Zeitabhängige Störungsrechnung: Difference between revisions
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:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& \left\langle n\acute{\ } | & \left\langle n\acute{\ } | n \right\rangle ={{\delta }_{n\acute{\ }n}} \\ | ||
& \sum\limits_{n}{{}}\left| n \right\rangle \left\langle n \right|=1 \\ | & \sum\limits_{n}{{}}\left| n \right\rangle \left\langle n \right|=1 \\ | ||
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Damit: | Damit: | ||
:<math>\left\langle n | :<math>\left\langle n | {{n}_{0}} \right\rangle :={{c}_{n}}(0)={{\delta }_{n{{n}_{0}}}}</math> | ||
Die Zeitentwicklung unter dem Einfluss der Störung lautet (Einsetzen von | Die Zeitentwicklung unter dem Einfluss der Störung lautet (Einsetzen von | ||
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:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& i\hbar \sum\limits_{n}{{}}\frac{d}{dt}{{c}_{n}}(t)\left\langle m | & i\hbar \sum\limits_{n}{{}}\frac{d}{dt}{{c}_{n}}(t)\left\langle m | n \right\rangle =\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left\langle m \right|\left( {{{\hat{H}}}_{0}}+{{{\hat{H}}}^{1}}(t) \right)\left| n \right\rangle =\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left\langle m \right|\left( {{E}_{n}}+{{{\hat{H}}}^{1}}(t) \right)\left| n \right\rangle \\ | ||
& =\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left( \left\langle m \right|{{E}_{n}}\left| n \right\rangle +\left\langle m \right|{{{\hat{H}}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle \right)=\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t){{E}_{n}}{{\delta }_{mn}}+\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left\langle m \right|{{{\hat{H}}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle \\ | & =\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left( \left\langle m \right|{{E}_{n}}\left| n \right\rangle +\left\langle m \right|{{{\hat{H}}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle \right)=\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t){{E}_{n}}{{\delta }_{mn}}+\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left\langle m \right|{{{\hat{H}}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle \\ | ||
& \Rightarrow i\hbar \sum\limits_{n}{{}}\frac{d}{dt}{{c}_{n}}(t)\left\langle m | & \Rightarrow i\hbar \sum\limits_{n}{{}}\frac{d}{dt}{{c}_{n}}(t)\left\langle m | n \right\rangle ={{c}_{m}}(t){{E}_{m}}+\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left\langle m \right|{{{\hat{H}}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle =i\hbar \frac{d}{dt}{{c}_{m}}(t) \\ | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
Line 88: | Line 88: | ||
:<math>{{e}^{-\left( i\frac{{{E}_{n}}t}{\hbar } \right)}}</math> | :<math>{{e}^{-\left( i\frac{{{E}_{n}}t}{\hbar } \right)}}</math> | ||
Man schreibt also eine Zeitentwicklung für die Entwicklungskoeffizienten auf ! | Man schreibt also eine Zeitentwicklung für die Entwicklungskoeffizienten auf! | ||
Somit kann die Differenzialgleichung für die Entwicklungskoeffizienten umgeschrieben werden: | Somit kann die Differenzialgleichung für die Entwicklungskoeffizienten umgeschrieben werden: | ||
Line 114: | Line 114: | ||
Wir machen eine Sörungsentwicklung für kleines <math>\varepsilon </math>: | Wir machen eine Sörungsentwicklung für kleines <math>\varepsilon </math>: | ||
<math>{{\hat{H}}_{1}}(t)=\varepsilon \hat{V}</math> | :<math>{{\hat{H}}_{1}}(t)=\varepsilon \hat{V}</math> | ||
( dabei kann die Störung natürlich explizit zeitabhängig sein !) | (dabei kann die Störung natürlich explizit zeitabhängig sein!) | ||
Man motiviert dass bei kleinen Potenzialstörungen höhere Ordnungen von <math>\left\langle m \right|{{\hat{H}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle </math> | Man motiviert dass bei kleinen Potenzialstörungen höhere Ordnungen von <math>\left\langle m \right|{{\hat{H}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle </math> | ||
Line 124: | Line 124: | ||
fallen, was für die Entwicklungskoeffizienten bedeutet: | fallen, was für die Entwicklungskoeffizienten bedeutet: | ||
<math>{{g}_{n}}(t)={{g}_{n}}^{(0)}(t)+\varepsilon {{g}_{n}}^{(1)}(t)+{{\varepsilon }^{2}}{{g}_{n}}^{(2)}(t)+...</math> | :<math>{{g}_{n}}(t)={{g}_{n}}^{(0)}(t)+\varepsilon {{g}_{n}}^{(1)}(t)+{{\varepsilon }^{2}}{{g}_{n}}^{(2)}(t)+...</math> | ||
