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。
微扰理论
( a + b ) = a + na
n
n
n- 1
b + L + n ab
n- 1
+ b
9
n
根据等式两边λ同幂次的系数应该相等 根据等式两边λ同幂次的系数应该相等 应该相等:
λ0 : λ1 : λ2 :
LL
( ( ( ˆ H ( 0 )ψ n0 ) = E n0 )ψ n0 ) ( ( ( ( ( ( ˆ ˆ H ( 0 )ψ n1 ) + H ( 1 )ψ n0 ) = E n0 )ψ n1 ) + E n1 )ψ n0 ) ˆ ˆ H ( 0 )ψ ( 2 ) + H ( 1 )ψ ( 1 ) = E ( 0 )ψ ( 2 ) + E ( 1 )ψ ( 1 ) + E ( 2 )ψ ( 0 ) n n n n n n n n
其中H 所描写的体系是可以精确求解的， 其中H(0) 所描写的体系是可以精确求解的， 本征值E 其本征值En(0) ，本征矢 Ψn(0) 。则：
ˆ ( 0)ψ ( 0) = E (0)ψ (0) H n n n
6
ˆ (0)ψ (0) = E(0)ψ (0) H n n n
时引入微扰，使体系能级发生移动， 当 H ′≠ 0 时引入微扰，使体系能级发生移动， 状态由ψ 由 En(0) → En ，状态由ψn(0)→ψn 。
8
代入Schrödinger方程得： 方程得： 代入 方程得
( ( ( ˆ ˆ ( H ( 0 ) + λH (1) )(ψ n0) + λψ n1) + λ2ψ n2) + L)
( ( ( ( ( ( = ( En0 ) + λEn1) + λ2 En2) + L)(ψ n0) + λψ n1) + λ2ψ n2) + L)
量子力学 微扰理论
（5） （ 6）
注意：各级修正具有不同的数量级。
第五章 微扰理论 5.1、 非简并定态微扰理论
5.1.1、一般情况
将 En 及 n 的展开式代入本征值方程，
ˆ (0) H ˆ (1) )( (0) (1) 2 (2) L ) (H n n n
上述等式成立要求等式两边λ 同幂次的系数相等， 由此得，
5.1.2、 非简并情况下的微扰
m
(2) (0) (0) (0) (2) (0) (1) (0) Cm Em m En m H ' Cm m Cm m m (1) (1) (0) (2) (0) En m En n ' Cm m
(1) ，得， 利用， En H nn
H mn
因此，要求，
2
(0) (0) En Em
1
(0) (0) ( En Em )
(24)
很小，即： H 是一个小的扰动； a) 矩阵元 H mn
(0) (0) Em b) 能级间的间距 En 较大
第五章 微扰理论 5.1、 非简并定态微扰理论
5.1.3、讨论
例如，库仑场中体系的能级与量子数 n 的平方成反比， 当 n 增大时，能级间的距离很小，这时微扰理论就不适用 了，因此微扰理论只适用于计算低能级的修正。 当（24）式满足时，计算一级修正一般就可得到相当 精确的结果。 但如果一级修正为零， 则必须计算二级修正。
C E
(1) m m
(0) m
(0) (0) ˆ E (1) (0) En H m n n
(12)
以 k(0)* 左乘上式两边，并对全空间积分，
量子力学中的微扰理论与能量逐级分析
量子力学中的微扰理论与能量逐级分析量子力学是描述微观世界中粒子行为的理论，而微扰理论是量子力学中一种重要的计算方法。
本文将介绍微扰理论的基本原理，并探讨如何利用微扰理论进行能量逐级分析。
1. 微扰理论的基本原理微扰理论是一种近似计算方法，它基于一个重要的假设：系统的哈密顿量可以分解为一个已知的部分和一个微小的扰动。
这个假设在实际问题中通常是成立的，因为真实系统往往会受到各种扰动的影响。
根据微扰理论，我们可以将系统的波函数表示为一个级数的形式：ψ = ψ⁰ + λψ¹ + λ²ψ² + ...其中，ψ⁰是系统的基态波函数，λ是一个无量纲的参数，表示扰动的大小，ψ¹、ψ²等是一阶、二阶等微扰的修正项。
2. 一阶微扰理论在微扰理论中，我们首先考虑一阶微扰的修正。
