Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

102

Quantum physics

 

 

4.6Perturbation theory

Time-independent perturbation theory

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

unperturbed Hamiltonian

 

 

ˆ

ψn = Enψn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.152)

H0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

Unperturbed

H0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eigenfunctions of H0

states

 

(ψn nondegenerate)

 

 

 

 

 

En

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

eigenvalues of H0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

integer ≥ 0

Perturbed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

perturbed Hamiltonian

Hˆ = Hˆ 0 + Hˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.153)

H

Hamiltonian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hˆ

perturbation ( Hˆ 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perturbed

E

= Ek +

 

ψk

|

Hˆ

 

ψk

 

 

 

 

 

Ek

perturbed eigenvalue ( Ek)

k

 

 

 

|

 

 

ˆ

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eigenvaluesa

 

+

 

 

 

| ψk|H |ψn |

+ ...

(4.154)

||

Dirac bracket

 

 

 

 

n=k

 

 

Ek

 

 

En

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perturbed

 

 

 

 

ψk|Hˆ |ψn

 

 

 

ψk

perturbed eigenfunction

eigen-

 

ψk

= ψk +

 

ψn + ...

(4.155)

 

 

 

 

functions

b

 

 

 

Ek

En

 

 

 

 

(

ψk)

 

 

 

 

n=k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aTo second order.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bTo first order.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Time-dependent perturbation theory

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

unperturbed Hamiltonian

Unperturbed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H0

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψn

ˆ

stationary

 

 

 

 

 

ψn

 

 

 

 

 

 

(4.156)

eigenfunctions of H0

 

 

H0ψn = En

 

 

 

 

 

 

En

ˆ

states

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eigenvalues of H0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

integer ≥ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

perturbed Hamiltonian

Perturbed

 

 

Hˆ (t) = Hˆ 0 + Hˆ (t)

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

 

 

(4.157)

Hˆ (t)

perturbation ( Hˆ 0)

Hamiltonian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

time

Schrodinger¨

[Hˆ 0 + Hˆ (t)]Ψ(t) = i¯h

Ψ(t)

 

(4.158)

Ψ

wavefunction

 

∂t

equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ0

initial state

 

 

Ψ(t = 0) = ψ0

 

 

 

 

 

 

(4.159)

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

(Planck constant)/(2π)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perturbed

 

 

Ψ(t) =

cn(t)ψn exp(

iEnt/¯h)

(4.160)

 

 

wave-

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

cn

probability amplitudes

functiona

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−i

 

t

 

Hˆ (t )

 

 

 

 

 

E0)t /¯h] dt

 

 

 

cn =

 

 

ψn

ψ0 exp[i(En

(4.161)

 

 

 

¯h 0

|

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fermi’s

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

Γif

transition probability per

 

 

 

| ψf|Hˆ |ψi

|2ρ(Ef)

 

 

unit time from state i to

golden rule

 

Γif =

 

 

(4.162)

 

state f

 

¯h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ(Ef )

density of final states

aTo first order.

4.7 High energy and nuclear physics

103

 

 

4.7 High energy and nuclear physics

Nuclear decay

Nuclear decay

N(t) = N(0)eλt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N(t) number of nuclei

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.163)

 

remaining after time t

 

 

law

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

time

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln2

 

 

 

 

 

(4.164)

λ

decay constant

 

 

 

 

Half-life and

 

T1/2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

T1/2

half-life

 

 

 

 

mean life

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = 1

 

 

 

 

 

(4.165)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

mean lifetime

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Successive decays 1 → 2 → 3 (species 3 stable)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

N1(t) = N1(0)eλ1t

 

 

 

 

 

(4.166)

N1

population of species 1

 

 

 

 

N1(0)λ1(eλ1t − eλ2t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N2(t) = N2

(0)eλ2t +

 

 

 

 

(4.167)

N2

population of species 2

 

 

N3(t) = N3

 

 

 

 

λ2 λ1

1 +

 

λ2

λ1

 

 

N3

population of species 3

 

(0) + N2(0)(1 − eλ2t) + N1(0)

 

 

λ2

decay constant 2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ1e

λ2t

 

λ2e

 

λ1t

 

λ1

decay constant 1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.168)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

velocity of α particle

 

 

 

v3 = a(R x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Geiger’s lawa

 

 

 

 

 

(4.169)

x

distance from source

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

constant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

range

 

 

 

 

Geiger–Nuttall

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

logλ = b+ clogR

 

 

 

 

 

(4.170)

b, c

constants for each

 

 

 

rule

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

series α, β, and γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor α particles in air (empirical).

