden

Sp ektralprojektor P(s)in P(0)



ub erfuhren,

V

s

P(0) =P(s)V

s

;

und durhdieDierentialgleihung

d

V

s

=[ d

P(s);P(s)℄V

s

(29)

4. PLOTZLICHEUND ADIABATISCHEANDERUNGEN 29

und dieAnfangsb edingung V

0

=1b estimmtsind. Insb esondere gilt

P(s)V 0

s

P(0) =P(s)[P 0

(s);P(s)℄V

s

P(0)=P(s)[P 0

(s);P(s)℄P(s)V

s

=0:

Es gilt nun, dass der Zeitentwiklungsop erator U

(s;0) bis auf einen

oszillierendenFaktorgegenV

s

strebt.DieadiabatisheZeitentwiklung

fuhrt also Eigenzustande in Eigenzustande



ub er. Es gilt das Adiaba-

tentheorem

Theorem I.4.

k U

(s;0) e i

R

s

0 ds

0

E(s 0

)

V

s

P(0)k onst 1

:

Beweis: Sei W

(s)= U

(s;0)e i

R

s

0 ds

0

E(s 0

)

. Wir wollen zeigen, dass

dieNormvon (W

(s)

V

s

1)P(0)wie 1

gegenNullkonvergiert.Wir

b etrahten dieAbleitungdieses Op erators nahs,

d

ds W

(s)

V

s

P(0)= d

ds W

(s)

V

s

P(0)+W

(s)

d

ds V

s P(0) :

Es gelten dieBeziehungen

d

ds W

(s)

=iW

(s)

H(s) E(s)

;

V

s

P(0) =P(s)V

s

;

und

H(s) E(s)

P(s)=0 :

Daher vershwindetder erste TerminderAbleitung.ImzweitenTerm

konnen wir wegen P(s)V 0

s

P(0) = 0 einen Faktor (1 P(s)) vor V 0

s

einfugen.

NahVoraussetzung istE(s)imSp ektrumvonH(s)isoliert.Daher

existiertdasInversevon H(s) E(s)auf(1 P(s))H,und wirkonnen

die Beziehung

W

(s)

(1 P(s))= 1

i d

ds W

(s)

(H(s) E(s)) 1

(1 P(s))

b enutzen.Wir nden

d

ds W

(s)

V

s

P(0) = 1

i d

ds W

(s)

A(s)

mit

A(s) =(H(s) E(s)) 1

(1 P(s)) d

ds V

s P(0) :

Durhpartielle Integration erhaltenwir shlielih

(W

(s)

V

s

1)P(0)= 1

i

W

(s)

A(s) A(0) Z

ds 0

W

(s

0

)

d

ds 0

A(s 0

)

:

Unterder Voraussetzung, dass A und seine Ableitunggleihmaig b e-

shrankt sind (hierfur ist die Isoliertheit von E(s) wesentlih), erhalt

(30)

30 I.NAHERUNGSVERFAHREN

Beilangsamen



AnderungenbleibteinSystemalsoineinemEigenzu-

stand.Beip erio dishen



AnderungenkehrtesdaherzumGrundzustand

des ursprunglihen Hamiltonop erators zuruk, wenn es zu Beginn im

Grundzustand war; der Op erator V

s

kann ab er selbst imnihtentarte-

ten Fallvershieden von 1sein.(

"

Berry-Phase\).

(31)

Der klassishe Limes

1. Klassishe Mehanik als Grenzfall der Quantenmehanik

Beider BegrundungderQuantenmehanikhatdas Korresp ondenz-

prinzipeinegroe Rollegespielt.NahdiesemPrinzipmussendieAus-

sagen der Quantenmehanik in den Bereihen, in denen die klassishe

Mehanik gultig ist,mitdieser (approximativ)



ub ereinstimmen.

EineerstePrazisierungdieserheuristishenForderungistdasEhrenfest-

Theorem

m d

2

dt 2

hxi=hF(x)i

mitF= gradV.FallshF(x)i=F(hxi), alsofurkonstanteund linea-

re Kraftgesetze, genugen die Erwartungswerte den klassishen Bewe-

gungsgleihungen.

Wir wollen die Abweihungen von der klassishen Bahn untersu-

hen. Seien fur einen Zustand die Erwartungswerte von Ort und Ge-

shwindigkeitdurh

hxi =

~

0

; hxi_ =~

0

gegeb en. Sei

~

(t) die Losung der klassishen Bewegungsgleihung mit

den Anfangsb edingungen

~

(0)=

~

0

; _

~

(0)=~

0 :

Dann gilt(imHeisenb erg-Bild)furdieAbweihungvonderklassishen

Bahn dieGleihung

m d

2

dt 2

x(t)

~

(t)

=gradV((t)) gradV(x(t)):

Wir entwikelnjetzt V biszur 2.Ordnung umdieklassishe Bahn,

V(x)=V(

~

(t))+gradV(

~

(t))(x

~

(t))

+ 1

2 X

2

V

x

i x

j (

~

(t))(x

i

i (t))(x

j

j (t)):

In dieser Ordnung erhalt man dieBewegungsgleihung

m d

2

dt 2

x

i

(t)

i (t)

= X

j

i

j V(

~

(t))(x

j

(t)

j (t)):

(32)

Die Abweihung von der klasishen Bahn gehorht also einem Bewe-

gungsgesetzmitlinearerKraft; fallsdieMatrixderpartiellenAbleitun-

gen (

i

j

V) p ositiv denit ist, oszilliert x(t) um die klassishe Bahn,

sonst wahst die Abweihung linear in t (b ei Null-Eigenwerten) o der

exp onentiell(b ei negativenEigenwerten).

