设体系的Hamilton量为 H^ (不显含 t ),能量本征方程为
H^ψ=Eψ
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^′
其中 H^0 的本征值和本征函数比较容易解出,而 H^′ 是相对于 H^0 的一个小量( H^′≪H^0 ),称为微扰,可以在 H^0 的本征解的基础上,把 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)+⋯
其中 H^0ψn(0)=En(0)ψn(0) ,En(s) 和 ψn(s) 与 H^′ 的 s 次方成正比( s>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,⋯)
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)+⋯)
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^0−En(0))ψn(0)=0 (H^0−En(0))ψn(1)=(En(1)−H^′)ψn(0) (H^0−En(0))ψn(2)=(En(1)−H^′)ψn(1)+En(2)ψn(0) (H^0−En(0))ψn(3)=(En(1)−H^′)ψn(2)+En(2)ψn(1)+En(3)ψn(0)⋯
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。
若在不考虑微扰时,体系处于非简并能级,即 H^0 属于 En(0) 的本征态只有一个 ψn(0) ,则 H^′ 在表象 {ψn(0)} 中的矩阵元为
Hmn′=⟨ψm(0)∣H^′∣ψn(0)⟩
一级微扰能
En(1)=Hnn′=⟨ψn(0)∣H^′∣ψn(0)⟩
一级微扰波函数
ψn(1)=m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′ψm(0)
二级微扰能
En(2)=⟨ψn(0)∣H^′∣ψn(1)⟩=m=n∑En(0)−Em(0)∣Hmn′∣2
故准确到二级近似的能量本征值为
{nn} + \sum{m \ne n} \frac{\left|H'_{mn}\right|^2}{E_n^{(0)}-E_m^{(0)}} En=En(0)+Hnn′+m=n∑En(0)−Em(0)∣Hmn′∣2
准确到一级近似的本征函数为
ψn=ψn(0)+m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′ψm(0)
非简并态微扰论的适用条件为
En(0)−Em(0)Hmn′≪1(m=n)
故对于连续谱( ∣En(0)−Em(0)∣→0 )和非简并态均不能使用。
设一级微扰近似波函数表示为
ψn(1)=m∑amn(1)ψm(0)
代入一级方程,结合 {ψn(0)} 的正交归一性,可得
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 (H^0−En(0))m∑amn(1)ψm(0)=(En(1)−H^′)ψn(0)⇓m∑amn(1)(H^0−En(0))ψm(0)=(En(1)−H^′)ψn(0)⇓m∑amn(1)(Em(0)−En(0))ψm(0)=(En(1)−H^′)ψn(0)⇓m∑amn(1)⟨ψk(0)∣Em(0)−En(0)∣ψm(0)⟩=⟨ψk(0)∣En(1)−H^′∣ψn(0)⟩⇓akn(1)(Ek(0)−En(0))=En(1)δkn−⟨ψk(0)∣H^′∣ψn(0)⟩
当 k=n 时,可得
En(1)=⟨ψn(0)∣H^′∣ψn(0)⟩=Hnn′
当 k=n 时,可得
akn(1)=Ek(0)−Em(0)⟨ψk(0)∣H^′∣ψn(0)⟩=Ek(0)−Em(0)Hkn′
根据 ⟨ψn(0)∣ψn(1)⟩=0 ,可知 ann(1)=0 ,故
ψn(1)=m∑amn(1)ψm(0)=m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′ψm(0)
在二级方程的两侧同乘 ψn(0)∗ 并积分可得
⟨ψn(0)∣H^0−En(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)⟩
将 ψn(1) 的表达式代入,考虑到 H′ 为厄米矩阵,即 {mn} = (H'{nm})^*Hmn′=(Hnm′)∗ ,可得
{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)}} En(2)=m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′⟨ψn(0)∣H^′∣ψm(0)⟩ =m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′Hnm′=m=n∑En(0)−Em(0)∣Hmn′∣2