一阶微扰的修正项可以通过一阶微扰哈密顿量和基态波函数的内积来计算：E¹ = ⟨ψ⁰|H'ψ⁰⟩其中，E¹表示一阶微扰的能量修正，H'表示一阶微扰哈密顿量。
一阶微扰的修正项还可以用来计算基态波函数的修正：ψ¹ = Σ |n⟩⟨n|H'|ψ⁰⟩ / (E⁰ - En)其中，|n⟩表示系统的第n个能量本征态，E⁰是基态的能量。
3. 二阶微扰理论如果一阶微扰的修正项不足以描述系统的行为，我们可以进一步考虑二阶微扰的修正。
二阶微扰的能量修正可以通过二阶微扰哈密顿量和一阶微扰波函数的内积来计算：E² = Σ |n⟩⟨n|H'|ψ¹⟩ / (E⁰ - En)二阶微扰的修正项还可以用来计算一阶微扰波函数的修正：ψ² = Σ |n⟩⟨n|H'|ψ¹⟩ / (E⁰ - En)通过逐级计算，我们可以得到更高阶微扰的修正项，从而逐步逼近真实系统的行为。
4. 能量逐级分析利用微扰理论进行能量逐级分析是研究量子系统行为的重要手段。
量子力学 微扰理论
Hψ = Eψ
(5.1.1)
满足下述条件:
(1) H 可分解为 H (0) 和 H ' 两部分，而且 H ' 远小于 H (0)
H = H (0) + H ' H ' << H (0)
(5.1.2) (5.1.3)
（5.1.3）式表示， H 与 H (0) 的差别很小， H ' 可视为加于 H (0) 上的微扰。（5.1.3）式的严格意义将
(2) n kn
l≠k
(5 .1 .26)
当 n = k 时，考虑到 an(1) =0 由(5.1.26)式得
∑ ∑ En(2)
=
al(1)
H
' nl
l≠n
=
l≠n
H
' ln
H
' nl
E
(0) n
−
El(0)
∑H
' ln
2
=
l≠n
E
(0) n
−
El(0)
当 n ≠ k 时，由(5.1.26)式得
∑ a
n
n
=
−(
H
'−
E
(1) n
)ψ
(1) n
+
ψ E (2) (0) nn
……
(5.1.10)
零级近似显然就是无微扰时的定态薛定谔方程(5.1.4)式。同样，还可以列出准确到 λ3 , λ4 ,…等
各级的近似方程式。
1．一级微扰
求一级微扰修正只需求解(5.1.9)式。由于
H
(0)
厄米，
H
(0)
的本征函数系{ψ
以求出（5.1.11）式的展开系数，以ψ
量子力学微扰理论
量子力学微扰理论
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量子力学微扰理论 的数学基础
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量子力学微扰理论 的近似方法
PRT Two
量子力学微扰理论 的基本概念
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量子力学微扰理论 的具体应用
PRT Six
量子力学微扰理论 的扩展和展望
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微扰项的应用：微扰项在量子力学中有广泛的应用例如在量子力学中微扰项可以用来描 述系统的能量、波函数等物理量的变化也可以用来描述系统的微小变化。
量子力学中的微扰计算方法
微扰理论：量子力学中处理微小扰动的理论 微扰计算方法：通过计算微扰项来求解量子力学问题 微扰项：量子力学中微小扰动的表示 微扰计算步骤：确定微扰项、求解微扰方程、计算微扰结果 微扰计算应用：在量子力学、量子场论、量子光学等领域有广泛应用
微扰理论在量子力学中的具体应用实例
量子力学中的微扰理论可以用于求解量子系统的 能量和波函数
微扰理论在量子力学中的具体应用实例包括：求 解氢原子的能级和波函数、求解电子在磁场中的 运动、求解光子的散射等
微扰理论在量子力学中的具体应用实例还 包括：求解量子系统的能量和波函数、求 解电子在磁场中的运动、求解光子的散射 等
添加标题
微扰理论在量子力学中广泛应用于 求解量子系统的能量和波函数
微扰理论在量子光学中也有应用用 于求解量子光学中的各种物理量
量子力学微扰理论 的数学基础
线性代数和矩阵运算
线性代数：研究线性方程组、向量空间、线性变换等 矩阵运算：矩阵的加法、减法、乘法、转置等 矩阵的特征值和特征向量：求解矩阵的特征值和特征向量 矩阵的逆矩阵：求解矩阵的逆矩阵用于求解线性方程组
