对于大量的实际物理问题,
Schrodinger方程能有精确解的情况很少。通常体系的
Hamilton 量是比较复杂的,往往不能精确求解。因此,在处理复杂的实际问题时,量子力学求问题近似解的方法(简称近似方法)就显得特别重要。
简介
对于大量的实际物理问题,
Schrodinger方程能有精确解的情况很少。通常体系的
Hamilton 量是比较复杂的,往往不能精确求解。因此,在处理复杂的实际问题时,量子力学求问题近似解的方法(简称近似方法)就显得特别重要。
近似方法的出发点:近似方法通常是从简单问题的精确解(解析解)出发,来求较复杂问题的近似(解析)解。常用的近似方法有微扰论、
变分法等等
量子力学体系的哈密顿算符不是时间的显函数时,通过求解
定态薛定谔方程,讨论
定态波函数。除少数特例外,定态薛定谔方程一般很难严格求解,这样近似方法在量子力学中就显得十分重要。
微扰论是各种近似方法中最基本的一种,它的许多结果几乎成为量子力学理论的组成部分。和变分法配合使用可以得出精确度较高的结果。
定态微扰理论
求解定态薛定谔方程
时,若可以把不显函时间的分为大、小两部分:
其中 :
(1)的本征值和本征函数是可以精确求解的,或已有确定的结果
(2)很小,称为加在上的微扰,有时为了表达这种微扰的程度,常引入一个很小参数,将微扰写成
下面以分离谱为例,分两种情况进行讨论。
非简并态微扰论
微扰对非简并态的影响
非简并态是指的每一个本征值只有一个本征函数与之对应,当加上微扰时,,所以,,即微扰的出现是能级和波函数发生变化。
微扰的基本思想
微扰的基本思想就是以逐步近似的精神求解
薛定谔方程。当
时,受微扰后的能级和波函数以的幂级数展开:
与称为零级近似能量和零级近似波函数,是未受微扰时的本征能量和本征函数,也是我们求解微扰问题的必备基本条件,后面各项按的幂次称为一级修正、二级修正、…
把(4)、(5)式代入
薛定谔方程(1)中,得到以的幂次区分的一系列方程:
求解以上方程便可得能量和波函数的一级修正、二级修正、…
各级修正公式
零级近似:由(6)式可得零级近似即为与。
一级修正:首先将用展开:
代表求和项中不包含l=n项,这是因为附加在上仍是(6)式的解。代入(7)式,然后将上式两边同乘以并对空间积分,注意l≠n及的正交归一性,得能量的一级修正为
能量的一级修正等于在态(零级近似)下的平均值。
同理得到波函数的一级修正为
说明
①用微扰矩阵元求时,要“对号入座”;
②要充分利用H'对称性,以减少计算量 ;
③在有些问题中,,这时有必要计算能量的二级修正值;若,一级修正已够用。至于,一般求和项不可能全为零,故,一级修正即可。
微扰论的适用范围
一是要求微扰本身应很小;
二是要求能级间隔较大,二者是相对的。
简并态微扰论
简并态下,微扰的作用可能使能级发生分裂,即微扰可使简并消除或部分消除
零级近似
设的某个能级是k度简并的
当微扰加入后,薛定谔方程变为
即便只考虑零级近似,波函数也不一定是原来的,而可能是那些简并本征态的线性组合,这同非简并态不同,确定零级近似波函数是非常重要的一步。
能量的一级修正
简并情况下能级的一级近似为:
若k个根各不相等,则简并能级分裂成k个,简并完全消除;
若的k个根中仍有重根,则简并只是部分消除。
零级近似波函数
从
久期方程解出后,把每一个分别代入,解出(一般只能解出之间的比例,要归一化后才能确定),即可得到与相对应的零级近似波函数。对应于k个不等的,这样的方程组要解k个。