Kapitel IV 2 WIP

kapIV-2.tex

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+\chapter{Zeitabhängige Störungstheorie}
+Für $H = H_0 + \lambda_1$ mit $H_0$ exakt lösbar und $\lambda \ll 1$, lässt sich das Problem perturativ angeben.
+\section{Nichtentarteter Fall}
+gegeben:
+\begin{equation}
+	\left(H_0 - E_\alpha \right) \ket{\alpha} = 0 ~ \left[ H_0 \ket{\alpha} = E_\alpha \ket{\alpha} \right]
+\end{equation}
+suche:
+\begin{equation}
+	\left( H - E_a \right) \ket{a} = 0 \label{stern00}
+\end{equation}
+mit $\ket{a} \rightarrow \ket{\alpha}$ (für $x \rightarrow 0$) eindeutig, da nicht entartet.
+\paragraph{Strategie} Wir entwickeln nach $\lambda$
+\begin{equation}
+	\ket{a} = c_\alpha \ket{\alpha} + \sum_{\beta \neq \alpha} d_\beta \ket{\beta} \text{ und } d_\beta = O(\lambda)
+\end{equation}
+Norm:
+\begin{align}
+	\abs{c_\alpha}^2 + \sum_{\beta \neq \alpha} \abs{d_\beta}^2 &= 1\\
+	\rightarrow c_\alpha &= 1 - O(\lambda^2)
+\end{align}
+einsetzen in (\ref{stern00}):
+\begin{align}
+	0 &= \left( H - E_\alpha \right) \ket{\alpha}\\
+	0 &= \left( H_0 - \lambda H_1 - E_\alpha \right) \left( c_\alpha \ket{\alpha} + \sum_{\beta \neq \alpha} d_\beta \ket{\beta} \right) &\left| \bra{\gamma} ~ \gamma \neq \alpha \right.\\
+	&= c_\alpha \lambda \dirac{\gamma}{H_1}{\alpha} + \sum_{\beta \neq \alpha} d_\beta \left( E_\beta \krondelta{\beta,\gamma} + \lambda \dirac{\gamma}{H_1}{\beta} - E_a \krondelta{\beta,\gamma} \right)\\
+	0 &= \underbrace{c_\alpha}_{1-O(\lambda^2)} \lambda \dirac{\gamma}{H_1}{\alpha} + d_\gamma \left( E_\gamma - E_a \right) + \underbrace{\lambda \sum_{\beta \neq \alpha} d_\beta \dirac{\gamma}{H_1}{\beta}}_{O(\lambda^2)}
+\end{align}
+in niedrigster Ordnung erhält man:
+\begin{align}
+	\rightarrow d_\gamma &= \lambda \frac{\dirac{\gamma}{H_1}{\alpha}}{\underbrace{E_a}_{E_\alpha - O(\lambda)} -  E_\gamma} + O(\lambda^2)\\
+	\rightarrow d_\beta &= \lambda \frac{\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha - E_\beta}\\
+	\ket{a} = \ket{\alpha} + \lambda \sum_{\beta \neq \alpha} \frac{\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha - E_\beta} \ket{\beta} + O(\lambda^2)
+\end{align}
+gut falls:
+\begin{equation}
+	\lambda \frac{\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha - E_\beta} \ll 1 ~ \forall \beta \neq \alpha
+\end{equation}
+Energieverschiebung:
+\begin{align}
+	0 &= \left( H - E_\alpha \right) \ket{a} &\left| \ket{\alpha} \right.\\
+ 	0 &= \bra{\alpha} \left( H_0 + \lambda_1 H_1 - E_a \right) \left( \ket{\alpha} + \lambda \sum_{\beta \neq \alpha} \frac{\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha - E_\beta} \ket{\beta} + O(\lambda^2) \right)\\
+	E_a &= E_ \alpha + \lambda \dirac{\alpha}{H_1}{\alpha} + \lambda^2 \sum_{\beta \neq \alpha} \frac{\dirac{\alpha}{H_1}{\beta} \dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha - E_\beta} + O(\lambda^3)
+\end{align}
+\paragraph{Fazit}
+\begin{enumerate}
+	\item In der führenden Ordnung ist die Energieverschiebung das Matrixelement der Störung im ungestörten Zustand.
