第9章 近似方法

9.1 束缚态微扰论

设体系的Hamilton量为 H^\hat{H} (不显含 tt ),能量本征方程为

H^ψ=Eψ \hat{H} \psi = E \psi

此方程求解一般比较困难,可以采用微扰论求解能量本征值与本征态的近似值。假设

H^=H^0+H^ \hat{H} = \hat{H}_0 + \hat{H}'

其中 H^0\hat{H}_0 的本征值和本征函数比较容易解出,而 H^\hat{H}' 是相对于 H^0\hat{H}_0 的一个小量( H^H^0\hat{H}' \ll \hat{H}_0 ),称为微扰,可以在 H^0\hat{H}_0 的本征解的基础上,把 H^\hat{H}' 的影响逐级考虑进去,以求出原方程尽可能精确的近似解。

将能量本征值与本征态逐级展开,即

ψn=s=0+ψn(s)=ψn(0)+ψn(1)+ψn(2)+ En=s=0+En(s)=En(0)+En(1)+En(2)+ \psi_n = \sum_{s=0}^{+\infty} \psi_n^{(s)} = \psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \cdots \ \ \ E_n = \sum_{s=0}^{+\infty} E_n^{(s)} = E_n^{(0)} + E_n^{(1)} + E_n^{(2)} + \cdots

其中 H^0ψn(0)=En(0)ψn(0)\hat{H}_0 \psi_n^{(0)} = E_n^{(0)} \psi_n^{(0)}En(s)E_n^{(s)}ψn(s)\psi_n^{(s)}H^\hat{H}'ss 次方成正比( s>0s>0 ),并且约定波函数的各级高级近似解与零级近似解都正交,即

ψn(0)ψn(s)=0(s=1,2,3,) \langle \psi_n^{(0)} | \psi_n^{(s)} \rangle = 0 \kern 2em (s=1,2,3,\cdots)

将能量本征值与本征态的展开式代入原能量本征方程,即

(H^0+H^)(ψn(0)+ψn(1)+ψn(2)+)=(En(0)+En(1)+En(2)+)(ψn(0)+ψn(1)+ψn(2)+) \left( \hat{H}_0 + \hat{H}' \right) \left( \psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \cdots \right) = \left( E_n^{(0)} + E_n^{(1)} + E_n^{(2)} + \cdots \right) \left( \psi_n^{(0)} + \psi_n^{(1)} + \psi_n^{(2)} + \cdots \right)

比较等式两边的同级项,可得出各级近似下的能量本征方程

(H^0En(0))ψn(0)=0 (H^0En(0))ψn(1)=(En(1)H^)ψn(0) (H^0En(0))ψn(2)=(En(1)H^)ψn(1)+En(2)ψn(0) (H^0En(0))ψn(3)=(En(1)H^)ψn(2)+En(2)ψn(1)+En(3)ψn(0) \left( \hat{H}_0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(0)} = 0 \ \ \ \left( \hat{H}_0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(1)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(0)} \ \ \ \left( \hat{H}_0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(2)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(1)} + E_n^{(2)} \psi_n^{(0)} \ \ \ \left( \hat{H}_0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(3)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(2)} + E_n^{(2)} \psi_n^{(1)} + E_n^{(3)} \psi_n^{(0)} \ \cdots

依次称为零级方程、一级方程、二级方程……逐级求解,即可得到各级近似解。

非简并态微扰论

方法结论

若在不考虑微扰时,体系处于非简并能级,即 H^0\hat{H}_0 属于 En(0)E_n^{(0)} 的本征态只有一个 ψn(0)\psi_n^{(0)} ,则 H^\hat{H}' 在表象 {ψn(0)}{\psi_n^{(0)}} 中的矩阵元为

Hmn=ψm(0)H^ψn(0) H'_{mn} = \langle \psi_m^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle

一级微扰能

En(1)=Hnn=ψn(0)H^ψn(0) E_n^{(1)} = H'_{nn} = \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle

一级微扰波函数

ψn(1)=mnHmnEn(0)Em(0)ψm(0) \psi_n^{(1)} = \sum_{m \ne n} \frac{H'_{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \psi_m^{(0)}

二级微扰能

En(2)=ψn(0)H^ψn(1)=mnHmn2En(0)Em(0) E_n^{(2)} = \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle = \sum_{m \ne n} \frac{\left|H'_{mn}\right|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}

