
Лекции Квант.мех. СГФ / Квант. мех
..pdf
Примеры 7 |
223 |
| Vp,q |2 |
|
2 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||
[E(p ) E(p )]2 |
( |
)2 |
||||
q |
|
|||||
1 |
1 |
|
|
|
||
При низких температурах T |
30 К электроны активированы в тонком слое |
около поверхности Ферми и изменение их энергии мало | E(p1) E(p1) | , тогда
|
| Vp,q |2 |
||
Uвз 2 |
|
|
0 . |
|
|
||
q |
(q) |
Следовательно, при низких температурах взаимодействие между электронами в кристалле имеет характер притяжения. В результате образуется коррелированно движущаяся куперовская пара электронов. Ее возникновение объясняется тем, что при рассеянии на неоднородностях кристаллической решетки электрон испускает фонон, что соответствует колебанию узлов решетки – положительных ионов. Притягиваясь к электрону, они проскакивают по инерции положения равновесия и образуют область повышенной плотности положительного заряда, которая притягивает другой электрон. Разрыв куперовской пары требует затраты энергии, которая является энергетической щелью в спектре возбуждений. Эффект, открытый Леоном Купером в 1956 г., служит основой теории сверхпроводимости Бардина–Купера–Шриффера. Как показывает теория, расстояние между взаимодействующими электронами r 2 мкм, что превышает среднее расстояние между электронами про-
водимости или ионами решетки в 104 раз.
7.6. Кулоновское взаимодействие зарядов в полупроводнике и сила Ампера, действующая на электроны в катушке электродвигателя со стороны электронов магнита, убывают обратно пропорционально квадрату расстояния
и объясняются в квантовой электродинамике |
|
p |
p' |
обменом виртуальными фотонами. Показать, что |
|
||
такой фотон является пространственно-подоб- |
2 |
2 |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
ным, т. е. его модуль импульса, умноженный на |
|
B |
q |
скорость света, превышает энергию и сила ука- |
|
|
|
занных взаимодействий передается между элек- |
|
A |
|
тронами мгновенно, на каком бы расстоянии они |
1 |
p |
|
ни находились. |
p' |
||
Диаграмма рис. 6.3 описывает рассеяние элек- |
|
1 |
1 |
|
|
|
тронов 1 и 2 посредством обмена виртуальным фотоном в низшем порядке теории возмущений.

224 Глава 6. ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ
Сила взаимодействия между электронами пропорциональна числу обменов. Плотность фотонов, испускаемых электроном, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Эта зависимость определяет число обменов и силу взаимодействия между электронами. На рис. 6.3 величины являются 4-векторами импульса. Для фотона q (q, Eq ) , где q – импульс, Eq – энергия.
В вершинах A и B выполняются законы сохранения энергии и импульса
A: E1 |
E1 |
Eq , |
p1 |
p1 |
q ; |
B: E2 |
E2 |
Eq , |
p2 |
p2 |
q . |
Уравнения в каждой строке возводим в квадрат и взаимно вычитаем, предварительно умножив уравнение для импульсов на квадрат скорости света С. Для реальных частиц учитываем
E2 |
C2 p2 |
C4 2 , |
i |
1, 2 , |
|
|||
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
и получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
C 2q2 |
E2 |
2E E |
q |
2C 2p q , |
||||
|
q |
1 |
|
1 |
|
|
||
C 2q2 |
E2 |
2E E |
q |
2C 2p |
2 |
q , |
||
|
q |
2 |
|
|
|
|
||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
E E C 2p q E E C 2p |
2 |
q . |
||||||
1 q |
1 |
|
2 |
q |
|
|
|
|
В системе отсчета центра масс p2 |
p1 находим |
|
|
|
|
|||
E 0 , |
q 0 , |
q2 |
|
E2 |
C 2q2 0 . |
|||
q |
|
|
|
q |
|
|
|
|
Энергия виртуального фотона равна нулю, он переносит импульс и силовое воздействие, 4-вектор импульса пространственно-подобный. В реляти-
вистской динамике энергия объекта и модули его скорости и импульса связаны соотношением
V C2 p / E . |
|
Для пространственно-подобного фотона с E 0 получаем V |
. Фотон |
испускается одним электроном и поглощается другим электроном в один и тот же момент, сила взаимодействия передается мгновенно. Полученный

