02KVAN2:Kapitola5: Porovnání verzí

Z WikiSkripta FJFI ČVUT v Praze
Přejít na: navigace, hledání
(Sjednocení ^\dagger místo ^+, drobné opravy)
(Nový výklad WKB aproximace a propojovacích vztahů pomocí Airyho funkcí)
Řádka 6: Řádka 6:
 
\subsection{WKB aproximace}
 
\subsection{WKB aproximace}
 
%================================================================================
 
%================================================================================
Této metody se v matematické fyzice užívá k nalezení přibližného řešení parciálních diferenciálních lineárních rovnic. Budeme demonstrovat užití WKB aproximace
+
Této metody%
 
\footnote{WKB metoda je pojmenována po jejích autorech (G. Wentzel, H. Kramers, L. Brillouin), jež ji společně v roce 1926 vyvinuli.}
 
\footnote{WKB metoda je pojmenována po jejích autorech (G. Wentzel, H. Kramers, L. Brillouin), jež ji společně v roce 1926 vyvinuli.}
při hledání spektra hamiltoniánu jednorozměrného systému. Předpokládáme tedy
+
se v matematické fyzice užívá při hledání přibližného tvaru spektra a vlastních funkcí hamiltoniánu jednorozměrného systému v $x$-reprezentaci. Předpokládáme tedy
 
\[
 
\[
\hilbert = L_2(\real,dy), \quad \hat{H}=\frac{-\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dy^2} + V(y)\cdot.
+
  \hilbert = L^2(\real,dx), \quad \hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dx^2} + V(x)\times.
 
\]
 
\]
Spektrum hamiltoniánu $\hat{H}$ je určeno hodnotami E splňujícími  
+
Spektrum hamiltoniánu $\hat{H}$ je určeno hodnotami $E$ splňujícími  
\begin{equation} \label{PM:WKBRozmSchrR}
+
\begin{equation} \label{PM:SchrR}
\hat{H}\psi(y)=\frac{-\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dy^2}\psi(y) + V(y)\psi(y) = E\psi(y).
+
  \hat{H}\psi(x)=-\frac{\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dx^2}\psi(x) + V(x)\psi(x) = E\psi(x).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
Pře řešení této úlohy užitím WKB aproximace je třeba nejprve přejít k bezrozměrným výrazům. To provedeme následnou substitucí
+
Uvažujme nyní konkrétní hodnotu $E$ nejprve jako klasickou hodnotu energie systému. Řešení rozdělíme na tři části:
\begin{align*}
+
\begin{enumerate}
y &= ax, \quad [a]=m, \\
+
\item[\rimske{I}.] klasická oblast, ve které $E \gg V(x)$, tedy $T = E - V(x) \gg 0$,
V(y) &= u_0f(x)=u_0f\left(\frac{y}{a}\right), \quad [u_0]=J, \\
+
\item[\rimske{II}.] klasicky nedostupná oblast, kde $V(x) \gg E$,
\varphi(x) &= \psi(y)=\psi(ax),
+
\item[\rimske{III}.] přechodová oblast, kde hodnota energie je s potenciálem srovnatelná.
\end{align*}
+
\end{enumerate}
kde $a$, resp. $u_0$ jsou vhodné konstanty rozměru délky, resp. energie zvoleny tak, aby se potenciál $V(y)$ ``choval rozumně'', tj. divoce neosciloval. Dosazením připravené substituce do původní rovnice \eqref{PM:WKBRozmSchrR} dostáváme
+
Očekávání je takové, že v oblasti \rimske{I} se bude částice chovat semiklasicky, jako superpozice postupných vln odpovídajících klasické (lokální) hodnotě hybnosti. V oblasti \rimske{II} by měl být výskyt potlačen a případy \rimske{III} by měly obě situace hladce napojovat. Potenciálových jam \rimske{I}, oddělených potenciálovými valy, můžeme uvažovat i více, prozatím zůstaneme u jedné. Toto rozdělení pro jednu potenciálovou jámu ilustruje obrázek~\ref{fig:PM:rozdeleni}.
 +
 
 +
\begin{figure}[t]
 +
\centering
 +
\includegraphics{wkb-1}
 +
\caption{Rozdělení souřadné osy $x$ na intervaly klasické, klasicky nedostupné a přechodové oblasti podle hodnot potenciálové funkce $V(x)$ a volby energetické hladiny~$E$.}
 +
\label{fig:PM:rozdeleni}
 +
\end{figure}
 +
 
 +
\subsubsection*{Klasická oblast}
 +
 
 +
Při hledání vlastní funkce hamiltoniánu užitím WKB aproximace začneme na oblasti \rimske{I}, kde řešení předpokládáme tvaru vlny
 
\[
 
\[
\frac{-\hbar^2}{2Ma^2u_0}\frac{d^2}{dx^2}\varphi(x) + \left( f(x) - \frac{E}{u_0} \right) \varphi(x) = 0,
+
  \psi(x) = A(x) e^{i\varphi(x)}.
 
\]
 
\]
kde pro jednoduchost zavedeme označení
+
O amplitudě $A(x) \in \real$ budeme předpokládát, že je na uvažovaném intervalu nenulová a kladná, aby fáze $\varphi(x) \in \real$ mohla být všude dobře definována. Dosazením do \eqref{PM:SchrR} dostáváme pro naše veličiny rovnici
\begin{equation} \label{PM:WKBZjednSubst}
+
\[
\xi^2 = \frac{\hbar^2}{2Ma^2u_0}, \quad r(x)=\frac{E}{u_0}-f(x).
+
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' + 2iA'\varphi' - A\varphi'^2 + iA\varphi'' \right) = (E-V) A,
 +
\]
 +
v níž si všimneme, že veškerá závislost na $\varphi$ vystupuje ve tvaru vazeb pro jeho derivace. Označíme proto
 +
\[
 +
  \varphi'(x) =: k(x) \quad : \quad \varphi(x) = \int k(x) dx,
 +
\]
 +
pak
 +
\begin{equation}
 +
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' + 2iA'k - Ak^2 + iAk' \right) = (E-V) A.
 +
  \label{PM:prepisSrovnice}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
Snadno nahlédneme, že $[\xi]=1$, $[r(x)]=1$. Přešli jsme tak k bezrozměrné rovnici  
+
 
\begin{equation} \label{PM:WKB1}
+
Díky omezení na reálné hodnoty $A(x)$ a $\varphi(x)$ můžeme rovnici \eqref{PM:prepisSrovnice} rozdělit na reálnou a imaginární část. Vyřešíme nejprve imaginární:
\xi^2 \frac{d^2}{dx^2} \varphi(x) + r(x)\varphi(x) = 0.
+
\begin{equation}
 +
  \begin{aligned}
 +
    -\frac{\hbar^2}{2M} \left( 2A'k + Ak' \right) &= 0 \\
 +
    \frac{A'}{A} &= -\frac{k'}{2k} \\
 +
    A(x) &= C k(x)^{-1/2}
 +
  \end{aligned}
 +
  \label{PM:vztahAk}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
Předpokládejme řešení ve tvaru
+
Tato vazba je za předpokladu, že vlnová funkce na intervalu \rimske{I} neprotne nulu, přesná.
\footnote{Tvar předpokládaného řešení lze ospravedlnit. Řešení rovnice \eqref{PM:WKB1} lze totiž hledat ve tvaru $\varphi(x)=e^{g(x)}$, kde $g(x)$ je hledaná nová neznámá funkce.}
+
 
\begin{equation} \label{PM:WKBsubst}
+
Reálná část má tvar
\varphi(x)=\exp\left\{ \frac{i}{\xi} \int\limits_{x_0}^x q(\tilde{x}) d\tilde{x} \right\}.
+
\begin{equation}
 +
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' - Ak^2 \right) = (E-V) A.
 +
  \label{PM:prepisreal}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
Jeho dosazením do \eqref{PM:WKB1} získáváme diferenciální rovnici pro novou funkci $q(x)$
+
Sem bychom mohli dosadit z \eqref{PM:vztahAk} a zkoušet řešit čistě pro $k(x)$. Rovnice se však výrazně zjednodušuje pro potenciály, které se v proměnné $x$ příliš prudce nemění. Konkrétně budeme předpokládat, že na rozměrové škále dané okamžitou hodnotou $k'(x)$ ($k(x)$ má funkci vlnového čísla) se dostupná kinetická energie $E - V(x)$ změní zanedbatelně vůči své střední hodnotě (viz obrázek~\ref{fig:PM:deltaV}) a tento předpoklad přeneseme i na $A(x)$ s tím, že platnost tohoto kroku oprávníme zpětně po dořešení. V $j$-tém řádu Taylorova rozvoje
 +
\begin{equation}
 +
  A^{(j)}(x) \left( \frac{1}{k(x)} \right)^j \ll A(x),
 +
  \label{PM:deltaA}
 +
\end{equation}
 +
konkrétně pro druhý řád
 +
\begin{equation}
 +
  \frac{A''(x)}{k(x)^2} \ll A(x).
 +
  \label{PM:zanedbaniA}
 +
\end{equation}
 +
To nám umožní v \eqref{PM:prepisreal} zanedbat první člen a zbytek rovnice lze vykrátit $A$. To ponechá jen triviální rovnost
 +
\begin{equation}
 +
  k(x)^2 = \frac{2M}{\hbar^2} (E - V(x)).
 +
  \label{PM:kvadrat-k}
 +
\end{equation}
 +
 
 +
\begin{figure}[t]
 +
\centering
 +
\includegraphics{wkb-2}
 +
\caption{Ilustrace předpokladu pomalého vývoje $V(x)$ (přesněji efektivní kinetické energie $E-V(x)$) vzhledem ke $k(x)$. Jestliže platí $\Delta V \ll E-V$, můžeme potenciál na intervalu délky $k^{-1}$ nahradit konstantou.}
 +
\label{fig:PM:deltaV}
 +
\end{figure}
 +
 
 +
Potřebujeme ale oprávnit poslední předpoklad pro $A(x)$, který nám toto zanedbání umožnil. Vyjádříme-li $A(x)$ pomocí \eqref{PM:vztahAk} a \eqref{PM:kvadrat-k}, získáváme $A''(x)$ ve tvaru
 
\[
 
\[
i \xi q'(x) - q^2(x) + r(x)=0.
+
  A'' = \left( \frac{V''}{4(E-V)} + \frac{V'^2}{4(E-V)} + \frac{V'^2}{4^2(E-V)^2} \right) A,
 
\]
 
\]
To je však Ricattiho diferenciální rovnice, jejíž obecné řešení není možno explicitně nalézt. Budeme ho proto hledat ve tvaru nekonečné řady
+
vidíme tedy, že pokud srovnání tvaru \eqref{PM:deltaA} platí pro funkci $E-V(x)$, tedy pro $j=1$ a pro $j=2$
 
\[
 
\[
q(x)=\sum_{n=0}^{+\infty} (-i \xi)^n q_n(x).
+
  \frac{V'}{k} \ll E-V, \quad \frac{V''}{k^2} \ll E-V,
 
\]
 
\]
Zde si povšimněme, že rozvíjíme v mocninách $\xi$. Je proto třeba původní volbou $a$, $u_0$ (které umožnily přechod k bezrozměrné rovnici \eqref{PM:WKB1}) zajistit, aby $\xi$ bylo co možná nejmenší. Dosazením předpokládaného rozvoje $q(x)$ do rovnice \eqref{PM:WKBsubst} obdržíme
+
plyne odsud také \eqref{PM:zanedbaniA}.
\begin{equation} \label{PM:WKBradaksi}
+
\sum_{n=0}^{+\infty} (-i\xi)^{n+1}q_n'(x) + \sum_{n=0}^{+\infty}\sum_{m=0}^{n}(-i\xi)^n q_m(x) q_{n-m}(x) - r(x) = 0.
+
\end{equation}
+
  
Předpokládejme v dalším $r(x) > 0$ (dle \eqref{PM:WKBZjednSubst} to znamená, že jsme v tzv. klasicky dostupné oblasti kde energie částice je větší, než potenciál, ve kterém je částice uvězněna). Porovnáním členů v rovnosti \eqref{PM:WKBradaksi} úměrným postupně $0.$, $1.$ a $2.$ mocnině $(-i \xi)$ získáme první členy rozvoje $q(x)$
+
Rovnice \eqref{PM:kvadrat-k} tedy spolu s \eqref{PM:vztahAk} určují vlnovou funkci na intervalu \rimske{I}, která se chová jako postupná vlna, jejíž vlnové číslo odpovídá de Broglieho vlnovému číslu pro hybnost spočítanou z kinetické energie $E-V(x)$,
\begin{align*}
+
q_0(x) &= \pm \sqrt{r(x)}, \\
+
q_1(x) &= \frac{-1}{2} \frac{q_0'(x)}{q_0(x)} = - \frac{d}{dx} \ln[r(x)]^{1/4}, \\
+
q_2(x) &= \frac{-q_1'(x)-q_1^2(x)}{2q_0(x)} = \ldots
+
\end{align*}
+
Porovnáním členů úměrných $(-i \xi)^n$ bychom mohli získat explicitní vyjádření $q_n(x)$ pomocí členů předchozích. V dalším však budeme uvažovat aproximaci do 1. řádu, tedy $q(x)\approx q_0(x)-i\xi q_1(x)$. Tomuto přiblížení se někdy říká semiklasické (koho zajímají podrobnosti k tomuto pojmenování odkazuji na \cite{for:ukt}). Upravíme výraz $\sqrt{r(x)}$
+
 
\[
 
\[
\sqrt{r(x)} = \sqrt{\frac{E}{u_0}-f(x)}=\sqrt{\frac{2M(E-V(ax))}{2Mu_0}}=\frac{1}{\sqrt{2Mu_0}}p(x),
+
  k_{\text{dB}} = \frac{2\pi}{\lambda_\text{dB}} = \frac{p}{\hbar} = \frac{1}{\hbar} \sqrt{2M(E-V)},
 
\]
 
\]
přičemž jsme označili
+
a jejíž amplituda je vyšší (nižší) v místech pomalejší (rychlejší) oscilace.%
\begin{equation} \label{PM:WKBhybnost}
+
\footnote{To je intuitivní: hustota pravděpodobnosti se chová jako převrácená hodnota $k(x)$, tedy přeneseně jako převrácená hodnota rychlosti, kterou by klasická částice daným bodem procházela.}
p(x)=\sqrt{2M(E-V(ax))},
+
Nezapomínejme, že \eqref{PM:kvadrat-k} má dvě řešení lišící se znaménkem, které dávají postupné vlny ve dvou směrech. Obecné řešení \rimske{I} díky linearitě \eqref{PM:SchrR} bude libovolná jejich superpozice
\end{equation}  
+
\begin{equation}
což není nic jiného, než výraz pro klasickou hybnost. Tohoto značení v dalším s výhodou užijeme. Dosaďme naši aproximaci $q(x)\approx q_0(x)-i\xi q_1(x)$ do předpokládaného tvaru řešení \eqref{PM:WKBsubst}
+
  \psi_\rimske{I}(x) =
 +
    \frac{C_1}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( i \int k(x) dx \right) +
 +
    \frac{C_2}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( -i \int k(x) dx \right)
 +
  \label{PM:WKBoblastIexp}
 +
\end{equation}
 +
či ekvivalentně
 +
\begin{equation}
 +
  \psi_{\rimske{I}}(x) =
 +
    \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int k(x) dx + \varphi_0 \right)
 +
  \label{PM:WKBoblastI}
 +
\end{equation}
 +
pro
 
\[
 
\[
\varphi(x)=\exp\left\{ \frac{i}{\xi} \int\limits_{x_0}^x \left( \pm \sqrt{r(\tilde{x})} +
+
  k(x) = \frac{1}{\hbar} \sqrt{2M \bigl( E - V(x) \bigr)}.
i \xi \frac{d}{d\tilde{x}} \ln[r(\tilde{x})]^{1/4}  \right) d\tilde{x}  \right\}.
+
 
\]
 
\]
Užitím klasické hybnosti $p(x)$ a definice koeficientu $\xi$ \eqref{PM:WKBZjednSubst} můžeme poslední rovnost zjednodušit do tvaru
+
 
 +
\subsubsection*{Klasicky nedostupná oblast}
 +
 
 +
V oblasti \rimske{II} použijeme analytické prodloužení dřívějších výsledků. Vyjdeme z rovnice \eqref{PM:kvadrat-k}, která pro $V(x) > E$ přiřazuje $k(x)$ ryze imaginární hodnotu. Přeznačíme tedy
 
\[
 
\[
\varphi^{\pm}_1(x)=\frac{C}{\sqrt{p(x)}} \exp\left\{ \pm \frac{i}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\},
+
  \kappa(x)^2 = -k(x)^2 = \frac{2M}{\hbar^2}\bigl( V(x) - E \bigr) \quad (> 0)
 
\]
 
\]
což jsou dva možné tvary vlnové funkce částice v klasicky dostupné oblasti. Kvantová částice se však může nacházet i v oblasti klasicky nedostupné, kde je potenciál vyšší než její energie $V(x)>E$. Tento případ u nás odpovídá situaci $r(x)<0$. Opětovným provedením rozvoje $q(x)\approx q_0(x)-i\xi q_1(x)$, tentokrát s předpokladem $r(x)<0$, dospějeme k možným tvarům vlnové funkce v klasicky nedostupné oblasti ve tvaru
+
a do vzorce \eqref{PM:vztahAk} dosadíme $k(x) = i\kappa(x)$. Tím okamžitě dostáváme exponenciálně rostoucí nebo klesající řešení
 +
\begin{equation}
 +
  \psi_{\rimske{II}}(x) =
 +
    \frac{\tilde C_1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp \left( \int \kappa(x) dx \right) +
 +
    \frac{\tilde C_2}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp \left( -\int \kappa(x) dx \right)
 +
  \label{PM:WKBoblastII}
 +
\end{equation}
 +
 
 +
\subsubsection*{Přechodová oblast}
 +
 
 +
Stejný trik nemůžeme využít v oblasti \rimske{III}, protože v ní nemůže být splněna podmínka $|\Delta V(x)| \ll |E - V(x)|$ (situaci dále nenapomáhá, že amplituda i vlnová délka divergují, jak $V(x) \to E^-$). Pro dořešení úlohy na těchto kritických úsecích potřebujeme uvažovat $V(x)$ včetně jeho změn podél $x$.
 +
 
 +
WKB aproximace předpokládá, že rozdělení na oblasti \rimske{I}, \rimske{II}, \rimske{III} lze provést tak, že v~přechodových oblastech lze potenciál $V(x)$ dobře aproximovat úsečkou. Vyřešme tedy „kanonický“ tvar
 
\[
 
\[
\varphi^{\pm}_2(x)=\frac{D}{\sqrt{|p(x)|}} \exp\left\{ \pm \frac{1}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\}.
+
  -\psi''(x) + x \psi(x) = 0.
 
\]
 
\]
Sepišme celkové řešení diferenciální rovnice \eqref{PM:WKB1} v klasicky dostupné, resp. klasicky nedostupné oblasti
+
do kterého se vhodnou transformací nezávislé proměnné dá \eqref{PM:SchrR} vždy převést.%
 +
\footnote{Je potřeba trasformací $x \mapsto x-x_0$ bod obratu posunout do $x=0$, volbou hladiny nulové energie $E=0$ posunout odpovídajícím způsobem vertikálně potenciálovou funkci $V(x)$ a nakonec škálováním $x \mapsto \alpha x$ opravit konstanty. Hodnota neznámé funkce $\psi(x)$ zůstane zachována. Pozor na to, že v jednom bodě obratu bude potřeba $\alpha > 0$ a ve druhém $\alpha < 0$.}
 +
 
 +
Tuto rovnici řeší libovolná lineární kombinace speciálních \textbf{Airyho funkcí} $\Ai(x)$ a $\Bi(x)$. Obrázek~\ref{fig:PM:AiryAi} ukazuje graf funkce $\Ai(x)$ a jejích dvou aproximací platných pro $x \ll 0$ a $x \gg 0$:
 
\begin{equation}
 
\begin{equation}
\varphi_1(x)=\frac{C_1}{\sqrt{p(x)}} \exp\left\{ \frac{i}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\} +
+
  \begin{aligned}
\frac{C_2}{\sqrt{p(x)}} \exp\left\{ -\frac{i}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\} \label{eq:dostupna}
+
    \Ai(x) &\buildrel x \to -\infty \over \approx \frac{1}{\sqrt\pi (-x)^{1/4}} \sin\left( \frac23 (-x)^{\frac32} + \frac{\pi}{4} \right), \\
\end{equation}
+
    \Ai(x) &\buildrel x \to +\infty \over \approx \frac{1}{2\sqrt\pi x^{1/4}} \exp\left( -\frac23 x^{\frac32} \right).
resp.
+
  \end{aligned}
\begin{equation}
+
\label{PM:AiAprox}
\varphi_2(x)=\frac{D_1}{\sqrt{|p(x)|}} \exp\left\\frac{1}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\} +
+
\frac{D_2}{\sqrt{|p(x)|}} \exp\left\{ - \frac{1}{\hbar} \int\limits_{x_0}^x p(\tilde{x})d\tilde{x} \right\}. \label{eq:nedostupna}
+
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 +
Druhá bázová funkce má podobné chování pro záporná $x$, ale na kladné poloose se chová jako kladná exponenciála a diverguje.
  
