§10.2 束缚态微扰论II:简并情形
1.一级微扰能和零级波函数
我们知道,微扰展开是
,
,
其中和应满足
.
所谓有简并即是有(是的简并度) 都满足该方程:
所以在引入微扰后应设:
代入一级微扰方程得:
两端乘以再积分,左方仍,所以
记
则方程成为
这和矩阵形式的本征方程完全一样,所以由下面的方程决定:
也就是“长期方程”
从中可以解出以及它们对应的,这就决定了一级微扰能和零级波函数。注意,一般说来不但与对角元素有关,而且与非对角元素有关,但总有个解。假如的个解各不相同(即方程没有重根),则的简并度被完全消除,否则只是部分地被消除。
2.Stark效应
原子能级在静电场中的分裂称为Stark效应。作为例子,让我们考虑氢原子。
设外静电场沿着正轴方向,那么电子就受到了如下的附加势场:
在未加微扰时,氢原子的能级是
而波函数是
只和有关,能级对是简并的,在不计电子的自旋自由度时简并度为
显然,时不简并,并且容易算出。时,区分简并态的量子数(前面记为)可以取值,以下依次简记为。所以我们要计算
表面看来我们要算16个积分,但是实际上由于对称性的关系其中有14个积分是零,剩下两个还相等。非零的矩阵元是
略去并不困难的计算过程,其结果是
其中是Bohr半径。所以我们应该求出下面这个矩阵的本征值从而得到:
显然它有两个本征值是零,另外两个是,所以
这就是说,原来简并在上的4个能级,现在有一个向上移动了,一个向下移动了,还有两个没有移动,简并是部分地消除了。这个结果得到了实验的证实。
作业:习题10.2; 10.5.