Merke: Der entscheidende Schritt der zeitabhängigen Störungsrechnung ist hier: die Taylorentwicklung der Entwicklungskoeffizienten, in denen der Zustand entwickelt wurde. | Merke: Der entscheidende Schritt der zeitabhängigen Störungsrechnung ist hier: die Taylorentwicklung der Entwicklungskoeffizienten, in denen der Zustand entwickelt wurde. | ||
Line 130: | Line 130: | ||
Dabei gilt: | Dabei gilt: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& \sum\limits_{n}{{}}\left| n \right\rangle \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}}=\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left| n \right\rangle \\ | & \sum\limits_{n}{{}}\left| n \right\rangle \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}}=\sum\limits_{n}{{}}{{c}_{n}}(t)\left| n \right\rangle \\ | ||
Line 138: | Line 138: | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
<math>{{c}_{n}}(t):={{e}^{-\left( i\frac{{{E}_{n}}t}{\hbar } \right)}}{{g}_{n}}(t)</math> | :<math>{{c}_{n}}(t):={{e}^{-\left( i\frac{{{E}_{n}}t}{\hbar } \right)}}{{g}_{n}}(t)</math> | ||
Da aber die Differenzialgleichung für unsere <math>{{g}_{m}}(t)</math> | Da aber die Differenzialgleichung für unsere <math>{{g}_{m}}(t)</math> | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|{{\hat{H}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle {{g}_{n}}(t)</math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|{{\hat{H}}^{1}}(t)\left| n \right\rangle {{g}_{n}}(t)</math> | ||
ebenso beidseitig entwickelt werden kann: | ebenso beidseitig entwickelt werden kann: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& i\hbar \frac{d}{dt}\left( {{g}_{m}}^{(0)}(t)+\varepsilon {{g}_{m}}^{(1)}(t)+{{\varepsilon }^{2}}{{g}_{m}}^{(2)}(t)+... \right) \\ | & i\hbar \frac{d}{dt}\left( {{g}_{m}}^{(0)}(t)+\varepsilon {{g}_{m}}^{(1)}(t)+{{\varepsilon }^{2}}{{g}_{m}}^{(2)}(t)+... \right) \\ | ||
Line 172: | Line 172: | ||
: | : | ||
<math>{{c}_{m}}^{(0)}(t)={{e}^{-i\frac{{{E}_{m}}}{\hbar }t}}{{\delta }_{m{{n}_{0}}}}</math> | :<math>{{c}_{m}}^{(0)}(t)={{e}^{-i\frac{{{E}_{m}}}{\hbar }t}}{{\delta }_{m{{n}_{0}}}}</math> | ||
'''Für k=1''' | '''Für k=1''' | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | ||
Dabei wurde <math>{{\varepsilon }^{k}}={{\varepsilon }^{1}}</math> | Dabei wurde <math>{{\varepsilon }^{k}}={{\varepsilon }^{1}}</math> | ||
Line 187: | Line 187: | ||
Links ist die Ordnung des Entwicklungskoeffizienten gleich der Ordnung von <math>\varepsilon </math> | Links ist die Ordnung des Entwicklungskoeffizienten gleich der Ordnung von <math>\varepsilon </math> | ||
. | |||
Rechts dagegen hat man eine Ordnung von <math>\varepsilon </math> | |||
, | |||
die noch um eines größer ist als die Ordnung des Entwicklungskoeffizienten, da ja noch <math>{{\hat{H}}_{1}}(t)=\varepsilon \hat{V}</math> | |||
. | |||
Also hat man formal in erster Ordnung von <math>\varepsilon </math> | |||
: | : | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}\varepsilon {{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\varepsilon \hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}\Rightarrow i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}\varepsilon {{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\varepsilon \hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}\Rightarrow i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | ||
Wir wissen: <math>{{g}_{m}}^{(0)}(t)=const=!={{\delta }_{m{{n}_{0}}}}</math> | Wir wissen: <math>{{g}_{m}}^{(0)}(t)=const=!={{\delta }_{m{{n}_{0}}}}</math> | ||
Line 202: | Line 202: | ||
Somit: | Somit: | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\sum\limits_{n}{{}}{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| n \right\rangle {{g}_{n}}^{(0)}</math> | ||
also: | also: | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)={{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{g}_{m}}^{(1)}(t)={{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
und mit der Anfangsbedingung <math>{{g}_{n}}^{(1)}(0)=0</math> | und mit der Anfangsbedingung <math>{{g}_{n}}^{(1)}(0)=0</math> | ||
Line 212: | Line 212: | ||
kann formal integriert werden: | kann formal integriert werden: | ||
<math>{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\frac{1}{i\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n0}} \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | :<math>{{g}_{m}}^{(1)}(t)=\frac{1}{i\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{m}}-{{E}_{n0}} \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle m \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