V bodech obratu (a na jejich blízkém okolí), kde $V(x)=E$ je $p(x)=0$ a pokus o syntézu našich řešení $\varphi_1(x)$, $\varphi_2(x)$ v jedno superřešení na celém $\real$ troskotá.
+
\begin{figure}[t]
\footnote{Vzpomeňme si na 1rozměrný harmonický oscilátor - jak vypadá rozdělení pravděpodobnosti nalezení částice v jeho poli v klasickém případě a jak v případě kvantovém.}
+
\centering
Existují matematické postupy, jak řešení v dostupné a nedostupné oblasti propojit a získat tak spojitou vlnovou funkci na celém $\real$. Jednou z možností je problematický bod obejít po komplexní rovině. Vztahům, které obě řešení propojují se říká \textit{propojovací formule} a jsou uvedeny např. v \cite{for:ukt}.
+
\includegraphics{wkb-3}
 +
\caption{Graf Airyho funkce $\Ai(x)$ a jejích aproximací pro kladná a záporná $x$. Slabší čarou potenciálová funkce (v nesouvisejících jednotkách; voleno $E=0$), jíž by takové řešení odpovídalo.}
 +
\label{fig:PM:AiryAi}
 +
\end{figure}
  
Buďte $a$,$b$ body obratu, $a<b$. Rozdělíme prostor na 3 části:
+
Vidíme, že limitní tvary Airyho funkce jsou aplikovatelné již velmi blízko nuly, tedy přechodovou oblast stačí volit relativně úzkou. Srovnejme navíc tvary aproximací \eqref{PM:AiAprox} s řešeními \eqref{PM:WKBoblastI} a \eqref{PM:WKBoblastII} pro odpovídající „potenciál“
\begin{enumerate}[$(I)$]
+
\item $x \in (-\infty, a)$ - klasicky nedostupná oblast
+
\item $x \in (a, b)$ - klasicky dostupná oblast
+
\item $x \in (b, +\infty)$ - klasicky nedostupná oblast
+
\end{enumerate}
+
Buď $\psi^{(1)}(x)$ resp. $\psi^{(2)}(x)$ řešení, které vznikne propojením $I \rightarrow II$ resp. $III \rightarrow II$. Z propojovacích formulí mají tato řešení na intervalu $(a,b)$ tvar
+
\begin{align}
+
\psi^{(1)}(x) = \frac{C_1}{\sqrt{p(x)}} \cos \left( \frac{1}{\hbar}
+
\int\limits_a^x p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right), \label{PM:WKBpropoj1} \\
+
\psi^{(2)}(x) = \frac{C_2}{\sqrt{p(x)}} \cos \left( \frac{1}{\hbar}
+
\int\limits_x^b p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right), \label{PM:WKBpropoj2}
+
\end{align}
+
kde $C_1$, $C_2$ jsou komplexní konstanty a $p(x)$ představuje stále hybnost \eqref{PM:WKBhybnost}. Zkoumejme nyní, co musí být splněno, aby automaticky $\psi^{(1)}(x)=\psi^{(2)}(x)$ všude na $(a,b)$.
+
\footnote{Řešení na $(a,b)$ bylo totiž získáno z propojovacích formulí dvěma způsoby - propojením skrz $a$ a propojením skrz $b$.}
+
Jelikož argument v kosinech na pravé straně rovností \ref{PM:WKBpropoj1}, \ref{PM:WKBpropoj2} je na $(a,b)$ reálný, musí mít $C_1$, $C_2$ stejnou komplexní fázi. Na základě oboru hodnot kosinu musí být $|C_1|=|C_2|$, tudíž $C_1=\pm C_2$. Vezměme nejprve případ $C_1=-C_2$ a zkoumejme rovnost $\psi^{(1)}(x)=\psi^{(2)}(x)$
+
 
\[
 
\[
\frac{C_1}{\sqrt{p(x)}}\left[ \cos \left( \frac{1}{\hbar} \int\limits_a^x p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right) +
+
  V(x) = \frac{\hbar^2}{2M} x.
  \cos \left( \frac{1}{\hbar} \int\limits_x^b p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right)\right] = 0.
+
 
\]
 
\]
Užitím goniometrického vzorce upravíme předchozí rovnost
+
a $E = 0$. Tehdy pro $x < 0$, resp. $x > 0$ získáváme
 
\[
 
\[
2 \cos \left( \frac{1}{2\hbar} \int\limits_a^b p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right)
+
  k(x) = \sqrt{-x}, \quad \text{resp.} \quad \kappa(x) = \sqrt{x}.
\cos \left[ \frac{1}{2\hbar} \left( \int\limits_a^x p(\tilde{x})d\tilde{x} -
+
\]
\int\limits_x^b p(\tilde{x})d\tilde{x} \right) \right] = 0.
+
Odpovídající integrály vystupující v \eqref{PM:WKBoblastI}, resp. \eqref{PM:WKBoblastII} dávají%, zvolíme-li za spodní mez bod obratu (zde $x_0 = 0$), dávají
\]
+
Druhý kosinus v součinu na levé straně je funkce od x, u níž není obecně zaručena nulovost pro $\forall x \in (a,b)$. Proto musí být
+
 
\[
 
\[
\cos \left( \frac{1}{2\hbar} \int\limits_a^b p(\tilde{x})d\tilde{x} + \frac{\pi}{4} \right) = 0,
+
  \int k(\tilde x) d\tilde x = -\frac23 (-x)^{\frac32} + c, \quad \int \kappa(\tilde x) d\tilde x = \frac23 x^{\frac32} + c,
 
\]
 
\]
odkud dostáváme
+
což jsou členy objevující se na stejných pozicích v \eqref{PM:AiAprox}, dokonce i faktor $1/\sqrt{k(x)} = (-x)^{-1/4}$, resp. $1/\sqrt{\kappa(x)} = x^{-1/4}$ souhlasí. Vidíme tedy, že vhodnou volbou konstant $C$, $\tilde C_1$, $\tilde C_2$, $\varphi_0$ bude i v obecném případě snadné řešení oblastí \rimske{I} i \rimske{II} na odpovídajícím způsobem posunutou a protaženou funkci $\Ai(x)$ hladce napojit.
\begin{equation} \label{PM:WKBPodm1}
+
 
\frac{1}{\hbar} \int\limits_a^b p(\tilde{x})d\tilde{x} = \frac{\pi}{2} + 2k\pi, \quad k \in \priroz_0.
+
Airyho funkce si pro většinu praktických výpočtů nemusíme pamatovat, postačí z~pozorování výše vyextrahovat \textbf{propojovací formule}:
 +
\begin{subequations}
 +
\label{PM:WKBpropoj}
 +
\begin{equation}
 +
  \frac{1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp\left( -\int_{x_o}^x \kappa(x) dx \right)
 +
  \quad \leftrightarrow \quad
 +
  \frac{2}{\sqrt{k(x)}} \sin\left( \int_x^{x_o} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right)
 +
  \label{PM:WKBpropoj1}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
V případě $C_1=C_2$ obdržíme z rovnosti $\psi^{(1)}(x)=\psi^{(2)}(x)$ stejným postupem podmínku
+
a podobně z asymptotiky $\mathop{\mathrm{Bi}}$ bychom získali
\begin{equation} \label{PM:WKBPodm2}
+
\begin{equation}
\frac{1}{\hbar} \int\limits_a^b p(\tilde{x})d\tilde{x} = \frac{-\pi}{2} + 2k\pi, \quad k \in \priroz.
+
  \frac{1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp\left( +\int_{x_o}^x \kappa(x) dx \right)
 +
  \quad \leftrightarrow \quad
 +
  \frac{1}{\sqrt{k(x)}} \cos\left( \int_x^{x_o} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right).
 +
  \label{PM:WKBpropoj2}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
Všechna řešení původní rovnice $\psi^{(1)}(x)=\psi^{(2)}(x)$ na intervalu $(a,b)$ musí splňovat jednu z podmínek \eqref{PM:WKBPodm1}, \eqref{PM:WKBPodm2}.
+
\end{subequations}
 +
(Oba vzorce platí pro potenciál rostoucí napravo od bodu obratu $x_o$, v opačném případě platí s obrácenými mezemi všech integrálů.)
  
V celkovém výsledku zdůrazníme možnou závislost bodů obratu $a$, $b$ na energii $E$ a provedeme dosazení za hybnost $p(x)$ z \eqref{PM:WKBhybnost}.
+
\subsubsection*{Napojení vzorců a vznik kvantizační podmínky}
\begin{equation} \label{PM:WKBmain}
+
\int\limits_{a(E)}^{b(E)}\sqrt{\frac{2M}{\hbar^2}(E-V(\tilde{x}))}d\tilde{x} = \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi, \quad n \in \priroz_0.
+
\end{equation}
+
  
Spolehlivost získané kvantovací podmínky
+
Od řešení bezčasové Schrödingerovy rovnice \eqref{PM:SchrR}, aby byla vlastními funkcemi hamiltoniánu, vyžadujeme, aby byla normalizovatelná. Limitně tedy pro $x \to \pm\infty$ musí klesat k nule, což pro první klasicky nedostupnou oblast z obrázku~\ref{fig:PM:rozdeleni} umožňuje pouze člen \eqref{PM:WKBoblastII} s kladnou exponenciálou a pro druhou se zápornou. Podívejme se, co to bude znamenat při napojování částečných řešení \rimske{I}, \rimske{II}, \rimske{III} do úplného řešení:
\footnote{Odvozený výraz připomíná Bohr-Sommerfeldovu kvantovací podmínku $\int p dx=(n+\frac{1}{2})\hbar\pi$. Klasická fyzika se snažila podobnými kvantovacími podmínkami odvodit zákonitosti kvantové mechaniky z mechaniky klasické.}
+
 
si ukážeme na příkladech.
+
Začneme v první nedostupné oblasti, kde volíme v \eqref{PM:WKBoblastII} $\tilde C_2 = 0$. Poté použijeme propojovací vzorec \eqref{PM:WKBpropoj1} (s obrácenými mezemi) a napravo od bodu obratu získáváme asymptotiku
 +
\[
 +
  \frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x_1}^x k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right)
 +
\]
 +
v důsledku relací \eqref{PM:AiAprox}. Ve střední oblasti \rimske{I} tedy volíme $C = 2\tilde C_1$ a $\varphi_0 = \pi/4$. Přechod mezi exponenciálním a sinusovým řešením je (oproti integraci od bodu obratu $x_1$) doprovázen fázovým zpomalením o $\pi/4$. Stejnou funkci pak budeme chtít ve druhém bodě obratu $x_2$ napojit opět na exponenciálu klesající do $x \to +\infty$, na čemž dojde k~dalšímu zpomalení o $\pi/4$.
 +
%Konkrétně přepisem integrálu do meze $x_2$ získáváme
 +
%\[
 +
%  \begin{gathered}
 +
%    \frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x_1}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x - \int_{x}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right) =\\
 +
%    = -\frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x - \left( \int_{x_1}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right) \right),
 +
%  \end{gathered}
 +
%\]
 +
%což lze porovnat s pravou stranou \eqref{PM:AiAprox}, jestliže
 +
Na intervalu $\langle x_1, x_2 \rangle$ vlnová funkce získá celkovou fázi
 +
\[
 +
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx + 2\times\frac{\pi}{4},
 +
\]
 +
která musí být celočíselným (a zřejmě přirozeným) násobkem $\pi$, aby nějaký (kladný nebo záporný) násobek pravé strany \eqref{PM:AiAprox} šel se získanou funkcí v oblasti \rimske{I} dát do rovnosti. Vzhledem k tomu, že součástí předpisu \eqref{PM:kvadrat-k} pro funkci $k(x)$ je energie $E$, dostáváme podmínku, která může platit jen pro některé speciální hodnoty volby $E$ a pro ostatní vede k nenormalizovatelné funkci $\psi(x)$ -- tedy \textsl{kvantizační podmínku} uvažovaného systému. Příklad správného navázání pro vhodně zvolenou energii $E$ ukazuje obrázek \ref{fig:PM:WKBpriklad}.
 +
 
 +
\begin{figure}[t]
 +
\centering
 +
\includegraphics{wkb-4}
 +
\caption{Příklad vlnové funkce nalezené WKB aproximací pro potenciálovou funkci z~obrázku~\ref{fig:PM:rozdeleni}. Modrý, resp. zelený, resp. červený graf ukazují části sinusového, resp. exponenciálního, resp. přechodového řešení. Vytažena je také amplitudová část řešení \eqref{PM:WKBoblastI} klasické oblasti. Vzorce ve spodní části ukazují příspěvky k fázi oscilací v celém intervalu mezi body obratu $x_1$ a $x_2$.}
 +
\label{fig:PM:WKBpriklad}
 +
\end{figure}
 +
 
 +
Věnujme se významu integrálu
 +
\[
 +
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \bigl( E-V(x) \bigr)} dx = \frac{1}{\hbar} \int_{x_1}^{x_2} p(x) dx,
 +
\]
 +
kde $p(x)$ je klasická hybnost vymezená kinetickou energií zbývající částici z celkové energie $E$ v místě $x$ po odečtení potenciální složky $V(x)$. Integrál této veličiny mezi body obratu známe z Teoretické fyziky jako polovinu \textbf{redukované akce} $S_0$. Podmínku
 +
\begin{equation}
 +
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx + \frac{\pi}{2} = n\pi, n \in \priroz,
 +
  \quad \text{příp.} \quad
 +
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = \left( n + \frac12 \right)\pi, n \in \priroz_0,
 +
  \label{PM:WKBmain}
 +
\end{equation}
 +
tedy můžeme ekvivalentně psát jako
 +
\[
 +
  S_0 = (2n+1) \pi \hbar = \left( n + \frac12 \right) h,
 +
\]
 +
což je přesnější verze historické \textbf{Bohr--Sommerfeldovy} kvantizace (oproti které je navíc oprava $\frac12$ k násobku Planckovy konstanty), používané k odhadům energetických spekter před vyvinutím dnešní podoby kvantové mechaniky. WKB aproximace tedy tento vzorec nejen opravňuje, navíc přidává tuto opravu a především doplňuje i o přibližný tvar vlnových funkcí odpovídajících získaným energiím.
  
 
\begin{example}
 
\begin{example}
Řádka 149: Řádka 252:
 
Uvažujme potenciál $V(x)$ definovaný
 
Uvažujme potenciál $V(x)$ definovaný
 
\[
 
\[
V(x)= \begin{cases}
+
  V(x)= \begin{cases}
0 \quad -a<x<a, \\
+
    0 & -a<x<a, \\
+\infty \qquad \text{jinde}.
+
    +\infty & \text{jinde}.
\end{cases}
+
  \end{cases}
 
\]
 
\]
Dle \eqref{PM:WKBmain} přípustné hodnoty energie $E_n$ splňují
+
 
 +
Body obratu částice jsou pochopitelně $x_1 = -a$ a $x_2 = a$. Dle \eqref{PM:WKBmain} přípustné hodnoty energie $E_n$ splňují
 
\[
 
\[
\int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2}(E_n-V(\tilde{x}))}d\tilde{x} =  
+
  \int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \bigl( E_n-V(\tilde{x}) \bigr)}d\tilde{x} =  
\int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2}E_n}d\tilde{x} = \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi,
+
  \int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2}E_n}d\tilde{x} = \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi,
 
\]
 
\]
 
což po integraci dává
 
což po integraci dává
 
\[
 
\[
E_n=\frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} \left( n+\frac{1}{2} \right)^2 \qquad  \left( \frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} n^2  \right),
+
  E_n=\frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} \left( n+\frac{1}{2} \right)^2.
 
\]
 
\]
kde v závorce na pravo je přesný výsledek ze zimy.
+
 
 +
Energetické hladiny jsme dostali nesprávné, oproti přesnému výsledku ze zimy
 +
\begin{equation}
 +
  E_n = \frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} n^2
 +
  \label{PM:JamaSpravne}
 +
\end{equation}
 +
přebývá $\frac12$ přičtená k $n$. To má snadné odůvodnění. Přesně tento faktor je oprava přidaná WKB aproximací k Bohr--Sommerfeldově tvaru kvantovací podmínky za přechodové oblasti, nicméně v našem případě žádné přechodové oblasti neexistují. Řešení musí přejít ze sinusového tvaru na $(-a,a)$ okamžitě na nulu (kterou by připravené vzorce předpověděly ve tvaru $e^{-\infty}$). Správná kvantovací podmínka tedy pro tuto situaci zní
 +
\[
 +
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = n\pi, \quad n \in \priroz_0
 +
\]
 +
a dává skutečně výsledek \eqref{PM:JamaSpravne}.
 
\end{example}
 
\end{example}
  
 
\begin{example}
 
\begin{example}
Mějme částici hmotnosti M v poli jednorozměrného harmonického oscilátoru. Určete možné hodnoty energie WKB aproximací a porovnejte je s přesnými hodnotami.
+
Mějme částici hmotnosti $M$ v poli jednorozměrného harmonického oscilátoru. Určete možné hodnoty energie WKB aproximací a porovnejte je s přesnými hodnotami.
  
Z klasického hamiltoniánu 1rozměrného HO určíme body obratu.
+
Z klasického hamiltoniánu jednorozměrného harmonického oscilátoru nejprve určíme body obratu:
 
\[
 
\[
H(p,x) = \frac{p^2}{2M} + \frac{1}{2}M\omega^2x^2 \quad \Rightarrow \quad a(E)=\sqrt{\frac{2E}{M\omega^2}},
+
  H(p,x) = \frac{p^2}{2M} + \frac{1}{2}M\omega^2x^2 \quad \Rightarrow \quad x_{1,2} = \pm\sqrt{\frac{2E}{M\omega^2}},
 
\]
 
\]
Body obratu jsou $\pm a(E)$. Vyjdeme opět z \eqref{PM:WKBmain}, kde po dosazení integračních mezí a potenciálu dostáváme pro možné hodnoty energie $E_n$ rovnost
+
Vyjdeme opět z \eqref{PM:WKBmain}, kde po dosazení integračních mezí a potenciálu dostáváme pro možné hodnoty energie $E_n$ rovnost
 
\[
 
\[
\int\limits_{-a(E_n)}^{a(E_n)} \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \left( E_n - \frac{M \omega^2}{2} \tilde{x}^2 \right)} d\tilde{x} =  
+
  \int\limits_{x_1}^{x_2} \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \left( E_n - \frac{M \omega^2}{2} \tilde{x}^2 \right)} d\tilde{x} =  
\left( n+\frac{1}{2} \right) \pi
+
  \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi
 
\]
 
\]
 
a po integraci
 
a po integraci
 
\[
 
\[
E_n = \hbar \omega \left( n+\frac{1}{2} \right),
+
  E_n = \hbar \omega \left( n+\frac{1}{2} \right),
 
\]
 
\]
což přesně souhlasí s velmi pracně získaným výsledkem ze zimy.
+
což přesně souhlasí s velmi pracně získaným výsledkem ze zimy. Srovnání vlnových funkcí ukazuje obrázek~\ref{fig:PM:WKBoscilator}. Aproximace pro vlnové funkce funguje nejlépe pro vyšší excitace, pro nízké hodnoty $n$ vychází energie správně, ale napojení nefunguje velmi hladce v důsledku nepříliš zřetelného oddělení oblastí \rimske{I} a \rimske{III} blízko dna paraboly.
 
\end{example}
 
\end{example}
\begin{example}Tunelový jev\\
+
 
Mějme systém jako na Obr. \ref{fig:tunel},
+
\begin{figure}[t]
\begin{figure}[ht]
+
\centering
\centering
+
\includegraphics[height=6cm]{wkb-ho}
  \includegraphics[]{tunel}
+
\caption{Vlnová funkce získaná WKB aproximací pro 10. excitovaný stav kvantového harmonického oscilátoru. Barevné označení navázaných částí odpovídá obrázku~\ref{fig:PM:WKBpriklad}. V~pozadí širším tahem pro srovnání přesné řešení pomocí Hermitova polynomu. Vyznačena je též amplituda řešení v klasické oblasti a klasické body obratu.}
\caption{Tunelový jev}
+
\label{fig:PM:WKBoscilator}
\label{fig:tunel}
+
 
\end{figure}
 
\end{figure}
kde $E = \frac{p^2}{2M}$, tradičně by takový systém nemohl překonat naznačený potenciál, kvantově však ano. Je to situace přesně opačná k \eqref{PM:WKBpropoj1} a \eqref{PM:WKBpropoj2}. Tentokrát máme klasicky dostupné sektory \textit{I} a \textit{III} a nedostupný \textit{II}.
 