在三级方程的两侧同乘 ψn(0)∗ 并积分可得
⟨ψn(0)∣H^0−En(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)⟩
为了不使用 ψn(2) 的表达式来计算 En(3) ,考虑在二级方程的两侧同乘 ψn(1)∗ 并积分
⟨ψn(1)∣H^0−En(0)∣ψn(2)⟩=⟨ψn(1)∣En(1)−H^′∣ψn(1)⟩+⟨ψn(1)∣En(2)∣ψn(0)⟩⇓⟨ψn(1)∣H^0−En(0)∣ψn(2)⟩=⟨ψn(1)∣En(1)−H^′∣ψn(1)⟩
在一级方程的两侧同乘 ψn(2)∗ 并积分
⟨ψn(2)∣H^0−En(0)∣ψn(1)⟩=⟨ψn(2)∣En(1)−H^′∣ψn(0)⟩⇓⟨ψn(2)∣H^0−En(0)∣ψn(1)⟩=−⟨ψn(2)∣H^′∣ψn(0)⟩=−En(3)
考虑到 H^0 的厄米性,上面两个式子的左侧应该相等,即 ⟨ψn(1)∣H^0−En(0)∣ψn(2)⟩=⟨ψn(2)∣H^0−En(0)∣ψn(1)⟩ ,故
En(3)=⟨ψn(1)∣H^′−En(1)∣ψn(1)⟩
将 ψn(1) 的表达式代入,可得
{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} En(3)=k=n∑En(0)−Ek(0)(Hkn′)∗m=n∑En(0)−Em(0)Hmn′⟨ψk(0)∣H^′−En(1)∣ψm(0)⟩ =k=n∑m=n∑En(0)−Ek(0)Hnk′En(0)−Em(0)Hmn′⟨ψk(0)∣H^′∣ψm(0)⟩−En(1)m=n∑En(0)−Em(0)Hnm′En(0)−Em(0)Hmn′ =k=n∑m=n∑(En(0)−Ek(0))(En(0)−Em(0))Hnk′Hkm′Hmn′−Hnn′m=n∑(En(0)−Em(0))2∣Hmn′∣2
若在不考虑微扰时,体系处于简并能级,即 H0 属于 En(0) 的正交归一的本征态为 {ϕni(0)} ,简并度 fn=k ,则当 n 一定时, H^′ 在表象 {ϕni(0)} 中的矩阵元为
{ji} = \langle \phi{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangle Hji′=⟨ϕnj(0)∣H^′∣ϕni(0)⟩
求解久期方程
{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0 det(Hji′−En(1)δji)=0
可以得到该能级的 k 个一阶微扰能 En(1) ,分别代入方程
{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0 i=1∑kai(0)(Hji′−En(1)δji)=0
可以得到对应的 k 组 {ai(0)} 的取值,从而得到 k 个新的零级波函数
ψn(0)=i=1∑kai(0)ϕni(0)
如果解得的 En(1) 有重根,则简并不能完全消除。
已知
0 \phi{ni}^{(0)} = E_n \phi_{ni}^{(0)} \kern 2em (i=1,2,\cdots,k) H^0ϕni(0)=Enϕni(0)(i=1,2,⋯,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=1∑kai(0)ϕni(0)
代入一级方程,结合 {ϕni(0)} 的正交归一性,可得
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 (H^0−En(0))ψn(1)=(En(1)−H^′)i=1∑kai(0)ϕni(0)⇓(H^0−En(0))ψn(1)=i=1∑kai(0)(En(1)−H^′)ϕni(0)⇓⟨ϕnj(0)∣H^0−En(0)∣ψn(1)⟩=i=1∑kai(0)⟨ϕnj(0)∣En(1)−H^′∣ϕni(0)⟩⇓⟨ϕnj(0)∣En(0)−En(0)∣ψn(1)⟩=i=1∑kai(0)(En(1)δji−⟨ϕnj(0)∣H^′∣ϕni(0)⟩)⇓i=1∑kai(0)(⟨ϕnj(0)∣H^′∣ϕni(0)⟩−En(1)δji)=0
记 {ji} = \langle \phi{nj}^{(0)} | \hat{H}' | \phi_{ni}^{(0)} \rangleHji′=⟨ϕnj(0)∣H^′∣ϕni(0)⟩ ,上述线性方程组有非零解的条件为
{ji} - E_n^{(1)} \delta{ji} \right) = 0 det(Hji′−En(1)δji)=0
此部分内容不作为考试要求