'''Übergangswahrscheinlichkeit''' | '''Übergangswahrscheinlichkeit''' | ||
Line 222: | Line 222: | ||
vorliegt. | vorliegt. | ||
<math>{{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| \sum\limits_{n\acute{\ }}{{}}{{c}_{n\acute{\ }}}(t)\left\langle n | :<math>{{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| \sum\limits_{n\acute{\ }}{{}}{{c}_{n\acute{\ }}}(t)\left\langle n | n\acute{\ } \right\rangle \right|}^{2}}={{\left| {{c}_{n}}(t) \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}}(t) \right|}^{2}}</math> | ||
'''Als Näherung ''' wird nur die niedrigste, nichtverschwindende Ordnung betrachtet: | '''Als Näherung ''' wird nur die niedrigste, nichtverschwindende Ordnung betrachtet: | ||
<math>{{g}_{n}}(t)={{g}_{n}}^{(o)}={{\delta }_{n{{n}_{0}}}}=1</math> | :<math>{{g}_{n}}(t)={{g}_{n}}^{(o)}={{\delta }_{n{{n}_{0}}}}=1</math> | ||
für n=n0 | für n=n0 | ||
und | und | ||
<math>{{g}_{n}}(t)=\varepsilon {{g}_{n}}^{(1)}</math> | :<math>{{g}_{n}}(t)=\varepsilon {{g}_{n}}^{(1)}</math> | ||
für <math>n\ne {{n}_{0}}</math> | für <math>n\ne {{n}_{0}}</math> | ||
: | : | ||
== Zeitunabhängige Störung: == | == Zeitunabhängige Störung: == | ||
<math>\hat{V}=const.</math> | :<math>\hat{V}=const.</math> | ||
: | : | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{g}_{n}}^{(1)}(t)=-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle =-\left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \\ | & {{g}_{n}}^{(1)}(t)=-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle =-\left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \\ | ||
& {{\left| {{g}_{n}}^{(1)}(t) \right|}^{2}}={{\left| \left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\left\{ \frac{{{e}^{\left( -i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \right\}\left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \right\}:={{\left| \left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i\Omega t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i\Omega t \right)}}-1 \right)}{{{\Omega }^{2}}{{\hbar }^{2}}} \right\} \\ | & {{\left| {{g}_{n}}^{(1)}(t) \right|}^{2}}={{\left| \left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\left\{ \frac{{{e}^{\left( -i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \right\}\left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}} \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}} \right\}:={{\left| \left\langle n \right|\hat{V}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i\Omega t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i\Omega t \right)}}-1 \right)}{{{\Omega }^{2}}{{\hbar }^{2}}} \right\} \\ | ||
Line 249: | Line 249: | ||
auf <math>\left| n \right\rangle </math> | auf <math>\left| n \right\rangle </math> | ||
: | : | ||
<math>\begin{align} | [[Datei:Sign squared.png]] | ||
Für die Darstellung der Übergangswahrscheinlichkeit um die optimale Energie gilt (grafisch): | |||
:<math>\begin{align} | |||
& {{D}_{t}}(0)={{\left( \frac{t}{\hbar } \right)}^{2}} \\ | & {{D}_{t}}(0)={{\left( \frac{t}{\hbar } \right)}^{2}} \\ | ||
& \begin{matrix} | & \begin{matrix} | ||
Line 263: | Line 265: | ||
Also: | Also: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{D}_{t}}(E)=:\frac{2\pi }{\hbar }t{{\delta }_{t}}(E) \\ | & {{D}_{t}}(E)=:\frac{2\pi }{\hbar }t{{\delta }_{t}}(E) \\ | ||
& \begin{matrix} | & \begin{matrix} | ||
Line 272: | Line 274: | ||
Grafisch | Grafisch | ||
[[Datei:Sign squared.gif]] | |||
<math>\Rightarrow {{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}}(t) \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{H}}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\cdot t\cdot {{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | :<math>\Rightarrow {{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}}(t) \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{H}}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\cdot t\cdot {{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | ||
Für <math>t\to \infty </math> | Für <math>t\to \infty </math> | ||
Line 283: | Line 286: | ||
Damit folgt die Energie- Zeit Unschärferelation: | Damit folgt die Energie- Zeit Unschärferelation: | ||
<math>\Delta Et\cong 4\pi \hbar </math> | :<math>\Delta Et\cong 4\pi \hbar </math> | ||
'''Übergangswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit ( von '''<math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | '''Übergangswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit (von '''<math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