  
Abychom ukázali, že kvantová částice může bariérou protunelovat a spočetli jak snadno, budeme hledat řešení, které se asymptoticky bude chovat jako prošlá, dopadající či odražená vlna v sektorech
+
\begin{example}(Tunelový jev)
\begin{enumerate}[$(I)$]
+
\item dopadající + odražená: $e^{\frac{i p x}{\hbar}} + B e^{\frac{- i p x}{\hbar}}$
+
\item nepožadujeme žádnou asymptotiku
+
\item prošlá: $C e^{\frac{i p x}{\hbar}}$
+
\end{enumerate}
+
Budeme postupovat tak, že v sektoru \textit{III} postulujeme řešení v podobě \eqref{eq:dostupna} s hledaným asymptotickým chováním
+
\begin{equation}
+
\psi(x) = \frac{D}{\sqrt{p(x)}} e^{\frac{i}{\hbar} \int_b^x p(\tilde{x}) \dif \tilde{x}},
+
\end{equation}
+
a přeneseme ho pomocí propojovacích formulí do sektoru \textit{II}. Pokud označíme
+
\begin{equation}
+
A \equiv \exp \left( - \frac{1}{\hbar} \int_a^b \abs{p(\tilde{x})} \dif \tilde{x} \right),
+
\end{equation}
+
můžeme řešení v sektoru \textit{II} zapsat
+
\begin{equation}
+
\psi (x) = \frac{D e^{-\frac{i \pi}{4}}}{\sqrt{\abs{p(x)}}} \left[ \frac{A i}{2} e^{\frac{1}{\hbar} \int_a^x \abs{p(\tilde{x})} \dif \tilde{x}} + \frac{1}{A} e^{- \frac{1}{\hbar} \int_a^x \abs{p(\tilde{x})} \dif \tilde{x}} \right].
+
\end{equation}
+
To opět přeneseme pomocí propojovacích formulí do sektoru \textit{I} (chce to dávat pozor na formule, které použijeme -- podle toho jestli je dostupná oblast vlevo nebo vpravo od bodu obratu) a dostaneme po několika úpravách
+
\begin{eqnarray}
+
\psi(x) = && \frac{i D}{A \sqrt{p(x)}} \left[ \left( -1 + \frac{A^2}{4} \right) \exp\left( \frac{i}{\hbar} \int_x^a p(\tilde{x}) \dif \tilde{x} \right) \right. \notag \\
+
&& + \left. \left( 1 + \frac{A^2}{4} \right) \exp\left( -\frac{i}{\hbar} \int_x^a p(\tilde{x}) \dif \tilde{x} - \frac{i \pi}{2}\right) \right],
+
\end{eqnarray}
+
kde v prvním řádku vidíme funkci s asymptotickým chováním jako odražená vlna a v druhém jako dopadající vlna z předpokladů.
+
  
Můžeme si tak vzpomenout na VOAF a napsat koeficient průchodu
+
Mějme systém jako na obrázku~\ref{fig:tunel}, kde $E = \frac{p_0^2}{2M}$. Potenciál $V(x)$ má limity 0 v obou nekonečnech, takže umožňuje rovnoměrný pohyb s hybností $p_0$, v jisté oblasti však překračuje hodnotu $E$. Jedná se tak o situaci přesně opačnou k potenciálové jámě, tentokrát jsou klasicky dostupné oblasti $A$ a $C$ na krajích a klasicky nedostupná oblast $B$ mezi nimi.
 +
 
 +
\begin{figure}[t]
 +
  \centering
 +
    \includegraphics{wkb-5}
 +
  \caption{Situace uvažovaná při studiu tunelového jevu}
 +
  \label{fig:tunel}
 +
\end{figure}
 +
 
 +
Abychom ukázali, že kvantová částice může bariérou protunelovat, a spočetli, s jakou pravděpodobností, budeme hledat stacionární řešení, které se asymptoticky bude chovat v sektoru $A$ jako lineární superpozice dopadající a odražené vlny
 +
\begin{subequations}
 
\begin{equation}
 
\begin{equation}
T = \abs{C}^2,
+
  \psi_A(x) = A e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}} + R A e^{\frac{- i p_0 x}{\hbar}}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
a odrazu
+
a v sektoru $C$ jako vlna prošlá
 
\begin{equation}
 
\begin{equation}
R = \abs{B}^2 = 1 - T.
+
  \psi_C(x) = T A e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
Do kterých když dosadíme z výsledku propojování, dostaneme
+
\label{PM:vlny}
\begin{equation}
+
\end{subequations}
T = \left( \frac{4A}{4 + A^2} \right)^2,
+
V sektoru $B$ nepožadujeme žádnou asymptotiku.
\end{equation}
+
 
což je \textit{nenulový} koeficient průchodu, který dobře funguje hlavně pro vysokou a širokou bariéru (potom WKB aproximace funguje nejlépe). Dále pro $A \ll 1$ (velmi široká bariéra)
+
Budeme postupovat zprava doleva: na pravé straně od potenciálové bariéry budeme postulovat řešení tvaru \eqref{PM:WKBoblastIexp} s $C_2 = 0$ a vhodným fázovým posunem (integrační konstantou), které se asymptoticky (když $V \to 0$) chová jako
\begin{equation}
+
\[
T \approx A^2 = e^{-\frac{2}{\hbar} \int_a^b \abs{p(\tilde{x})} \dif \tilde{x}},
+
  \psi_C(x) = \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( i \int_{x_2}^x k(x) + i\frac{\pi}{4} dx \right) \approx C \sqrt\frac{\hbar}{p_0} e^{\frac{i p_0 x}{\hbar} + i\varphi_0} = \const.\ e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}},
\end{equation}
+
\]
dostáváme exponenciální snižování koeficientu průchodu se šířkou bariéry.
+
a kosinovou a sinovou část tohoto řešení navážeme dle propojovacích formulí \eqref{PM:WKBpropoj1} a \eqref{PM:WKBpropoj2} (s ozrcadlenými mezemi) na sektor $B$:
 +
\[
 +
  \psi_B = \frac{C}{\sqrt{\kappa(x)}} \left( \exp \left( \int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx \right) + \frac{i}{2} \exp \left( -\int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx \right) \right).
 +
\]
 +
Z hlediska bodu $x_1$ je integrály v exponentech možné přepsat jako
 +
\[
 +
  \int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx = \underbrace{\int_{x_1}^{x_2} \kappa(x) dx}_{\const.} - \int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx,
 +
\]
 +
tedy
 +
\[
 +
  \psi_B = \frac{C}{\sqrt{\kappa(x)}} \left( Q \exp \left( -\int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx \right) + \frac{i}{2Q} \exp \left( \int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx \right) \right),
 +
\]
 +
kde
 +
\[
 +
  Q = \exp \left( \int_{x_1}^{x_2} \kappa(x) dx \right).
 +
\]
 +
Tento zápis je připraven k opětovnému použití propojovacích formulí, tektokrát k přechodu přes bod $x_1$ do oblasti $A$:
 +
\[
 +
  \psi_A(x) = \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \left( 2Q \sin \left( \int_{x}^{x_1} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right) + \frac{i}{2Q} \cos \left( \int_{x}^{x_1} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right) \right)
 +
\]
 +
Nakonec opět uvažujeme asymptotickou oblast $x \to -\infty$, kde $V \to 0$:
 +
\[
 +
  \psi_A(x) \approx C \sqrt\frac{\hbar}{p_0} \left( 2Q \sin \left( -\frac{p_0 x}{\hbar} + \varphi_0' \right) + \frac{i}{2Q} \cos \left( -\frac{p_0 x}{\hbar} + \varphi_0' \right) \right).
 +
\]
 +
Převodem $\sin$, $\cos$ zpět na exponenciální tvar a porovnáním nalezených tvarů $\psi_A(x)$, $\psi_C(x)$ s \eqref{PM:vlny} dostaneme koeficienty průchodu a odrazu pro amplitudy
 +
\[
 +
  T = -i e^{i(\varphi_0+\varphi_0')} \frac{4Q}{1+4Q^2}, \quad R = e^{2i\varphi_0'} \frac{1-4Q^2}{1+4Q^2}.
 +
\]
 +
 
 +
Intenzita tedy projde s transmitivitou
 +
\[
 +
  \mathcal{T} = T^2 = \left| \frac{4Q}{1+4Q^2} \right|^2.
 +
\]
 +
Tento vzorec funguje dobře hlavně pro potenciály s pozvolnými a dobře definovanými lineárními přechodovými oblastmi (podmínky WKB aproximace). Dále pro $Q \gg 1$ (velmi vysoká a/nebo široká bariéra) dostáváme
 +
\[
 +
  T \approx Q^{-2} = e^{-\frac{2}{\hbar} \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{2M(V(x)-E)} d\tilde{x}},
 +
\]
 +
tedy exponenciální snižování koeficientu průchodu se šířkou bariéry.
 
\end{example}
 
\end{example}
  
Řádka 246: Řádka 382:
 
Je-li $E_0$ energie základního stavu systému popsaného hamiltoniánem $\hat{H}$, můžeme princip Ritzovy variační metody vystihnout nerovností
 
Je-li $E_0$ energie základního stavu systému popsaného hamiltoniánem $\hat{H}$, můžeme princip Ritzovy variační metody vystihnout nerovností
 
\begin{equation} \label{PM:RitzFunkci}
 
\begin{equation} \label{PM:RitzFunkci}
E_0 \leq \frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}}, \quad \forall \ket{\psi} \in \hilbert,  
+
  E_0 \leq \frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}}, \quad \forall \ket{\psi} \in \hilbert,  
\quad \braket{\psi}{\psi}\neq0.
+
  \quad \braket{\psi}{\psi}\neq0.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Poslední nerovnost dokážeme v případě čistě bodového spektra operátoru $\hat{H}$. Buď $(\ket{\psi_n})$ ON soubor vlasntích vektorů $\hat{H}$ splňujících
 
Poslední nerovnost dokážeme v případě čistě bodového spektra operátoru $\hat{H}$. Buď $(\ket{\psi_n})$ ON soubor vlasntích vektorů $\hat{H}$ splňujících
 
\[
 
\[
\hat{H} \ket{\psi_n} = E_n \ket{\psi_n}, \quad E_0 \leq E_1 \leq \ldots, \quad \sum_n \ket{\psi_n} \bra{\psi_n} = \opone.
+
  \hat{H} \ket{\psi_n} = E_n \ket{\psi_n}, \quad E_0 \leq E_1 \leq \ldots, \quad \sum_n \ket{\psi_n} \bra{\psi_n} = \opone.
 
\]
 
\]
 
Potom
 
Potom
 
\[
 
\[
\frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
+
  \frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
\sum_{m,n} \frac{\braket{\psi}{\psi_m} \brapigket{\psi_m}{\hat{H}}{\psi_n} \braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
+
  \sum_{m,n} \frac{\braket{\psi}{\psi_m} \brapigket{\psi_m}{\hat{H}}{\psi_n} \braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
\sum_nE_n \frac{\braket{\psi}{\psi_n}\braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} \geq E_0,
+
  \sum_nE_n \frac{\braket{\psi}{\psi_n}\braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} \geq E_0,
 
\]
 
\]
 
přičemž rovnost nastává pro $\ket{\psi}=\ket{\psi_0}$.
 
přičemž rovnost nastává pro $\ket{\psi}=\ket{\psi_0}$.
Řádka 263: Řádka 399:
 
Minimalizace funkcionálu vystupujícího na pravé straně nerovnosti \eqref{PM:RitzFunkci} není na celém $\hilbert$ úlohou o nic snazší, než řešení vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$. Proto se v praxi provádí výběr $n$-parametrické třídy vektorů $\ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}$ a minimalizuje se výraz
 
Minimalizace funkcionálu vystupujícího na pravé straně nerovnosti \eqref{PM:RitzFunkci} není na celém $\hilbert$ úlohou o nic snazší, než řešení vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$. Proto se v praxi provádí výběr $n$-parametrické třídy vektorů $\ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}$ a minimalizuje se výraz
 
\begin{equation} \label{PM:RitzRozpi}
 
\begin{equation} \label{PM:RitzRozpi}
E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) =  
+
  E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) =  
\frac{\brapigket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\hat{H}}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}
+
  \frac{\brapigket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\hat{H}}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}
{\braket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}.
+
  {\braket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
Je-li výraz na pravé straně spočitatelný, jedná se o hledání minima funkce $n$ proměnných, tudíž řešíme
 
Je-li výraz na pravé straně spočitatelný, jedná se o hledání minima funkce $n$ proměnných, tudíž řešíme
 
\[
 
\[
\parcder{E}{\alpha_i}(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) = 0, \quad i = 1, \ldots, n,
+
  \parcder{E}{\alpha_i}(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) = 0, \quad i = 1, \ldots, n,
 
\]
 
\]
 
odkud nalezneme bod $(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$, v němž funkce $E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)$ nabývá minima. Hledaná aproximace energie základního stavu $E_0^{(var)}$ je potom rovna $E_0^{(var)}=E(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$. Jí přísluší vlastní vektor $\ket{\psi_0^{(var)}} = \ket{\psi(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)}$.
 
odkud nalezneme bod $(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$, v němž funkce $E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)$ nabývá minima. Hledaná aproximace energie základního stavu $E_0^{(var)}$ je potom rovna $E_0^{(var)}=E(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$. Jí přísluší vlastní vektor $\ket{\psi_0^{(var)}} = \ket{\psi(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)}$.
Řádka 282: Řádka 418:
 
Obecně lze pro hamiltonián s degenerovaným spektrem ukázat, že $k$-tá nejnižší hodnota energie $E_k$ ze spektra hamiltoniánu $\hat{H}$ je nanejvýš rovna $k$-té nejnižší energii $E_k^{(var)}$ získané variační metodou, tedy
 
Obecně lze pro hamiltonián s degenerovaným spektrem ukázat, že $k$-tá nejnižší hodnota energie $E_k$ ze spektra hamiltoniánu $\hat{H}$ je nanejvýš rovna $k$-té nejnižší energii $E_k^{(var)}$ získané variační metodou, tedy
 
\[
 
\[
E_k \leq E_k^{(var)}, \quad k=0, \ldots, n-1.
+
  E_k \leq E_k^{(var)}, \quad k=0, \ldots, n-1.
 
\]
 
\]
 
\end{remark}
 
\end{remark}
Řádka 288: Řádka 424:
 
Možná třída vektorů může být lineární kombinace N pevně zvolených nezávislých vektorů $(\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N})$ (nemusí tvořit ortonormální soubor). Potom volíme
 
Možná třída vektorů může být lineární kombinace N pevně zvolených nezávislých vektorů $(\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N})$ (nemusí tvořit ortonormální soubor). Potom volíme
 
\[
 
\[
\ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_N)} = \alpha_1\ket{\varphi_1} + \ldots + \alpha_N\ket{\varphi_N}, \quad
+
  \ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_N)} = \alpha_1\ket{\varphi_1} + \ldots + \alpha_N\ket{\varphi_N}, \quad
W= [\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N}]_{\lambda}.
+
  W= [\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N}]_{\lambda}.
 
\]
 
\]
 
$W$ tvoří podprostor $\hilbert$ a odpovídá mu projekční operátor, jež označíme $\hat{P}_W$. Minimum funkce \eqref{PM:RitzRozpi} je potom nejmenší vlastní hodnotou hermitovského operátoru $\hat{H}_W$ definovaného
 
$W$ tvoří podprostor $\hilbert$ a odpovídá mu projekční operátor, jež označíme $\hat{P}_W$. Minimum funkce \eqref{PM:RitzRozpi} je potom nejmenší vlastní hodnotou hermitovského operátoru $\hat{H}_W$ definovaného
 
\begin{equation} \label{PM:Ritzvlc}
 
\begin{equation} \label{PM:Ritzvlc}
\hat{H}_W = \hat{P}_W \hat{H} \hat{P}_W.
+
  \hat{H}_W = \hat{P}_W \hat{H} \hat{P}_W.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Uvedeme zde bez důkazu větu, jež dává do souvislosti vlastní hodnoty $\hat{H}$ a $\hat{H}_W$.
 
Uvedeme zde bez důkazu větu, jež dává do souvislosti vlastní hodnoty $\hat{H}$ a $\hat{H}_W$.
Řádka 300: Řádka 436:
 
Buďte $E_0 \leq E_1 \leq \ldots \leq E_{N-1}$ $N$ nejmenších vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$ (každou vlastní hodnotu je třeba započítat tolikrát, kolik je její degenerace). Označme $e_0 \leq e_1 \leq \ldots \leq e_{N-1}$ vlastní hodnoty operátoru $\hat{H}_W$ definovaného dle \eqref{PM:Ritzvlc}. Potom
 
Buďte $E_0 \leq E_1 \leq \ldots \leq E_{N-1}$ $N$ nejmenších vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$ (každou vlastní hodnotu je třeba započítat tolikrát, kolik je její degenerace). Označme $e_0 \leq e_1 \leq \ldots \leq e_{N-1}$ vlastní hodnoty operátoru $\hat{H}_W$ definovaného dle \eqref{PM:Ritzvlc}. Potom
 
\[
 
\[
E_j \leq e_j, \quad j=0,1,\ldots,N-1.
+
  E_j \leq e_j, \quad j=0,1,\ldots,N-1.
 
\]
 
\]
 
\end{theorem}
 
\end{theorem}
Řádka 307: Řádka 443:
 
Vlastní hodnoty operátoru \eqref{PM:Ritzvlc} jsou určeny kořeny rovnice  
 
Vlastní hodnoty operátoru \eqref{PM:Ritzvlc} jsou určeny kořeny rovnice  
 
\[
 
\[
\det \Bigl( \brapigket{\varphi_i}{\hat{H}}{\varphi_j} - \lambda \braket{\varphi_i}{\varphi_j} \Bigr) = 0.
+
  \det \Bigl( \brapigket{\varphi_i}{\hat{H}}{\varphi_j} - \lambda \braket{\varphi_i}{\varphi_j} \Bigr) = 0.
 
\]
 
\]
 
\end{remark}
 
\end{remark}
Řádka 317: Řádka 453:
 
Než přestoupíme k příkladu, dokážeme si kvantovou obdobu viriálové teorému. Buď $T$ resp. $V(\vec{x})$ kinetická resp. potenciální energie soustavy. Viriálem v klasické mechanice rozumíme funkci
 
Než přestoupíme k příkladu, dokážeme si kvantovou obdobu viriálové teorému. Buď $T$ resp. $V(\vec{x})$ kinetická resp. potenciální energie soustavy. Viriálem v klasické mechanice rozumíme funkci
 
\[
 
\[
\vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x}),
+
  \vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x}),
 
\]
 
\]
 
přičemž platí, že časová střední hodnota viriálu je rovna dvojnásobku časové střední hodnoty kinetické energie, tj.
 
přičemž platí, že časová střední hodnota viriálu je rovna dvojnásobku časové střední hodnoty kinetické energie, tj.
 
\[
 
\[
\stredni{\vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x})} = 2 \stredni{T}.
+
  \stredni{\vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x})} = 2 \stredni{T}.
 
\]
 
\]
 
Očekáváme obdobu v kvantové mechanice.
 
Očekáváme obdobu v kvantové mechanice.
Řádka 328: Řádka 464:
 
Nechť hamiltonián $\hat{H}\neq\hat{H}(t)$ má tvar
 
Nechť hamiltonián $\hat{H}\neq\hat{H}(t)$ má tvar
 
\[
 
\[
\hat{H}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M} + \hat{V}(\vec{x}).
+
  \hat{H}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M} + \hat{V}(\vec{x}).
 
\]
 
\]
 
Buď $\ket{\psi}$ jeho stacionární stav splňující $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi}$. Označme $\hat{T}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}$. Potom platí
 
Buď $\ket{\psi}$ jeho stacionární stav splňující $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi}$. Označme $\hat{T}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}$. Potom platí
 
\begin{equation} \label{PM:virial}
 
\begin{equation} \label{PM:virial}
2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}.
+
  2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
\begin{proof}
 
\begin{proof}
 
Ze zimy víme, že časový vývoj střední hodnoty pozorovatelné $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stavu $\ket{\psi}$ je určen rovnicí
 
Ze zimy víme, že časový vývoj střední hodnoty pozorovatelné $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stavu $\ket{\psi}$ je určen rovnicí
 
\[
 
\[
i \hbar \frac{d}{dt} \stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\komut{\hat{A}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}}.
+
  i \hbar \frac{d}{dt} \stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\komut{\hat{A}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}}.
 
\]
 
\]
 
Buď $\hat{A} = \hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}$ a $\ket{\psi}$ stacionární stav z předpokladů věty. Potom musí být
 
Buď $\hat{A} = \hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}$ a $\ket{\psi}$ stacionární stav z předpokladů věty. Potom musí být
 
\footnote{Střední hodnota libovolného operátoru $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stacionárním stavu $\ket{\psi}$ je rovna konstantě, neboť $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi} = i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi}$, odkud $\ket{\psi} = \exp \left( \frac{-i}{\hbar}E (t-t_0)\right)\ket{\psi_0}$. Střední hodnota operátoru $\hat{A}$ ve stavu $\ket{\psi}$ je potom
 
\footnote{Střední hodnota libovolného operátoru $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stacionárním stavu $\ket{\psi}$ je rovna konstantě, neboť $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi} = i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi}$, odkud $\ket{\psi} = \exp \left( \frac{-i}{\hbar}E (t-t_0)\right)\ket{\psi_0}$. Střední hodnota operátoru $\hat{A}$ ve stavu $\ket{\psi}$ je potom
 
\[
 
\[
\stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \brapigket{\exp\left(- \frac{i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0}{\hat{A}}
+
  \stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \brapigket{\exp\left(- \frac{i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0}{\hat{A}}
{\exp\left(\frac{-i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0} = \brapigket{\psi_0}{\hat{A}}{\psi_0},
+
  {\exp\left(\frac{-i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0} = \brapigket{\psi_0}{\hat{A}}{\psi_0},
 
\]
 
\]
 
a tedy $\stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}}=\const.$ }
 
a tedy $\stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}}=\const.$ }
 
\begin{equation} \label{PM:virialkomut}
 
\begin{equation} \label{PM:virialkomut}
\stredni{\komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}} = 0.
+
  \stredni{\komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}} = 0.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
Užitím komutačních relací \eqref{MomH:RelaceMomH} a \eqref{MomH:KomutacniTrik} určíme komutátor na levé straně \eqref{PM:virialkomut}
 
Užitím komutačních relací \eqref{MomH:RelaceMomH} a \eqref{MomH:KomutacniTrik} určíme komutátor na levé straně \eqref{PM:virialkomut}
 
\begin{align*}
 
\begin{align*}
\komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}} &=  
+
  \komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}} &=  
\hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\hat{H}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{H}} \hat{X}_i =  
+
  \hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\hat{H}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{H}} \hat{X}_i =  
\hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\frac{\hat{P}_j\hat{P}_j}{2M}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{V}(\vec{x})}\hat{X}_i = \\
+
  \hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\frac{\hat{P}_j\hat{P}_j}{2M}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{V}(\vec{x})}\hat{X}_i = \\
&= \frac{i \hbar}{M} \hat{\vec{P}}^2 - i \hbar \nabla \hat{V}(\vec{x}) \cdot \hat{\vec{X}}
+
  &= \frac{i \hbar}{M} \hat{\vec{P}}^2 - i \hbar \nabla \hat{V}(\vec{x}) \cdot \hat{\vec{X}}
 
\end{align*}
 
\end{align*}
 
a dosazením získaného výsledku do \eqref{PM:virialkomut}
 
a dosazením získaného výsledku do \eqref{PM:virialkomut}
 
\[
 
\[
i \hbar \left( 2 \stredni{\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}}_{\ket{\psi}} -
+
  i \hbar \left( 2 \stredni{\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}}_{\ket{\psi}} -
\stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}  \right) = 0.
+
  \stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}  \right) = 0.
 
\]
 
\]
 
Tím je však formule \eqref{PM:virial} dokázána.
 
