如果Hamilton量不含时,即 ∂t∂H^=0 ,则体系能量守恒,若已知初态为 ∣ψ(0)⟩ ,则量子态随时间的演化为
∣ψ(t)⟩=U^(t)∣ψ(0)⟩=e−ℏiH^t∣ψ(0)⟩
将初态按能量本征态展开,即
∣ψ(0)⟩=n∑an∣ψn⟩
其中
H^∣ψn⟩=En∣ψn⟩ an=⟨ψn∣ψ(0)⟩(不显含时间)
则 t 时刻的量子态可以表示为
∣ψ(t)⟩=e−ℏiH^tn∑an∣ψn⟩=n∑ane−ℏiEnt∣ψn⟩
如果初态为能量本征态,即
∣ψ(0)⟩=∣ψk⟩
则 t 时刻的量子态为
∣ψ(t)⟩=e−ℏiEkt∣ψk⟩
这种量子态,称为定态;若初态不是能量本征态,则称为非定态。
对于含时Hamilton量 H^(t) 所描述的体系,能量是不守恒的,Hamilton量可以分解为不含时部分与含时微扰两部分
H^(t)=H^0+H^′(t)
若体系初态为 H^0 的本征态 ∣ψk⟩ ,则体系不能保持在原有的本征态,而是将变成各本征态的叠加态,即
∣ψ(t)⟩=n∑Cnk(t)e−ℏiEnt∣ψn⟩
再次测量时,有一定的概率离开初态而处于其它定态,这种现象叫做量子跃迁。
在一级近似下,从 ψk 态跃迁到 ψk′ 态的跃迁振幅为
Ck′k(t)=δk′k+iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ
其中
Hk′k′(t)=⟨k′∣H^′(t)∣k⟩ ωk′k=ℏEk′−Ek
对于 k′=k 的情况,即末态不同于初态,有
Ck′k(t)=iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ
跃迁概率为
Pk′k(t)=∣Ck′k(t)∣2=ℏ21∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ2
单位时间内的跃迁概率,即跃迁速率为
wk′k(t)=dtd∣Ck′k(t)∣2=ℏ21dtd∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ2
{∣ψ(t)⟩=∑nCnk(t)e−ℏiEnt∣ψn⟩Cnk(0)=δnk
将 t 时刻的量子态表达式代入Schrödinger方程,可得
iℏ∂t∂n∑Cnk(t)e−ℏiEnt∣ψn⟩=(H^0+H^′(t))n∑Cnk(t)e−ℏiEnt∣ψn⟩⇓iℏn∑[∂t∂Cnk(t)]e−ℏiEnt∣n⟩+iℏn∑Cnk(t)[∂t∂e−ℏiEnt]∣n⟩ =n∑Cnk(t)e−ℏiEntH^0∣n⟩+n∑Cnk(t)e−ℏiEntH^′(t)∣n⟩⇓iℏn∑C˙nk(t)e−ℏiEnt∣n⟩+n∑Cnk(t)e−ℏiEntEn∣n⟩ =n∑Cnk(t)e−ℏiEntEn∣n⟩+n∑Cnk(t)e−ℏiEntH^′(t)∣n⟩⇓iℏn∑C˙nk(t)e−ℏiEnt∣n⟩=n∑Cnk(t)e−ℏiEntH^′(t)∣n⟩
对上式左乘 ⟨k′∣ ,利用本征函数的正交归一性,可得
iℏn∑C˙nk(t)e−ℏiEnt⟨k′∣n⟩=n∑Cnk(t)e−ℏiEnt⟨k′∣H^′(t)∣n⟩⇓iℏC˙k′k(t)e−ℏiEk′t=n∑Cnk(t)e−ℏiEnt⟨k′∣H^′(t)∣n⟩⇓iℏC˙k′k(t)=n∑Cnk(t)eℏi(Ek′−En)t⟨k′∣H^′(t)∣n⟩
记
Hk′n′(t)=⟨k′∣H^′(t)∣n⟩ ωk′n=ℏEk′−En
则跃迁振幅满足方程
{iℏC˙k′k(t)=∑nHk′n′(t)eiωk′ntCnk(t)Ck′k(0)=δk′k
方程两边对 t 积分可得
