量子力学微扰理论
微扰理论与非微扰方法
微扰理论与非微扰方法介绍微扰理论与非微扰方法是量子力学领域中一种重要的计算技术，用于解决复杂的物理系统问题。
微扰理论通过将一个较难求解的系统分解成较容易处理的简单部分，从而得到近似解。
非微扰方法则是通过直接求解系统的哈密顿量，不依赖于近似处理。
本文将重点探讨微扰理论与非微扰方法的基本原理、应用领域以及优缺点。
一、微扰理论1. 基本原理微扰理论适用于具有已知能谱的系统，通过对系统的哈密顿量施加微小的扰动，进而获得系统能级的修正。
微扰理论通常分为一阶、二阶和高阶微扰，利用微扰展开公式，通过求解微扰项系数，可以计算系统的能级修正值。
在实际应用中，通常选择扰动项为系统的相互作用哈密顿量或外场的影响。
2. 应用领域微扰理论在量子力学、统计力学以及量子场论等领域中具有广泛的应用。
它可以用于解释原子和分子的能级结构、光谱分析以及固体物理中的能带结构等问题。
微扰理论的优势在于精度高、计算相对简单，但在处理强扰动或高阶修正时可能存在收敛问题。
二、非微扰方法1. 基本原理非微扰方法是一种精确求解系统能量本征态的方法，适用于没有已知能谱的系统。
非微扰方法通过直接求解薛定谔方程或利用变分原理等方式，获得系统的精确解。
常用的非微扰方法有矩阵对角化方法、变分法以及数值求解等。
2. 应用领域非微扰方法在处理复杂的多粒子问题、强相互作用系统以及量子多体问题等方面具有重要应用。
它可以用于求解分子结构、低温物理中的超流与超导现象以及强关联电子体系等问题。
非微扰方法的优势在于可以获得准确的数值解，但计算量通常较大且对问题的特定形式要求较高。
三、微扰理论与非微扰方法的比较1. 优点微扰理论相对计算简单，适用于众多物理问题的近似解。
它提供了对系统能级的修正值，能够揭示物理体系中的微小变化。
非微扰方法可以获得精确的解，特别适用于需要高精度计算的问题。
2. 缺点微扰理论在处理强扰动或高阶修正时可能存在收敛问题，适用范围较窄。
它提供的是主要在较小扰动下的近似解。
量子化学 微扰理论
0 2 0 1 ˆ ˆ 1 ( H 0 − E n )∑ b jψ 0 = E nψ n + ( E n − H ' )ψ n j j
0 2 0 1 1 ˆ b j ( E 0 − En )ψ 0 =Enψ n + ( En − H ' )ψ n ∑ j j j
ˆ Hϕ n = Eϕ n
无法得到本征值E和本征函数ϕ 但已知另一个体系的具体情况： 无法得到本征值 和本征函数ϕn。但已知另一个体系的具体情况： 和本征函数
0 ˆ 0 H 0ϕ n = E 0ϕ n
ˆ ˆ 只有很小差别。 并且 H 与 H 0只有很小差别。
例如一维非谐振子具有： 例如一维非谐振子具有： h2 d 2 1 2 ˆ H =− + kx + cx 3 + dx 4 2m dx 2 2
( ( ( ( E n ≈ E n0 ) + E n1) + E n2) = E n0 )
| H ' kn | 2 + H ' nn + ∑ 0 E n − E k0 k ≠n
。（略 当m≠n时，就可求出二级波函数修正者。（略） 时 就可求出二级波函数修正者。（
用微扰理论处理非简并态体系已完成， 用微扰理论处理非简并态体系已完成，整个过程中除几个重要的 公式外，另预注意以下几点： 公式外，另预注意以下几点： （1）一级修正能量值的计算比较方便，只需要计算积分： ）一级修正能量值的计算比较方便，只需要计算积分：
0 0 1 0 0 0 ˆ 0 a j ( E 0 − E n ) ∫ (ϕ m ) *ϕ 0 dτ = E n ∫ (ϕ m ) *ϕ n dτ − ∫ (ϕ m ) *H 'ϕ n dτ ∑ j j j
高等量子力学中的微扰理论
高等量子力学中的微扰理论高等量子力学是现代物理学的重要分支之一，涉及到极小尺度物理现象的研究。
微扰理论是高等量子力学中的一种重要方法，它可以用来解析量子系统中的微小扰动，从而预测和解释各种现象。
1. 量子力学简介量子力学是研究微观世界的物理学分支，研究物质粒子在原子和分子中的行为。
它用数学语言描述粒子的状态和运动，具有非常强的预测能力。