auf <math>\left| n \right\rangle </math> | auf <math>\left| n \right\rangle </math>) | ||
: | |||
<math>{{W}_{nn0}}=\frac{d}{dt}{{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{H}}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}{{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | :<math>{{W}_{nn0}}=\frac{d}{dt}{{\left| \left\langle n \right|{{\left| \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{H}}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}{{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | ||
Mit dem Übergangsmatrixelement | Mit dem Übergangsmatrixelement | ||
<math>\left\langle n \right|{{\hat{H}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | :<math>\left\langle n \right|{{\hat{H}}^{1}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
und einer quadratischen Sinc- Funktion, <math>{{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | und einer quadratischen Sinc- Funktion, <math>{{\delta }_{t}}({{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}})</math> | ||
( siehe obige Definitionen) die die Übergangswahrscheinlichkeit auf absorbierte Quanten mit einer Energie <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | (siehe obige Definitionen) die die Übergangswahrscheinlichkeit auf absorbierte Quanten mit einer Energie <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | ||
beschränkt, so lange deren Abweichung von <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | beschränkt, so lange deren Abweichung von <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | ||
noch der Unschärfe genügt ( Die Wahrscheinliochkeit sinkt dann entlang einer Sinc²- Funktion um <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | noch der Unschärfe genügt (Die Wahrscheinliochkeit sinkt dann entlang einer Sinc²- Funktion um <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | ||
ab, für Quantenenergien, die von <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | ab, für Quantenenergien, die von <math>{{E}_{n}}-{{E}_{{{n}_{0}}}}</math> | ||
verschieden sind. Diese "Distribution" wird für unendlich lange Lebensdauern zur Delta- Funktion ! | verschieden sind. Diese "Distribution" wird für unendlich lange Lebensdauern zur Delta- Funktion! | ||
Dies ist Fermis Goldene Regel, abgeleitet aus der Störungstheorie 1. Ordnung. | Dies ist Fermis Goldene Regel, abgeleitet aus der Störungstheorie 1. Ordnung. | ||
Dabei gilt: | Dabei gilt: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{\delta }_{t}}\to \delta \\ | & {{\delta }_{t}}\to \delta \\ | ||
& f\ddot{u}r\quad t\to \infty \\ | & f\ddot{u}r\quad t\to \infty \\ | ||
Line 310: | Line 313: | ||
==Harmonische zeitabhängige Störung== | ==Harmonische zeitabhängige Störung== | ||
<math>{{\hat{H}}^{1}}(t)=\hat{F}{{e}^{-i\omega t}}+{{\hat{F}}^{+}}{{e}^{i\omega t}}</math> | :<math>{{\hat{H}}^{1}}(t)=\hat{F}{{e}^{-i\omega t}}+{{\hat{F}}^{+}}{{e}^{i\omega t}}</math> | ||
hermitesch ! | hermitesch! | ||
Es folgt: | Es folgt: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{g}_{n}}(t)=-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle -\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | & {{g}_{n}}(t)=-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle -\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)\tau }{\hbar } \right)}}\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | ||
& \Rightarrow {{g}_{n}}(t)=-\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)-1}}}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega } \right\}-\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)-1}}}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega } \right\} \\ | & \Rightarrow {{g}_{n}}(t)=-\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)-1}}}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega } \right\}-\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)-1}}}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega } \right\} \\ | ||
Line 324: | Line 327: | ||
: | : | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega ) \\ | & {{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega ) \\ | ||