Tím je však formule \eqref{PM:virial} dokázána.
Řádka 370: Řádka 506:
 
Atom helia je ve velmi dobré aproximaci možno považovat za systém tvoření dvěma elektrony nacházejícími se v coulombickém poli jádra. Hamiltonián zkoumaného systéme má tvar
 
Atom helia je ve velmi dobré aproximaci možno považovat za systém tvoření dvěma elektrony nacházejícími se v coulombickém poli jádra. Hamiltonián zkoumaného systéme má tvar
 
\begin{equation} \label{PM:Hehamilt}
 
\begin{equation} \label{PM:Hehamilt}
\hat{H}= \frac{\hat{\vec{P}}_{(1)}^2}{2M} + \frac{\hat{\vec{P}}_{(2)}^2}{2M} -  
+
  \hat{H}= \frac{\hat{\vec{P}}_{(1)}^2}{2M} + \frac{\hat{\vec{P}}_{(2)}^2}{2M} -  
\frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)}|} - \frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(2)}|} +
+
  \frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)}|} - \frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(2)}|} +
\frac{\tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)} - \hat{\vec{X}}_{(2)}|},
+
  \frac{\tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)} - \hat{\vec{X}}_{(2)}|},
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
kde v přpadě helia klademe $Z=2$. Dále jsme  zavedli označení $\tilde{e}^2=\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0}$. Buď $\hat{H}_0$ hamiltonián bez posledního členu, $\hat{H}'$ buď poslední člen, zprostředkovávající vzájemnou interakci elektronů. Ze zimy známe explicitní tvar vlnové funkce $\psi_{100}$ popisující základní stav atomu $He^+$
 
kde v přpadě helia klademe $Z=2$. Dále jsme  zavedli označení $\tilde{e}^2=\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0}$. Buď $\hat{H}_0$ hamiltonián bez posledního členu, $\hat{H}'$ buď poslední člen, zprostředkovávající vzájemnou interakci elektronů. Ze zimy známe explicitní tvar vlnové funkce $\psi_{100}$ popisující základní stav atomu $He^+$
 
\begin{equation} \label{PM:VFHHeplus}
 
\begin{equation} \label{PM:VFHHeplus}
\psi_{100}(r,\vartheta,\varphi) = \frac{1}{\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a} \right)^{3/2} e^{\frac{-Zr}{a}},
+
  \psi_{100}(r,\vartheta,\varphi) = \frac{1}{\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a} \right)^{3/2} e^{\frac{-Zr}{a}},
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
kde $a$ představuje Bohrův poloměr
 
kde $a$ představuje Bohrův poloměr
 
\[
 
\[
a=\frac{\hbar^2}{M \tilde{e}^2}.
+
  a=\frac{\hbar^2}{M \tilde{e}^2}.
 
\]
 
\]
V základním stavu $\ket{\psi}$ atomu helia se nacházejí oba elektrony v jejich základním stavu $\psi_{100}(r,\vartheta,\varphi)$ ve shodě s Pauliho vylučovacím principem na základě jejich spinu. Vlnová funkce $\ket{\psi} \in L_2(\real^6,d^3x_{(1)}d^3x_{(2)})$, jež je vlastní funkcí $\hat{H}_0$ příslušející energii základního stavu $E_0^{(0)}$ má tvar
+
V základním stavu $\ket{\psi}$ atomu helia se nacházejí oba elektrony v jejich základním stavu $\psi_{100}(r,\vartheta,\varphi)$ ve shodě s Pauliho vylučovacím principem na základě jejich spinu. Vlnová funkce $\ket{\psi} \in L^2(\real^6,d^3x_{(1)}d^3x_{(2)})$, jež je vlastní funkcí $\hat{H}_0$ příslušející energii základního stavu $E_0^{(0)}$ má tvar
 
\begin{equation} \label{PM:HeVF1}
 
\begin{equation} \label{PM:HeVF1}
\ket{\psi}=\psi_{100}(r_1,\vartheta_1,\varphi_1)\psi_{100}(r_2,\vartheta_2,\varphi_2)=
+
  \ket{\psi}=\psi_{100}(r_1,\vartheta_1,\varphi_1)\psi_{100}(r_2,\vartheta_2,\varphi_2)=
\frac{1}{\pi}\left( \frac{Z}{a} \right)^3 e^{\frac{-Z}{a}(r_1+r_2)}.
+
  \frac{1}{\pi}\left( \frac{Z}{a} \right)^3 e^{\frac{-Z}{a}(r_1+r_2)}.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
Energie $E_0^{(0)}$ je určena výrazem
 
Energie $E_0^{(0)}$ je určena výrazem
 
\begin{equation} \label{PM:HePor0}
 
\begin{equation} \label{PM:HePor0}
E_0^{(0)} = \frac{-\tilde{e}^2 Z^2}{a}.
+
  E_0^{(0)} = \frac{-\tilde{e}^2 Z^2}{a}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
V zimě jsme rovně určovali energii základního stavu atomu helia pomocí poruchové teorie do 1. řádu s uvážením poruchového členu $\hat{H}'$. Příslušná oprava energie $E_0^{(1)}$ vyšla
 
V zimě jsme rovně určovali energii základního stavu atomu helia pomocí poruchové teorie do 1. řádu s uvážením poruchového členu $\hat{H}'$. Příslušná oprava energie $E_0^{(1)}$ vyšla
 
\begin{equation} \label{PM:HePor1}
 
\begin{equation} \label{PM:HePor1}
E_0^{(1)} = \brapigket{\psi}{\hat{H}'}{\psi} = \frac{5}{8} \frac{\tilde{e}^2 Z}{a},
+
  E_0^{(1)} = \brapigket{\psi}{\hat{H}'}{\psi} = \frac{5}{8} \frac{\tilde{e}^2 Z}{a},
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
kde $\ket{\psi}$ je vlastní funkce \eqref{PM:HeVF1} operátoru $\hat{H}_0$. Pro energii základního stavu jsme tak dostali
 
kde $\ket{\psi}$ je vlastní funkce \eqref{PM:HeVF1} operátoru $\hat{H}_0$. Pro energii základního stavu jsme tak dostali
 
\begin{equation} \label{PM:HePorEn}
 
\begin{equation} \label{PM:HePorEn}
E_0 = E_0^{(0)} + E_0^{(1)} = -108.8 + 34.0 = -74.8 eV.
+
  E_0 = E_0^{(0)} + E_0^{(1)} = -108.8 + 34.0 = -74.8 eV.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Nyní použijeme Ritzovu variační metodu k získání jiného odhadu. Užijeme přitom jednoparametrickou třídu zkušebních vektorů popsaných vlnovými funkcemi
 
Nyní použijeme Ritzovu variační metodu k získání jiného odhadu. Užijeme přitom jednoparametrickou třídu zkušebních vektorů popsaných vlnovými funkcemi
 
\begin{equation} \label{PM:HeVF2}
 
\begin{equation} \label{PM:HeVF2}
\ket{\varphi(r_1,\varphi_1,\vartheta_1,r_2,\varphi_2,\vartheta_2,\xi)}=\frac{1}{\pi} \xi^3 e^{-\xi(r_1+r_2)}.
+
  \ket{\varphi(r_1,\varphi_1,\vartheta_1,r_2,\varphi_2,\vartheta_2,\xi)}=\frac{1}{\pi} \xi^3 e^{-\xi(r_1+r_2)}.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
Povšimněme si, že při volbě $\xi=Z/a$ přechází \eqref{PM:HeVF2} na \eqref{PM:HeVF1}. Pro $\forall \xi \in \real$ jsou vlnové funkce \eqref{PM:HeVF2} normalizované k jedničce. Dle \eqref{PM:RitzRozpi} hledáme minimum funkce
 
Povšimněme si, že při volbě $\xi=Z/a$ přechází \eqref{PM:HeVF2} na \eqref{PM:HeVF1}. Pro $\forall \xi \in \real$ jsou vlnové funkce \eqref{PM:HeVF2} normalizované k jedničce. Dle \eqref{PM:RitzRozpi} hledáme minimum funkce
 
\begin{equation} \label{PM:HeEnergieRitz}
 
\begin{equation} \label{PM:HeEnergieRitz}
E(\xi) = \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}}{\varphi(\xi)} =
+
  E(\xi) = \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}}{\varphi(\xi)} =
\brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0}{\varphi(\xi)} + \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)}.
+
    \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0}{\varphi(\xi)} + \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)}.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
Druhý skalární součin na pravé straně poslední rovnosti získáme přímo z \eqref{PM:HePor1} záměnou $Z/a \mapsto \xi$, neboť  operátor $\hat{H}'$ je na $Z$ nezávislý, tj.
 
Druhý skalární součin na pravé straně poslední rovnosti získáme přímo z \eqref{PM:HePor1} záměnou $Z/a \mapsto \xi$, neboť  operátor $\hat{H}'$ je na $Z$ nezávislý, tj.
 
\begin{equation} \label{PM:Ham01Z}
 
\begin{equation} \label{PM:Ham01Z}
\brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)} = \frac{5}{8} \tilde{e}^2 \xi.
+
  \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)} = \frac{5}{8} \tilde{e}^2 \xi.
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
První skalární součin na pravé straně \eqref{PM:HeEnergieRitz} je možno vyřešit rovněž bez počítání integrálu. Operátor $\hat{H}_0$ je však třeba rozdělit, neboť v jeho potenciální části explicitně vystupuje závislost na $Z$. Abychom mohli při pevném $Z$ provést pro $\forall \xi \in \real$ záměnu $Z/a \mapsto \xi$, musíme operátor $\hat{H}_0=\hat{H}_0(Z)$ rozepsat jako
 
První skalární součin na pravé straně \eqref{PM:HeEnergieRitz} je možno vyřešit rovněž bez počítání integrálu. Operátor $\hat{H}_0$ je však třeba rozdělit, neboť v jeho potenciální části explicitně vystupuje závislost na $Z$. Abychom mohli při pevném $Z$ provést pro $\forall \xi \in \real$ záměnu $Z/a \mapsto \xi$, musíme operátor $\hat{H}_0=\hat{H}_0(Z)$ rozepsat jako
 
\begin{equation} \label{PM:Ham00Z}
 
\begin{equation} \label{PM:Ham00Z}
\hat{H}_0(Z)=\hat{T}+\hat{V}(Z) = \hat{T}+\frac{Z}{\xi a} \hat{V}(\xi a),
+
  \hat{H}_0(Z)=\hat{T}+\hat{V}(Z) = \hat{T}+\frac{Z}{\xi a} \hat{V}(\xi a),
 
\end{equation}  
 
\end{equation}  
 
kde operátor kinetické energie $\hat{T}$ je představován prvními dvěma členy formule \eqref{PM:Hehamilt}, v níž druhé dva členy reprezentují operátor $\hat{V}(Z)$.
 
kde operátor kinetické energie $\hat{T}$ je představován prvními dvěma členy formule \eqref{PM:Hehamilt}, v níž druhé dva členy reprezentují operátor $\hat{V}(Z)$.
Řádka 421: Řádka 557:
 
Viriálový teorém \eqref{PM:virial} v případě našeho potenciálu má podobu
 
Viriálový teorém \eqref{PM:virial} v případě našeho potenciálu má podobu
 
\[
 
\[
2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = - \stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}}.
+
  2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = - \stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}}.
 
\]
 
\]
 
Navíc z \eqref{PM:HePor0} musí platit
 
Navíc z \eqref{PM:HePor0} musí platit
 
\[
 
\[
(\hat{T} + \hat{V}(\xi a)) \ket{\varphi(\xi)} = - \tilde{e}^2 \xi^2 a \ket{\varphi(\xi)}.
+
  (\hat{T} + \hat{V}(\xi a)) \ket{\varphi(\xi)} = - \tilde{e}^2 \xi^2 a \ket{\varphi(\xi)}.
 
\]
 
\]
 
Z posledních dvou formulí je možno získat  
 
Z posledních dvou formulí je možno získat  
 
\[
 
\[
\stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = \tilde{e}^2 \xi^2 a, \quad
+
  \stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = \tilde{e}^2 \xi^2 a, \quad
\stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = -2 \tilde{e}^2 \xi^2 a.
+
  \stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = -2 \tilde{e}^2 \xi^2 a.
 
\]
 
\]
 
Na základě rovnosti \eqref{PM:Ham00Z} musí být
 
Na základě rovnosti \eqref{PM:Ham00Z} musí být
 
\[
 
\[
\brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0(Z)}{\varphi(\xi)} = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2 Z)  
+
  \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0(Z)}{\varphi(\xi)} = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2 Z)  
 
\]
 
\]
 
což ve spojení s předchozím výsledkem \eqref{PM:Ham01Z} dává
 
což ve spojení s předchozím výsledkem \eqref{PM:Ham01Z} dává
 
\begin{equation} \label{PM:HeVarEn}
 
\begin{equation} \label{PM:HeVarEn}
E(\xi) = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2Z + \frac{5}{8}).
+
  E(\xi) = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2Z + \frac{5}{8}).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Tato funkce nabývá minima v bodě $\xi_0 = \frac{1}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)$ a hledaná hodnota energie je rovna
 
Tato funkce nabývá minima v bodě $\xi_0 = \frac{1}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)$ a hledaná hodnota energie je rovna
 
\begin{equation} \label{PM:HeRitzEn}
 
\begin{equation} \label{PM:HeRitzEn}
E_0^{(var)}=E(\xi_0)=\frac{-\tilde{e}^2}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)^2 \cong -77.5 eV,
+
  E_0^{(var)}=E(\xi_0)=\frac{-\tilde{e}^2}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)^2 \cong -77.5 eV,
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Což s experimentální hodnotou $E_0^{(exp)} = -78.9 eV$ souhlasí podstatně lépe, než výsledek \eqref{PM:HePorEn}.
 
Což s experimentální hodnotou $E_0^{(exp)} = -78.9 eV$ souhlasí podstatně lépe, než výsledek \eqref{PM:HePorEn}.
Řádka 454: Řádka 590:
 
Předpokládejme hamiltonián ve tvaru
 
Předpokládejme hamiltonián ve tvaru
 
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklham}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklham}
\hat{H}=\hat{H}_0 + \epsilon \hat{V}(t),
+
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \epsilon \hat{V}(t),
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
kde $\hat{H}_0$ nezávisí na čase.
 
kde $\hat{H}_0$ nezávisí na čase.
Řádka 461: Řádka 597:
 
Jak tvar hamiltoniánu napovídá, budeme dále užívat Diracovy reprezentace. Předpokládejme, že v počátečním čase $t_0$ máme systém ve stavu $\ket{\psi(t_0)}$ a že jeho časový vývoj umíme vyřešit v případě $\epsilon = 0$. Pro tento případ je časový vývoj stavu $\ket{\psi(t_0)}$ možno popsat Diracovým evolučním operátorem $\hat{U}_0(t,t_0)$, zavedeného v kapitole \ref{KapitolaDiracovaReprezentace} rovností \eqref{ZQM:DirOpEq}
 
Jak tvar hamiltoniánu napovídá, budeme dále užívat Diracovy reprezentace. Předpokládejme, že v počátečním čase $t_0$ máme systém ve stavu $\ket{\psi(t_0)}$ a že jeho časový vývoj umíme vyřešit v případě $\epsilon = 0$. Pro tento případ je časový vývoj stavu $\ket{\psi(t_0)}$ možno popsat Diracovým evolučním operátorem $\hat{U}_0(t,t_0)$, zavedeného v kapitole \ref{KapitolaDiracovaReprezentace} rovností \eqref{ZQM:DirOpEq}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUO}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUO}
\ket{\psi(t)} = \hat{U}_0 (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
+
  \ket{\psi(t)} = \hat{U}_0 (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
V dalším se bude zabývat úlohou, v níž máme zadán stav systému $\ket{\psi(t_0)}$ v čase $t_0$ a zajímá nás s jakou pravděpodobností přejde systém po provedení měření v čase $t$ do stavu $\ket{\psi_1}$. Budeme se tedy zabývat určením výrazu
 
V dalším se bude zabývat úlohou, v níž máme zadán stav systému $\ket{\psi(t_0)}$ v čase $t_0$ a zajímá nás s jakou pravděpodobností přejde systém po provedení měření v čase $t$ do stavu $\ket{\psi_1}$. Budeme se tedy zabývat určením výrazu
 
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklsouc}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklsouc}
|\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2.
+
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Zaveďme za tímto účelem evoluční operátor ve Schrödingerově reprezentaci $\hat{U}(t,t_0)$ zohledňující celý hamiltonián \eqref{PM:NPTzaklham} (v dalším operátory a stavy bez dodatečných indexů znamenají Schrödingerovu reprezentaci)
 
Zaveďme za tímto účelem evoluční operátor ve Schrödingerově reprezentaci $\hat{U}(t,t_0)$ zohledňující celý hamiltonián \eqref{PM:NPTzaklham} (v dalším operátory a stavy bez dodatečných indexů znamenají Schrödingerovu reprezentaci)
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUS}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUS}
\ket{\psi(t)} = \hat{U} (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
+
  \ket{\psi(t)} = \hat{U} (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
Řádka 477: Řádka 613:
 
\footnote{Máme tedy už celkem 3 evoluční operátory: $\hat{U}_0(t,t_0)$, $\hat{U}(t,t_0)$ a $\hat{U}_D(t,t_0)$. Připomeňme, že všechny jsou unitární.}
 
\footnote{Máme tedy už celkem 3 evoluční operátory: $\hat{U}_0(t,t_0)$, $\hat{U}(t,t_0)$ a $\hat{U}_D(t,t_0)$. Připomeňme, že všechny jsou unitární.}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUD}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopUD}
\ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_D(t_0)}.
+
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_D(t_0)}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Vztah mezi stavy v Diracově a Schrödingerově reprezentaci popisuje rovnice \eqref{ZQM:DirVec}
 
Vztah mezi stavy v Diracově a Schrödingerově reprezentaci popisuje rovnice \eqref{ZQM:DirVec}
 
\[
 
\[
\ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger (t,t_0) \ket{\psi(t)}.
+
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger (t,t_0) \ket{\psi(t)}.
 
\]
 
\]
 
Za předpokladu $\ket{\psi(t_0)} = \ket{\psi_D(t_0)} = \ket{\psi_0}$ (tedy že obě reprezentace se v čase $t_0$ shodují), můžeme poslední rovnost užitím \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPTopUD} přepsat jako
 
Za předpokladu $\ket{\psi(t_0)} = \ket{\psi_D(t_0)} = \ket{\psi_0}$ (tedy že obě reprezentace se v čase $t_0$ shodují), můžeme poslední rovnost užitím \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPTopUD} přepsat jako
 
\[
 
\[
\ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) \ket{\psi_0} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_0},
+
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) \ket{\psi_0} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_0},
 
\]
 
\]
 
čímž získáváme rovnost mezi zavedenými evolučními operátory
 
čímž získáváme rovnost mezi zavedenými evolučními operátory
 
\begin{equation} \label{PM:NPT3op}
 
\begin{equation} \label{PM:NPT3op}
\hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) = \hat{U}_D (t,t_0).
+
  \hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) = \hat{U}_D (t,t_0).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Dále na základě rovnosti \eqref{ZQM:DirVF} popisující časový vývoj stavů v Diracově reprezentaci, musí platit
 
Dále na základě rovnosti \eqref{ZQM:DirVF} popisující časový vývoj stavů v Diracově reprezentaci, musí platit
 
\[
 
\[
i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi_D(t)} = \epsilon \hat{V}_D(t) \ket{\psi_D(t)},
+
  i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi_D(t)} = \epsilon \hat{V}_D(t) \ket{\psi_D(t)},
 
\]
 
\]
 
odkud dosazením z \eqref{PM:NPTopUD} dostáváme diferenciální rovnici pro operátor $\hat{U}_D(t,t_0)$
 
odkud dosazením z \eqref{PM:NPTopUD} dostáváme diferenciální rovnici pro operátor $\hat{U}_D(t,t_0)$
 
\begin{equation} \label{PM:NPToprDR}
 
\begin{equation} \label{PM:NPToprDR}
i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D(t,t_0) = \epsilon \hat{V}_D(t) \hat{U}_D(t,t_0).
+
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D(t,t_0) = \epsilon \hat{V}_D(t) \hat{U}_D(t,t_0).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Vraťme se nyní k výrazu \eqref{PM:NPTzaklsouc} a dosaďme do něj z \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPT3op}
 
Vraťme se nyní k výrazu \eqref{PM:NPTzaklsouc} a dosaďme do něj z \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPT3op}
 
\[
 
\[
|\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = |\brapigket{\psi_1}{\hat{U}(t,t_0)}{\psi_0}|^2 =  
+
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = |\brapigket{\psi_1}{\hat{U}(t,t_0)}{\psi_0}|^2 =  
|\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_0(t,t_0) \hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}|^2.
+
    |\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_0(t,t_0) \hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}|^2.
 
\]
 
\]
 
Předpokládejme $\hat{H}_0 \ket{\psi_1} = E_1 \ket{\psi_1}$ a nechme operátor $\hat{U}_0(t,t_0)$ působit na bra $\bra{\psi_1}$. Využitím explicitního tvaru $\hat{U}_0(t,t_0)$ \eqref{ZQM:DirEvOp} dostáváme
 
Předpokládejme $\hat{H}_0 \ket{\psi_1} = E_1 \ket{\psi_1}$ a nechme operátor $\hat{U}_0(t,t_0)$ působit na bra $\bra{\psi_1}$. Využitím explicitního tvaru $\hat{U}_0(t,t_0)$ \eqref{ZQM:DirEvOp} dostáváme
 
\begin{equation} \label{PM:NPTmatel}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTmatel}
|\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = \left| e^{\frac{i}{\hbar}E_1(t-t_0)}\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
+
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = \left| e^{\frac{i}{\hbar}E_1(t-t_0)}\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2.
+
    \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Převedli jsme původní úlohu na hledání maticových elementů $\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}$, kde operátor $\hat{U}_D (t,t_0)$ splňuje rovnost \eqref{PM:NPToprDR}. Předpokládejme poruchový rozvoj operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$ ve tvaru
 
Převedli jsme původní úlohu na hledání maticových elementů $\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}$, kde operátor $\hat{U}_D (t,t_0)$ splňuje rovnost \eqref{PM:NPToprDR}. Předpokládejme poruchový rozvoj operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$ ve tvaru
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDrozvoj}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDrozvoj}
\hat{U}_D (t,t_0) = \hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) + \sum_{k=1}^{+\infty} \epsilon^k \hat{U}_D^{(k)} (t,t_0).
+
  \hat{U}_D (t,t_0) = \hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) + \sum_{k=1}^{+\infty} \epsilon^k \hat{U}_D^{(k)} (t,t_0).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
První člen rozvoje $\hat{U}_D^{(0)} (t,t_0)$ určíme dosazením poslední rovnosti do diferenciální rovnice \eqref{PM:NPToprDR}. Při volbě $\epsilon = 0$ získáváme (za dodatečného předpokladu $\hat{U}_D (t_0,t_0)=\opone$)
 
První člen rozvoje $\hat{U}_D^{(0)} (t,t_0)$ určíme dosazením poslední rovnosti do diferenciální rovnice \eqref{PM:NPToprDR}. Při volbě $\epsilon = 0$ získáváme (za dodatečného předpokladu $\hat{U}_D (t_0,t_0)=\opone$)
 
\[
 
\[
\hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) = \opone.
+
  \hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) = \opone.
 