Ck′k(t)=Ck′k(0)+iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτCnk(τ)dτ =δk′k+iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτCnk(τ)dτ
该积分方程可迭代求解,即
Ck′k(t) =δk′k+iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτ[δnk+iℏ1∫0tm∑Hnm′(τ′)eiωnmτ′Cmk(τ′)dτ′]dτ =δk′k+iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτδnkdτ +iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτ[iℏ1∫0tm∑Hnm′(τ′)eiωnmτ′Cmk(τ′)dτ′]dτ =δk′k+iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ +iℏ1∫0tn∑Hk′n′(τ)eiωk′nτ[iℏ1∫0tm∑Hnm′(τ′)eiωnmτ′Cmk(τ′)dτ′]dτ
故零级近似
Ck′k(0)(t)=δk′k
一级近似
Ck′k(1)(t)=iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ
对初态按各简并的各本征态展开,按照各本征态出现的概率对各本征态向末态的跃迁概率求加权平均和。
对向末态的各简并态的跃迁概率求和。
考虑周期微扰
H^′(t)=H′e−iωt
则在 t 时刻体系从初态 ∣k⟩ 跃迁到末态 ∣k′⟩ (k′=k) 的跃迁振幅为
Ck′k(t)=iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ =iℏ1∫0t⟨k′∣H′∣k⟩ei(ωk′k−ω)τdτ =iℏ1⟨k′∣H′∣k⟩i(ωk′k−ω)ei(ωk′k−ω)t−1
记 Hk′k′=⟨k′∣H′∣k⟩ ,则跃迁概率
Pk′k(t)=∣Ck′k(t)∣2=ℏ24∣Hk′k′∣2{ωk′k−ωsin[ωk′k−ω)t/2]}2
利用 limα→∞x2sin2αx=παδ(x) ,可得当 (ωk′k−ω)t≫1 时,
Pk′k(t)=ℏ22πt∣Hk′k′∣2δ(ωk′k−ω)
跃迁速率为
wk′k=∂t∂Pk′k(t)=ℏ22π∣Hk′k′∣2δ(ωk′k−ω) =ℏ2π∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek−ℏω)
由此可见,如果周期微扰持续的时间足够长,即远大于体系的内禀特征时间,则跃迁速率将与时间无关。
上述结果适用于分立谱的情况,对于连续谱,有意义的是计算跃迁到能量 Ek′ 附近全部可能末态的总概率,即设末态的态密度为 ρ(Ek′) ,则总跃迁概率
Ptotal(t)=∫Pk′k(t)ρ(Ek′)dEk′ =∫ℏ2πt∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek−ℏω)ρ(Ek′)dEk′ =ℏ2πt∣Hk′k′∣2ρ(Ek+ℏω)
总跃迁速率
wtotal=∂t∂Ptotal(t)=ℏ2π∣Hk′k′∣2ρ(Ek+ℏω)
只在一段时间间隔(如 0∼T )内,对体系施加与时间无关的微扰,称为常微扰,即
H^′(t)=H′[θ(t)−θ(t−T)]
其中 θ(t) 为阶梯函数,定义为
θ(t)={0,1,t<0t>0
故
H^′(t)={H′,0,0≤t<Tt>T
则一级近似下的跃迁振幅为