量子力学 第五章 微扰理论
分成两部分：
Hˆ Hˆ (0) Hˆ ,
Hˆ (0)
E (0)
(0)
n
n
(0) n
待求解的体系Ĥ叫做微扰体系。本征值和本征
函数可精确求解的体系Ĥ(0)叫做未微扰体系，Ĥ′可
以看做微扰。微扰论的具体形式多样但基本精神
相同，即逐级近似。
微扰理论适用范围：分立能级及所属波函数的修正 7
§5.1 非简并定态微扰理论
而此处所讨论的两个级数的高级项都不知道。无法
判断级数的收敛性，我们只能要求级数已知项中，
后项远小于前项。由此我们得到微扰理论适用条件
是：
H m n
E(0) n
注意：ψn(1) 和ψn(1) +aψn(0)（a为任意常数）都是
第二个方程的解。
12
§5.1 非简并定态微扰理论
由这组方程可以逐级求得其各级修正项，即求得
能量和波函数的近似解. λ的引入只是为了按数量级 分出以上方程，达到此目的后，便可省去。
Hˆ Hˆ (1)
En
E(0) n
E (1) n
E(2) n
l
a(1) (0) ll
可使得展开式中不含ψn(0)
n
(0) n
n(1（) 假定波函数只含一级修正，且是归一化的）
n nd
(
(0) n
(1) n
)
(
(0) n
(1) n
)d
(0)
n
n(0)d
n(0) n(1)d
(1)
n
n(0)d
n(1) n(1)d
1
(an(1)
a(1) n
一.非简并微扰体系方程 Hˆ Hˆ (0) Hˆ
微扰理论
微扰理论 (量子力学)维基百科，自由的百科全书跳转至：导航、搜索量子力学的微扰理论引用一些数学的微扰理论的近似方法于量子力学。
当遇到比较复杂的量子系统时，这些方法试着将复杂的量子系统简单化或理想化，变成为有精确解的量子系统，再应用理想化的量子系统的精确解，来解析复杂的量子系统。
基本的点子是，从一个简单的量子系统开始，这简单的系统必须有精确解，在这简单系统的哈密顿量里，加上一个很弱的微扰，变成了较复杂系统的哈密顿量。
假若这微扰不是很大，复杂系统的许多物理性质（例如，能级，量子态）可以表达为简单系统的物理性质加上一些修正。
这样，从研究比较简单的量子系统所得到的知识，我们可以进而研究比较复杂的量子系统。
微扰理论可以分为两类，不含时微扰理论与含时微扰理论。
不含时微扰理论的微扰哈密顿量不相依于时间；而含时微扰理论的微扰哈密顿量相依于时间，详见含时微扰理论。
本篇文章只讲述不含时微扰理论。
此后凡提到微扰理论，皆指不含时微扰理论。
目录[隐藏]∙ 1 微扰理论应用∙ 2 历史∙ 3 一阶修正∙ 4 二阶与更高阶修正∙ 5 简并∙ 6 参阅∙7 参考文献∙8 外部链接[编辑]微扰理论应用微扰理论是量子力学的一个重要的工具。
因为，物理学家发觉，甚至对于中等复杂度的哈密顿量，也很难找到其薛定谔方程的精确解。
我们所知道的就只有几个量子模型有精确解，像氢原子、量子谐振子、与盒中粒子。
这些量子模型都太过理想化，无法适当地描述大多数的量子系统。
应用微扰理论，我们可以将这些理想的量子模型的精确解，用来生成一系列更复杂的量子系统的解答。
例如，通过添加一个微扰的电位于氢原子的哈密顿量，我们可以计算在电场的作用下，氢原子谱线产生的微小偏移（参阅斯塔克效应）。
应用微扰理论而得到的解答并不是精确解，但是，这方法可以计算出相当准确的解答。
假若我们使展开的参数变得非常的小，得到的解答会很准确。
通常，解答是用有限数目的项目的的幂级数来表达。
[编辑]历史薛定谔在创立了奠定基石的量子波力学理论后，经过短短一段时间，于 1926 年，他又在另一篇论文里，发表了微扰理论[1]。
量子力学中的微扰理论与应用
量子力学中的微扰理论与应用量子力学是描述微观世界的物理学理论，它在解释微观粒子行为方面取得了巨大的成功。
其中，微扰理论是量子力学中的重要工具，它在解决一些复杂问题时发挥着关键作用。
本文将介绍微扰理论的基本概念、原理以及在量子力学中的应用。
首先，我们来了解微扰理论的基本概念。
微扰理论是一种近似方法，它通过将系统的哈密顿量分解为一个已知的部分和一个微小的扰动部分，来研究系统的行为。
这种分解使得我们可以通过对已知部分进行精确求解，再考虑扰动部分的影响，得到系统的近似解。
微扰理论的原理可以通过薛定谔方程来解释。