& +\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )+\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle *\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( -i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega } \right\}\left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega } \right\} \\ | & +\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )+\left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle *\left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \left\{ \frac{{{e}^{\left( -i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega } \right\}\left\{ \frac{{{e}^{\left( i\frac{\left( {{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega \right)t}{\hbar } \right)}}-1}{{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega } \right\} \\ | ||
Line 336: | Line 339: | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& \Rightarrow {{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega ) \\ | & \Rightarrow {{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega ) \\ | ||
& +\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )+A{{e}^{-i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\} \\ | & +\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )+A{{e}^{-i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\} \\ | ||
Line 344: | Line 347: | ||
Weiter gilt | Weiter gilt | ||
<math>A{{e}^{-i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\}+A{{e}^{i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\}=\frac{4A}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}}\cos \left( \omega t-\gamma \right)\left[ \cos \left( \omega t \right)-\cos \left( \Omega t \right) \right]</math> | :<math>A{{e}^{-i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\}+A{{e}^{i\gamma }}\left\{ \frac{\left( {{e}^{\left( -i{{\Omega }^{+}}t \right)}}-1 \right)\left( {{e}^{\left( i{{\Omega }^{-}}t \right)}}-1 \right)}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}} \right\}=\frac{4A}{{{\hbar }^{2}}{{\Omega }^{+}}{{\Omega }^{-}}}\cos \left( \omega t-\gamma \right)\left[ \cos \left( \omega t \right)-\cos \left( \Omega t \right) \right]</math> | ||
Für <math>\omega \ne 0,\Omega \ne 0</math> | Für <math>\omega \ne 0,\Omega \ne 0</math> | ||
sind diese Terme jedoch rein oszillierend. Für <math>t\to \infty </math> | sind diese Terme jedoch rein oszillierend. Für <math>t\to \infty </math> | ||
Line 351: | Line 354: | ||
Somit folgt für <math>t\to \infty </math> | Somit folgt für <math>t\to \infty </math> | ||
: | : | ||
<math>{{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )+\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | :<math>{{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}={{\left| {{g}_{n}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )+\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}t\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | ||
Für Zeit gegen unendlich kann man dann leicht die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | Für Zeit gegen unendlich kann man dann leicht die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
Line 357: | Line 360: | ||
pro Zeiteinheit, durch Ableitung nach der Zeit erhalten: | pro Zeiteinheit, durch Ableitung nach der Zeit erhalten: | ||
<math>{{W}_{nn0}}=\frac{d}{dt}{{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )+\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle {{n}_{0}} \right|\hat{F}\left| n \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | :<math>{{W}_{nn0}}=\frac{d}{dt}{{\left| {{\left\langle n | \Psi \right\rangle }_{t}} \right|}^{2}}=\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )+\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle {{n}_{0}} \right|\hat{F}\left| n \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | ||
Die Terme lassen sich identifizieren: | Die Terme lassen sich identifizieren: | ||
<math>\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )</math> | :<math>\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle n \right|\hat{F}\left| {{n}_{0}} \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}-\hbar \omega )</math> | ||
steht für die Absorption eines Quants der Energie <math>\hbar \omega </math> | steht für die Absorption eines Quants der Energie <math>\hbar \omega </math> | ||
bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
auf<math>\left| n \right\rangle </math> | auf<math>\left| n \right\rangle </math>, | ||
was einem Energiesprung von <math>{{E}_{n}}-{{E}_{n0}}</math> | |||
entspricht. | entspricht. | ||
Das Quant wird also von Niveau <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | Das Quant wird also von Niveau <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
Line 371: | Line 374: | ||
gehievt | gehievt | ||