量子力学反映了微观世界的基本规律，例如不确定性原理、波粒二象性、量子纠缠等。
2. 微扰理论的概念和作用如果一个物理系统的哈密顿量是已知的，那么可以使用量子力学算符的迹化技术来计算它的基态和激发态能量。
但是，如果在系统中加入一个微小的扰动，基态和激发态的能量将有所不同。
此时，不能直接进行求解，需要使用微扰理论来解决问题。
微扰理论是一种处理微小扰动的技术，它假设一个物理系统的能谱是某个参考系统能谱的微小扰动。
微扰可以是任何小的改变，例如电磁场、电场、磁场等等。
通过微扰理论，研究者可以理解量子系统中微扰的行为，并预测物理现象。
3. 一阶微扰理论对于一个量子系统，一阶微扰理论可以用来计算它的基态和激发态的能量。
在这个理论里，扰动被认为是非常微小的，基态和激发态的能量差别也非常小。
因此，可以使用泰勒展开式把基态和激发态的能量展开成一个级数。
使用一阶微扰理论时，需要假设扰动具有已知的形式和强度，并取出能谱中的一组基态和激发态。
这些状态是由系统的哈密顿量确定的。
在扰动的存在下，采用微扰理论的计算将会得到新的能量本征值及其对应的本征态。
4. 二阶微扰理论对于更大的扰动，可以使用二阶微扰理论。
此时，需要考虑到基态和激发态的交叉影响，这意味着它们之间的耦合必须被纳入计算。
可以用泰勒展开式表示能量和哈密顿量，这样一阶和二阶的能量差就会变得更加明显。
在二阶微扰理论中，我们需要计算基态和激发态之间跃迁的振幅，这是一个复杂的计算。
计算结果可以得到系统基态和激发态之间的变化、能级之间的相互作用等信息。
量子力学微扰理论
量子力学微扰理论量子力学微扰理论是量子力学中一个重要的理论工具，它可以用来研究体系在外加微弱扰动下的行为。
这个理论被广泛应用于各个领域，如原子物理、固体物理和量子化学等。
在本文中，我们将介绍微扰理论的基本原理、应用以及一些相关的研究进展。
一、量子力学微扰理论的基本原理量子力学微扰理论的基本原理是基于微扰理论的思想，通过将体系的哈密顿量拆分为一个容易求解的部分和一个微弱扰动部分，从而简化求解复杂问题的过程。
根据微扰的性质，我们可以将微扰分为两类：一类是无简并微扰，即体系本身的能级是非简并的；另一类是简并微扰，即体系本身的能级是简并的。
对于无简并微扰，我们可以使用微扰理论的一阶近似来计算体系的能级和波函数的改变。
一阶微扰理论的基本公式可以表示为：E_n^{(1)} = E_n^{(0)} + \langle n^{(0)}|V|n^{(0)}\rangle其中，E_n^{(1)}为包含微扰的能级修正，E_n^{(0)}为无微扰的能级，|n^{(0)}\rangle为无微扰下的波函数，V为微弱扰动的哈密顿量。
对于简并微扰，由于在简并态上的微扰能级修正不再是一个确定的值，我们需要使用微扰理论的高阶近似来计算体系的能级和波函数的改变。
高阶微扰理论的计算过程更加复杂，需要考虑简并态之间的耦合效应。
二、量子力学微扰理论的应用1. 原子物理领域在原子物理领域中，微扰理论广泛应用于计算原子的能级结构和跃迁概率。
通过引入微弱的扰动，我们可以计算原子能级的微小变动，并且预测产生的光谱线的频率和强度。
这对于原子吸收光谱和发射光谱的解释具有重要意义。
2. 固体物理领域在固体物理领域中，微扰理论被用来研究固体中的电子能级和电子态密度。
通过引入微弱的外电场或者磁场，我们可以计算固体材料的电子能级的变化，并且研究外界扰动对电子输运性质的影响。
3. 量子化学领域在量子化学领域中，微扰理论被广泛用于计算分子的能谱和分子反应的速率常数。
量子力学的微扰理论与微扰级数展开
量子力学的微扰理论与微扰级数展开量子力学是研究微观世界的基本理论，而微扰理论则是量子力学中一种重要的计算方法。
微扰理论的核心思想是将复杂的物理系统分解为一个已知的简单系统和一个微小的扰动，通过对这个扰动的处理来获得原系统的近似解。
微扰理论的应用范围广泛，从原子物理到凝聚态物理都有其身影。
微扰理论的起点是薛定谔方程，它描述了量子系统的演化。
对于一个没有扰动的系统，薛定谔方程可以写作：Hψ = Eψ其中H是系统的哈密顿算符，ψ是系统的波函数，E是系统的能量。
