弱电场的 Stark 斯塔克效应
目录
1 Stark 效应 2
2 基态的一阶微扰 2
3 第一激发态的一阶微扰 2
4 基态的二阶微扰 3
1
1 Stark 效应
在中心对称势场中, 角向部分的波函数是球谐函. 中心对称势场, 已经由连带勒让德多项式的性质
得到了球谐函数的宇称
𝑌
𝑙,𝑚
(𝜋 𝜃, 𝜙 + 𝜋) = (1)
𝑙
𝑌
𝑙,𝑚
(𝜃, 𝜙)
r r 的变换下,𝑙 为偶数的球谐函数具有偶宇称,𝑙 为奇数的球谐函数具有奇宇称. 径向波函数只与 𝑟
有关而与方向无关, 那么氢原子的能量本征态具有确定的宇称, 因此能量本征态电偶极矩为零
D = 𝑒R,
𝜓
|
R
|
𝜓
=
𝜓
r𝜓d
3
𝑟 = 0
引入外电场
𝐻 =
𝑃
2
2𝜇
𝑒
2
𝑅
𝑒𝑍
这样对称性被破坏
2 基态的一阶微扰
按照微扰论的方法, 应该将哈密顿量写为
𝐻 = 𝐻
0
+𝑉, 𝐻
0
=
𝑃
2
2𝜇
𝑒
2
𝑅
, 𝑉 = 𝑒𝑍
已知了 𝐻
0
的本征态为
𝐻
0
|
𝑛, 𝑙, 𝑚
= 𝐸
𝑛
|
𝑛, 𝑙, 𝑚
这是存在简并的情况, 不过基态无简并, 先考察基态的修正. 基态的能量修正为
𝐸
(1)
1
=
1, 0, 0
|
𝑉
|
1, 0, 0
= 𝑒
1, 0, 0
|
𝑍
|
1, 0, 0
= 0
所以一阶修正并没有什么用
3 第一激发态的一阶微扰
高阶的能量本征态都存在简并, 先考察第一激发态, 它是四重简并的
|
2, 0, 0
,
|
2, 1, 0
,
|
2, 1, 1
,
|
2, 1, 1
也就是要求解矩阵元
2, 𝑙, 𝑚
|
𝑍
|
2, 𝑙
, 𝑚
费米黄金法则与电偶极跃迁选择定则中, 已经由对易关系得到了 < 𝑙, 𝑚|𝑍|𝑙
, 𝑚
> 非零的条件
𝑚 = 𝑚
, 𝑙 = 𝑙
± 1
因此除了其中的四个, 其他的都是零, 列表如下
𝑉
𝑖 𝑗
|
2, 0, 0
|
2, 1, 0
|
2, 1, 1
|
2, 1, 1
|
2, 0, 0
? 0 ? 0
|
2, 1, 0
0 0 0 0
|
2, 1, 1
? 0 ? 0
|
2, 1, 1
0 0 0 0
再考虑 𝑧 𝑧 的变换, 这个变换下两个相同的球谐函数乘积具有偶宇称, 那么
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 0, 0
= 0,
2, 1, 1
|
𝑍
|
2, 1, 1
= 0
按照微扰论中的讨论, 为了得到能量修正此时应当求解方程
𝜆 0 𝑒
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
0
0 𝜆 0 0
𝑒
2, 1, 0
|
𝑍
|
2, 0, 0
0 𝜆 0
0 0 0 𝜆
= 0
不过显然有一个二重根 𝜆 = 0, 所以只需要解
𝜆 𝑒
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
𝑒
2, 1, 0
|
𝑍
|
2, 0, 0
𝜆
= 0
它的解也是显然的
,
开个根号而已
𝜆 = ±𝑒
|
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
|
氢原子的波函数, 已经得到了氢原子的波函数
𝜓
2,0,0
=
1
8𝜋𝑎
3
1
𝑟
2𝑎
𝑒
𝑟
2𝑎
, 𝜓
2,1,0
=
1
4
2𝜋𝑎
3
𝑟
𝑎
𝑒
𝑟
2𝑎
cos 𝜃
代入 𝑧 = 𝑟 cos 𝜃 简要地 (使用 Mathematica) 积分
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
=
𝜓
2,0,0
𝜓