\]
 
\]
 
Dále porovnáním členů úměrných $\epsilon$ resp. $\epsilon^2$
 
Dále porovnáním členů úměrných $\epsilon$ resp. $\epsilon^2$
 
\[
 
\[
i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t),
+
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t),
 
\]
 
\]
 
resp.
 
resp.
 
\[
 
\[
i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t) \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0),
+
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t) \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0),
 
\]
 
\]
 
získáváme pro další členy rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} vzorce
 
získáváme pro další členy rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} vzorce
 
\begin{align}
 
\begin{align}
\hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \: d\tilde{t},  \nonumber \\
+
  \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \: d\tilde{t},  \nonumber \\
\hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \hat{U}_D^{(1)} (\tilde{t},t_0) \: d\tilde{t} =
+
  \hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \hat{U}_D^{(1)} (\tilde{t},t_0) \: d\tilde{t} =
\left(\frac{-i}{\hbar}\right)^2 \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2   
+
    \left(\frac{-i}{\hbar}\right)^2 \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2   
\hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2). \label{PM:NPTUD2aprox}
+
    \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2). \label{PM:NPTUD2aprox}
 
\end{align}
 
\end{align}
 
Obecně pro $n$-tý člen rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj}
 
Obecně pro $n$-tý člen rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDN}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDN}
\hat{U}_D^{(n)} (t,t_0) = \left(\frac{-i}{\hbar}\right)^n  
+
  \hat{U}_D^{(n)} (t,t_0) = \left(\frac{-i}{\hbar}\right)^n  
\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{n-1}} dt_n
+
    \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{n-1}} dt_n
\hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2) \ldots \hat{V}_D (t_n).
+
    \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2) \ldots \hat{V}_D (t_n).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
V dalším předpokládejme nejhrubší možnou aproximaci operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$, tedy
 
V dalším předpokládejme nejhrubší možnou aproximaci operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$, tedy
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpredp}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpredp}
\hat{U}_D (t,t_0) \approx \opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1.  
+
  \hat{U}_D (t,t_0) \approx \opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1.  
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Dále buď $\hat{H}_0 \ket{\psi_0}=E_0 \ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0 \ket{\psi_1}=E_1 \ket{\psi_1}$. Tvar maticového elementu ve výrazu \eqref{PM:NPTmatel} budeme řešit zvlášť pro $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 0$ a $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 1$. Uvažujme nejprve první z případů a dosaďme předpokládaný tvar řešení \eqref{PM:NPTpredp} do \eqref{PM:NPTmatel}. Dostáváme
 
Dále buď $\hat{H}_0 \ket{\psi_0}=E_0 \ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0 \ket{\psi_1}=E_1 \ket{\psi_1}$. Tvar maticového elementu ve výrazu \eqref{PM:NPTmatel} budeme řešit zvlášť pro $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 0$ a $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 1$. Uvažujme nejprve první z případů a dosaďme předpokládaný tvar řešení \eqref{PM:NPTpredp} do \eqref{PM:NPTmatel}. Dostáváme
 
\[
 
\[
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
\left| \brapigket{\psi_1}{\opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2 =
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2 =
\frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \brapigket{\psi_1}{\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2,
+
  \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \brapigket{\psi_1}{\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2,
 
\]
 
\]
 
kde je možno převést operátor $\hat{V}_D (t_1)$ do Schrödingerovy reprezentace užitím \eqref{ZQM:DirOp} a vytáhnout integrál pryč ze skalárního součinu. Výsledkem je
 
kde je možno převést operátor $\hat{V}_D (t_1)$ do Schrödingerovy reprezentace užitím \eqref{ZQM:DirOp} a vytáhnout integrál pryč ze skalárního součinu. Výsledkem je
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr1}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr1}
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
\frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \int\limits_{t_0}^t e^{\frac{i}{\hbar}(t_1-t_0)(E_1-E_0)}  
+
  \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \int\limits_{t_0}^t e^{\frac{i}{\hbar}(t_1-t_0)(E_1-E_0)}  
\brapigket{\psi_1}{\hat{V}(t_1)}{\psi_0}dt_1 \right|^2.
+
    \brapigket{\psi_1}{\hat{V}(t_1)}{\psi_0}dt_1 \right|^2.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
Řádka 564: Řádka 700:
 
Vezměme si nyní případ $\braket{\psi_1}{\psi_0}=1$ a zkoumejme stejným způsobem výraz
 
Vezměme si nyní případ $\braket{\psi_1}{\psi_0}=1$ a zkoumejme stejným způsobem výraz
 
\[
 
\[
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
\left| \braket{\psi_1}{\psi_0} - \frac{i \epsilon}{\hbar}\brapigket{\psi_1}
+
  \left| \braket{\psi_1}{\psi_0} - \frac{i \epsilon}{\hbar}\brapigket{\psi_1}
{\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) \: dt_1}{\psi_0} \right|^2.
+
    {\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) \: dt_1}{\psi_0} \right|^2.
 
\]
 
\]
 
Výraz na pravé straně je $\geq 1$ neboť reálná část výrazu v absolutní hodnotě je tvořena pouze $\braket{\psi_1}{\psi_0}$ a je rovna jedné. K ní přispěje ryze imaginární druhý člen a tak hodnota posledního výrazu musí být $\geq 1$. V tomto případě je třeba v rozvoji $\hat{U}_D(t,t_0)$ uvažovat členy úměrné alespoň $\epsilon^2$, abychom získali smysluplný výsledek.  
 
Výraz na pravé straně je $\geq 1$ neboť reálná část výrazu v absolutní hodnotě je tvořena pouze $\braket{\psi_1}{\psi_0}$ a je rovna jedné. K ní přispěje ryze imaginární druhý člen a tak hodnota posledního výrazu musí být $\geq 1$. V tomto případě je třeba v rozvoji $\hat{U}_D(t,t_0)$ uvažovat členy úměrné alespoň $\epsilon^2$, abychom získali smysluplný výsledek.  
Řádka 574: Řádka 710:
 
$\left| \brapigket{\psi_i}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$. Pro nejhrubší smysluplnou aproximaci může být třeba započítat i členy vyššího řádu rozvoje. Podívejme se, jak dopadne aproximace do $\epsilon^2$. Užitím explicitního vyjádření $\hat{U}_D^{(2)}(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUD2aprox} dostáváme
 
$\left| \brapigket{\psi_i}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$. Pro nejhrubší smysluplnou aproximaci může být třeba započítat i členy vyššího řádu rozvoje. Podívejme se, jak dopadne aproximace do $\epsilon^2$. Užitím explicitního vyjádření $\hat{U}_D^{(2)}(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUD2aprox} dostáváme
 
\[
 
\[
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
\left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
- \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2 \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2)}
+
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2 \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2)}
{\psi_0} \right|^2.
+
  {\psi_0} \right|^2.
 
\]
 
\]
 
Pokud je možno $\ket{\psi_0}$, $\ket{\psi_1}$ doplnit na ON bázi $(\ket{\psi_k})$: $\hat{H}_0\ket{\psi_k}=E_k\ket{\psi_k}$, potom lze poslední výraz upravit
 
Pokud je možno $\ket{\psi_0}$, $\ket{\psi_1}$ doplnit na ON bázi $(\ket{\psi_k})$: $\hat{H}_0\ket{\psi_k}=E_k\ket{\psi_k}$, potom lze poslední výraz upravit
 
\begin{align}
 
\begin{align}
\left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
- \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2  
+
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2  
\hat{V}_D (t_1) \left( \sum_k \ket{\psi_k}\bra{\psi_k} \right) \hat{V}_D (t_2)}
+
  \hat{V}_D (t_1) \left( \sum_k \ket{\psi_k}\bra{\psi_k} \right) \hat{V}_D (t_2)}
{\psi_0} \right|^2 = \nonumber \\
+
  {\psi_0} \right|^2 = \nonumber \\
= \left| - \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \brapigket{\psi_1}{\hat{V}_D (t_1)}{\psi_0} dt_1
+
  = \left| - \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \brapigket{\psi_1}{\hat{V}_D (t_1)}{\psi_0} dt_1
- \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2  
+
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2  
\sum_k \brapigket{\psi_1}{\hat{V_D}(t_1)}{\psi_k} \brapigket{\psi_k}{\hat{V_D}(t_2)}{\psi_0} \right|^2. \label{PM:NPT2RAD}
+
  \sum_k \brapigket{\psi_1}{\hat{V_D}(t_1)}{\psi_k} \brapigket{\psi_k}{\hat{V_D}(t_2)}{\psi_0} \right|^2. \label{PM:NPT2RAD}
 
\end{align}
 
\end{align}
  
Pokud byla do prvního řádu poruchového rozvoje $\hat{U}_D(t,t_0)$ pravděpodobnost přechodu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$ ``malá'', bude v posledním výraze převažovat člen s dvojným integrálem. Ten je možno chápat jako přeskok přes mezistav, který umožnil systému dostat se v důsledku našeho měření v čase $t$ do finálního stavu $\ket{\psi_1}$. Nejsme totiž schopni rozlišit, zdali systém v nějakém mezistavu byl či nikoliv. Za povšimnutí rovněž stojí, že uvnitř absolutní hodnoty se sčítají amplitudy pravděpodobnosti - tím pádem může docházet k interferenci. Je snadno uvěřitelné, že při započítání vyšších členů rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} zohledníme více možných přeskoků přes mezistavy.   
+
Pokud byla do prvního řádu poruchového rozvoje $\hat{U}_D(t,t_0)$ pravděpodobnost přechodu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$ „malá“, bude v posledním výraze převažovat člen s dvojným integrálem. Ten je možno chápat jako přeskok přes mezistav, který umožnil systému dostat se v důsledku našeho měření v čase $t$ do finálního stavu $\ket{\psi_1}$. Nejsme totiž schopni rozlišit, zdali systém v nějakém mezistavu byl či nikoliv. Za povšimnutí rovněž stojí, že uvnitř absolutní hodnoty se sčítají amplitudy pravděpodobnosti - tím pádem může docházet k interferenci. Je snadno uvěřitelné, že při započítání vyšších členů rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} zohledníme více možných přeskoků přes mezistavy.   
  
 
V literatuře je možno potkat operátor $\hat{U}_D^{(n)}(t,t_0)$ (viz \eqref{PM:NPTUDN}) zapsaný pomocí operátoru časového uspořádání $\hat{T}$.
 
V literatuře je možno potkat operátor $\hat{U}_D^{(n)}(t,t_0)$ (viz \eqref{PM:NPTUDN}) zapsaný pomocí operátoru časového uspořádání $\hat{T}$.
Řádka 597: Řádka 733:
 
Buďte $\hat{A}=\hat{A}(t)$, $\hat{B}=\hat{B}(t)$ libovolné operátory závislé na čase, $t_1$, $t_2$ libovolné časy. \textbf{Operátor časového uspořádání} $\hat{T}$ definujeme
 
Buďte $\hat{A}=\hat{A}(t)$, $\hat{B}=\hat{B}(t)$ libovolné operátory závislé na čase, $t_1$, $t_2$ libovolné časy. \textbf{Operátor časového uspořádání} $\hat{T}$ definujeme
 
\[
 
\[
\hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2) \big] =
+
  \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2) \big] =
\begin{cases}
+
  \begin{cases}
\hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2), \quad \text{když} \quad t_1 \geq t_2, \\
+
    \hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2), \quad \text{když} \quad t_1 \geq t_2, \\
\hat{B}(t_2)\hat{A}(t_1), \quad \text{když} \quad t_1 < t_2.
+
    \hat{B}(t_2)\hat{A}(t_1), \quad \text{když} \quad t_1 < t_2.
\end{cases}
+
  \end{cases}
 
\]
 
\]
 
\end{define}
 
\end{define}
Řádka 611: Řádka 747:
 
Věnujme pozornost následujícímu integrálu
 
Věnujme pozornost následujícímu integrálu
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopcasuspor}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTopcasuspor}
\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big] =
+
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big] =
\underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)}_{t_1 \geq t_2} +
+
  \underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)}_{t_1 \geq t_2} +
\underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_1}^{t} dt_2 \hat{A}(t_2)\hat{A}(t_1)}_{t_1 < t_2}.
+
  \underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_1}^{t} dt_2 \hat{A}(t_2)\hat{A}(t_1)}_{t_1 < t_2}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Ukážeme, že integrály na pravé straně předchozí rovnosti jsou stejné. Provedeme formálně záměnu $t_1 \leftrightarrow t_2$ ve druhém integrálu
 
Ukážeme, že integrály na pravé straně předchozí rovnosti jsou stejné. Provedeme formálně záměnu $t_1 \leftrightarrow t_2$ ve druhém integrálu
 
\[
 
\[
\int\limits_{t_0}^t dt_2 \int\limits_{t_2}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)
+
  \int\limits_{t_0}^t dt_2 \int\limits_{t_2}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)
 
\]
 
\]
 
a následnou záměnou integračního pořadí zjistíme, že oba integrály na pravé straně \eqref{PM:NPTopcasuspor} se skutečně shodují. Dostáváme tak
 
a následnou záměnou integračního pořadí zjistíme, že oba integrály na pravé straně \eqref{PM:NPTopcasuspor} se skutečně shodují. Dostáváme tak
 
\[
 
\[
\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) =
+
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) =
\frac{1}{2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big].
+
  \frac{1}{2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big].
\]
+
\]
 
Indukčně by bylo možno ukázat
 
Indukčně by bylo možno ukázat
 
\[
 
\[
\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{k-1}} dt_k  
+
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{k-1}} dt_k  
\hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k) =
+
    \hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k) =
\frac{1}{k!} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
+
  \frac{1}{k!} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
\hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k)\big].
+
  \hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k)\big].
\]
+
\]
 
Rozvoj operátoru $\hat{U}_D(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUDrozvoj} je pak možno elegantněji zapsat
 
Rozvoj operátoru $\hat{U}_D(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUDrozvoj} je pak možno elegantněji zapsat
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDROZV}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTUDROZV}
\hat{U}_D(t,t_0) = \sum_{k=0}^{+ \infty} \frac{1}{k!} \left( \frac{- i}{\hbar} \right)^k
+
  \hat{U}_D(t,t_0) = \sum_{k=0}^{+ \infty} \frac{1}{k!} \left( \frac{- i}{\hbar} \right)^k
\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
+
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
\hat{T} \big[\hat{V}_D(t_1) \ldots \hat{V}_D(t_k)\big],
+
    \hat{T} \big[\hat{V}_D(t_1) \ldots \hat{V}_D(t_k)\big],
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
což je řada připomínající rozvoj exponenciely. Zaveďme formálně
 
což je řada připomínající rozvoj exponenciely. Zaveďme formálně
 
\[
 
\[
\hat{T} \exp \left\{ \int\limits_{t_0}^{t} d\tilde{t} \hat{A}(\tilde{t}) \right\} =
+
  \hat{T} \exp \left\{ \int\limits_{t_0}^{t} d\tilde{t} \hat{A}(\tilde{t}) \right\} =
\opone + \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1) +  
+
  \opone + \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1) +  
\frac{1}{2!} \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \hat{A}(t_2)\big] + \ldots
+
    \frac{1}{2!} \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \hat{A}(t_2)\big] + \ldots
 
\]
 
\]
 
Vyjádření \eqref{PM:NPTUDROZV} je pak možno převést do finálního tvaru
 
Vyjádření \eqref{PM:NPTUDROZV} je pak možno převést do finálního tvaru
 
\[
 
\[
\hat{U}_D(t,t_0) = \hat{T} \exp \left\{ \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^{t} \hat{V}_D(\tilde{t}) d\tilde{t} \right\}.
+
  \hat{U}_D(t,t_0) = \hat{T} \exp \left\{ \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^{t} \hat{V}_D(\tilde{t}) d\tilde{t} \right\}.
 
\]
 
\]
  
 
\begin{remark}
 
\begin{remark}
Pro $t_1 \neq t_2$ je obecně $\komut{\hat{V}_D(t_1)}{\hat{V}_D(t_2)} \neq 0$. Proto bylo třeba zavést operátor časového uspořádání $\hat{T}$.
+
  Pro $t_1 \neq t_2$ je obecně $\komut{\hat{V}_D(t_1)}{\hat{V}_D(t_2)} \neq 0$. Proto bylo třeba zavést operátor časového uspořádání $\hat{T}$.
 
\end{remark}
 
\end{remark}
  
Řádka 657: Řádka 793:
 
Předpokládejme záření popsané klasicky, tedy Maxwellovými rovnicemi pomocí vektoru intenzity elektrického pole $\vec{E}$ a vektoru magnetické indukce $\vec{B}$. Abychom tento předpoklad ospravedlnili, budeme uvažovat záření s dlouhými vlnovými délkami v porovnání s rozměry atomů (vzpomeňme na Comptonův rozptyl). Dále předpokládejme, že záření neinteraguje s jádry - tedy že dochází ke změně pouze v atomových obalech (excitace, deexcitace). Jelikož $\vec{E}$ má na náboje urychlující, resp. zpomalující účinek, zatímco $\vec{B}$ pouze natáčí směr pohybu náboje, budeme v 1. přiblížení zkoumat vliv pouze $\vec{E}$. Hamiltonián jednoho atomu zapíšeme
 
Předpokládejme záření popsané klasicky, tedy Maxwellovými rovnicemi pomocí vektoru intenzity elektrického pole $\vec{E}$ a vektoru magnetické indukce $\vec{B}$. Abychom tento předpoklad ospravedlnili, budeme uvažovat záření s dlouhými vlnovými délkami v porovnání s rozměry atomů (vzpomeňme na Comptonův rozptyl). Dále předpokládejme, že záření neinteraguje s jádry - tedy že dochází ke změně pouze v atomových obalech (excitace, deexcitace). Jelikož $\vec{E}$ má na náboje urychlující, resp. zpomalující účinek, zatímco $\vec{B}$ pouze natáčí směr pohybu náboje, budeme v 1. přiblížení zkoumat vliv pouze $\vec{E}$. Hamiltonián jednoho atomu zapíšeme
 
\[
 
\[
\hat{H}=\hat{H}_0 + \sum_{k=1}^n e \vec{E}(t) \hat{\vec{X}}_{(k)},
+
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \sum_{k=1}^n e \vec{E}(t) \hat{\vec{X}}_{(k)},
 
\]
 
\]
 
kde $\hat{H}_0$ popisuje elektrony vázané v coulombickém potenciálu jádra, zatímco suma na pravé straně popisuje jejich interakci s vnějším elektrickým polem (dopadajícím zářením). Uvažujeme $n$ elektronů v jádru, každý popsaný polohovým vektorem $\vec{x}_k$. Tvar interakčního členu by měl být zřejmý z Lorentzovy síly.
 
kde $\hat{H}_0$ popisuje elektrony vázané v coulombickém potenciálu jádra, zatímco suma na pravé straně popisuje jejich interakci s vnějším elektrickým polem (dopadajícím zářením). Uvažujeme $n$ elektronů v jádru, každý popsaný polohovým vektorem $\vec{x}_k$. Tvar interakčního členu by měl být zřejmý z Lorentzovy síly.
 
Zavedeme operátor elektrického dipólového momentu $\hat{\vec{D}}$ vztahem
 
Zavedeme operátor elektrického dipólového momentu $\hat{\vec{D}}$ vztahem
 
\[
 
\[
\hat{\vec{D}} = \sum_{k=1}^n e \hat{\vec{X}}_{(k)}.
+
  \hat{\vec{D}} = \sum_{k=1}^n e \hat{\vec{X}}_{(k)}.
 
\]  
 
\]  
 
Za předpokladu, že dopadající EM záření je lineárně polarizované, lze volbou soustavy souřadnic docílit, aby $\vec{E}(t) || \hat{\vec{D}}$. Interakční člen $\hat{V}(t)$ je možno zapsat
 
Za předpokladu, že dopadající EM záření je lineárně polarizované, lze volbou soustavy souřadnic docílit, aby $\vec{E}(t) || \hat{\vec{D}}$. Interakční člen $\hat{V}(t)$ je možno zapsat
 
\[
 
\[
\hat{V}(t) = E(t)\hat{D}.
+
  \hat{V}(t) = E(t)\hat{D}.
 
\]
 
\]
  
 
Zabývejme se nyní otázkou, s jakou pravděpodobností $W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1)$ v 1. řádu (nestacionárního) poruchového rozvoje přejde systém, jež byl v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_0}$ do stavu $\ket{\psi_1}$ v čase $t_1$. Za tímto účelem předpokládejme $\braket{\psi_1}{\psi_0}=0$, $\hat{H}_0\ket{\psi_0}=E_0\ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0\ket{\psi_1}=E_1\ket{\psi_1}$. Dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, je hledaná pravděpodobnost
 
Zabývejme se nyní otázkou, s jakou pravděpodobností $W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1)$ v 1. řádu (nestacionárního) poruchového rozvoje přejde systém, jež byl v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_0}$ do stavu $\ket{\psi_1}$ v čase $t_1$. Za tímto účelem předpokládejme $\braket{\psi_1}{\psi_0}=0$, $\hat{H}_0\ket{\psi_0}=E_0\ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0\ket{\psi_1}=E_1\ket{\psi_1}$. Dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, je hledaná pravděpodobnost
 
\begin{align} \label{PM:NPTpr1vys1}
 
\begin{align} \label{PM:NPTpr1vys1}
W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) &= \frac{1}{\hbar^2}
+
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) &= \frac{1}{\hbar^2}
\left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)}  
+
  \left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)}  
\brapigket{\psi_1}{\hat{D}E(t)}{\psi_0}dt \right|^2 = \nonumber \\
+
    \brapigket{\psi_1}{\hat{D}E(t)}{\psi_0}dt \right|^2 = \nonumber \\
&= \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 \frac{1}{\hbar^2}
+
  &= \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 \frac{1}{\hbar^2}
\left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)} E(t) dt \right|^2
+
  \left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)} E(t) dt \right|^2
 
\end{align}
 
\end{align}
  
 
Z klasické elektrodynamiky je znám vzorec pro energii $E_{\nu}$ EM záření dopadajícího na jednotku plochy na jednotkový rozsah frekvencí kolem $\nu$ za čas $t_1-t_0$
 
Z klasické elektrodynamiky je znám vzorec pro energii $E_{\nu}$ EM záření dopadajícího na jednotku plochy na jednotkový rozsah frekvencí kolem $\nu$ za čas $t_1-t_0$
 
\[
 
\[
E_{\nu} = \frac{c}{2\pi} \left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{2\pi i \nu (t-t_0)} E(t) dt \right|^2,
+
  E_{\nu} = \frac{c}{2\pi} \left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{2\pi i \nu (t-t_0)} E(t) dt \right|^2,
 
\]
 
\]
 
kde $E(t)$ v integrandu představuje intenzitu kolmo dopadající složky elektrického pole. Označíme-li $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$, je možno užitím poslední rovnosti zjednodušit výraz \eqref{PM:NPTpr1vys1} do finální podoby
 
kde $E(t)$ v integrandu představuje intenzitu kolmo dopadající složky elektrického pole. Označíme-li $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$, je možno užitím poslední rovnosti zjednodušit výraz \eqref{PM:NPTpr1vys1} do finální podoby
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{2\pi}{c\hbar^2}
+
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{2\pi}{c\hbar^2}
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 E_{\nu}.
+
    \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 E_{\nu}.
 