Ck′k(1)(t)=iℏ1∫−∞tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ =−ℏωk′kHk′k′(t)eiωk′kt+∫−∞t∂τ∂Hk′k′(τ)ℏωk′keiωk′kτdτ =−ℏωk′kHk′k′(t)eiωk′kt+∫−∞tHk′k′[δ(τ)−δ(τ−T)]ℏωk′keiωk′kτdτ
当 t>T 后
Ck′k(1)(t)=ℏωk′kHk′k′(1−eiωk′kT)
故 k′=k 的跃迁概率为
Pk′k(t)=∣Ck′k(t)∣2=ℏ2∣Hk′k′∣2(ωk′k/2)2sin2(ωk′kT/2)
利用 limα→∞x2sin2αx=παδ(x) ,可得当常微扰作用的时间间隔足够长,即 ωk′kT≫1 时,
Pk′k(t)=ℏ22πT∣Hk′k′∣2δ(ωk′k)=ℏ2πT∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek)
跃迁速率为
wk′k=TPk′k(t)=ℏ2π∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek)
由此可见,如果常微扰作用的时间足够长,即远大于体系的内禀特征时间,则跃迁速率将与时间无关。
上述结果适用于分立谱的情况,对于连续谱,有意义的是计算跃迁到能量 Ek′ 附近全部可能末态的总概率,即设末态的态密度为 ρ(Ek′) ,则总跃迁概率
Ptotal(t)=∫Pk′k(t)ρ(Ek′)dEk′ =∫ℏ2πT∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek)ρ(Ek′)dEk′ =ℏ2πT∣Hk′k′∣2ρ(Ek)
总跃迁速率(Fermi黄金规则)
wtotal=∫wk′kρ(Ek′)dEk′ =∫ℏ2π∣Hk′k′∣2δ(Ek′−Ek)ρ(Ek′)dEk′ =ℏ2π∣Hk′k′∣2ρ(Ek)
在光的照射下,原子可能吸收光而从低能级跃迁到较高能级,称为光的吸收(obsorption);或从较高能级跃迁到较低能级并放出光,称为受激辐射(induced radiation);如果原子本来处于激发能级,即使没有外界光的照射,也可能跃迁到某些较低能级而放出光来,称为自发辐射(spontaneous radiation)。

注:本节均使用高斯单位制CGS。
先假设入射光为平面单色光,其电磁场强度分别为
E=E0cos(ωt−k⋅r) B=k×∣k∣E
由于在原子中,电子的速度 v≪c ,故磁场对电子的作用 cev×B 远小于电场的作用 eE ,同时,对于可见光与紫外光,波长 λ 远大于Bohr半径 a ,故在原子大小范围中, k⋅r∼2πa/λ≪1 ,故电场随空间的变化极微,可视为匀强电场,故
E=E0cos(ωt)
入射可见光对于原子中电子的作用可表示为
H^′(t)=−D⋅E=−D⋅E0cos(ωt)=Wcos(ωt)
其中
W=−D⋅E0,D=−er(电偶极矩)
电偶极矩与电场作用引起的跃迁称为电偶极跃迁。
在一级近似下,对于从 Ek→Ek′(Ek′>Ek) 的跃迁,跃迁振幅
Ck′k(1)(t)=−2ℏWk′kωk′k−ωei(ωk′k−ω)t−1
跃迁概率
Pk′k(t)=Ck′k(1)(t)2=4ℏ2∣Wk′k∣2[(ωk′k−ω)/2]2sin2[(ωk′k−ω)t/2]
当时间足够长时,只有 ω≈ωk′k 的入射光才对跃迁有明显贡献,此时
Pk′k(t)=4ℏ2πt∣Wk′k∣2 δ[(ωk′k−ω)/2]
跃迁速率
wk′k=dtdPk′k=2ℏ2π∣Wk′k∣2 δ(ωk′k−ω) =2ℏ2π∣Dk′k⋅E0∣2 δ(ωk′k−ω) =2ℏ2π∣Dk′k∣2E02 cos2θ δ(ωk′k−ω)