+	\item Falls $\dirac{\alpha}{H_1}{\alpha}$ aus Symmetriegründen verschwindet, dann tragen alle Zustände zu nichtverschwindenden Korrekturen bei!
+\end{enumerate}
+\paragraph{Beispiel}
+\begin{align}
+	H &= \frac{p^2}{2m} + \frac{m}{2} \omega^2 x^2 + \lambda \underbrace{x^4}_{H_1}\\
+	H_0 \ket{n} &= \hbar \omega \left( n + \frac{1}{2} \right) \ket{n}
+\end{align}
+Grundzustandsverschiebung
+\begin{equation}
+	E_0 = \hbar \omega \frac{1}{2} + \lambda \dirac{0}{x^4}{0}
+\end{equation}
+entsprechend
+\begin{equation}
+	E_0 = \hbar \omega \left( n + \frac{1}{2} \right) + \lambda \dirac{n}{x^4}{n}
+\end{equation}
+%\begin{figure}[H] \centering
+%\includegraphics{pdf/III/02-01-00.pdf}
+%\end{figure}
+Konsequenz?
+\begin{itemize}
+	\item für $\lambda$ negativ $\abs{\lambda} \ll 1$
+	%\begin{figure}[H] \centering
+	%\includegraphics{pdf/III/02-01-01.pdf}
+	%\caption{gestrichelte Kurve entspricht $\frac{m}{2} \omega x^2 \abs{\lambda} x^4$}
+	%\end{figure}
+	\item für $\lambda$ positiv
+	%\begin{figure}[H] \centering
+	%\includegraphics{pdf/III/02-01-02.pdf}
+	%\end{figure}
+\end{itemize}
+volle Rechnung zeigt:
+\begin{equation}
+	E_n(\lambda) = \hbar \omega \left( n + \frac{1}{2} \right) + A^{(1)}_n (\lambda) + A^{(2)}_n (\lambda)
+\end{equation}
+mit
+\begin{equation}
+	A^{(1)}_n (\lambda) = O(\lambda) ~ ; ~ A^{(2)}_n (\lambda) = O \left(e^{-\frac{1}{\lambda}} \right)
+\end{equation}
+
+\section{Entarteter Fall}
+\begin{itemize}
+	\item Obige Formel wegen Energienenner nicht anwendbar bei Entartung.
+	\item sehr relevant: Aufhebeung der Entartung durch Störung
+\end{itemize}
+%\begin{figure}[H] \centering
+%\includegraphics{pdf/III/02-02-00.pdf}
+%\end{figure}
+\paragraph{Ansatz}
+\begin{align}
+	\ket{a} &= \sum_{\alpha \in D} c_\alpha \ket{\alpha} + \sum_{\mu \notin D} d_\mu \ket{\mu}\\[10pt]
+	0 &= \left( H - E_a \right) \ket{a}\\
+	\rightarrow 0 &= \left( H_0 + \lambda H_1 - E_a \right) \left( \sum_{\mu \notin D} d_\mu \ket{\mu} \right)
+\end{align}
+\paragraph*{Projektion auf $\bra{\nu} \notin D$}
+\begin{align}
+	0 &= \lambda \sum_\alpha c_\alpha \dirac{\nu}{H_1}{\alpha} d_\nu \left( E_\nu - E_a \right) + \lambda \sum_{\mu \notin D} d_\mu \dirac{\nu}{H_1}{\mu}\\
+	\rightarrow d_\nu &= \lambda \frac{\sum_\alpha c_a \dirac{\nu}{H_1}{\alpha}}{\underbrace{E_a}_{E_\alpha} - E_\nu} + o(\lambda^2)
+\end{align}
+\paragraph*{Projektion auf $\bra{\beta} \in D$}
+\begin{align}