\]
 
\]
 
Pravděpodobnost excitace (resp. deexcitace) $E_0 \leftrightarrow E_1$ je tedy úměrná členu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2$ (jež je třeba brát jako konstantu) a hustotě energie složky EM vlnění o frekvenci blízké $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$.
 
Pravděpodobnost excitace (resp. deexcitace) $E_0 \leftrightarrow E_1$ je tedy úměrná členu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2$ (jež je třeba brát jako konstantu) a hustotě energie složky EM vlnění o frekvenci blízké $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$.
Řádka 697: Řádka 833:
 
Hledaná pravděpodobnost je dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, po jednoduché úpravě rovna
 
Hledaná pravděpodobnost je dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, po jednoduché úpravě rovna
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{1}{\hbar^2}  
+
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{1}{\hbar^2}  
\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0} \right|^2 \left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(E_1 - E_0)t} dt \right|^2.
+
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0} \right|^2 \left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(E_1 - E_0)t} dt \right|^2.
 
\]
 
\]
 
Poslední integrál je možno spočítat
 
Poslední integrál je možno spočítat
Řádka 704: Řádka 840:
 
s výsledkem
 
s výsledkem
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr2vysl}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr2vysl}
W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) =
+
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) =
\frac{4 \left|\brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0}\right|^2}{(E_1-E_0)^2}  
+
  \frac{4 \left|\brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0}\right|^2}{(E_1-E_0)^2}  
\sin^2 \left( \frac{E_1-E_0}{2\hbar} (t_1-t_0) \right).
+
  \sin^2 \left( \frac{E_1-E_0}{2\hbar} (t_1-t_0) \right).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
Řádka 719: Řádka 855:
 
Mějme částici o hmotnosti $M$ a náboji $e$ v krabici $(0,a)\times(0,b)\times(0,c)$ v počátečním stavu $\ket{qrs}$. V čase $t=0$ zapneme elektrické pole $\vec{E}=(E,0,0)$ a v čase $T$ jej vypneme. S jakou pravděpodobností po změření energie v čase $t>T$ najdeme částici ve stau $\ket{QRS}$, přičemž $(Q,R,S)\neq\ket{q,r,s}$.
 
Mějme částici o hmotnosti $M$ a náboji $e$ v krabici $(0,a)\times(0,b)\times(0,c)$ v počátečním stavu $\ket{qrs}$. V čase $t=0$ zapneme elektrické pole $\vec{E}=(E,0,0)$ a v čase $T$ jej vypneme. S jakou pravděpodobností po změření energie v čase $t>T$ najdeme částici ve stau $\ket{QRS}$, přičemž $(Q,R,S)\neq\ket{q,r,s}$.
  
Předpokládejme, že částice nemůže z krabice uniknout. Pracujeme tedy na $\hilbert = L_2((0,a)\times(0,b)\times(0,c), d^3x)$. Částici v krabici je možno chápat jako částici v nekonečně hluboké trojrozměrné potenciálové jámě. V případě částice v jednorozměrné nekonečně hluboké potenciálové jámě, kde $V(x)=0$ pro $x \in (0,a)$ mají vlastní funkce $\psi_q(x)$ tvar
+
Předpokládejme, že částice nemůže z krabice uniknout. Pracujeme tedy na $\hilbert = L^2((0,a)\times(0,b)\times(0,c), d^3x)$. Částici v krabici je možno chápat jako částici v nekonečně hluboké trojrozměrné potenciálové jámě. V případě částice v jednorozměrné nekonečně hluboké potenciálové jámě, kde $V(x)=0$ pro $x \in (0,a)$ mají vlastní funkce $\psi_q(x)$ tvar
 
\begin{equation} \label{PM:NPTONVF1}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTONVF1}
\psi_q(x) = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right).
+
  \psi_q(x) = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Pro $q \in \priroz$ tvoří tyto funkce ON soubor. Očekáváme, že vlastní funkce částice v krabici budou tvaru  
 
Pro $q \in \priroz$ tvoří tyto funkce ON soubor. Očekáváme, že vlastní funkce částice v krabici budou tvaru  
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3VF}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3VF}
\ket{qrs} = \sqrt{\frac{8}{abc}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right)  
+
  \ket{qrs} = \sqrt{\frac{8}{abc}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right)  
\sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right)
+
  \sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right)
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
a pro $q,r,s \in \priroz$ budou rovněž tvořit ON soubor, tedy $\braket{qrs}{QRS} = \delta_{qQ} \delta_{rR} \delta_{sS}$. Označme
 
a pro $q,r,s \in \priroz$ budou rovněž tvořit ON soubor, tedy $\braket{qrs}{QRS} = \delta_{qQ} \delta_{rR} \delta_{sS}$. Označme
 
\[
 
\[
\hat{H}=\hat{H}_0 + \hat{V}, \qquad \hat{H}_0=\frac{- \hbar^2}{2M}\Delta, \quad \hat{V}=-eEx \cdot.
+
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \hat{V}, \qquad \hat{H}_0=\frac{- \hbar^2}{2M}\Delta, \quad \hat{V}=-eEx \cdot.
 
\]
 
\]
 
K řešení úlohy využijeme výsledku předchozího příkladu \eqref{PM:NPTpr2vysl}. Budeme potřebovat vlastní hodnoty $E_{qrs}$ hamiltoniánu $\hat{H}_0$. Jeho působení na ket $\ket{qrs}$ je triviální. Platí
 
K řešení úlohy využijeme výsledku předchozího příkladu \eqref{PM:NPTpr2vysl}. Budeme potřebovat vlastní hodnoty $E_{qrs}$ hamiltoniánu $\hat{H}_0$. Jeho působení na ket $\ket{qrs}$ je triviální. Platí
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3Energy}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3Energy}
\hat{H}_0 \ket{qrs} = \frac{\hbar^2}{2M} \left[ \left( \frac{\pi q}{a} \right)^2 +
+
  \hat{H}_0 \ket{qrs} = \frac{\hbar^2}{2M} \left[ \left( \frac{\pi q}{a} \right)^2 +
\left( \frac{\pi r}{b} \right)^2 + \left( \frac{\pi s}{c} \right)^2 \right] \ket{qrs} =  
+
    \left( \frac{\pi r}{b} \right)^2 + \left( \frac{\pi s}{c} \right)^2 \right] \ket{qrs} =  
E_{qrs} \ket{qrs}.
+
  E_{qrs} \ket{qrs}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Dále bude třeba určit výraz $\brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs}$. Užitím tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NPTpr3VF} a dosazením za operátor $\hat{V}=-eEx \cdot$ dostáváme
 
Dále bude třeba určit výraz $\brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs}$. Užitím tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NPTpr3VF} a dosazením za operátor $\hat{V}=-eEx \cdot$ dostáváme
 
\begin{align*}
 
\begin{align*}
\brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \frac{-8eE}{abc} \int\limits_0^a dx \int\limits_0^b dy \int\limits_0^c dz &\biggl\{
+
  \brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \frac{-8eE}{abc} \int\limits_0^a dx \int\limits_0^b dy \int\limits_0^c dz &\biggl\{
x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right) \times \\
+
    x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right) \times \\
&\sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi R y}{b} \right)
+
      &\sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi R y}{b} \right)
\sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right) \sin \left( \frac{\pi S z}{c} \right) \biggr\}.
+
      \sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right) \sin \left( \frac{\pi S z}{c} \right) \biggr\}.
 
\end{align*}
 
\end{align*}
 
Využitím ortonormality vlastních funkcí \eqref{PM:NPTONVF1} se integrál zjednoduší na
 
Využitím ortonormality vlastních funkcí \eqref{PM:NPTONVF1} se integrál zjednoduší na
 
\[
 
\[
\frac{-2eE}{a} \delta_{rR} \delta_{sS} \int\limits_0^a  
+
  \frac{-2eE}{a} \delta_{rR} \delta_{sS} \int\limits_0^a  
x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right)  dx.
+
  x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right)  dx.
\]
+
\]
 
Po násilném zintegrování zbytku se výsledek rozpadne na dva podpřípady
 
Po násilném zintegrování zbytku se výsledek rozpadne na dva podpřípady
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3skalsouc}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3skalsouc}
\brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \begin{cases}
+
  \brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \begin{cases}
0 \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{sudé}, \\
+
    0 \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{sudé}, \\
\delta_{rR} \delta_{sS} \frac{-8aeE}{\pi^2} \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{liché}.
+
    \delta_{rR} \delta_{sS} \frac{-8aeE}{\pi^2} \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{liché}.
\end{cases}
+
  \end{cases}
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Pro jednoduchost zavedeme označení
 
Pro jednoduchost zavedeme označení
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr32funkce}
 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr32funkce}
\omega = \frac{E_{QRS}-E_{qrs}}{\hbar}, \quad I_T(\omega)=\frac{4}{\omega^2} \sin^2 \left(\frac{1}{2}\omega T\right).
+
  \omega = \frac{E_{QRS}-E_{qrs}}{\hbar}, \quad I_T(\omega)=\frac{4}{\omega^2} \sin^2 \left(\frac{1}{2}\omega T\right).
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
 
Výsledná pravděpodobnost $W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T)$, že částici, jež byla na počátku ve stavu $\ket{qrs}$ převedeme měřením provedeném po čase $T$ do stavu $\ket{QRS}$ je dle \eqref{PM:NPTpr2vysl} rovna
 
Výsledná pravděpodobnost $W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T)$, že částici, jež byla na počátku ve stavu $\ket{qrs}$ převedeme měřením provedeném po čase $T$ do stavu $\ket{QRS}$ je dle \eqref{PM:NPTpr2vysl} rovna
 
\[
 
\[
W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T) =  
+
  W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T) =  
\left( \frac{8aeE}{\pi^2 \hbar} \right)^2 \left( \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \right)^2
+
    \left( \frac{8aeE}{\pi^2 \hbar} \right)^2 \left( \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \right)^2
|I_T(\omega)| \delta_{rR} \delta_{sS},
+
    |I_T(\omega)| \delta_{rR} \delta_{sS},
 
\]
 
\]
 
přičemž musí navíc $q \neq Q$, $(q+Q)$ liché. V 1. řádu poruchové teorie může systém přeskočit pouze do stavů s $Q$ lišícím se o liché číslo. Přeskok do zbylých stavů by se objevil ve vyšším řádu poruchové teorie (viz \eqref{PM:NPT2RAD}), kde by byl reprezentován dvěma přeskoky.
 
přičemž musí navíc $q \neq Q$, $(q+Q)$ liché. V 1. řádu poruchové teorie může systém přeskočit pouze do stavů s $Q$ lišícím se o liché číslo. Přeskok do zbylých stavů by se objevil ve vyšším řádu poruchové teorie (viz \eqref{PM:NPT2RAD}), kde by byl reprezentován dvěma přeskoky.
Řádka 774: Řádka 910:
 
Věnujme chvíli pozornost funkci $I_T(\omega)$ definovaná \eqref{PM:NPTpr32funkce}. Tato funkce nabývá maxima pro $\omega=0$, přičemž nulové hodnoty nabývá v bodech $\omega_T=\frac{2\pi k}{T}$, kde $k \in \cela \backslash \{0\}$. Průběh pro $T=2,3,4$ je na obrázku \ref{PM:NPTgraphITomega}.
 
Věnujme chvíli pozornost funkci $I_T(\omega)$ definovaná \eqref{PM:NPTpr32funkce}. Tato funkce nabývá maxima pro $\omega=0$, přičemž nulové hodnoty nabývá v bodech $\omega_T=\frac{2\pi k}{T}$, kde $k \in \cela \backslash \{0\}$. Průběh pro $T=2,3,4$ je na obrázku \ref{PM:NPTgraphITomega}.
 
\begin{figure}[ht]
 
\begin{figure}[ht]
\centering
+
  \centering
 
   \includegraphics[]{ITomega}
 
   \includegraphics[]{ITomega}
\caption{Průběh $I_T(\omega)$ pro $T=2,3,4$}
+
  \caption{Průběh $I_T(\omega)$ pro $T=2,3,4$}
\label{PM:NPTgraphITomega}
+
  \label{PM:NPTgraphITomega}
 
\end{figure}
 
\end{figure}
  
Řádka 792: Řádka 928:
 
Předpokládejme, že známe spektrum i vlastní vektory operátorů $\hat{H}_-$, $\hat{H}_+$. Časový vývoj počátečního stacionárního stavu $\ket{\psi_-} = \ket{\psi_-(t_0)}$ je pro čas $t<0$ určen rovnicí
 
Předpokládejme, že známe spektrum i vlastní vektory operátorů $\hat{H}_-$, $\hat{H}_+$. Časový vývoj počátečního stacionárního stavu $\ket{\psi_-} = \ket{\psi_-(t_0)}$ je pro čas $t<0$ určen rovnicí
 
\[
 
\[
\ket{\psi_-(t)} = e^{\frac{-i}{\hbar}E_-(t-t_0)} \ket{\psi_-(t_0)}.
+
  \ket{\psi_-(t)} = e^{\frac{-i}{\hbar}E_-(t-t_0)}   \ket{\psi_-(t_0)}.
 
\]
 
\]
 
Pro čas $t=0$ potom
 
Pro čas $t=0$ potom
 
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimin0}
 
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimin0}
\ket{\psi_-(0)} = e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0} \ket{\psi_-(t_0)}.
+
  \ket{\psi_-(0)} = e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0}   \ket{\psi_-(t_0)}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Za předpokladu, že vlastní funkce operátoru $\hat{H}_+$ tvoří ON bázi $\hilbert$ $(\ket{\varphi_k})$: $\hat{H}_+ \ket{\varphi_i} = E_i \ket{\varphi_i}$, je možno zapsat vývoj počátečního stavu $\ket{\psi_-(t_0)}$ v čase $t>0$ pomocí rozkladu vektoru \eqref{PM:NZHpsimin0} do báze vlastních funkcí $\hat{H}_+$, jejichž časový vývoj známe
 
Za předpokladu, že vlastní funkce operátoru $\hat{H}_+$ tvoří ON bázi $\hilbert$ $(\ket{\varphi_k})$: $\hat{H}_+ \ket{\varphi_i} = E_i \ket{\varphi_i}$, je možno zapsat vývoj počátečního stavu $\ket{\psi_-(t_0)}$ v čase $t>0$ pomocí rozkladu vektoru \eqref{PM:NZHpsimin0} do báze vlastních funkcí $\hat{H}_+$, jejichž časový vývoj známe
 
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimint}
 
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimint}
\ket{\psi_-(t)} = \sum_k e^{\frac{-i}{\hbar}E_k t} \braket{\varphi_k}{\psi_-(0)} \ket{\varphi_k}.
+
  \ket{\psi_-(t)} = \sum_k e^{\frac{-i}{\hbar}E_k t} \braket{\varphi_k}{\psi_-(0)} \ket{\varphi_k}.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
 
Předpokládejme, že v čase $t>0$ provádíme měření energie a zajímá nás, s jakou pravděpodobností  
 
Předpokládejme, že v čase $t>0$ provádíme měření energie a zajímá nás, s jakou pravděpodobností  
 
$W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t)$ převedeme systém do stacionárního stavu $\ket{\psi_+(t)}=\ket{\varphi_1}$. Dle očekávání je tato pravděpodobnost rovna
 
$W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t)$ převedeme systém do stacionárního stavu $\ket{\psi_+(t)}=\ket{\varphi_1}$. Dle očekávání je tato pravděpodobnost rovna
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) =  
+
  W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) =  
\left| \braket{\psi_-(t)}{\psi_+(t)}  \right|^2 = \left| \braket{\psi_-(t)}{\varphi_1}  \right|^2,
+
    \left| \braket{\psi_-(t)}{\psi_+(t)}  \right|^2 = \left| \braket{\psi_-(t)}{\varphi_1}  \right|^2,
\]
+
\]
 
kam dosazením za $\ket{\psi_-(t)}$ z \eqref{PM:NZHpsimint} a \eqref{PM:NZHpsimin0} a využitím ortonormality báze $(\ket{\varphi_k})$ dostaneme
 
kam dosazením za $\ket{\psi_-(t)}$ z \eqref{PM:NZHpsimint} a \eqref{PM:NZHpsimin0} a využitím ortonormality báze $(\ket{\varphi_k})$ dostaneme
 
\begin{equation} \label{PM:NZHmain}
 
\begin{equation} \label{PM:NZHmain}
W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) =  
+
  W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) =  
\left| \sum_k e^{\frac{i}{\hbar} E_k t} e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0}  
+
    \left| \sum_k e^{\frac{i}{\hbar} E_k t} e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0}  
\bra{\varphi_k} \braket{\psi_-}{\varphi_k} \ket{\varphi_1}  \right|^2 =
+
    \bra{\varphi_k} \braket{\psi_-}{\varphi_k} \ket{\varphi_1}  \right|^2 =
\left| \braket{\psi_-}{\psi_+}  \right|^2.
+
    \left| \braket{\psi_-}{\psi_+}  \right|^2.
 
\end{equation}
 
\end{equation}
  
Řádka 823: Řádka 959:
 
Tvar vlnových funkcí je na základě \eqref{PM:NPTONVF1} následující
 
Tvar vlnových funkcí je na základě \eqref{PM:NPTONVF1} následující
 
\[
 
\[
\ket{\psi_-} = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{a}\right), \quad
+
  \ket{\psi_-} = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{a}\right), \quad
\ket{\psi_+} = \sqrt{\frac{1}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{2a}\right).
+
  \ket{\psi_+} = \sqrt{\frac{1}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{2a}\right).
 
\]
 
\]
 
Základní stav $\ket{\psi_{-0}}$, resp. $\ket{\psi_{+0}}$ získáme při volbě $q=1$. Jelikož $\ket{\psi_{-0}}$ není na $(-a,0)$ definováno, bude hledaná pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t)$ dána dle \eqref{PM:NZHmain} výrazem
 
Základní stav $\ket{\psi_{-0}}$, resp. $\ket{\psi_{+0}}$ získáme při volbě $q=1$. Jelikož $\ket{\psi_{-0}}$ není na $(-a,0)$ definováno, bude hledaná pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t)$ dána dle \eqref{PM:NZHmain} výrazem
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \left| \braket{\psi_{-0}}{\psi_{+0}}  \right|^2 =
+
  W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \left| \braket{\psi_{-0}}{\psi_{+0}}  \right|^2 =
\frac{\sqrt{2}}{a} \int\limits_0^a \sin \left(\frac{\pi x}{a}\right) \sin\left( \frac{\pi x}{2a} \right),
+
  \frac{\sqrt{2}}{a} \int\limits_0^a \sin \left(\frac{\pi x}{a}\right) \sin\left( \frac{\pi x}{2a} \right),
 
\]
 
\]
 
což po integraci dává
 
což po integraci dává
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \frac{32}{9\pi^2} \cong 36\%.
+
  W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \frac{32}{9\pi^2} \cong 36\%.
 
\]
 
\]
  
Řádka 845: Řádka 981:
 
Mějme atom tricia s elektronem v základním stavu. V čase $t=0$ dojde k $\beta$-rozpadu
 
Mějme atom tricia s elektronem v základním stavu. V čase $t=0$ dojde k $\beta$-rozpadu
 
\[
 
\[
H_1^3 \stackrel{\beta}{\rightarrow} \left(He_2^3\right)^+.
+
  H_1^3 \stackrel{\beta}{\rightarrow} \left(He_2^3\right)^+.
 
\]
 
\]
 
Určete pravděpodobnost, že po rozpadu nalezneme elektron v obalu $He_2^3$ v základním stavu. S jakou pravděpodobností v 1. excitovaném stavu?
 
Určete pravděpodobnost, že po rozpadu nalezneme elektron v obalu $He_2^3$ v základním stavu. S jakou pravděpodobností v 1. excitovaném stavu?
Řádka 855: Řádka 991:
 
kde v případě vodíku klademe $Z=1$, v případě helia $Z=2$. $a_0$ zde představuje Bohrův poloměr pro atom vodíku. Pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}}$, že elektron v heliovém atomu nalezneme v základním stavu je dle \eqref{PM:NZHmain} rovna
 
kde v případě vodíku klademe $Z=1$, v případě helia $Z=2$. $a_0$ zde představuje Bohrův poloměr pro atom vodíku. Pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}}$, že elektron v heliovém atomu nalezneme v základním stavu je dle \eqref{PM:NZHmain} rovna
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \left| \braket{\psi_0^H}{\psi_0^{He}} \right|^2.
+
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \left| \braket{\psi_0^H}{\psi_0^{He}} \right|^2.
\]
+
\]
 
Dosazením explicitního tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NZHpr2VF1} a po určení skalárního součinu dostáváme
 
Dosazením explicitního tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NZHpr2VF1} a po určení skalárního součinu dostáváme
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \frac{512}{719} \cong 70 \%.
+
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \frac{512}{719} \cong 70 \%.
\]
+
\]
 
Přechod do 1. excitovaného stavu je komplikovanější z důvodu degenerace 1. excitovaného stavu atomu $He^+$. Normalizované vlastní funkce jsou
 
Přechod do 1. excitovaného stavu je komplikovanější z důvodu degenerace 1. excitovaného stavu atomu $He^+$. Normalizované vlastní funkce jsou
 
\begin{align} \label{PM:NZHpr2VF2}
 
\begin{align} \label{PM:NZHpr2VF2}
\ket{\psi_{200}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{3/2}
+
  \ket{\psi_{200}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{3/2}
\left( 2 - \frac{Zr}{a_0} \right) e^{-Zr/{2a_0}}, \nonumber \\
+
    \left( 2 - \frac{Zr}{a_0} \right) e^{-Zr/{2a_0}}, \nonumber \\
\ket{\psi_{210}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
+
  \ket{\psi_{210}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
r \: e^{-Zr/{2a_0}} \cos \vartheta,  \\
+
    r \: e^{-Zr/{2a_0}} \cos \vartheta,  \\  
\ket{\psi_{21\pm1}} &= \frac{\mp1}{8\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
+
  \ket{\psi_{21\pm1}} &= \frac{\mp1}{8\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
r \: e^{-Zr/{2a_0}} \sin \vartheta \: e^{\pm i \varphi}, \nonumber  
+
    r \: e^{-Zr/{2a_0}} \sin \vartheta \: e^{\pm i \varphi}, \nonumber  
 
\end{align}
 
\end{align}
 
kde opět v případě atomu $He^+$ klademe $Z=2$. Je třeba spočítat zvlášť pravděpodobnosti přechodů do jednotlivých stavů \eqref{PM:NZHpr2VF2} a výsledky sečíst (je to snažší, než vypadá). Výsledek
 
kde opět v případě atomu $He^+$ klademe $Z=2$. Je třeba spočítat zvlášť pravděpodobnosti přechodů do jednotlivých stavů \eqref{PM:NZHpr2VF2} a výsledky sečíst (je to snažší, než vypadá). Výsledek
 
\[
 
\[
W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_1^{He}}} = \frac{1}{4} = 25\%.
+
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_1^{He}}} = \frac{1}{4} = 25\%.
 