2. Die WKB-Methode

Diese nah Wenzel, Kramers und Brillouinb enannte Metho de b e-

ruht auf einer Entwiklung der Wellenfunktionennah~.

Sei

~

(x)eine~-abhangigeFamilievonEigenfunktionenderHamil-

tonop eratoren

H

~

=

~ 2

2m d

2

dx 2

+V(x)

in einer Dimension.Wir mahen den Ansatz

~

(x)=A(x)e i

~ S(x)

mit A und S gerade in ~. Die Eigenwertgleihungfur

~

fuhrt zu der

Gleihung

~ 2

2m

1

~ 2

(S 0

) 2

+ i

~ S

00

+ 2i

~ A

0

A S

0

+ A

00

A

+V E =0 :

Zerlegung in den geraden und den ungeraden Anteil in ~ ergibt die

b eiden Gleihungen

(S 0

) 2

2m(E V)=~ 2

A 00

A

; (I I.1)

2A 0

S 0

+AS 00

=0:

Die zweiteGleihung lat sihintegrieren.Esgilt

(lnA) 0

= A

0

A

= 1

2 S

00

S 0

= 1

2 (lnS

0

) 0

:

Also erhaltenwir alsLosung

A=(S 0

) 1

2

; 2C :

Hieraus folgt

A 00

A

= 3

4 (S

00

) 2

(S 0

) 2

1

2 S

000

S 0

:

Einsetzenindie Gleihung(I I.1)ergibt diefolgende nihtlineareDie-

rentialgleihungfur S

(S 0

) 2

=2m(E V)+~ 2

3

4 (S

00

) 2

(S 0

) 2

1

2 S

000

S 0

: (I I.2)

Die WKB-Naherung b esteht nun darin, S nah Potenzen von ~ 2

zu

entwikeln,

S =S +~ 2

S +::: :

(33)

In untersterOrdnung erhalt mandie Gleihung

(S 0

0 )

2

=2m(E V) :

Im klassish erlaubten BereihE > V(x)deniert man diereduzierte

Wellenlange

(x)=

~

p

2m(E V(x))

und ndetals Losungen

S 0

0

=

~

;

also

S

0

=

1 ~

Z

dx

; A=

2 p

:

Furdie Wellenfunktionergibt sihdamit

= p

e i

R

dx

:

Als approximativeLosungen der Shrodingergleihungwahlen wir alle

Linearkombinationender gefundenen Wellenfunktionen.

Entsprehend erhalt man imklassishverb otenen Bereih

= p

l e

R

dx

l

mit der Eindringtiefe

l (x)=

~

p

2m(V(x) E) :

UmeinenEindrukvonderGutederApproximationzub ekommen,

b estimmenwir dieerste KorrekturS

1

.Es gilt

2S 0

0 S

0

1

= 3

4 (S

00

0 )

2

(S 0

0 )

2 1

2 S

000

0

S 0

0 :

Imklassish erlaubten BereihE >V ndet man

~S 0

1

= 1

4

00

2

8

:

Wir erwarten daher, dass die WKB-Naherung nur da gut ist, wo sih

die reduzierte Wellenlange wenig



andert. Entsprehend ndet man

furden klassish verb otenenBereihE <V das Kriteriumjl 0

j1.

Dieses Kriterium ist siher an den klassishen Umkehrpunkten x

0

mitE =V(x

0

)verletzt.Wenn dieAbleitungvon V an diesenPunkten

niht vershwindet,konnen wir V durh eine lineare Funktion appro-

ximieren,

V(x)E F(x x ) ;

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

Bei einer Multipliktion wird das wahre Er- gebnis wenig verf¨alscht, wenn man den einen Faktor etwas aufrundet und den anderen zum Ausgleich etwas abrundet.. Dagegen bei der

Aufgabe 2 Unit¨ are und Hermitesche Matrizen (5 Punkte) Sei H ∈ C n×n eine Hermitesche Matrix und.. U ≡

Aufgabe 2 Unit¨ are und Hermitesche Matrizen (5 Punkte) Sei H ∈ C n×n eine Hermitesche Matrix und.. U ≡

Humboldt-Universit¨at zu Berlin Institut f¨ ur

Die obigen Argumente gelten also auch f¨ ur

[r]

klassishen Mehanik, dass die Observablen durh Op eratoren darge-.. stellt werden, die niht notwendig

wir betrachten Abbildungen auf Euklidischen oder unit¨aren