Nuclear binding energy

Liquid drop modela

 

 

 

 

 

 

 

N

number of neutrons

 

 

 

 

 

 

 

A

mass number (= N + Z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aa (N Z)2

 

 

B = avA

 

asA2/3

 

ac

Z2

+ δ(A)

 

B

semi-empirical binding energy

 

 

 

 

 

 

A1/3

 

A

 

(4.171)

Z

number of protons

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

av

volume term ( 15.8MeV)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+apA−3/4

 

Z, N both even

 

 

as

surface term ( 18.0MeV)

δ(A)

 

 

 

apA−3/4

 

Z, N both odd

 

(4.172)

ac

Coulomb term ( 0.72MeV)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aa

asymmetry term ( 23.5MeV)

 

 

0

 

 

 

 

otherwise

 

 

ap

pairing term ( 33.5MeV)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M(Z,A) atomic mass

Semi-empirical

 

 

 

 

 

 

 

 

M(Z,A) = ZMH + Nmn B

(4.173)

MH

mass of hydrogen atom

mass formula

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mn

neutron mass

aCoe cient values are empirical and approximate.

104 Quantum physics

Nuclear collisions

 

 

 

 

 

 

 

σ(E) =

π

 

 

 

 

 

 

ΓabΓc

 

 

 

 

 

 

(4.174)

σ(E) cross-section for a+ b c

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

incoming wavenumber

Breit–Wigner

 

 

k2

(E

 

 

E )2

+ Γ2/4

 

formula

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

spin factor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2J + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.175)

E

total energy (PE + KE)

 

 

 

 

 

 

 

g = (2sa + 1)(2sb + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E0

resonant energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γ

width of resonant state R

Total width

 

 

Γ = Γab + Γc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.176)

Γab

partial width into a+ b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Γc

partial width into c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ

resonance lifetime

Resonance

 

 

τ =

¯h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.177)

J

total angular momentum

lifetime

 

 

 

 

Γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

quantum number of R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sa,b

spins of a and b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dσ

 

di erential collision

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dΩ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

 

 

 

 

cross-section

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinKr

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Born scattering

 

dσ

 

 

 

2µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

reduced mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

µ

 

formulab

 

 

 

 

dΩ

=

 

¯h2

 

0

 

 

Kr

V (r)r

 

 

 

 

K

=

kin

kout

|

(see footnote)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.178)

r

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

radial distance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (r) potential energy of interaction

Mott scattering formulac

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

¯h

(Planck constant)/2π

 

dσ

 

α

 

2

 

 

 

 

χ

 

 

 

 

 

χ

 

 

Acos

 

α

lntan2 χ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

csc

4

 

+ sec

4

 

+

 

 

 

 

¯hv

 

 

 

 

2

 

 

α/r

scattering potential energy

 

dΩ

4E

 

 

2

 

 

2

 

sin2 χ cos χ

 

 

 

χ

scattering angle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.179)

v

closing velocity

 

dσ

 

α

 

2 4

3sin2

χ

 

(A =

 

1, α

 

 

v¯h)

 

 

 

 

(4.180)

A

= 2 for spin-zero particles, = −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for spin-half particles

 

dΩ 2E !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin4 χ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aFor the reaction a+ b R c in the centre of mass frame.

bFor a central field. The Born approximation holds when the potential energy of scattering, V , is much less than the total kinetic energy. K is the magnitude of the change in the particle’s wavevector due to scattering.

cFor identical particles undergoing Coulomb scattering in the centre of mass frame. Nonidentical particles obey the Rutherford scattering formula (page 72).

Relativistic wave equationsa

Klein–Gordon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ wavefunction

equation

 

 

 

 

 

 

 

 

2ψ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(massive, spin

(

 

 

m

)ψ

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.181)

t

 

time

 

 

 

∂t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zero particles)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m particle mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Weyl equations

∂ψ

 

 

 

∂ψ

 

 

 

 

 

 

∂ψ

 

 

 

 

∂ψ

 

 

 

ψ spinor wavefunction

(massless, spin

=

 

σ

+ σ

 

+ σ

 

 

(4.182)

σ

 

Pauli spin matrices

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2 particles)

 

∂t

 

±

x ∂x

 

 

 

 

 

y ∂y

 

 

z ∂z

 

 

 

i

(see page 26)

 

(iγ

µ

∂µm)ψ = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.183)

i

 

i2 = −1

 

Dirac equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γµ Dirac matrices:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

(massive, spin

where

∂µ =

,

 

,

 

,

 

 

 

(4.184)

 

 

γ0

= 02

−12

 

 

 

 

 

 

= 14

 

 

γ

1/2 particles)

(γ0)2 = 14 ;

 

(γ1)2

= (γ

2)2

= (γ3)2

(4.185)

 

 

= σi

0

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

∂x

∂y

 

∂z

 

 

 

 

 

i

0

σi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1n n× n unit matrix

aWritten in natural units, with c = ¯h = 1.