薛定谔方程描述了量子力学中粒子的运动规律。
当系统受到微小扰动时，我们可以将系统的波函数表示为一个级数的形式，其中每一项都对应着不同程度的扰动。
通过将这个级数代入薛定谔方程，我们可以得到一系列的修正方程，从而计算出系统的近似解。
微扰理论在量子力学中有着广泛的应用。
其中最为著名的是氢原子的微扰理论。
氢原子是量子力学中最简单的系统之一，它由一个质子和一个电子组成。
在氢原子的微扰理论中，我们将系统的哈密顿量分解为一个已知的部分（即氢原子的非扰动哈密顿量）和一个微小的扰动部分（例如外加电场或磁场）。
通过求解薛定谔方程的微扰展开式，我们可以计算出氢原子能级的修正值，从而得到更准确的能级结构。
此外，微扰理论还可以应用于其他一些量子力学的问题。
例如，它可以用于解释固体中电子的行为。
在固体中，电子之间的相互作用会导致能级的扰动，从而影响固体的电子结构和性质。
通过微扰理论，我们可以计算出这些能级的修正，从而更好地理解固体的行为。
除了固体物理学，微扰理论还在量子场论中有着重要的应用。
量子场论是描述粒子与场相互作用的理论，它在粒子物理学中起着重要的作用。
在量子场论中，微扰理论被广泛用于计算粒子的散射截面、衰变速率等物理量。
通过将相互作用哈密顿量分解为一个已知的自由哈密顿量和一个微小的相互作用部分，我们可以利用微扰理论来计算这些物理量的近似值。
《微扰理论》课件
微扰论在量子力学 中的重要性在于它 可以帮助我们理解 量子系统与经典系 统相互作用的物理 过程，从而更好地 理解量子力学的基
本原理。
统计物理学中的微扰论
微扰论在统计物理学中的应用
微扰论在统计物理学中的重要 性
微扰论在统计物理学中的具体 应用
微扰论在统计物理学中的局限 性
凝聚态物理学中的微扰论
微扰理论在各领域的应用前景
量子力学：微扰理论在量子力学中的应 用，如量子场论、量子电动力学等
粒子物理：微扰理论在粒子物理中的应 用，如高能物理、粒子加速器等
凝聚态物理：微扰理论在凝聚态物理中 的应用，如超导、量子霍尔效应等
宇宙学：微扰理论在宇宙学中的应用， 如宇宙膨胀、暗物质等
生物物理：微扰理论在生物物理中的应 用，如蛋白质折叠、DNA序列分析等
共轭梯度法：通过迭代求解线性方程组，得到非线性问题的近似解。
微扰理论的近似计算方法
微扰理论的基本思想：通 过引入小参数，将非线性 问题转化为线性问题
微扰理论的近似计算方法： 包括级数展开法、变分法、 格林函数法等
级数展开法：将非线性问 题转化为线性问题，通过 级数展开求解
变分法：通过引入变分参 数，求解非线性问题的近 似解
量子信息科学：微扰理论在量子信息科 学中的应用，如量子计算、量子通信等
微扰理论面临的挑战和机遇
挑战：理论的复杂性和计算难度
机遇：在量子计算和量子信息领域 的应用
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挑战：与其他理论的竞争和融合
添加标题
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机遇：在生物信息学和复杂系统领 域的应用
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量子力学中的扰动理论与微扰展开
量子力学中的扰动理论与微扰展开量子力学是描述微观粒子行为的理论，它在物理学领域中占有重要地位。
在量子力学中，扰动理论和微扰展开是研究系统的一种重要方法。
本文将重点介绍量子力学中的扰动理论和微扰展开的基本概念和应用。
1. 扰动理论的基本概念扰动理论是研究系统在外界扰动下的行为变化的一种方法。
在量子力学中，我们通常将系统的哈密顿量分为两部分：一个是我们已经了解和可以求解的部分，称为未扰动哈密顿量；另一个是我们不了解或难以求解的部分，称为扰动哈密顿量。
扰动理论的目标是通过对未扰动哈密顿量的求解，来推导出系统在扰动哈密顿量下的行为。
2. 微扰展开的基本原理微扰展开是扰动理论的一种重要工具。
它的基本原理是将扰动哈密顿量表示为一个无穷级数的形式，然后通过逐项求解的方法来获得系统的解。
微扰展开的关键是确定展开系数，即确定各级扰动对系统的影响程度。
一般来说，展开系数与扰动哈密顿量的大小有关，当扰动哈密顿量很小的时候，可以只考虑前几项展开。