故准确到二级近似能量本征值

En=En(0)+Hnn+mnHmn2En(0)Em(0) E_n = E_n^{(0)} + H'{nn} + \sum{m \ne n} \frac{\left|H'_{mn}\right|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}

准确到一级近似本征函数

ψn=ψn(0)+mnHmnEn(0)Em(0)ψm(0) \psi_n = \psi_n^{(0)} + \sum_{m \ne n} \frac{H'_{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \psi_m^{(0)}

非简并态微扰论的适用条件

HmnEn(0)Em(0)1(mn) \left| \frac{H'_{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \right| \ll 1 \kern 2em (m \ne n)

故对于连续谱En(0)Em(0)0| E_n^{(0)} - E_m^{(0)} | \to 0 )和非简并态不能使用

理论推导

设一级微扰近似波函数表示为

ψn(1)=mamn(1)ψm(0) \psi_n^{(1)} = \sum_m a_{mn}^{(1)} \psi_m^{(0)}

代入一级方程,结合 {ψn(0)}{\psi_n^{(0)}} 的正交归一性,可得

(H^0En(0))mamn(1)ψm(0)=(En(1)H^)ψn(0)mamn(1)(H^0En(0))ψm(0)=(En(1)H^)ψn(0)mamn(1)(Em(0)En(0))ψm(0)=(En(1)H^)ψn(0)mamn(1)ψk(0)Em(0)En(0)ψm(0)=ψk(0)En(1)H^ψn(0)akn(1)(Ek(0)En(0))=En(1)δknψk(0)H^ψn(0) \left( \hat{H}0 - E_n^{(0)} \right) \sum_m a{mn}^{(1)} \psi_m^{(0)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(0)} \ \Downarrow \ \sum_m a_{mn}^{(1)} \left( \hat{H}0 - E_n^{(0)} \right) \psi_m^{(0)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(0)} \ \Downarrow \ \sum_m a{mn}^{(1)} \left( E_m^{(0)} - E_n^{(0)} \right) \psi_m^{(0)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \psi_n^{(0)} \ \Downarrow \ \sum_m a_{mn}^{(1)} \langle \psi_k^{(0)} | E_m^{(0)} - E_n^{(0)} | \psi_m^{(0)} \rangle = \langle \psi_k^{(0)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ a_{kn}^{(1)} \left( E_k^{(0)} - E_n^{(0)} \right) = E_n^{(1)} \delta_{kn} - \langle \psi_k^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle

k=nk=n 时,可得

En(1)=ψn(0)H^ψn(0)=Hnn E_n^{(1)} = \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle = H'_{nn}

knk \ne n 时,可得

akn(1)=ψk(0)H^ψn(0)Ek(0)Em(0)=HknEk(0)Em(0) a_{kn}^{(1)} = \frac{\langle \psi_k^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle}{E_k^{(0)}-E_m^{(0)}} = \frac{H'_{kn}}{E_k^{(0)}-E_m^{(0)}}

根据 ψn(0)ψn(1)=0\langle \psi_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle = 0 ,可知 ann(1)=0a_{nn}^{(1)} = 0 ,故

ψn(1)=mamn(1)ψm(0)=mnHmnEn(0)Em(0)ψm(0) \psi_n^{(1)} = \sum_m a_{mn}^{(1)} \psi_m^{(0)}= \sum_{m \ne n} \frac{H'_{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \psi_m^{(0)}

在二级方程的两侧同乘 ψn(0)\psi_n^{(0)*} 并积分可得

ψn(0)H^0En(0)ψn(2)=ψn(0)En(1)H^ψn(1)+ψn(0)En(2)ψn(0)ψn(0)En(0)En(0)ψn(2)=ψn(0)H^ψn(1)+En(2)En(2)=ψn(0)H^ψn(1) \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(2)} \rangle = \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle + \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(2)} | \psi_n^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(0)} - E_n^{(0)} | \psi_n^{(2)} \rangle = - \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle + E_n^{(2)} \ \Downarrow \ E_n^{(2)} = \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle

ψn(1)\psi_n^{(1)} 的表达式代入,考虑到 HH' 为厄米矩阵,即 Hmn=(Hnm)H'{mn} = (H'{nm})^* ,可得

En(2)=mnHmnEn(0)Em(0)ψn(0)H^ψm(0) =mnHmnHnmEn(0)Em(0)=mnHmn2En(0)Em(0) E_n^{(2)} = \sum_{m \ne n} \frac{H'{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_m^{(0)} \rangle \ \ \ = \sum{m \ne n} \frac{H'{mn}H'{nm}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} = \sum_{m \ne n} \frac{|H'_{mn}|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}}

在三级方程的两侧同乘 ψn(0)\psi_n^{(0)*} 并积分可得

ψn(0)H^0En(0)ψn(3)=ψn(0)En(1)H^ψn(2)+ψn(0)En(2)ψn(1)+ψn(0)En(3)ψn(0)ψn(0)En(0)En(0)ψn(3)=ψn(0)H^ψn(2)+En(2)En(3)=ψn(0)H^ψn(2) \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(3)} \rangle = \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(2)} \rangle + \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(2)} | \psi_n^{(1)} \rangle + \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(3)} | \psi_n^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ \langle \psi_n^{(0)} | E_n^{(0)} - E_n^{(0)} | \psi_n^{(3)} \rangle = - \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(2)} \rangle + E_n^{(2)} \ \Downarrow \ E_n^{(3)} = \langle \psi_n^{(0)} | \hat{H}' | \psi_n^{(2)} \rangle

为了不使用 ψn(2)\psi_n^{(2)} 的表达式来计算 En(3)E_n^{(3)} ,考虑在二级方程的两侧同乘 ψn(1)\psi_n^{(1)*} 并积分

ψn(1)H^0En(0)ψn(2)=ψn(1)En(1)H^ψn(1)+ψn(1)En(2)ψn(0)ψn(1)H^0En(0)ψn(2)=ψn(1)En(1)H^ψn(1) \langle \psi_n^{(1)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(2)} \rangle = \langle \psi_n^{(1)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle + \langle \psi_n^{(1)} | E_n^{(2)} | \psi_n^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ \langle \psi_n^{(1)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(2)} \rangle = \langle \psi_n^{(1)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(1)} \rangle

在一级方程的两侧同乘 ψn(2)\psi_n^{(2)*} 并积分

ψn(2)H^0En(0)ψn(1)=ψn(2)En(1)H^ψn(0)ψn(2)H^0En(0)ψn(1)=ψn(2)H^ψn(0)=En(3) \langle \psi_n^{(2)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle = \langle \psi_n^{(2)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ \langle \psi_n^{(2)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle = - \langle \psi_n^{(2)} | \hat{H}' | \psi_n^{(0)} \rangle = - E_n^{(3)}

考虑到 H^0\hat{H}_0 的厄米性,上面两个式子的左侧应该相等,即 ψn(1)H^0En(0)ψn(2)=ψn(2)H^0En(0)ψn(1)\langle \psi_n^{(1)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(2)} \rangle = \langle \psi_n^{(2)} | \hat{H}_0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle ,故

En(3)=ψn(1)H^En(1)ψn(1) E_n^{(3)} = \langle \psi_n^{(1)} | \hat{H}' - E_n^{(1)} | \psi_n^{(1)} \rangle

ψn(1)\psi_n^{(1)} 的表达式代入,可得

En(3)=kn(Hkn)En(0)Ek(0)mnHmnEn(0)Em(0)ψk(0)H^En(1)ψm(0) =knmnHnkEn(0)Ek(0)HmnEn(0)Em(0)ψk(0)H^ψm(0)En(1)mnHnmEn(0)Em(0)HmnEn(0)Em(0) =knmnHnkHkmHmn(En(0)Ek(0))(En(0)Em(0))HnnmnHmn2(En(0)Em(0))2 E_n^{(3)} = \sum_{k \ne n} \frac{(H'{kn})^*}{E_n^{(0)}-E_k^{(0)}} \sum{m \ne n} \frac{H'{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \langle \psi_k^{(0)} | \hat{H}' - E_n^{(1)} | \psi_m^{(0)} \rangle \ \ \ = \sum{k \ne n} \sum_{m \ne n} \frac{H'{nk}}{E_n^{(0)}-E_k^{(0)}} \frac{H'{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \langle \psi_k^{(0)} | \hat{H}' | \psi_m^{(0)} \rangle - E_n^{(1)} \sum_{m \ne n} \frac{H'{nm}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \frac{H'{mn}}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} \ \ \ = \sum_{k \ne n} \sum_{m \ne n} \frac{H'{nk}H'{km}H'{mn}}{(E_n^{(0)}-E_k^{(0)})(E_n^{(0)}-E_m^{(0)})} - H'{nn} \sum_{m \ne n} \frac{|H'_{mn}|^2}{(E_n^{(0)}-E_m^{(0)})^2}