<math>\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle {{n}_{0}} \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| n \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | :<math>\frac{2\pi }{\hbar }{{\left| \left\langle {{n}_{0}} \right|{{{\hat{F}}}^{+}}\left| n \right\rangle \right|}^{2}}\delta ({{E}_{n}}-{{E}_{n0}}+\hbar \omega )</math> | ||
steht für die Emission eines Quants der Energie <math>\hbar \omega </math> | steht für die Emission eines Quants der Energie <math>\hbar \omega </math> | ||
bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von <math>\left| n \right\rangle </math> | bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von <math>\left| n \right\rangle </math> | ||
auf<math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | auf<math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math>, | ||
was einer Energieabgabe von <math>{{E}_{n0}}-{{E}_{n}}</math> | |||
entspricht. | entspricht. | ||
Das Quant fällt dabei vom diesmal höheren Niveau <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | Das Quant fällt dabei vom diesmal höheren Niveau <math>\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
Line 383: | Line 386: | ||
==Zusammenhang mit dem Wechselwirkungsbild== | ==Zusammenhang mit dem Wechselwirkungsbild== | ||
Für t=0 stimmen Schrödinger- und Wechselwirkungsbild überein ( Siehe oben, S. 63) | Für t=0 stimmen Schrödinger- und Wechselwirkungsbild überein (Siehe oben, S. 63) | ||
Im Wechselwirkungsbild gilt: | Im Wechselwirkungsbild gilt: | ||
<math>{{\hat{H}}_{W}}^{1}(t)={{e}^{\left( \frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}_{0}}t \right)}}{{\hat{H}}_{S}}^{1}{{e}^{\left( -\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}_{0}}t \right)}}</math> | :<math>{{\hat{H}}_{W}}^{1}(t)={{e}^{\left( \frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}_{0}}t \right)}}{{\hat{H}}_{S}}^{1}{{e}^{\left( -\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}_{0}}t \right)}}</math> | ||
Im Wechselwirkungsbild wird die Zeitentwicklung der Operatoren mit <math>{{\hat{H}}_{0}}</math> | Im Wechselwirkungsbild wird die Zeitentwicklung der Operatoren mit <math>{{\hat{H}}_{0}}</math> | ||
Line 393: | Line 396: | ||
evolutionieren: | evolutionieren: | ||
<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}={{\hat{H}}_{W}}^{1}(t){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}</math> | :<math>i\hbar \frac{d}{dt}{{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}={{\hat{H}}_{W}}^{1}(t){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}</math> | ||
Die formale Integration führt auf eine Integralgleichung: | Die formale Integration führt auf eine Integralgleichung: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)={{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{{}}d\tau \left( {{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(\tau ) \right) \\ | & {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)={{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{{}}d\tau \left( {{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(\tau ) \right) \\ | ||
& {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)=\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | & {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)=\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | ||
Line 405: | Line 408: | ||
liefert eine Iteration: | liefert eine Iteration: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)={{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{{}}d\tau \left( {{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(\tau ) \right)\approx \left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ) \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | & {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)={{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t=0)-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{{}}d\tau \left( {{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ){{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(\tau ) \right)\approx \left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ) \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | ||
& {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)\approx \left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ) \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle =\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | & {{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)\approx \left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{{\hat{H}}}_{W}}^{1}(\tau ) \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle =\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | ||