\]
 
\]
  

Verze z 30. 5. 2017, 07:56

PDF [ znovu generovat, výstup z překladu ] Kompletní WikiSkriptum včetně všech podkapitol.
PDF Této kapitoly [ znovu generovat, výstup z překladu ] Přeložení pouze této kaptioly.
ZIPKompletní zdrojový kód včetně obrázků.

Součásti dokumentu 02KVAN2

součástakcepopisposlední editacesoubor
Hlavní dokument editovatHlavní stránka dokumentu 02KVAN2Hoskoant 6. 5. 201411:44
Řídící stránka editovatDefiniční stránka dokumentu a vložených obrázkůPotocvac 12. 6. 201711:17
Header editovatHlavičkový souborPotocvac 12. 6. 201718:07 header.tex
Kapitola0 editovatPředmluvaHoskoant 6. 5. 201410:48 predmluva.tex
Kapitola1 editovatAlgebraická teorie momentu hybnostiPotocvac 8. 6. 201813:31 kapitola1.tex
Kapitola2 editovatTenzorové operátory, Wigner-Eckartův teorémKubuondr 13. 6. 201812:22 kapitola2.tex
Kapitola3 editovatDalší ekvivalentní způsoby zápisu kvantové mechanikyKubuondr 13. 6. 201813:00 kapitola3.tex
Kapitola4 editovatMatice hustoty a smíšené kvantové stavyKubuondr 12. 6. 201809:59 kapitola4.tex
Kapitola5 editovatPřibližné metody v kvantové mechaniceKubuondr 9. 6. 201821:23 kapitola5.tex
Kapitola6 editovatPropagátorPotocvac 3. 5. 201816:34 kapitola6.tex
Kapitola7 editovatDráhový integrálKubuondr 5. 4. 202017:09 kapitola7.tex
Kapitola8 editovatTeorie rozptyluKubuondr 13. 6. 201807:54 kapitola8.tex
Kapitola9 editovatPartiční sumaKubuondr 13. 6. 201808:14 kapitola9.tex
Kapitola10 editovatReprezentace vícečásticových systémůKubuondr 11. 6. 201809:34 kapitola10.tex
Kapitola11 editovatKvantování klasických políKubuondr 13. 6. 201810:45 kapitola11.tex
Kapitola12 editovatLiteraturaHoskoant 6. 5. 201410:53 kapitolaA.tex

Vložené soubory

soubornázev souboru pro LaTeX
Image:wkb-1.pdf wkb-1.pdf
Image:wkb-2.pdf wkb-2.pdf
Image:wkb-3.pdf wkb-3.pdf
Image:wkb-4.pdf wkb-4.pdf
Image:wkb-5.pdf wkb-5.pdf
Image:wkb-ho.pdf wkb-ho.pdf
Image:itw-1.pdf itw-1.pdf
Image:drahy-1.pdf drahy-1.pdf
Image:drahy-2.pdf drahy-2.pdf
Image:feynman-1.pdf feynman-1.pdf
Image:feynman-2.pdf feynman-2.pdf
Image:feynman-3.pdf feynman-3.pdf
Image:feynman-4.pdf feynman-4.pdf
Image:rozptyl-1.pdf rozptyl-1.pdf
Image:rozptyl-2.pdf rozptyl-2.pdf

Zdrojový kód

%\wikiskriptum{02KVAN2}
\section{Přibližné metody v kvantové mechanice}
 
 
%================================================================================
\subsection{WKB aproximace}
%================================================================================
Této metody%
\footnote{WKB metoda je pojmenována po jejích autorech (G. Wentzel, H. Kramers, L. Brillouin), jež ji společně v roce 1926 vyvinuli.}
se v matematické fyzice užívá při hledání přibližného tvaru spektra a vlastních funkcí hamiltoniánu jednorozměrného systému v $x$-reprezentaci. Předpokládáme tedy
\[
  \hilbert = L^2(\real,dx), \quad \hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dx^2} + V(x)\times.
\]
Spektrum hamiltoniánu $\hat{H}$ je určeno hodnotami $E$ splňujícími 
\begin{equation} \label{PM:SchrR}
  \hat{H}\psi(x)=-\frac{\hbar^2}{2M} \frac{d^2}{dx^2}\psi(x) + V(x)\psi(x) = E\psi(x).
\end{equation}
 
Uvažujme nyní konkrétní hodnotu $E$ nejprve jako klasickou hodnotu energie systému. Řešení rozdělíme na tři části:
\begin{enumerate}
\item[\rimske{I}.] klasická oblast, ve které $E \gg V(x)$, tedy $T = E - V(x) \gg 0$,
\item[\rimske{II}.] klasicky nedostupná oblast, kde $V(x) \gg E$,
\item[\rimske{III}.] přechodová oblast, kde hodnota energie je s potenciálem srovnatelná.
\end{enumerate}
Očekávání je takové, že v oblasti \rimske{I} se bude částice chovat semiklasicky, jako superpozice postupných vln odpovídajících klasické (lokální) hodnotě hybnosti. V oblasti \rimske{II} by měl být výskyt potlačen a případy \rimske{III} by měly obě situace hladce napojovat. Potenciálových jam \rimske{I}, oddělených potenciálovými valy, můžeme uvažovat i více, prozatím zůstaneme u jedné. Toto rozdělení pro jednu potenciálovou jámu ilustruje obrázek~\ref{fig:PM:rozdeleni}.
 
\begin{figure}[t]
\centering
\includegraphics{wkb-1}
\caption{Rozdělení souřadné osy $x$ na intervaly klasické, klasicky nedostupné a přechodové oblasti podle hodnot potenciálové funkce $V(x)$ a volby energetické hladiny~$E$.}
\label{fig:PM:rozdeleni}
\end{figure}
 
\subsubsection*{Klasická oblast}
 
Při hledání vlastní funkce hamiltoniánu užitím WKB aproximace začneme na oblasti \rimske{I}, kde řešení předpokládáme tvaru vlny
\[
  \psi(x) = A(x) e^{i\varphi(x)}.
\]
O amplitudě $A(x) \in \real$ budeme předpokládát, že je na uvažovaném intervalu nenulová a kladná, aby fáze $\varphi(x) \in \real$ mohla být všude dobře definována. Dosazením do \eqref{PM:SchrR} dostáváme pro naše veličiny rovnici
\[
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' + 2iA'\varphi' - A\varphi'^2 + iA\varphi'' \right) = (E-V) A,
\]
v níž si všimneme, že veškerá závislost na $\varphi$ vystupuje ve tvaru vazeb pro jeho derivace. Označíme proto
\[
  \varphi'(x) =: k(x) \quad : \quad \varphi(x) = \int k(x) dx,
\]
pak
\begin{equation}
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' + 2iA'k - Ak^2 + iAk' \right) = (E-V) A.
  \label{PM:prepisSrovnice}
\end{equation}
 
Díky omezení na reálné hodnoty $A(x)$ a $\varphi(x)$ můžeme rovnici \eqref{PM:prepisSrovnice} rozdělit na reálnou a imaginární část. Vyřešíme nejprve imaginární:
\begin{equation}
  \begin{aligned}
    -\frac{\hbar^2}{2M} \left( 2A'k + Ak' \right) &= 0 \\
    \frac{A'}{A} &= -\frac{k'}{2k} \\
    A(x) &= C k(x)^{-1/2}
  \end{aligned}
  \label{PM:vztahAk}
\end{equation}
Tato vazba je za předpokladu, že vlnová funkce na intervalu \rimske{I} neprotne nulu, přesná.
 
Reálná část má tvar
\begin{equation}
  -\frac{\hbar^2}{2M} \left( A'' - Ak^2 \right) = (E-V) A.
  \label{PM:prepisreal}
\end{equation}
Sem bychom mohli dosadit z \eqref{PM:vztahAk} a zkoušet řešit čistě pro $k(x)$. Rovnice se však výrazně zjednodušuje pro potenciály, které se v proměnné $x$ příliš prudce nemění. Konkrétně budeme předpokládat, že na rozměrové škále dané okamžitou hodnotou $k'(x)$ ($k(x)$ má funkci vlnového čísla) se dostupná kinetická energie $E - V(x)$ změní zanedbatelně vůči své střední hodnotě (viz obrázek~\ref{fig:PM:deltaV}) a tento předpoklad přeneseme i na $A(x)$ s tím, že platnost tohoto kroku oprávníme zpětně po dořešení. V $j$-tém řádu Taylorova rozvoje
\begin{equation}
  A^{(j)}(x) \left( \frac{1}{k(x)} \right)^j \ll A(x),
  \label{PM:deltaA}
\end{equation}
konkrétně pro druhý řád
\begin{equation}
  \frac{A''(x)}{k(x)^2} \ll A(x).
  \label{PM:zanedbaniA}
\end{equation}
To nám umožní v \eqref{PM:prepisreal} zanedbat první člen a zbytek rovnice lze vykrátit $A$. To ponechá jen triviální rovnost
\begin{equation}
  k(x)^2 = \frac{2M}{\hbar^2} (E - V(x)).
  \label{PM:kvadrat-k}
\end{equation}
 
\begin{figure}[t]
\centering
\includegraphics{wkb-2}
\caption{Ilustrace předpokladu pomalého vývoje $V(x)$ (přesněji efektivní kinetické energie $E-V(x)$) vzhledem ke $k(x)$. Jestliže platí $\Delta V \ll E-V$, můžeme potenciál na intervalu délky $k^{-1}$ nahradit konstantou.}
\label{fig:PM:deltaV}
\end{figure}
 
Potřebujeme ale oprávnit poslední předpoklad pro $A(x)$, který nám toto zanedbání umožnil. Vyjádříme-li $A(x)$ pomocí \eqref{PM:vztahAk} a \eqref{PM:kvadrat-k}, získáváme $A''(x)$ ve tvaru
\[
  A'' = \left( \frac{V''}{4(E-V)} + \frac{V'^2}{4(E-V)} + \frac{V'^2}{4^2(E-V)^2} \right) A,
\]
vidíme tedy, že pokud srovnání tvaru \eqref{PM:deltaA} platí pro funkci $E-V(x)$, tedy pro $j=1$ a pro $j=2$
\[
  \frac{V'}{k} \ll E-V, \quad \frac{V''}{k^2} \ll E-V,
\]
plyne odsud také \eqref{PM:zanedbaniA}.
 
Rovnice \eqref{PM:kvadrat-k} tedy spolu s \eqref{PM:vztahAk} určují vlnovou funkci na intervalu \rimske{I}, která se chová jako postupná vlna, jejíž vlnové číslo odpovídá de Broglieho vlnovému číslu pro hybnost spočítanou z kinetické energie $E-V(x)$,
\[
  k_{\text{dB}} = \frac{2\pi}{\lambda_\text{dB}} = \frac{p}{\hbar} = \frac{1}{\hbar} \sqrt{2M(E-V)},
\]
a jejíž amplituda je vyšší (nižší) v místech pomalejší (rychlejší) oscilace.%
\footnote{To je intuitivní: hustota pravděpodobnosti se chová jako převrácená hodnota $k(x)$, tedy přeneseně jako převrácená hodnota rychlosti, kterou by klasická částice daným bodem procházela.}
Nezapomínejme, že \eqref{PM:kvadrat-k} má dvě řešení lišící se znaménkem, které dávají postupné vlny ve dvou směrech. Obecné řešení \rimske{I} díky linearitě \eqref{PM:SchrR} bude libovolná jejich superpozice
\begin{equation}
  \psi_\rimske{I}(x) =
    \frac{C_1}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( i \int k(x) dx \right) +
    \frac{C_2}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( -i \int k(x) dx \right)
  \label{PM:WKBoblastIexp}
\end{equation}
či ekvivalentně
\begin{equation}
  \psi_{\rimske{I}}(x) =
    \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int k(x) dx + \varphi_0 \right)
  \label{PM:WKBoblastI}
\end{equation}
pro
\[
  k(x) = \frac{1}{\hbar} \sqrt{2M \bigl( E - V(x) \bigr)}.
\]
 
\subsubsection*{Klasicky nedostupná oblast}
 
V oblasti \rimske{II} použijeme analytické prodloužení dřívějších výsledků. Vyjdeme z rovnice \eqref{PM:kvadrat-k}, která pro $V(x) > E$ přiřazuje $k(x)$ ryze imaginární hodnotu. Přeznačíme tedy
\[
  \kappa(x)^2 = -k(x)^2 = \frac{2M}{\hbar^2}\bigl( V(x) - E \bigr) \quad (> 0)
\]
a do vzorce \eqref{PM:vztahAk} dosadíme $k(x) = i\kappa(x)$. Tím okamžitě dostáváme exponenciálně rostoucí nebo klesající řešení
\begin{equation}
  \psi_{\rimske{II}}(x) =
    \frac{\tilde C_1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp \left( \int \kappa(x) dx \right) +
    \frac{\tilde C_2}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp \left( -\int \kappa(x) dx \right)
  \label{PM:WKBoblastII}
\end{equation}
 
\subsubsection*{Přechodová oblast}
 
Stejný trik nemůžeme využít v oblasti \rimske{III}, protože v ní nemůže být splněna podmínka $|\Delta V(x)| \ll |E - V(x)|$ (situaci dále nenapomáhá, že amplituda i vlnová délka divergují, jak $V(x) \to E^-$). Pro dořešení úlohy na těchto kritických úsecích potřebujeme uvažovat $V(x)$ včetně jeho změn podél $x$.
 
WKB aproximace předpokládá, že rozdělení na oblasti \rimske{I}, \rimske{II}, \rimske{III} lze provést tak, že v~přechodových oblastech lze potenciál $V(x)$ dobře aproximovat úsečkou. Vyřešme tedy „kanonický“ tvar
\[
  -\psi''(x) + x \psi(x) = 0.
\]
do kterého se vhodnou transformací nezávislé proměnné dá \eqref{PM:SchrR} vždy převést.%
\footnote{Je potřeba trasformací $x \mapsto x-x_0$ bod obratu posunout do $x=0$, volbou hladiny nulové energie $E=0$ posunout odpovídajícím způsobem vertikálně potenciálovou funkci $V(x)$ a nakonec škálováním $x \mapsto \alpha x$ opravit konstanty. Hodnota neznámé funkce $\psi(x)$ zůstane zachována. Pozor na to, že v jednom bodě obratu bude potřeba $\alpha > 0$ a ve druhém $\alpha < 0$.}
 
Tuto rovnici řeší libovolná lineární kombinace speciálních \textbf{Airyho funkcí} $\Ai(x)$ a $\Bi(x)$. Obrázek~\ref{fig:PM:AiryAi} ukazuje graf funkce $\Ai(x)$ a jejích dvou aproximací platných pro $x \ll 0$ a $x \gg 0$:
\begin{equation}
  \begin{aligned}
    \Ai(x) &\buildrel x \to -\infty \over \approx \frac{1}{\sqrt\pi (-x)^{1/4}} \sin\left( \frac23 (-x)^{\frac32} + \frac{\pi}{4} \right), \\
    \Ai(x) &\buildrel x \to +\infty \over \approx \frac{1}{2\sqrt\pi x^{1/4}} \exp\left( -\frac23 x^{\frac32} \right).
  \end{aligned}
\label{PM:AiAprox}
\end{equation}
Druhá bázová funkce má podobné chování pro záporná $x$, ale na kladné poloose se chová jako kladná exponenciála a diverguje.
 
\begin{figure}[t]
\centering
\includegraphics{wkb-3}
\caption{Graf Airyho funkce $\Ai(x)$ a jejích aproximací pro kladná a záporná $x$. Slabší čarou potenciálová funkce (v nesouvisejících jednotkách; voleno $E=0$), jíž by takové řešení odpovídalo.}
\label{fig:PM:AiryAi}
\end{figure}
 
Vidíme, že limitní tvary Airyho funkce jsou aplikovatelné již velmi blízko nuly, tedy přechodovou oblast stačí volit relativně úzkou. Srovnejme navíc tvary aproximací \eqref{PM:AiAprox} s řešeními \eqref{PM:WKBoblastI} a \eqref{PM:WKBoblastII} pro odpovídající „potenciál“
\[
  V(x) = \frac{\hbar^2}{2M} x.
\]
a $E = 0$. Tehdy pro $x < 0$, resp. $x > 0$ získáváme
\[
  k(x) = \sqrt{-x}, \quad \text{resp.} \quad \kappa(x) = \sqrt{x}.
\]
Odpovídající integrály vystupující v \eqref{PM:WKBoblastI}, resp. \eqref{PM:WKBoblastII} dávají%, zvolíme-li za spodní mez bod obratu (zde $x_0 = 0$), dávají
\[
  \int k(\tilde x) d\tilde x = -\frac23 (-x)^{\frac32} + c, \quad \int \kappa(\tilde x) d\tilde x = \frac23 x^{\frac32} + c,
\]
což jsou členy objevující se na stejných pozicích v \eqref{PM:AiAprox}, dokonce i faktor $1/\sqrt{k(x)} = (-x)^{-1/4}$, resp. $1/\sqrt{\kappa(x)} = x^{-1/4}$ souhlasí. Vidíme tedy, že vhodnou volbou konstant $C$, $\tilde C_1$, $\tilde C_2$, $\varphi_0$ bude i v obecném případě snadné řešení oblastí \rimske{I} i \rimske{II} na odpovídajícím způsobem posunutou a protaženou funkci $\Ai(x)$ hladce napojit.
 
Airyho funkce si pro většinu praktických výpočtů nemusíme pamatovat, postačí z~pozorování výše vyextrahovat \textbf{propojovací formule}:
\begin{subequations}
\label{PM:WKBpropoj}
\begin{equation}
  \frac{1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp\left( -\int_{x_o}^x \kappa(x) dx \right)
  \quad \leftrightarrow \quad
  \frac{2}{\sqrt{k(x)}} \sin\left( \int_x^{x_o} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right)
  \label{PM:WKBpropoj1}
\end{equation}
a podobně z asymptotiky $\mathop{\mathrm{Bi}}$ bychom získali
\begin{equation}
  \frac{1}{\sqrt{\kappa(x)}} \exp\left( +\int_{x_o}^x \kappa(x) dx \right)
  \quad \leftrightarrow \quad
  \frac{1}{\sqrt{k(x)}} \cos\left( \int_x^{x_o} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right).
  \label{PM:WKBpropoj2}
\end{equation}
\end{subequations}
(Oba vzorce platí pro potenciál rostoucí napravo od bodu obratu $x_o$, v opačném případě platí s obrácenými mezemi všech integrálů.)
 
