Variationsverfahren: Difference between revisions
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<math>\hat{H}\left| {{\Psi }_{k}} \right\rangle ={{E}_{k}}\left| {{\Psi }_{k}} \right\rangle </math> | <math>\hat{H}\left| {{\Psi }_{k}} \right\rangle ={{E}_{k}}\left| {{\Psi }_{k}} \right\rangle </math> | ||
<math>\left\langle {{\Psi }_{n}} | <math>\left\langle {{\Psi }_{n}} | {{\Psi }_{k}} \right\rangle ={{\delta }_{nk}}</math> | ||
bilden ein vollständiges Orthonormalsystem | bilden ein vollständiges Orthonormalsystem | ||
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<math>\begin{align} | <math>\begin{align} | ||
& \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n}^{{}}{{}}\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | & \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n}^{{}}{{}}\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n}^{{}}{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \\ | ||
& {{E}_{n}}\ge {{E}_{0}} \\ | & {{E}_{n}}\ge {{E}_{0}} \\ | ||
& \Rightarrow \sum\limits_{n}^{{}}{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | & \Rightarrow \sum\limits_{n}^{{}}{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \ge {{E}_{0}}\sum\limits_{n}^{{}}{{}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle ={{E}_{0}}\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle \\ | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
Line 33: | Line 33: | ||
Wodurch uns die Ungleichung geben ist: | Wodurch uns die Ungleichung geben ist: | ||
<math>\frac{\sum\limits_{n}^{{}}{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | <math>\frac{\sum\limits_{n}^{{}}{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle }\ge {{E}_{0}}</math> | ||
Also: | Also: | ||
<math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | <math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle }\ge {{E}_{0}}</math> | ||
als Extremal- Prinzip | als Extremal- Prinzip | ||
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Dabei sollten Symmetrien und Asymptotik beachtet werden. | Dabei sollten Symmetrien und Asymptotik beachtet werden. | ||
Variiere dann die Parameter, bis <math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | Variiere dann die Parameter, bis <math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle }={{E}_{{}}}</math> | ||
minimal wird: | minimal wird: | ||
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Mit | Mit | ||
<math>\left\langle \phi | <math>\left\langle \phi | {{\Psi }_{0}} \right\rangle =0</math> | ||
Für kleine <math>\left| \lambda \right|</math> | Für kleine <math>\left| \lambda \right|</math> | ||
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Nun wähle man eine Testfunktion <math>\Psi (\bar{r},\alpha ,\beta ,...)</math> | Nun wähle man eine Testfunktion <math>\Psi (\bar{r},\alpha ,\beta ,...)</math> | ||
mit <math>\left\langle \Psi (\bar{r},\alpha ,\beta ,...) | mit <math>\left\langle \Psi (\bar{r},\alpha ,\beta ,...) | {{\Psi }_{0}} \right\rangle =0</math> | ||
. Dies muss natürlich für beliebige Belegung der Parameter gelten ! | . Dies muss natürlich für beliebige Belegung der Parameter gelten ! | ||
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Also: Man wähle einen neuen, beliebigen Zustand, der nur orthogonal zum bestehenden sein muss ! (und zwar für beliebige Parameterbelegungen !) | Also: Man wähle einen neuen, beliebigen Zustand, der nur orthogonal zum bestehenden sein muss ! (und zwar für beliebige Parameterbelegungen !) | ||
Nun kann man die Parameter erneut variieren, bis <math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | Nun kann man die Parameter erneut variieren, bis <math>\frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle }={{E}_{{}}}</math> | ||
minimal wird. | minimal wird. | ||
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<math>\begin{align} | <math>\begin{align} | ||
& \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n}^{{}}{{}}\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | & \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n}^{{}}{{}}\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n=0}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \\ | ||
& \left\langle \Psi | & \left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle =0,f\ddot{u}r\quad n=0 \\ | ||
& \Rightarrow \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | & \Rightarrow \left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle =\sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \\ | ||
& \Rightarrow {{E}_{n}}\ge {{E}_{1}} \\ | & \Rightarrow {{E}_{n}}\ge {{E}_{1}} \\ | ||
& \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | & \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \ge {{E}_{1}}\sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \\ | ||
& \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | & \Rightarrow \sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle \ge {{E}_{1}}\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle \Rightarrow {{E}_{1}}\le \frac{\sum\limits_{n=1}^{\infty }{{}}{{E}_{n}}\left\langle \Psi | {{\Psi }_{n}} \right\rangle \left\langle {{\Psi }_{n}} | \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle } \\ | ||
& \Rightarrow {{E}_{1}}\le \frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | & \Rightarrow {{E}_{1}}\le \frac{\left\langle \Psi \right|\hat{H}\left| \Psi \right\rangle }{\left\langle \Psi | \Psi \right\rangle } \\ | ||
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Revision as of 19:17, 11 September 2010
65px|Kein GFDL | Der Artikel Variationsverfahren basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 5.Kapitels (Abschnitt 7) der Quantenmechanikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD. |
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{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=5|Abschnitt=7}} Kategorie:Quantenmechanik __SHOWFACTBOX__
Diese Näherungsmethode von W. Ritz ist nützlich, falls der Hamiltonoperator NICHT in einen ungestörten Anteil und eine KLEINE Störung zerlegbar ist, was den Abbruch der Störungsreihe rechtfertigt.
Die zeitunabhängige Schrödingergleichung:
bilden ein vollständiges Orthonormalsystem
Dies sind die nötigen Vortaussetzungen zur Durchführung des Variationsprinzips:
Weiter seien die Energie- Eigenwert der Größe nach geordnet:
Dann gilt für einen beliebigen Zustand
, im Allgemeinen kein Eigenzustand:
Wodurch uns die Ungleichung geben ist:
Also:
als Extremal- Prinzip
Näherung für den Grundzustand:
Mache einen geeigneten Ansatz für eine Testfunktion
mit verschiedenen Parametern, also
.
Dabei sollten Symmetrien und Asymptotik beachtet werden.
Variiere dann die Parameter, bis
minimal wird:
Damit ist eine Näherung für die Grundzustandsenergie
.
Die Parameter in der Testfunktion setzen dann gleichzeitig eine Näherung für den Grundzustands- Eigenzustand
Bemerkung
in folgendem Sinn:
verfehle:
Mit
ein Minimum hat:
Der Fehler geht also nur quadratisch ein. Die Energie ist besser genähert.
Näherung für angeregte Zustände:
sind also näherungsweise bekannt.
Nun wähle man eine Testfunktion
. Dies muss natürlich für beliebige Belegung der Parameter gelten !
Also: Man wähle einen neuen, beliebigen Zustand, der nur orthogonal zum bestehenden sein muss ! (und zwar für beliebige Parameterbelegungen !)
Nun kann man die Parameter erneut variieren, bis
minimal wird.
Beweis:
Weitere Näherungsmethoden
beispielsweise WKB- Näherung (, Wentzel, Kramer, Brillouin (1926)
sogenannte "quasiklassische Näherung":
Gut, falls die De- Broglie Wellenlänge viel kleiner ist als die Länge, auf der sich das Potenzial wesentlich ändert.
Fließbach, S. 155 ff.