+	0 &= \sum_\alpha c_\alpha \left( E_\alpha - E_a \right) \krondelta{\alpha,\beta} + \lambda \sum_\alpha c_\alpha \dirac{\beta}{H_1}{\alpha} + \lambda \sum_\mu d_\mu \dirac{\beta}{H_1}{\alpha}\\
+	0 &= \sum_\alpha c_\alpha \left( \left( E_a - E_\alpha \right) \krondelta{\alpha,\beta} + \underbrace{\lambda \dirac{\beta}{H_1}{\alpha} + \lambda^2 \sum_{\mu \notin D} \frac{\dirac{\beta}{H_1}{\mu} \dirac{\mu}{H_1}{\alpha}}{E_\alpha E_\mu}}_{\equiv \dirac{\beta}{H_\text{eff}}{\alpha}} \right) + O(\lambda^3)
+\end{align}
+$\forall \beta = 1, ..., N$ mit $N$ die Dimension von $D$\\
+d.h. LGS für die $c_\alpha$ hat nichttriviale Lösung falls
+\begin{equation}
+	\detb{E_\alpha \krondelta{\alpha,\beta} + \dirac{\beta}{H_\text{eff}}{\alpha} - E_\alpha \krondelta{\alpha,\beta}} = 0
+\end{equation}
+d.h. wir müssen $H_0 + H_\text{eff}$ im Unterraum $D$ diagonalisieren
+\paragraph{Fazit}
+\begin{enumerate}
+	\item in Ordnung $\lambda$ reicht es $H_1$ im entarteten Unterraum zu diagonalisieren
+	\item falls $H_1$ die Entartung nicht aufhebt, muss der $\lambda^2$-Term mitgenommen werden
+\end{enumerate}
+
+\section{Beispiel: Stark-Effekt}
+H-Atom:
+\begin{equation}
+	H_0 \ket{n,l,m} = E_n \ket{n,l,m}
+\end{equation}
+mit
+\begin{equation}
+	E_n = \frac{l^2}{2 a_0} \frac{1}{n^2} \text{; Entartung } g(n) = n^2
+\end{equation}
+Störung: $H_1$ sei E'feld
+\begin{equation}
+	H_1 = e \abs{E} \hat{z} \text{ für } \lambda = 1
+\end{equation}
+\paragraph{Erster Grundzustand}
+\begin{equation}
+	\ket{1,0,0} \rightarrow \braket{r,\theta,\varphi}{1,0,0} = \Phi_{1,0,0}(\vec{r}) = \frac{U_{1,0}}{r}Y_{0,0} = \frac{1}{\sqrt{\pi} a_0^\frac{3}{2}}e^{-\frac{r}{a_0}}
+\end{equation}
+\begin{itemize}
+	\item in Ordnung $\lambda$ d.h. in $O(\abs{E})$:
+		\begin{equation}
+			\dirac{1,0,0}{H_1}{1,0,0} = \intgru{\Phi^*_{1,0,0} (\vec{r}) \cdor e \abs{E} z \Phi_{1,0,0}(\vec{r})}{r^3} = 0
+		\end{equation}
+	\item in Ordnung $\abs{E}^2$:
+		\begin{align}
+			E_a = E_\alpha + ... &= E_1 + \sum_{\beta,\alpha} \frac{\abs{\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}}^2}{E_\beta - E_\alpha}\\
+			&= \left( E_1 \sum_{n=2}^\infty \sum_{l=0}^{n-1} \sum_{m=-l}^{+l} \frac{\abs{\dirac{n,l,m}{H_1}{1,0,0}}^2}{E_1 - E_n} + \int \text{Kontinuum} \right) + O(E^3)
+		\end{align}
+		mit
+		\begin{align}
+			\dirac{n,l,m}{\hat{z}}{1,0,0} &= \intgr{0}{-\infty}{r \intgr{-1}{+1}{\intgr{0}{2\pi}{\frac{U_{n,r}(r)}{r} Y^*_{l,m}(\theta,\varphi) r \underbrace{\cos\theta}_{Y_{1,0} \frac{1}{\sqrt{\pi} a_0^\frac{3}{2}}e^{-\frac{r}{a_0}}}}{\varphi}}{(\cos\theta)}}{r}\\