Line 411: | Line 414: | ||
Mit | Mit | ||
<math>{{\left| \Psi \right\rangle }_{S}}(t)={{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}{{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)\approx {{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | :<math>{{\left| \Psi \right\rangle }_{S}}(t)={{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}{{\left| \Psi \right\rangle }_{W}}(t)\approx {{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle </math> | ||
und | und | ||
<math>{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right):=U(t,0)</math> | :<math>{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right):=U(t,0)</math> | ||
Zeitentwicklungsoperator im Schrödingerbild | Zeitentwicklungsoperator im Schrödingerbild | ||
<u>'''Übergangsamplitude '''</u> im Schrödinger- Bild: | <u>'''Übergangsamplitude '''</u> im Schrödinger- Bild: | ||
<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
& {{c}_{n}}(t)=\left\langle n | & {{c}_{n}}(t)=\left\langle n | \Psi \right\rangle =\left\langle n \right|U(t,0)\left| {{n}_{0}} \right\rangle =\left\langle n \right|{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}t}}\left( 1-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }}{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}{{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{{\hat{H}}}^{0}}\tau }} \right)\left| {{n}_{0}} \right\rangle \\ | ||
& \Rightarrow {{c}_{n}}(t)={{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{E}_{n}}t}}\left( {{\delta }_{n{{n}_{0}}}}-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{E}_{n}}\tau }}\left\langle n \right|{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}\left| {{n}_{0}} \right\rangle {{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{E}_{n0}}\tau }} \right) \\ | & \Rightarrow {{c}_{n}}(t)={{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{E}_{n}}t}}\left( {{\delta }_{n{{n}_{0}}}}-\frac{i}{\hbar }\int_{0}^{t}{d\tau }{{e}^{\frac{i}{\hbar }{{E}_{n}}\tau }}\left\langle n \right|{{{\hat{H}}}_{S}}^{1}\left| {{n}_{0}} \right\rangle {{e}^{-\frac{i}{\hbar }{{E}_{n0}}\tau }} \right) \\ | ||
& {{\delta }_{n{{n}_{0}}}}={{g}_{n}}^{(0)} \\ | & {{\delta }_{n{{n}_{0}}}}={{g}_{n}}^{(0)} \\ | ||
Line 427: | Line 430: | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
In Übereinstimmung mit unserem Ergebnis von Seite 113 ! | In Übereinstimmung mit unserem Ergebnis von Seite 113! |
Latest revision as of 23:46, 12 September 2010
65px|Kein GFDL | Der Artikel Zeitabhängige Störungsrechnung basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 5.Kapitels (Abschnitt 1) der Quantenmechanikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD. |
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{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=5|Abschnitt=1}} Kategorie:Quantenmechanik __SHOWFACTBOX__
(Dirac)
Es soll die zeitliche Entwicklung eines Zustandes aus der Schrödingergleichung
berechnet werden, wobei
durch den ungestörten Hamilton- Operator mit einer kleinen Störung repräsentiert wird.
Die Störung lasse sich als Potenzialstörung darstellen, die mittels des von Null verschiedenen jedoch kleinen Parameters linear entwickelt werden kann:
(dabei kann die Störung natürlich explizit zeitabhängig sein!)
Die Eigenzustände und Eigenwerte von H0 seien bekannt:
Dabei gilt natürlich weiterhin die Orthonormierung und Vollständigkeit des Basissystems:
Annahme: diskretes Spektrum
Die Entwicklung von nach den Eigenzuständen des ungestörten Systems liefert:
Die Anfangsbedingung sei ein noch ungestörter Zustand :
Damit:
Die Zeitentwicklung unter dem Einfluss der Störung lautet (Einsetzen von
in die Schrödingergleichung:
Charakteristisch für diese entwickelten Probleme ist das Auftreten der Summe, wie hier zu sehen. Diese kann man beseitigen, indem von links mit einem zweiten Zustand "herausprojiziert" wird):
Hilfreich ist die Definition eines mit Hilfe der Eigenwerte des Zeitentwicklungsoperators für die ungestörten Zustände:
Man schreibt also eine Zeitentwicklung für die Entwicklungskoeffizienten auf!
Somit kann die Differenzialgleichung für die Entwicklungskoeffizienten umgeschrieben werden:
Setzt man dies ein, so folgt:
Die eigentliche Störungsrechnung kommt erst jetzt:
Wir machen eine Sörungsentwicklung für kleines :
(dabei kann die Störung natürlich explizit zeitabhängig sein!)