而当系统受到微小扰动时，薛定谔方程变为：(H0 + λV)ψ = Eψ其中H0是已知的哈密顿算符，V是微小扰动的势能项，λ是一个无量纲的参数，用来控制扰动的大小。
我们希望通过微扰理论来求解这个方程，得到近似的能量和波函数。
微扰理论的核心思想是将波函数和能量进行级数展开。
我们将波函数和能量写成如下形式：ψ = ψ0 + λψ1 + λ^2ψ2 + ...E = E0 + λE1 + λ^2E2 + ...其中ψ0和E0是零阶近似，它们是已知的系统的波函数和能量。
将这个级数代入薛定谔方程，我们可以得到一系列的微分方程。
然后通过逐阶求解这些微分方程，我们就可以得到各个阶次的近似解。
微扰理论的一般步骤如下：1. 将薛定谔方程展开成级数形式。
2. 逐阶求解微分方程，得到各个阶次的波函数和能量。
3. 检查级数的收敛性，如果级数收敛，我们就可以得到系统的近似解。
如果级数发散，我们需要重新考虑微扰的选择或者使用其他方法来求解。
微扰理论的一个重要应用是计算能级的位移。
在没有微扰的情况下，能级是精确的，但当系统受到微小扰动时，能级会发生位移。
通过微扰理论，我们可以计算出这个位移的大小，并与实验结果进行比较。
另一个重要的应用是计算态的混合。
在没有微扰的情况下，态是纯态，但当系统受到微小扰动时，不同的能级之间会发生耦合，导致态的混合。
通过微扰理论，我们可以计算出这种混合的程度，并对系统的行为进行预测。
大学课件 量子力学 微扰理论
a(1) kn
[
E
(0 k
)
E
(0 n
)
]
|
(0 k
)
[ Hˆ (1)
E n( 1 )
]
|
(0 n
)
k 1
左乘 <ψm (0) |
a(1) kn
[
E (0) k
E (0) n
]
(0) m
|
(0) k
(0) m
|
Hˆ (1)
|
(0 n
)
E (1) n
(0) m
|
(0) n
k 1
考虑到本征基矢的正交归一性：
2）体系 Hamilton 量显含时间——状态之间的跃迁问题 1.与时间 t 有关的微扰理论； 2.常微扰。
2. 非简并定态微扰理论
（1）微扰体系方程 （2）态矢和能量的一级修正 （3）能量的二阶修正 （4）微扰理论适用条件 （5）讨论 （6）实例
（1）微扰体系方程
微扰法不是量子力学所特有的方法，在处理天体运行的 天体物理学中，计算行星运行轨道时，就是使用微扰方法。计算 中需要考虑其他行星影响的二级效应。
|
(1) n
|
(0 k
)
(0 k
)
|
(1) n
a (1) kn
|
( 0 )
k
k 1
k 1
代回前面的第二式并计及第一式得：
akn(1) = <ψk (0) |ψn (1) >
[ Hˆ (0) En(0) ]
a (1) kn
|
(0 k
)
[ Hˆ (1)
E n( 1 )
]
|
量子力学中的微扰理论和近似方法
量子力学中的微扰理论和近似方法量子力学是研究微观粒子行为的理论框架，它描述了微观世界中的粒子和它们之间的相互作用。
微扰理论是量子力学中一种重要的近似方法，它用于处理相对简单的系统，使得复杂的问题可以得到简化和解决。
本文将介绍量子力学中的微扰理论和近似方法。
在量子力学中，微扰理论是一种将系统的哈密顿量分解为一个简单的“未受扰动”的哈密顿量和一个“微扰”的哈密顿量的方法。
未受扰动的哈密顿量通常是我们已经熟悉的系统，而微扰的哈密顿量是我们想要研究的系统。
通过将这两个哈密顿量进行线性组合，我们可以得到一个新的哈密顿量，用于描述整个系统。
微扰理论的基本思想是将系统的波函数和能量按照幂级数展开，然后通过逐阶近似的方法来求解。
在一阶微扰理论中，我们假设微扰项相对于未受扰动的系统是很小的，这使得我们可以通过一阶修正来计算系统的波函数和能量。
一阶微扰理论的计算公式为：E_n^(1) = <n|H^(1)|n>其中，E_n^(1) 是系统在一阶微扰下的能量修正，|n> 是未受扰动系统的第n个能级的波函数，H^(1) 是微扰哈密顿量。
除了一阶微扰理论，还存在高阶微扰理论。
在高阶微扰理论中，我们考虑了更多的微扰项，通过逐阶修正来计算系统的波函数和能量。