2,1,0
𝑟 cos 𝜃d𝑟 · 𝑟
2
sin 𝜃d 𝜃d𝜙 = 3𝑎
所以得到了新的零阶本征态和它们的一阶能量修正
2
(0)
1
E
=
1
2
(|
2, 0, 0
+
|
2, 1, 0
)
, 𝐸
(1)
2
1
= 3𝑒𝑎
2
(0)
2
E
=
1
2
(|
2, 0, 0
|
2, 1, 0
)
, 𝐸
(1)
2
2
= 3𝑒𝑎
2
(0)
3
E
=
|
2, 1, 1
, 𝐸
(1)
2
3
= 0,
2
(0)
4
E
=
|
2, 1, 1
, 𝐸
(1)
2
4
= 0
外电场导致 𝑚 = 0 的能级分离为两条, 𝑚 = ±1 的能级保持简并. 级的一阶修正正比于电场强度,
之为线性斯塔克效应
4 基态的二阶微扰
考虑二阶修正
𝐸
(2)
1
=
Õ
𝑛1, 𝑦
1
𝐸
(0)
1
𝐸
(0)
𝑛
𝑛
(0)
𝑦
𝑉
1
(0)
2
鉴于前面只求了第一激发态的一阶修正, 此处就只考虑第一激发态
𝐸
(2)
1
=
Õ
𝑦
1
𝐸
(0)
1
𝐸
(0)
2
𝑦
2
(0)
𝑦
𝑉
1
(0)
2
鉴于
𝑙, 𝑚
|
𝑍
|
𝑙
, 𝑚
非零的条件:𝑚 = 𝑚
, 𝑙 = 𝑙
± 1, 加上基态后可疑的非零矩阵元只有四个
𝑉
|
1, 0, 0
|
2, 0, 0
|
2, 1, 1
|
2, 1, 0
|
2, 1, 1
|
1, 0, 0
0 0 0 ? 0
|
2, 0, 0
0 0 0 ? 0
|
2, 1, 1
0 0 0 0 0
|
2, 1, 0
? ? 0 0 0
|
2, 1, 1
0 0 0 0 0
鉴于已经知道了
2, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
= 3𝑎, 只需要简单的把基态的波函数
𝜓
1,0,0
=
1
𝜋𝑎
3
𝑒
𝑟
𝑎
(交给 Mathematica) 简单积分
1, 0, 0
|
𝑍
|
2, 1, 0
=
𝜓
1,0,0
𝜓
2,1,0
𝑟 cos 𝜃d𝑟 · 𝑟
2
sin 𝜃d 𝜃d𝜙 =
128
2𝑎
243
在新的零阶基底下,𝑉 的矩阵元为
𝑉/(𝑒)
|
1, 0, 0
2
(0)
1
E
2
(0)
2
E
2
(0)
3
E
2
(0)
4
E
|
1, 0, 0
0
128
243
𝑎
128
243
𝑎 0 0
2
(0)
1
E
128
243
𝑎 3𝑎 0 0 0
2
(0)
2
E
128
243
𝑎 0 3a 0 0
2
(0)
3
E
0 0 0 0 0
2
(0)
4
E
0 0 0 0 0
代入二阶修正的公式, 得到
𝐸
(2)
1
=
1
𝐸
(0)
1
𝐸
(0)
2
128
243
𝑒𝑎
2
不过这样忽略了所有的更高能级, 当是相当不准确的. 于基态不存在简并, 可以考虑直接求解一阶修
正波函数
𝐻
0
𝐸
(0)
1
1
(1)
=
𝐸
(1)
1
𝑉
1
(0)
鉴于开头就有 𝐸
(1)
1
= 0, 再代入基态的波函数, 将方程化为解析形式
2
2𝜇
2
𝑒
2
𝑟
𝐸
(0)
1
𝜓
(1)
1
= 𝑒𝑟 cos 𝜃
1
𝜋𝑎
3
𝑒
𝑟
𝑎
𝜓
(1)
1
的形式为
𝜓
(1)
1
= 𝑓 (𝑟)cos 𝜃
代入方程, 得到
d
2
𝑓
d𝑟
2
+
2
𝑟
d 𝑓
d𝑟
+
2
𝑟
2
+
2
𝑎𝑟
1
𝑎
2
𝑓 =
2
𝑒𝑎
𝜋𝑎
3
𝑟𝑒
𝑟
𝑎
解得
𝑓 (𝑟) =
1
𝜋𝑎
3
𝑒
𝑎𝑟 +
1
2
𝑟
2
𝑒
𝑟
𝑎
得到了一阶修正的波函数. 无简并下得到二阶修正是很简单的
𝐸
(2)
1
=
1
(0)
𝑉
1
(1)
=
𝜓
(0)
1
𝑉𝜓
(1)
1
d
3
𝑟 =
9
4
𝑎
3
2