+			&= \krondelta{m,0} \krondelta{l,1} \frac{1}{\sqrt{3}} \int U_{n,1}(r) r U_{1,0}(r)
+		\end{align}
+\end{itemize}
+am meisten trägt $n=2$ bei
+\begin{align}
+	\dirac{2,1,0}{\hat{z}}{1,0,0} &= \frac{a_0}{\sqrt{3}} \intgr{0}{\infty}{\frac{r^2 e^{-\frac{r}{2}}}{2 \sqrt{6}} r \left( 2r e^{-r} \right)}{r}\\
+	&= \frac{2^7 \sqrt{2}}{3^5} a_0
+\end{align}
+und damit ist
+\begin{equation}
+	E_{1,0,0} = E_1 - 1,48 a_0^3 \abs{E}^2
+\end{equation}
+und für alle weiteren $n$
+\begin{equation}
+	E_{1,0,0} \rightarrow E_1 - \frac{9}{4} a_0^3 \abs{E}^2
+\end{equation}
+\paragraph{linerarer Stark-Effekt für n=2}
+\begin{align}
+	\braket{r,\theta,\varphi}{2,0,0} &= \Phi_{2,0,0}(\vec{r}) = \frac{1}{\sqrt{2 a_0^3}} \left(1 - \frac{r}{2a_0} \right) e^{-\frac{r}{2a_0}} Y_{0,0}\\
+	\braket{r,\theta,\varphi}{2,1,m} &= \Phi_{2,1,m} (\vec{r}) = \frac{1}{24 a_0^3} \frac{r}{a_0} e^{-\frac{r}{2a_0}} Y_{l,m}
+\end{align}
+im entartetetn Unterraum $\setCond{\bra{\alpha}}{\alpha = 1,2,3,4}$ mit
+\begin{equation}
+	\bra{1} = \bra{1,0,0} ;~ \bra{2} = \bra{2,1,0} ;~ \bra{3} = \bra{2,1,1} ;~ \bra{4} = \bra{2,1,-1}
+\end{equation}
+diagonalisieren: $\dirac{\beta}{H_1}{\alpha}$
+\begin{enumerate}
+	\item Diagonalelemente
+		\begin{equation}
+			\dirac{\alpha}{H_1}{\alpha} \tilde \intgru{\cos\theta\abs{\Phi_{n,l,m}}^2}{(\cos\theta)} \equiv 0
+		\end{equation}
+	\item Nichtdiagonalelemente
+		\begin{equation}
+			\dirac{n',l',m'}{\hat{z}}{n,l,m} \tilde \intgru{e^{i(m-m')\phi}}{\phi} \tilde \krondelta{m,m'}
+		\end{equation}
+		mit
+		\begin{equation}
+			\dirac{1}{H_1}{2} = \dirac{2}{H_1}{1} = \dirac{2,0,0}{e \abs{E} z}{2,1,0} \equiv V_0
+		\end{equation}
+\end{enumerate}
+d.h. das Eigenwertproblem lautet
+\begin{equation}
+	\inlinematrix{0& V_0& 0& 0\\ V_0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0} \inlinematrix{c_1\\ c_2\\ c_3\\ c_4} = \left( E_a - E_\alpha \right) \inlinematrix{c_1\\ c_2\\ c_3\\ c_4}
+\end{equation}
+triviale Eigenvektoren $\inlinematrix{0\\ 0\\ 1\\ 0}$ und $\inlinematrix{0\\ 0\\ 0\\ 1}$ zum Eigenwert $E_a = E_\alpha$ reduziert auf
+\begin{equation}
+	\inlinematrix{0& V_0\\ V_0& 0} \inlinematrix{c_1\\ c_2} = \left( E_a - E_\alpha \right) \inlinematrix{c_1\\ c_2}
+\end{equation}
+also
+\begin{align}
+	\frac{1}{\sqrt{2}} \inlinematrix{1\\ 1\\ 0\\ 0} &\text{ zu } E_a - E_\alpha = +V_0\\
+	\frac{1}{\sqrt{2}} \inlinematrix{1\\ -1\\ 0\\ 0} &\text{ zu } E_a - E_\alpha = -V_0\\
+\end{align}
+mit
+\begin{equation}
+	V_0 = -3 e \abs{E} a_0
+\end{equation}

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