6.2. Стационарное возмущение вырожденных состояний |
225 |
вывод подтвержден экспериментально для электромагнитного поля в ближней зоне магнитного диполя с переменным током, см.: Journal of Applied Physics. 101, 023532 (2007); Письма в ЭЧАЯ. Т. 6, № 4. С. 519–527 (2009). Фотоны радиационного поля являются реальными, переносят импульс и энергию
E |
C p в вакууме со скоростью света V C и имеют |
0 , q2 0 . Ограни- |
чение скорости V C относится к частицам с времяподобным 4-импульсом |
||
q2 |
E2 C2q2 C4 2 0 . |
|
6.2. СТАЦИОНАРНОЕ ВОЗМУЩЕНИЕ ВЫРОЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ
Для вырожденных состояний E(0) |
E(0) |
и теория разд. 6.1 неприменима |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
n |
|
k |
|
|
|
|
|
|
из-за обращения в нуль знаменателей в (6.13), (6.15) и (6.16). |
|
|
|
|||||||||||
Рассмотрим двукратно вырожденные состояния |
(0) и |
(0) |
, удовлетво- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
ряющие уравнению Шрѐдингера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
ˆ |
(0) |
|
(0) |
(0) |
|
|
(0) |
(0) |
(0) |
|
|
|
|
|
H0 k |
E |
|
k |
, |
E |
|
E1 |
E2 . |
|
|
|
|
Уравнению также удовлетворяет суперпозиция |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
(0) |
|
(0) |
|
|
(0) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
Появившееся возмущение действует на |
(0) |
с коэффициентами |
1 и |
1 ина- |
||||||||||
1 |
||||||||||||||
че, чем на |
(0) |
с коэффициентами |
|
и |
2 . Состояния получают разные |
|||||||||
2 |
2 |
|||||||||||||
энергии, и вырождение снимается. При произвольных коэффициентах |
и |
система переводится в состояние с неопределенной энергией. Первый порядок теории возмущений дает и , с которыми состояние сохраняет опре-
деленность энергии, а также величину возмущенной энергии. Если возмущение обладает некоторой симметрией, то она переносится на искомую суперпозицию состояний.
Невозмущенные состояния |
(0) |
и |
(0) |
ортонормированны: |
|
||
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
(0) * |
(0) |
dV |
k ,l , |
|
(k, l |
1, 2) . |
(6.18) |
k |
l |
|

226 Глава 6. ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ
Вводим суперпозиции
(0) |
(0) |
(0) |
, |
n 1, 2 . |
(6.19) |
n |
n 1 |
n 2 |
Найдем коэффициенты в (6.19) из условия, что возмущение в первом порядке
не перемешивает |
(0) и |
(0) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Условие ортонормированности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(0) * |
|
(0) |
dV |
|
|
|
|
|
(6.20) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
k |
|
|
n,k |
|
|
|
|||
связывает коэффициенты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
* |
|
|
* |
|
1 1, |
|
|
|
|
|
* |
, |
|
|
* |
(6.21) |
|||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
|
|
2 |
|
1 |
|
2 |
1 . |
|||||||
Решения выражаем через вещественные параметры |
и γ: |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
cos |
|
ei |
, |
|
|
1 |
sin |
e i |
, |
|
(6.22) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ei |
|
|
|
|
|
|
|
e i . |
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
sin |
, |
|
|
2 |
cos |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Если известны |
1 |
и |
1 |
для |
1(0) , то из (6.22) получаем коэффициенты ортого- |
||||||||||||||||||
нального состояния |
(0) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возмущенные состояния. Повторяем рассуждения разд. 6.1 приме- |
|||||||||||||||||||||||
нительно к состояниям |
(0)n , которые не перемешиваются возмущением в пер- |
||||||||||||||||||||||
вом порядке. Тогда |
(1) |
|
|
(1) |
|
0 , |
pnk |
|
0 и из (6.9) получаем |
|
|||||||||||||
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
E |
(1) |
(0) |
|
0 |
, (n |
1, 2) . |
|
(6.23) |
||||||
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
n |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Подставляем (6.19) для n |
|
1 в (6.23) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
ˆ |
|
E |
(1) |
|
|
|
|
(0) |
|
|
(0) |
|
0 . |
|
(6.24) |
|||
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Ищем коэффициенты |
1 , |
|
1 |
и поправку к энергии E(1) . Проектируем уравне- |
|||||||||||||||||||
ние на орт |
(0) |
, |
умножая (6.24) |
слева на |
|
(0) |
* |
и интегрируя по объему. |
|||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Аналогично проектируем (6.24) на орт |
|
|
(0)2 . Учитывая (6.18), получаем |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
E(1) |
|
|
1 |
V |
1 |
0, |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
(6.25) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E(1) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
V |
|
1 |
|
V |
|
|
|
1 |
0, |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|