示例
电介质的极化率
氦原子及类氦离子的基态能量

简并态微扰论

方法结论

若在不考虑微扰时,体系处于简并能级,即 H0H_0 属于 En(0)E_n^{(0)} 的正交归一的本征态为 {ϕni(0)}{\phi_{ni}^{(0)}} ,简并度 fn=kf_n = k ,则当 nn 一定时, H^\hat{H}' 在表象 {ϕni(0)}{\phi_{ni}^{(0)}} 中的矩阵元为

Hji=ϕnj(0)H^ϕni(0) H'{ji} = \langle \phi{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle

求解久期方程

det(HjiEn(1)δji)=0 \det\left( H'{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0

可以得到该能级的 kk一阶微扰能 En(1)E_{n}^{(1)} ,分别代入方程

i=1kai(0)(HjiEn(1)δji)=0 \sum_{i=1}^k a_i^{(0)} \left( H'{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0

可以得到对应的 kk{ai(0)}{ a_i^{(0)} } 的取值,从而得到 kk 个新的零级波函数

ψn(0)=i=1kai(0)ϕni(0) \psi_n^{(0)} = \sum_{i=1}^k a_i^{(0)} \phi_{ni}^{(0)}

如果解得的 En(1)E_n^{(1)} 有重根,则简并不能完全消除。

理论推导

已知

H^0ϕni(0)=Enϕni(0)(i=1,2,,k) \hat{H}0 \phi{ni}^{(0)} = E_n \phi_{ni}^{(0)} \kern 2em (i=1,2,\cdots,k)

在引入微扰后,新的零级波函数尚不能确定,可设为

ψn(0)=i=1kai(0)ϕni(0) \psi_n^{(0)} = \sum_{i=1}^k a_i^{(0)} \phi_{ni}^{(0)}

代入一级方程,结合 {ϕni(0)}{\phi_{ni}^{(0)}} 的正交归一性,可得

(H^0En(0))ψn(1)=(En(1)H^)i=1kai(0)ϕni(0)(H^0En(0))ψn(1)=i=1kai(0)(En(1)H^)ϕni(0)ϕnj(0)H^0En(0)ψn(1)=i=1kai(0)ϕnj(0)En(1)H^ϕni(0)ϕnj(0)En(0)En(0)ψn(1)=i=1kai(0)(En(1)δjiϕnj(0)H^ϕni(0))i=1kai(0)(ϕnj(0)H^ϕni(0)En(1)δji)=0 \left( \hat{H}0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(1)} = \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \sum{i=1}^k a_i^{(0)} \phi_{ni}^{(0)} \ \Downarrow \ \left( \hat{H}0 - E_n^{(0)} \right) \psi_n^{(1)} = \sum{i=1}^k a_i^{(0)} \left( E_n^{(1)} - \hat{H}' \right) \phi_{ni}^{(0)} \ \Downarrow \ \langle \phi_{nj}^{(0)} | \hat{H}0 - E_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle = \sum{i=1}^k a_i^{(0)} \langle \phi_{nj}^{(0)} | E_n^{(1)} - \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle \ \Downarrow \ \langle \phi_{nj}^{(0)} | E_n^{(0)} - E_n^{(0)} | \psi_n^{(1)} \rangle = \sum_{i=1}^k a_i^{(0)} \left( E_n^{(1)} \delta_{ji} - \langle \phi_{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle \right) \ \Downarrow \ \sum_{i=1}^k a_i^{(0)} \left( \langle \phi_{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle - E_n^{(1)} \delta_{ji} \right) = 0

Hji=ϕnj(0)H^ϕni(0)H'{ji} = \langle \phi{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle ,上述线性方程组有非零解的条件为

det(HjiEn(1)δji)=0 \det\left( H'{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0

示例
氢原子能级在静电场中的分裂(一级Stark效应)
各向同性三维谐振子的微扰

9.2 变分法

此部分内容不作为考试要求