3. 微扰展开的应用微扰展开在量子力学中有广泛的应用。
以氢原子为例，我们可以将电子与原子核之间的库仑势能看作是未扰动哈密顿量，而将其他的外界电场、磁场等看作是扰动哈密顿量。
通过微扰展开的方法，可以计算出氢原子在外界电场、磁场下的能级变化和波函数变化。
此外，在量子场论中，微扰展开也是一种常用的方法。
例如，在量子电动力学中，我们可以将电子与光子的相互作用看作是扰动哈密顿量，通过微扰展开的方法，可以计算出各种物理过程的概率振幅。
4. 微扰展开的局限性尽管微扰展开是一种非常有用的方法，但它也有一定的局限性。
首先，微扰展开要求扰动哈密顿量相对于未扰动哈密顿量来说很小，如果扰动哈密顿量过大，微扰展开的结果可能不准确。
其次，微扰展开只适用于哈密顿量是线性的情况，对于非线性的情况，需要采用其他的方法来求解。
总结起来，量子力学中的扰动理论和微扰展开是研究系统行为变化的重要方法。
通过对未扰动哈密顿量的求解，可以推导出系统在扰动哈密顿量下的行为。
量子力学第五章微扰理论
。
(1) n al(1) l(0) l 1
上式可以选取 a (1)
n
( ，使得展开式中不含 n0) 项，即 0
( ( 使 an1) n0) 0 ，则上展开式可改写为
8
( n1) al(1) l(0) l n
or
(1) n al(1) l(0) l
五、求非简并定态微扰步骤 ˆ 1 写出体系的哈密顿算符 H n En n ˆ ˆ ˆ 2 把哈密顿算符写成 H H (0) H
( ˆ ˆ 3 写出或求出 H (0) 的本征值与本征函数 En0) 及 ψ n H ˆ H ( ( ˆ ( 4 利用 En1) n0 )* H n0 ) d H nn 及 H mn (1) ( n m0) 求能级及波函数的一级近似 ( ( En0) Em0) m n
0: 1:
ˆ ( H (0) En(0) ) n(0) 0 ˆ ˆ ( H (0) En(0) ) n(1) ( H (1) En(1) ) n(0)
ˆ ˆ 2: ( H (0) En(0) ) n(2) ( H (1) En(1) ) n(1) En(2) n(0)
求零级近似波函数
组 Cij0 的值，即可求得零级近似波函数
将能量一级修正 En1的 k 个根分别代回方程（4），可得 k
nj0 C ji0i
i
(7)
17
即
(1) ' H '11 Enj H 12 (1) H '21 H '22 Enj H' H 'k 2 k1
2 2 e2 ˆ H 2m r
量子力学微扰理论
例：已知某表象中Hamilton量的矩阵形式
0 （1）设c << 1，应用微扰论求H本征值到二 1 c 级近似； H c 3 0 0 0 c 2 （2）求H 的精确本征值； （3）在怎样条件下，上面二结果一致。
解： （1）c << 1，可取 0 级和微扰 Hamilton 量分别为：
体系的能量 和态矢为
( ( ( E n E n0 ) E n1) E n2 ) ( ( ( n n0 ) n1) n2 ) 10
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) |
18
讨论
（1）在一阶近似下： 表明微扰态矢ψn 可以看成是无微 扰态矢ψm(0)的线性叠加。
( 0) n
n
H mn ( ( 0) m0) (0) m n En Em
（2）展开系数 Hmn /(En(0) - Em(0)) 表明第m个态矢ψm(0)对第n 个 态矢ψn 的贡献有多大。展开系数反比于扰动前状态间的能量间 隔，所以能量最接近的态影响最大。因此态矢一阶近似无须计 算无限多项，只要算出最近邻的有限项即可。 （3）由En = En(0)+Hnn可知，扰动后体系能量是由扰动前第n态 能量En(0)加上微扰Hamilton量 H在无微扰态ψn(0)中的平均值组 成。该值可能是正或负，引起原来能级上移或下移。
注意
a
k 1
(1) kn
(0) k
a
(1) nn
(0) n
(1) n
a
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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：