高阶微扰理论的计算公式为：E_n^(k) = <n|H^(1)|n> + ∑_(m≠n) (|<m|H^(1)|n>|^2)/(E_n^(0) - E_m^(0))其中，E_n^(k) 是系统在k阶微扰下的能量修正，|n> 是未受扰动系统的第n个能级的波函数，H^(1) 是微扰哈密顿量，E_n^(0) 是未受扰动系统的第n个能级的能量。
除了微扰理论，近似方法也是量子力学中常用的工具。
近似方法通过对系统进行简化，使得复杂的问题可以得到解决。
常见的近似方法包括变分法、WKB近似和矩阵对角化等。
变分法是一种通过选择适当的试探波函数来求解系统的能量的方法。
量子力学 微扰论 总结
量子力学微扰论总结
量子力学中的微扰论是一种处理物理系统在微小扰动下的量子行为的方法。
具体来说，它考虑了系统哈密顿算符中的微扰项，这些微扰项可以表示为系统无微扰情况下的哈密顿算符的函数。
在微扰论中，通常将无微扰情况下的哈密顿算符记为 H0，微扰项记为 V。
微扰项可以是任何对系统产生微小影响的因素，例如其他粒子的存在、电磁场的影响等。
微扰论的基本思想是将系统的量子态表示为无微扰情况下的本征态的线性组合，然后根据微扰项的作用，将系统的能量和波函数展开为微扰参数的幂级数。
具体来说，如果 H0 的本征态为Ψn0⟩，对应的能量本征值为 En0，那么系统的量子态可以表示为Ψn⟩=Ψn0⟩+λΨn1⟩+λ2Ψn2⟩+...+λnΨnn⟩，其中λ 是微扰参数，Ψnn⟩表示 n 阶微扰下的本征态。
同样，系统的能量
可以展开为En=En0+λEn1+λ2En2+...+λnEnn。
根据微扰论，我们可以逐阶求解系统的量子态和能量。
例如，在非简并微扰论中，如果 H0 的所有本征态都是唯一的，那么我们可以直接利用无微扰情况下的本征态作为基态，然后计算各阶微扰下的修正。
而在简并微扰论中，
如果 H0 的某些本征态是简并的，那么我们需要考虑微扰项对这些简并态的作用，以确定系统的量子态和能量。
总之，量子力学中的微扰论是一种非常重要的理论工具，它可以用来研究物理系统在微小扰动下的量子行为。
通过微扰论，我们可以更好地理解量子力学的基本原理，并应用于各种实际问题中。
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)
乘开得：
H ˆ2[(0 H )ˆ(0 n () 0) n (2) [H ˆ H ˆ(0 (1 ))n (1 n (1 )) ] H ˆ(1) n (0)] E 2 n ([0 E )n (0 n () 0) n (2) [E E n (0 n (1 ))n (1 n (1 )) E E n (1 n () 2)n (0 n () 0 ])]
[H ˆ (1)
En(1)]
E (1)
(2)
n
n
(0) n
体系的能量 和态矢为
En n En (n (00)) En (n (11))En (n (22))
二、非简并定态的微扰近似
1、态矢和能量的一级近似
(1)能量一级修正En (1)
左乘 <ψn(0) |
[H ˆ(0 ) E n (0 )]n (1 ) [H ˆ E n (1 )]n (0 )
利用本征基矢的正交归一性：
E n (1 ) H n n n (0 )|H ˆ| n (0 )
其中能量的一级近似等于微扰Hamilton 量在 0 级态矢中 的平均值
二、非简并定态的微扰近似
（2）态矢的一级修正ψn(1)
[H ˆ(0 ) E n (0 )]n (1 ) [H ˆ E n (1 )]n (0 )
其中λ是很小的实数，表征微 扰程度的参量。
因为 En 、 ψn 都与微扰有关，可以把它们看成是λ的函数而将其 展开成λ的幂级数：
EnEn (0)
E(1) n
E 2 (2) n
n
(0)
n
(1)
2
n
λ2 En(2), ... 分别是能量的 0 级近似、1级近似和2级近似等。
a(1) (0) kn k
k1
a a (1) (0) kn k
(1) (0) nn n
k1
H (1) a EE n
m n ' (1) (0)
mn m
m
m n '
m
mn
(0) (0)
n
m
(0) m