其中 θ 为 Dk′k 与 E0 的夹角。如果入射光为非偏振光,即 E0 的方向是完全无规定的,故 cos2θ 应取为对空间各方向的平均值
cos2θ=4π1∫dΩ cos2θ =4π1∫02πdφ∫0πsinθcos2θdθ=31
故非偏振光的跃迁速率
wk′k=6ℏ2π∣Dk′k∣2E02 δ(ωk′k−ω)
对于非单色光,用 ρ(ω) 表示角频率为 ω 的电磁辐射场的能量密度对时间的平均值,可得
ρ(ω)=8π1(E2+B2) =4π1E2 =4πE02(ω)T1∫0Tcos2ωt dt =8π1E02(ω)⇓E02(ω)=8πρ(ω)
故非单色光的跃迁速率
wtotal=∫−∞+∞wk′k dω =∫−∞+∞6ℏ2π∣Dk′k∣2E02(ω) δ(ωk′k−ω)dω =3ℏ24π2∣Dk′k∣2∫−∞+∞ρ(ω)δ(ωk′k−ω)dω =3ℏ24π2∣Dk′k∣2ρ(ωk′k) =3ℏ24π2e2∣rk′k∣2ρ(ωk′k)
其中 ∣rk′k∣2=∣xk′k∣2+∣yk′k∣2+∣zk′k∣2 ,这三个分量矩阵元至少有一个不为零时,跃迁才可能发生。
跃迁的快慢与入射光中频率为 ωk′k 的光强度 ρ(ωk′k) 成正比,若入射光不包含频率为 ωk′k 的成分,则不能引起 Ek↔Ek′ 两能级之间的跃迁。
把 H^′(t)=−Wcos(ωt) 代入跃迁振幅的一级微扰公式可得
Ck′k(1)(t)=iℏ1∫0tHk′k′(τ)eiωk′kτdτ =−iℏWk′k∫0tcos(ωτ)eiωk′kτdτ =−2iℏWk′k∫0t(eiωτ+e−iωτ)eiωk′kτdτ =−2ℏWk′k[ωk′k+ωei(ωk′k+ω)t−1+ωk′k−ωei(ωk′k−ω)t−1]
对于可见光以及紫外光, ω 很大,故括号中的第一项产生的贡献可以忽略,只有当 ω≈ωk′k 时,第二项才能有显著的贡献,故
Ck′k(1)(t)=−2ℏWk′kωk′k−ωei(ωk′k−ω)t−1
电偶极跃迁的角动量选择定则为:初末态量子数满足
Δl=±1,Δml=0,±1,Δms=0
其中对于电场平行于 z 轴的偏振光, Δml=0 ,对于电场平行于 x 轴或 y 轴的偏振光, Δml=±1 。
原子的宇称 π=(−1)l ,故只有初末态宇称不同,才可能发生电偶极跃迁。
如果使用耦合表象,则选择定则表述为
Δl=±1,Δj=0,±1,Δmj=0,±1
考虑矩阵元 rk′k ,因为其与自旋无关,故
⟨k′∣r∣k⟩=⟨n′l′ml′s′ms′∣r∣nlmlsms⟩ =⟨n′l′ml′∣r∣nlml⟩⟨21ms′∣21ms⟩ =⟨n′l′ml′∣r∣nlml⟩δms′ms
故只有 ms′=ms 时,即自旋方向不变,跃迁才可能发生,接下来的讨论基于此条件。
对于电场平行于 z 轴的偏振光,只有矩阵元 zk′k 对跃迁有贡献
zk′k=⟨n′l′ml′∣rcosθ∣nlml⟩ =⟨Rn′l′(r)Yl′ml′(θ,φ)∣rcosθ∣Rnl(r)Ylml(θ,φ)⟩ =(Rn′l′,rRnl)(Yl′ml′,cosθYlml)
其中 (Rn′l′,rRnl)=0 ,考虑球谐函数的递推关系式
cosθYl,ml=(2l+1)(2l+3)(l+1)2−ml2Yl+1,ml+(2l−1)(2l+1)l2−ml2Yl−1,ml
可得
(Yl′ml′,cosθYlml) =(2l+1)(2l+3)(l+1)2−ml2δl′,l+1δml′,ml+(2l−1)(2l+1)l2−ml2δl′,l−1δml′,ml
故当 Δl=±1,Δml=0 时,跃迁才可能发生;
对于电场平行于 x 轴的偏振光,只有矩阵元 xk′k 对跃迁有贡献