6.3. Зависящее от времени возмущение |
229 |
6.3. ЗАВИСЯЩЕЕ ОТ ВРЕМЕНИ ВОЗМУЩЕНИЕ
Возмущение |
ˆ |
действует при t 0 на стационарную невырожден- |
V (r, t) |
ную систему с дискретным спектром. В первом порядке теории возмущений энергетические уровни не изменяются, но возникают переходы системы между уровнями. Получим вероятности переходов.
Невозмущенные состояния cтационарной системы с дискретным спектром
(0) |
(r, t) exp |
i |
E t |
|
(r) |
|
|
|
|||
k |
|
k |
k |
|
удовлетворяют уравнениям
|
(0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
k |
|
ˆ |
(0) |
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H0 |
k |
, |
H0 k (r) |
Ek k (r) , |
|
|
|
||||
t |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ортонормированны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
dV |
n,k , |
|
(0) |
* (0) |
dV |
|
|
|
|
||
|
n k |
|
n |
k |
n,k |
|
|
|
|||||
и образуют полный базис |
|
(0)k (r, t) |
. Стационарная суперпозиция состояний |
||||||||||
(0) (r, t) |
c(0) |
(0) (r, t) |
c(0) exp |
|
i |
E t |
|
(r) |
(6.30) |
||||
|
|
k |
|||||||||||
|
k |
|
k |
k |
|
k |
k |
|
k |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
имеет неопределенную энергию и удовлетворяет уравнению Шрѐдингера |
|
||||||||||||
|
(0) |
ˆ |
(0) |
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
t |
|
H0 |
|
, |
H0 |
k (r) |
Ek |
k (r) . |
|
|
(6.31) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность обнаружения системы на уровне k :
Wk | ck(0) |2 , |
(6.32) |
где ck(0) – амплитуда вероятности. При отсутствии возмущения вероятность
Wk не зависит от времени, т. е. спонтанные переходы отсутствуют.

230 |
|
|
|
|
|
|
Глава 6. ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ |
||||||
Возмущенное состояние |
|
(r, t) |
удовлетворяет уравнению |
|
|||||||||
|
|
|
i |
|
|
ˆ |
ˆ |
|
|
|
|
|
(6.33) |
|
|
|
|
|
(H0 |
V ) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
и разлагается по базису |
|
(0)k (r, t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(r, t) |
c |
(t) |
(0) (r, t) |
c (t) exp |
i |
E |
t |
|
(r) |
(6.34) |
|||
|
k |
||||||||||||
k |
k |
|
k |
|
k |
k |
|
k |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с зависящими от времени коэффициентами ck (t) . Для их нахождения подстав-
ляем (6.34) в (6.33) и учитываем (6.31)
i |
|
dck |
|
i |
|
i |
ˆ |
|||
|
|
exp |
|
Ek t k (r) |
ck exp |
|
Ek t |
V |
k (r) . |
|
k |
dt |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
Снимаем суммирование в левой части уравнения, проектируя его на (0)n (r,t) .
Для этого умножаем уравнение слева на exp |
i |
E t |
* (r) |
и интегрируем по |
||||||||||||
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
||
объему. С учетом |
n |
k dV |
|
n,k |
получаем уравнение для коэффициентов |
|||||||||||
|
|
|
i |
dcn |
|
|
|
c ei |
nk t V |
|
, |
|
(6.35) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
dt |
|
|
k |
|
nk |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Vnk (t) |
* ˆ |
|
k dV |
– матричный элемент возмущения; |
||||||||||||
n V (r, t) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
(E |
E ) |
|
|
|
(6.36) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
nk |
|
n |
k |
|
|
|
|
– боровская частота перехода с уровня k на уровень n. Из (6.35) следует, что быстрота изменения амплитуды вероятности обнаружения системы на уровне n определяется переходами со всех уровней k на уровень n. Найдем cn (t) , ис-
пользуя теорию возмущений.
Первый порядок теории возмущений. Коэффициент ищем в виде
c (t) |
c(0) |
c(1) |
(t) , |
(6.37) |
n |
n |
n |
|
|