能量高阶近似
[Hˆ (0) [Hˆ (0)
En(0)]
(0) n
En(0)]
2:
H ˆ(0)
n (2)H ˆ(1)
E (1)
(0)
n
n
E (2)
(1)
n
n
E (1)
(2)
n
n
(0) n
整理后得：
[H ˆ (0)
En(0)]
(0) n
0
[H ˆ (0)
En(0)]
(1) n
[H ˆ (1)
En(1)]
(0) n
[H ˆ(0) En(0)]
(2) n
H ˆ(0)
E (0)
(0)
n
n
(0) n
H ˆ(0)
E (0) (0)
n
n
(0) n
当 H ≠ 0 时引入微扰，使体系能级发生移动， 由 En(0) → En ，状态由ψn(0)→ψn 。
微扰体系的定态Schrödinger方程
为了明显表示出微扰的微小程度，将其写为：
H ˆH ˆ(1)
左乘 <ψm(0) |
(1) n
a(1) (0) kn k
k 1
[H ˆ(0) En (0)]
a(1) kn
(0) k
[H ˆEn (1)]
(0) n
k1
ak (1n )[Ek(0) En (0)]
(0) k
[H ˆEn (1)]
(0) n
k1
a k ( 1 ) [ E n k ( 0 ) E n ( 0 ) ] m ( 0 )|k ( 0 ) m ( 0 )|H ˆ |n ( 0 ) E n ( 1 ) m ( 0 )|n ( 0 )
可解析求解模型
V(x)
V(x)
II I
II
II
I
x
II x
V(x)
II I II x
一、近似方法的出发点
近似方法通常是从简单问题的精确解（解析解）出发，来求解 复杂问题的近似（解析）解。
二、近似解问题分为两类
1、体系 Hamilton 量不是时间的显函数——定态问题 （1）定态微扰论；（2）变分法。 2、体系 Hamilton 量显含时间——状态之间的跃迁问题 （1）与时间 t 有关的微扰理论；（2）常微扰。
而ψn(0) , λψn(1) , λ2 ψn(2) , ...分别是状态矢量 0 级近似、1级近似和2级近似等。
代入Schrödinger方程得：
(H ˆ(0) H ˆ(1)) ( n(0) n(1) 2n(2) )
(En(0)
E(1) n
E 2 (2) n
) (n(0)
n(1) 2n(2)
m
E(0) n
Em(0)
低级微扰近似结果
E n (1 ) H n n n (0 )|H ˆ| n (0 )
(1) n
mn
'
m
Hm n
E(0) n
Em (0)
(0) m
E(2) n
mn
m
'
Hnm 2
E(0) n
Em(0)
三、微扰理论适用条件
k 1
a m (1 )[E n m (0 ) E n (0 )] H ˆm n E n (1 )mn
am (1) nE n (0 H ) m E m (n 0)m E (0)n (0 |)H ˆE |m (0) n (0),m n
（2）态矢的一级修正ψn(1)
注意
(1) n
(1) n
0
方程左乘态矢
[HˆEn(1)]n(0)
ψn(0)
|
[Hˆ (0)
En(0)]
(2) n
[HˆEn(1)]n(1)
E(2) (0) nn
E(k) n
(0) n
Hˆ
(k 1) n
mn '
Hmn
(0)
m
E(0) n
Em(0)
m
mn
'
HmnHnm
mn
'
Hnm 2
m
E(0) n
Em(0)
3[ ]
3[ ]
( ab ) n a n n a n 1 b n a b n 1b n
根据等式两边λ同幂次的系数应该相等:
0:
H ˆ(0)
E (0)
(0)
n
n
(0) n
1:
H ˆ(0)
n (1)H ˆ(1)
E (0)
(0)
n
n
E (1)
(1)
n
n
(0) n
§1 非简并定态微扰理论 §2 简并微扰理论及其应用 §3 变分法与氦原子基态
平衡态附近的泰勒展开
§1 非简并定态微扰理论
一、微扰体系的Schrödinger方程
H ˆn Enn
Hˆ Hˆ (0) Hˆ 其H 中 ˆ H ˆ(0)
其中H(0) 所描写的体系是可以精确求解的， 其本征值En(0) ，本征矢 Ψn(0) 。则：