xk′k=⟨n′l′ml′∣rsinθcosφ∣nlml⟩ =⟨Rn′l′(r)Yl′ml′(θ,φ)∣2rsinθ(eiφ+e−iφ)∣Rnl(r)Ylml(θ,φ)⟩ =21(Rn′l′,rRnl)(Yl′ml′,sinθ(eiφ+e−iφ)Ylml)
其中 (Rn′l′,rRnl)=0 ,考虑球谐函数的递推关系式
e±iφsinθYl,ml=±(2l+1)(2l+3)(l±ml+1)(l±ml+2)Yl+1,ml±1∓(2l−1)(2l+1)(l∓ml)(l∓ml−1)Yl−1,ml±1
可得
(Yl′ml′,sinθ(eiφ+e−iφ)Ylml) =(2l+1)(2l+3)(l+ml+1)(l+ml+2)δl+1,ml+1−(2l−1)(2l+1)(l−ml)(l−ml−1)δl−1,ml+1 −(2l+1)(2l+3)(l−ml+1)(l−ml+2)δl+1,ml−1+(2l−1)(2l+1)(l−ml)(l−ml−1)δl−1,ml−1
故当 Δl=±1,Δml=±1 时,跃迁才可能发生;
对于电场平行于 y 轴的偏振光,只有矩阵元 yk′k 对跃迁有贡献
yk′k=⟨n′l′ml′∣rsinθsinφ∣nlml⟩ =⟨Rn′l′(r)Yl′ml′(θ,φ)∣2irsinθ(eiφ−e−iφ)∣Rnl(r)Ylml(θ,φ)⟩ =2i1(Rn′l′,rRnl)(Yl′ml′,sinθ(eiφ−e−iφ)Ylml)
其中 (Rn′l′,rRnl)=0 ,考虑球谐函数的递推关系式
e±iφsinθYl,ml=±(2l+1)(2l+3)(l±ml+1)(l±ml+2)Yl+1,ml±1∓(2l−1)(2l+1)(l∓ml)(l∓ml−1)Yl−1,ml±1
可得
(Yl′ml′,sinθ(eiφ−e−iφ)Ylml) =(2l+1)(2l+3)(l+ml+1)(l+ml+2)δl+1,ml+1−(2l−1)(2l+1)(l−ml)(l−ml−1)δl−1,ml+1 +(2l+1)(2l+3)(l−ml+1)(l−ml+2)δl+1,ml−1−(2l−1)(2l+1)(l−ml)(l−ml−1)δl−1,ml−1
故当 Δl=±1,Δml=±1 时,跃迁才可能发生。
在强度为 ρ(ω) 的辐射的照射下,原子从 k 态到 k′ 态的跃迁速率为(设 Ek′>Ek )
wk′k=Bk′kρ(ωk′k)
其中吸收系数
Bk′k=3ℏ24π2e2∣rk′k∣2
从 k′ 态到 k 态的跃迁速率为
wkk′=Bkk′ρ(ωk′k)
其中受激辐射系数
Bkk′=3ℏ24π2e2∣rkk′∣2
由于 r^ 为厄米算符,则 rk′k=rkk′∗ ,故
Bk′k=Bkk′
即受激辐射系数等于吸收系数,他们都与入射光强度无关,只决定于原子的自身性质。
根据Boltzmann分布律,处于平衡状态时,粒子数 n 与能量有关,当 Ek′=Ek 时, nk′=nk (通常情况下 nk′<nk ),则
nk Bk′k ρ(ωk′k)>nk′ Bkk′ ρ(ωk′k)
故如只有受激辐射,就无法与吸收过程达到平衡,出自热力学平衡的要求,必须引进自发辐射,在等式右侧加上一项,即
nk Bk′k ρ(ωk′k)=nk′ [Bkk′ ρ(ωk′k)+Akk′]
其中 Akk′ 称为自发辐射系数,表示在没有外界光照射的条件下,单位时间内原子从 k′ 态到 k 态的跃迁概率。
结合 nk/nk′=eℏωk′k/kT ,可得
ρ(ωk′k)=Bkk′Akk′nk/nk′−11=Bkk′Akk′eℏωk′k/kT−11 ⟶T→+∞Bkk′Akk′ℏωk′kkT
结合Planck黑体辐射公式
ρ(ω)=π2c3ℏω3eℏωk′k/kT−11
可得自发辐射系数的表达式为
Akk′=π2c3ℏωk′k3Bk′k=3ℏc34e2ωk′k3∣rk′k∣2
自发辐射的选择定则与吸收和受激辐射的相同。