6.3. Зависящее от времени возмущение |
231 |
где cn(0) – коэффициент невозмущенного разложения (6.30); cn(1) (t) – поправка,
вызванная возмущением. Подставляем (6.37) в (6.35) и ограничиваемся первым порядком возмущения
|
|
dc(1) |
|
c(0)ei |
nk t V |
|
|
|
||||
|
i |
|
n |
|
|
|
(t) . |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
dt |
|
k |
nk |
|
|
|
||||
|
|
|
k |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интегрируя по t в пределах (0, t) , получаем |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
i |
|
t |
|
|
|
|
||
c(1) |
(t) |
|
|
|
c(0) ei |
nk t V |
(t ) dt . |
(6.38) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
n |
|
|
|
k |
k |
nk |
|
|
|
|||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||||
Учтено, что возмущение начинает действовать при t |
0 и c(1) (0) |
0 . |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
Переход между состояниями. Пусть при t |
0 система находилась в |
|||||||||||
состоянии m, тогда c(0) |
k,m |
и (6.37) дает |
|
|
|
|||||||
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
cn (t) |
|
n,m |
cnm (t) , |
|
|
|
|||
где cnm (t) – амплитуда вероятности перехода m |
n в момент t. Из (6.38) |
|||||||||||
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
t |
|
|
|
|
c |
(t) |
|
ei nm t V (t ) dt . |
|
(6.39) |
|||||||
|
|
|||||||||||
|
nm |
|
|
|
|
|
|
|
nm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
Правый индекс m соответствует начальному состоянию, левый – конечному. Состояние системы в момент t находим из (6.34):
(r, t) |
|
(r) exp |
|
i |
E |
|
t |
|
c (t) exp |
|
i |
E |
t |
|
(r) . |
|||||
m |
|
|
m |
|
|
n |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nm |
|
|
|
n |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вероятность перехода m |
|
|
n , |
|
т. е. вероятность обнаружения систе- |
|||||||||||||||
мы в состоянии n, если при t |
0 было состояние m |
n , находим из (6.39): |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
t |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
W |
|
(t) |
| c |
|
(t) |2 |
|
|
|
ei nmt V (t ) dt |
|
. |
|
(6.40) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
nm |
|
nm |
|
|
|
|
2 |
|
nm |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|

232 |
Глава 6. ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ |
Состояние при t . По истечении большого промежутка времени интегрирование в (6.39) проводим в бесконечных пределах:
|
|
|
|
i |
|
|
i |
nmt |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 i |
|
|
) . |
||
|
|
c ( ) |
|
|
e |
|
|
V (t) dt |
|
|
|
V ( |
|
|||||||||
|
|
|
nm |
|
|
|
|
|
|
|
nm |
|
|
|
|
|
nm |
nm |
|
|||
Амплитуда перехода m |
|
n при |
|
t |
|
|
пропорциональна фурье-образу |
|||||||||||||||
возмущения на частоте перехода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
i |
nmt |
|
|
(t) dt . |
|
|
||||
|
|
|
V |
( |
nm |
) |
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
V |
|
|
||||
|
|
|
nm |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
nm |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Частные случаи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
а) постоянное возмущение Vnm |
|
|
const |
дает |
|
|
|
|
||||||||||||||
V |
( |
|
) V ( |
|
|
) V |
|
1 |
(E E ) |
V (E E ) , |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
nm |
|
nm |
nm |
nm |
|
|
nm |
|
|
|
|
n |
|
m |
|
nm |
|
n m |
||||
|
|
|
Wnm (t) 4 2 |Vnm |2 (En |
Em ) . |
|
|
Выполняется закон сохранения энергии, переходы происходят между вырожденными состояниями;
б) адиабатическое |
возмущение |
соответствует матричному элементу |
|||||||
Vnm (t) , слабо изменяющемуся за время |
1 / |
0 , тогда по теореме о частотной |
|||||||
полосе V |
( |
) – мало при |
0 |
и существенны переходы с низкими часто- |
|||||
nm |
|
|
|
|
|
|
|
||
тами nm |
|
0 . |
|
|
|
|
|
|
|
Периодическое возмущение с частотой |
, действующее при t 0 : |
||||||||
|
|
|
ˆ |
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
V (r, t) |
A(r)H (t) cos t |
|
||||
приводит к амплитуде перехода (6.39) в виде |
|
|
|||||||
|
|
|
|
i |
|
t |
|
|
|
|
|
c |
(t) |
A |
ei nmt |
cos |
t dt , |
||
|
|
|
|||||||
|
|
nm |
nm |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|