Man motiviert dass bei kleinen Potenzialstörungen höhere Ordnungen von
fallen, was für die Entwicklungskoeffizienten bedeutet:
Merke: Der entscheidende Schritt der zeitabhängigen Störungsrechnung ist hier: die Taylorentwicklung der Entwicklungskoeffizienten, in denen der Zustand entwickelt wurde.
Dabei gilt:
Da aber die Differenzialgleichung für unsere
ebenso beidseitig entwickelt werden kann:
gilt, kann an der Gleichung ein Koeffizientenvergleich in der Ordnung
durchgeführt werden und es folgt: :
Für k=1
bereits beidseitig gekürzt.
Beim Vergleich der Ordnungen von
muss man aufpassen.
Links ist die Ordnung des Entwicklungskoeffizienten gleich der Ordnung von .
Rechts dagegen hat man eine Ordnung von
,
die noch um eines größer ist als die Ordnung des Entwicklungskoeffizienten, da ja noch
.
Also hat man formal in erster Ordnung von
Somit:
also:
kann formal integriert werden:
Übergangswahrscheinlichkeit
Per Definition die Wahrscheinlichkeit, zur Zeit t den Zustand
zu finden, wenn zu t=0 der Zustand
vorliegt.
Als Näherung wird nur die niedrigste, nichtverschwindende Ordnung betrachtet:
für n=n0 und
Zeitunabhängige Störung:[edit | edit source]
Die Größe heißt Übergangsfrequenz. Und bezieht sich auf den Übergang von auf
Datei:Sign squared.png Für die Darstellung der Übergangswahrscheinlichkeit um die optimale Energie gilt (grafisch):
Also:
Grafisch Datei:Sign squared.gif
Damit folgt die Energie- Zeit Unschärferelation:
Übergangswahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit (von auf )
Mit dem Übergangsmatrixelement
und einer quadratischen Sinc- Funktion, (siehe obige Definitionen) die die Übergangswahrscheinlichkeit auf absorbierte Quanten mit einer Energie beschränkt, so lange deren Abweichung von noch der Unschärfe genügt (Die Wahrscheinliochkeit sinkt dann entlang einer Sinc²- Funktion um ab, für Quantenenergien, die von verschieden sind. Diese "Distribution" wird für unendlich lange Lebensdauern zur Delta- Funktion!
Dies ist Fermis Goldene Regel, abgeleitet aus der Störungstheorie 1. Ordnung. Dabei gilt:
Harmonische zeitabhängige Störung[edit | edit source]
hermitesch!
Es folgt:
Somit folgt für die Übergangswahrscheinlichkeit von auf
Weiter gilt
Für sind diese Terme jedoch rein oszillierend. Für sind diese jedoch vernachlässigbar gegen Terme
Für Zeit gegen unendlich kann man dann leicht die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen und pro Zeiteinheit, durch Ableitung nach der Zeit erhalten:
Die Terme lassen sich identifizieren:
steht für die Absorption eines Quants der Energie bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von auf,
was einem Energiesprung von
entspricht. Das Quant wird also von Niveau auf gehievt
steht für die Emission eines Quants der Energie bei gleichzeitiger Anregung des Übergangs von auf,
was einer Energieabgabe von
entspricht. Das Quant fällt dabei vom diesmal höheren Niveau auf das Niveau herunter.
Zusammenhang mit dem Wechselwirkungsbild[edit | edit source]
Für t=0 stimmen Schrödinger- und Wechselwirkungsbild überein (Siehe oben, S. 63)
Im Wechselwirkungsbild gilt:
Im Wechselwirkungsbild wird die Zeitentwicklung der Operatoren mit gewonnen, während die Zustände mit evolutionieren:
Die formale Integration führt auf eine Integralgleichung:
Für kleine liefert eine Iteration:
Mit
und
Zeitentwicklungsoperator im Schrödingerbild
Übergangsamplitude im Schrödinger- Bild:
In Übereinstimmung mit unserem Ergebnis von Seite 113!