\subsubsection*{Napojení vzorců a vznik kvantizační podmínky}
 
Od řešení bezčasové Schrödingerovy rovnice \eqref{PM:SchrR}, aby byla vlastními funkcemi hamiltoniánu, vyžadujeme, aby byla normalizovatelná. Limitně tedy pro $x \to \pm\infty$ musí klesat k nule, což pro první klasicky nedostupnou oblast z obrázku~\ref{fig:PM:rozdeleni} umožňuje pouze člen \eqref{PM:WKBoblastII} s kladnou exponenciálou a pro druhou se zápornou. Podívejme se, co to bude znamenat při napojování částečných řešení \rimske{I}, \rimske{II}, \rimske{III} do úplného řešení:
 
Začneme v první nedostupné oblasti, kde volíme v \eqref{PM:WKBoblastII} $\tilde C_2 = 0$. Poté použijeme propojovací vzorec \eqref{PM:WKBpropoj1} (s obrácenými mezemi) a napravo od bodu obratu získáváme asymptotiku
\[
  \frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x_1}^x k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right)
\]
v důsledku relací \eqref{PM:AiAprox}. Ve střední oblasti \rimske{I} tedy volíme $C = 2\tilde C_1$ a $\varphi_0 = \pi/4$. Přechod mezi exponenciálním a sinusovým řešením je (oproti integraci od bodu obratu $x_1$) doprovázen fázovým zpomalením o $\pi/4$. Stejnou funkci pak budeme chtít ve druhém bodě obratu $x_2$ napojit opět na exponenciálu klesající do $x \to +\infty$, na čemž dojde k~dalšímu zpomalení o $\pi/4$.
%Konkrétně přepisem integrálu do meze $x_2$ získáváme
%\[
%  \begin{gathered}
%    \frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x_1}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x - \int_{x}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right) =\\
%    = -\frac{2\tilde C_1}{\sqrt{k(x)}} \sin \left( \int_{x}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x - \left( \int_{x_1}^{x_2} k(\tilde x) d\tilde x + \frac{\pi}4 \right) \right),
%  \end{gathered}
%\]
%což lze porovnat s pravou stranou \eqref{PM:AiAprox}, jestliže 
Na intervalu $\langle x_1, x_2 \rangle$ vlnová funkce získá celkovou fázi
\[
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx + 2\times\frac{\pi}{4},
\]
která musí být celočíselným (a zřejmě přirozeným) násobkem $\pi$, aby nějaký (kladný nebo záporný) násobek pravé strany \eqref{PM:AiAprox} šel se získanou funkcí v oblasti \rimske{I} dát do rovnosti. Vzhledem k tomu, že součástí předpisu \eqref{PM:kvadrat-k} pro funkci $k(x)$ je energie $E$, dostáváme podmínku, která může platit jen pro některé speciální hodnoty volby $E$ a pro ostatní vede k nenormalizovatelné funkci $\psi(x)$ -- tedy \textsl{kvantizační podmínku} uvažovaného systému. Příklad správného navázání pro vhodně zvolenou energii $E$ ukazuje obrázek \ref{fig:PM:WKBpriklad}.
 
\begin{figure}[t]
\centering
\includegraphics{wkb-4}
\caption{Příklad vlnové funkce nalezené WKB aproximací pro potenciálovou funkci z~obrázku~\ref{fig:PM:rozdeleni}. Modrý, resp. zelený, resp. červený graf ukazují části sinusového, resp. exponenciálního, resp. přechodového řešení. Vytažena je také amplitudová část řešení \eqref{PM:WKBoblastI} klasické oblasti. Vzorce ve spodní části ukazují příspěvky k fázi oscilací v celém intervalu mezi body obratu $x_1$ a $x_2$.}
\label{fig:PM:WKBpriklad}
\end{figure}
 
Věnujme se významu integrálu
\[
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \bigl( E-V(x) \bigr)} dx = \frac{1}{\hbar} \int_{x_1}^{x_2} p(x) dx,
\]
kde $p(x)$ je klasická hybnost vymezená kinetickou energií zbývající částici z celkové energie $E$ v místě $x$ po odečtení potenciální složky $V(x)$. Integrál této veličiny mezi body obratu známe z Teoretické fyziky jako polovinu \textbf{redukované akce} $S_0$. Podmínku
\begin{equation}
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx + \frac{\pi}{2} = n\pi, n \in \priroz,
  \quad \text{příp.} \quad
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = \left( n + \frac12 \right)\pi, n \in \priroz_0,
  \label{PM:WKBmain}
\end{equation}
tedy můžeme ekvivalentně psát jako
\[
  S_0 = (2n+1) \pi \hbar = \left( n + \frac12 \right) h,
\]
což je přesnější verze historické \textbf{Bohr--Sommerfeldovy} kvantizace (oproti které je navíc oprava $\frac12$ k násobku Planckovy konstanty), používané k odhadům energetických spekter před vyvinutím dnešní podoby kvantové mechaniky. WKB aproximace tedy tento vzorec nejen opravňuje, navíc přidává tuto opravu a především doplňuje i o přibližný tvar vlnových funkcí odpovídajících získaným energiím.
 
\begin{example}
Mějme částici hmotnosti $M$ v nekonečně hluboké potenciálové jámě. Určete WKB aproximací možné hodnoty energie. Srovnejte je s přesným výsledkem ze zimy.
 
Uvažujme potenciál $V(x)$ definovaný
\[
  V(x)= \begin{cases}
    0 & -a<x<a, \\
    +\infty & \text{jinde}.
  \end{cases}
\]
 
Body obratu částice jsou pochopitelně $x_1 = -a$ a $x_2 = a$. Dle \eqref{PM:WKBmain} přípustné hodnoty energie $E_n$ splňují
\[
  \int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \bigl( E_n-V(\tilde{x}) \bigr)}d\tilde{x} = 
  \int\limits_{-a}^a \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2}E_n}d\tilde{x} = \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi,
\]
což po integraci dává
\[
  E_n=\frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} \left( n+\frac{1}{2} \right)^2.
\]
 
Energetické hladiny jsme dostali nesprávné, oproti přesnému výsledku ze zimy
\begin{equation}
  E_n = \frac{\hbar^2\pi^2}{8Ma^2} n^2
  \label{PM:JamaSpravne}
\end{equation}
přebývá $\frac12$ přičtená k $n$. To má snadné odůvodnění. Přesně tento faktor je oprava přidaná WKB aproximací k Bohr--Sommerfeldově tvaru kvantovací podmínky za přechodové oblasti, nicméně v našem případě žádné přechodové oblasti neexistují. Řešení musí přejít ze sinusového tvaru na $(-a,a)$ okamžitě na nulu (kterou by připravené vzorce předpověděly ve tvaru $e^{-\infty}$). Správná kvantovací podmínka tedy pro tuto situaci zní
\[
  \int_{x_1}^{x_2} k(x) dx = n\pi, \quad n \in \priroz_0
\]
a dává skutečně výsledek \eqref{PM:JamaSpravne}.
\end{example}
 
\begin{example}
Mějme částici hmotnosti $M$ v poli jednorozměrného harmonického oscilátoru. Určete možné hodnoty energie WKB aproximací a porovnejte je s přesnými hodnotami.
 
Z klasického hamiltoniánu jednorozměrného harmonického oscilátoru nejprve určíme body obratu:
\[
  H(p,x) = \frac{p^2}{2M} + \frac{1}{2}M\omega^2x^2 \quad \Rightarrow \quad x_{1,2} = \pm\sqrt{\frac{2E}{M\omega^2}},
\]
Vyjdeme opět z \eqref{PM:WKBmain}, kde po dosazení integračních mezí a potenciálu dostáváme pro možné hodnoty energie $E_n$ rovnost
\[
  \int\limits_{x_1}^{x_2} \sqrt{\frac{2M}{\hbar^2} \left( E_n - \frac{M \omega^2}{2} \tilde{x}^2 \right)} d\tilde{x} = 
  \left( n+\frac{1}{2} \right) \pi
\]
a po integraci
\[
  E_n = \hbar \omega \left( n+\frac{1}{2} \right),
\]
což přesně souhlasí s velmi pracně získaným výsledkem ze zimy. Srovnání vlnových funkcí ukazuje obrázek~\ref{fig:PM:WKBoscilator}. Aproximace pro vlnové funkce funguje nejlépe pro vyšší excitace, pro nízké hodnoty $n$ vychází energie správně, ale napojení nefunguje velmi hladce v důsledku nepříliš zřetelného oddělení oblastí \rimske{I} a \rimske{III} blízko dna paraboly.
\end{example}
 
\begin{figure}[t]
\centering
\includegraphics[height=6cm]{wkb-ho}
\caption{Vlnová funkce získaná WKB aproximací pro 10. excitovaný stav kvantového harmonického oscilátoru. Barevné označení navázaných částí odpovídá obrázku~\ref{fig:PM:WKBpriklad}. V~pozadí širším tahem pro srovnání přesné řešení pomocí Hermitova polynomu. Vyznačena je též amplituda řešení v klasické oblasti a klasické body obratu.}
\label{fig:PM:WKBoscilator}
\end{figure}
 
\begin{example}(Tunelový jev)
 
Mějme systém jako na obrázku~\ref{fig:tunel}, kde $E = \frac{p_0^2}{2M}$. Potenciál $V(x)$ má limity 0 v obou nekonečnech, takže umožňuje rovnoměrný pohyb s hybností $p_0$, v jisté oblasti však překračuje hodnotu $E$. Jedná se tak o situaci přesně opačnou k potenciálové jámě, tentokrát jsou klasicky dostupné oblasti $A$ a $C$ na krajích a klasicky nedostupná oblast $B$ mezi nimi.
 
\begin{figure}[t]
  \centering
     \includegraphics{wkb-5}
  \caption{Situace uvažovaná při studiu tunelového jevu}
  \label{fig:tunel}
\end{figure}
 
Abychom ukázali, že kvantová částice může bariérou protunelovat, a spočetli, s jakou pravděpodobností, budeme hledat stacionární řešení, které se asymptoticky bude chovat v sektoru $A$ jako lineární superpozice dopadající a odražené vlny
\begin{subequations}
\begin{equation}
  \psi_A(x) = A e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}} + R A e^{\frac{- i p_0 x}{\hbar}}
\end{equation}
a v sektoru $C$ jako vlna prošlá
\begin{equation}
  \psi_C(x) = T A e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}}.
\end{equation}
\label{PM:vlny}
\end{subequations}
V sektoru $B$ nepožadujeme žádnou asymptotiku.
 
Budeme postupovat zprava doleva: na pravé straně od potenciálové bariéry budeme postulovat řešení tvaru \eqref{PM:WKBoblastIexp} s $C_2 = 0$ a vhodným fázovým posunem (integrační konstantou), které se asymptoticky (když $V \to 0$) chová jako
\[
  \psi_C(x) = \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \exp \left( i \int_{x_2}^x k(x) + i\frac{\pi}{4} dx \right) \approx C \sqrt\frac{\hbar}{p_0} e^{\frac{i p_0 x}{\hbar} + i\varphi_0} = \const.\ e^{\frac{i p_0 x}{\hbar}},
\]
a kosinovou a sinovou část tohoto řešení navážeme dle propojovacích formulí \eqref{PM:WKBpropoj1} a \eqref{PM:WKBpropoj2} (s ozrcadlenými mezemi) na sektor $B$:
\[
  \psi_B = \frac{C}{\sqrt{\kappa(x)}} \left( \exp \left( \int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx \right) + \frac{i}{2} \exp \left( -\int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx \right) \right).
\]
Z hlediska bodu $x_1$ je integrály v exponentech možné přepsat jako
\[
  \int_{x}^{x_2} \kappa(x) dx = \underbrace{\int_{x_1}^{x_2} \kappa(x) dx}_{\const.} - \int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx,
\]
tedy
\[
  \psi_B = \frac{C}{\sqrt{\kappa(x)}} \left( Q \exp \left( -\int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx \right) + \frac{i}{2Q} \exp \left( \int_{x_1}^{x} \kappa(x) dx \right) \right),
\]
kde
\[
  Q = \exp \left( \int_{x_1}^{x_2} \kappa(x) dx \right).
\]
Tento zápis je připraven k opětovnému použití propojovacích formulí, tektokrát k přechodu přes bod $x_1$ do oblasti $A$:
\[
  \psi_A(x) = \frac{C}{\sqrt{k(x)}} \left( 2Q \sin \left( \int_{x}^{x_1} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right) + \frac{i}{2Q} \cos \left( \int_{x}^{x_1} k(x) dx + \frac{\pi}{4} \right) \right)
\]
Nakonec opět uvažujeme asymptotickou oblast $x \to -\infty$, kde $V \to 0$:
\[
  \psi_A(x) \approx C \sqrt\frac{\hbar}{p_0} \left( 2Q \sin \left( -\frac{p_0 x}{\hbar} + \varphi_0' \right) + \frac{i}{2Q} \cos \left( -\frac{p_0 x}{\hbar} + \varphi_0' \right) \right).
\]
Převodem $\sin$, $\cos$ zpět na exponenciální tvar a porovnáním nalezených tvarů $\psi_A(x)$, $\psi_C(x)$ s \eqref{PM:vlny} dostaneme koeficienty průchodu a odrazu pro amplitudy
\[
  T = -i e^{i(\varphi_0+\varphi_0')} \frac{4Q}{1+4Q^2}, \quad R = e^{2i\varphi_0'} \frac{1-4Q^2}{1+4Q^2}.
\]
 
Intenzita tedy projde s transmitivitou
\[
  \mathcal{T} = T^2 = \left| \frac{4Q}{1+4Q^2} \right|^2.
\]
Tento vzorec funguje dobře hlavně pro potenciály s pozvolnými a dobře definovanými lineárními přechodovými oblastmi (podmínky WKB aproximace). Dále pro $Q \gg 1$ (velmi vysoká a/nebo široká bariéra) dostáváme
\[
  T \approx Q^{-2} = e^{-\frac{2}{\hbar} \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{2M(V(x)-E)} d\tilde{x}},
\]
tedy exponenciální snižování koeficientu průchodu se šířkou bariéry.
\end{example}
 
%================================================================================
\subsection{Ritzova variační metoda}
%================================================================================
 
Poruchovou teorii, se kterou jsme se seznámili v zimě, nemůžeme použít, pokud nedokážeme hamiltonián studovaného systému rozložit na dvě části - neporušený hamiltonián $\hat{H}_0$, u něhož umíme řešit problém vlastních hodnot, a poruchu, jež představuje jen malou korekci původního hamiltoniánu $\hat{H}_0$. V takovém případě hrají důležitou roli různé variační postupy. Zde se seznámíme s Ritzovou variační metodou. Její základní myšlenka je založena na prostém faktu, že střední hodnota libovolné veličiny nemůže být menší, než nejnižší hodnota ze spektra jejich hodnot.
 
Je-li $E_0$ energie základního stavu systému popsaného hamiltoniánem $\hat{H}$, můžeme princip Ritzovy variační metody vystihnout nerovností
\begin{equation} \label{PM:RitzFunkci}
  E_0 \leq \frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}}, \quad \forall \ket{\psi} \in \hilbert, 
  \quad \braket{\psi}{\psi}\neq0.
\end{equation}
Poslední nerovnost dokážeme v případě čistě bodového spektra operátoru $\hat{H}$. Buď $(\ket{\psi_n})$ ON soubor vlasntích vektorů $\hat{H}$ splňujících
\[
  \hat{H} \ket{\psi_n} = E_n \ket{\psi_n}, \quad E_0 \leq E_1 \leq \ldots, \quad \sum_n \ket{\psi_n} \bra{\psi_n} = \opone.
\]
Potom
\[
  \frac{\brapigket{\psi}{\hat{H}}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
  \sum_{m,n} \frac{\braket{\psi}{\psi_m} \brapigket{\psi_m}{\hat{H}}{\psi_n} \braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} =
  \sum_nE_n \frac{\braket{\psi}{\psi_n}\braket{\psi_n}{\psi}}{\braket{\psi}{\psi}} \geq E_0,
\]
přičemž rovnost nastává pro $\ket{\psi}=\ket{\psi_0}$.
 
Minimalizace funkcionálu vystupujícího na pravé straně nerovnosti \eqref{PM:RitzFunkci} není na celém $\hilbert$ úlohou o nic snazší, než řešení vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$. Proto se v praxi provádí výběr $n$-parametrické třídy vektorů $\ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}$ a minimalizuje se výraz
\begin{equation} \label{PM:RitzRozpi}
  E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) = 
  \frac{\brapigket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\hat{H}}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}
  {\braket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}}.
\end{equation} 
Je-li výraz na pravé straně spočitatelný, jedná se o hledání minima funkce $n$ proměnných, tudíž řešíme
\[
  \parcder{E}{\alpha_i}(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) = 0, \quad i = 1, \ldots, n,
\]
odkud nalezneme bod $(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$, v němž funkce $E(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)$ nabývá minima. Hledaná aproximace energie základního stavu $E_0^{(var)}$ je potom rovna $E_0^{(var)}=E(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)$. Jí přísluší vlastní vektor $\ket{\psi_0^{(var)}} = \ket{\psi(\alpha_1^0, \ldots, \alpha_n^0)}$.
 
1. excitovaný stav nalezneme rovněž najitím minima funkce \eqref{PM:RitzRozpi}, nyní však s dodatečnou vazbou
\[
\braket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)}{\psi_0^{(var)}}=0.
\] 
Řešením této úlohy získáme bod $(\alpha_1^1,\ldots,\alpha_n^1)$, energii 1. excitovaného stavu $E_1^{(var)}=E(\alpha_1^1, \ldots, \alpha_n^1)$ a příslušný vlastní vektor $\ket{\psi_1^{(var)}} = \ket{\psi(\alpha_1^1, \ldots, \alpha_n^1)}$. Do vyšších excitovaných hladin postupujeme analogicky.
 
\begin{remark}
Obecně lze pro hamiltonián s degenerovaným spektrem ukázat, že $k$-tá nejnižší hodnota energie $E_k$ ze spektra hamiltoniánu $\hat{H}$ je nanejvýš rovna $k$-té nejnižší energii $E_k^{(var)}$ získané variační metodou, tedy
\[
  E_k \leq E_k^{(var)}, \quad k=0, \ldots, n-1.
\]
\end{remark}
 
Možná třída vektorů může být lineární kombinace N pevně zvolených nezávislých vektorů $(\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N})$ (nemusí tvořit ortonormální soubor). Potom volíme
\[
  \ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_N)} = \alpha_1\ket{\varphi_1} + \ldots + \alpha_N\ket{\varphi_N}, \quad
  W= [\ket{\varphi_1},\ldots,\ket{\varphi_N}]_{\lambda}.
\]
$W$ tvoří podprostor $\hilbert$ a odpovídá mu projekční operátor, jež označíme $\hat{P}_W$. Minimum funkce \eqref{PM:RitzRozpi} je potom nejmenší vlastní hodnotou hermitovského operátoru $\hat{H}_W$ definovaného
\begin{equation} \label{PM:Ritzvlc}
  \hat{H}_W = \hat{P}_W \hat{H} \hat{P}_W.
\end{equation}
Uvedeme zde bez důkazu větu, jež dává do souvislosti vlastní hodnoty $\hat{H}$ a $\hat{H}_W$.
 
\begin{theorem}
Buďte $E_0 \leq E_1 \leq \ldots \leq E_{N-1}$ $N$ nejmenších vlastních hodnot operátoru $\hat{H}$ (každou vlastní hodnotu je třeba započítat tolikrát, kolik je její degenerace). Označme $e_0 \leq e_1 \leq \ldots \leq e_{N-1}$ vlastní hodnoty operátoru $\hat{H}_W$ definovaného dle \eqref{PM:Ritzvlc}. Potom
\[
  E_j \leq e_j, \quad j=0,1,\ldots,N-1.
\]
\end{theorem}
 
\begin{remark}
Vlastní hodnoty operátoru \eqref{PM:Ritzvlc} jsou určeny kořeny rovnice 
\[
  \det \Bigl( \brapigket{\varphi_i}{\hat{H}}{\varphi_j} - \lambda \braket{\varphi_i}{\varphi_j} \Bigr) = 0.
\]
\end{remark}
 
Je velice obtížné odhadnout chybu této aproximace. Pokud např. pro jednorozměrný harmonický oscilátor s bází vlastních funkcí $(\ket{n})_{n\in\priroz_0}$ zvolíme parametrizaci 
\[ \ket{\psi(\alpha_1,\ldots,\alpha_5)}=\alpha_1\ket{10}+\ldots+\alpha_5\ket{14}, \]
je zřejmé, že Ritzovou variační metodou získáme hodnotu energie základního stavu $E_0^{(var)}=\hbar\omega(10+1/2)$ místo skutečné hodnoty $E_0=\frac{\hbar \omega}{2}$. Obecně lze říci, že tato metoda dává lepší výsledky pro energie než pro stavové vektory.
 
Než přestoupíme k příkladu, dokážeme si kvantovou obdobu viriálové teorému. Buď $T$ resp. $V(\vec{x})$ kinetická resp. potenciální energie soustavy. Viriálem v klasické mechanice rozumíme funkci
\[
  \vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x}),
\]
přičemž platí, že časová střední hodnota viriálu je rovna dvojnásobku časové střední hodnoty kinetické energie, tj.
\[
  \stredni{\vec{x} \cdot \nabla V(\vec{x})} = 2 \stredni{T}.
\]
Očekáváme obdobu v kvantové mechanice.
 
\begin{theorem}[Viriálový teorém]
Nechť hamiltonián $\hat{H}\neq\hat{H}(t)$ má tvar
\[
  \hat{H}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M} + \hat{V}(\vec{x}).
\]
Buď $\ket{\psi}$ jeho stacionární stav splňující $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi}$. Označme $\hat{T}=\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}$. Potom platí
\begin{equation} \label{PM:virial}
  2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}.
\end{equation} 
\begin{proof}
Ze zimy víme, že časový vývoj střední hodnoty pozorovatelné $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stavu $\ket{\psi}$ je určen rovnicí
\[
  i \hbar \frac{d}{dt} \stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \stredni{\komut{\hat{A}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}}.
\]
Buď $\hat{A} = \hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}$ a $\ket{\psi}$ stacionární stav z předpokladů věty. Potom musí být
\footnote{Střední hodnota libovolného operátoru $\hat{A}\neq\hat{A}(t)$ ve stacionárním stavu $\ket{\psi}$ je rovna konstantě, neboť $\hat{H} \ket{\psi} = E \ket{\psi} = i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi}$, odkud $\ket{\psi} = \exp \left( \frac{-i}{\hbar}E (t-t_0)\right)\ket{\psi_0}$. Střední hodnota operátoru $\hat{A}$ ve stavu $\ket{\psi}$ je potom
\[
  \stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}} = \brapigket{\exp\left(- \frac{i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0}{\hat{A}}
  {\exp\left(\frac{-i}{\hbar}E(t-t_0)\right)\psi_0} = \brapigket{\psi_0}{\hat{A}}{\psi_0},
\]
a tedy $\stredni{\hat{A}}_{\ket{\psi}}=\const.$ }
\begin{equation} \label{PM:virialkomut}
  \stredni{\komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}}}_{\ket{\psi}} = 0.
\end{equation} 
Užitím komutačních relací \eqref{MomH:RelaceMomH} a \eqref{MomH:KomutacniTrik} určíme komutátor na levé straně \eqref{PM:virialkomut}
\begin{align*}
  \komut{\hat{\vec{P}} \cdot \hat{\vec{X}}}{\hat{H}} &= 
  \hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\hat{H}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{H}} \hat{X}_i = 
  \hat{P}_i \komut{\hat{X}_i}{\frac{\hat{P}_j\hat{P}_j}{2M}} + \komut{\hat{P}_i}{\hat{V}(\vec{x})}\hat{X}_i = \\
  &= \frac{i \hbar}{M} \hat{\vec{P}}^2 - i \hbar \nabla \hat{V}(\vec{x}) \cdot \hat{\vec{X}}
\end{align*}
a dosazením získaného výsledku do \eqref{PM:virialkomut}
\[
  i \hbar \left( 2 \stredni{\frac{\hat{\vec{P}}^2}{2M}}_{\ket{\psi}} -
  \stredni{\hat{\vec{X}} \cdot \nabla \hat{V}(\vec{x})}_{\ket{\psi}}  \right) = 0.
\]
Tím je však formule \eqref{PM:virial} dokázána.
\end{proof}
\end{theorem}
 
\begin{example}
Užití Ritzovy variační metody k určení energie základního stavu atomu helia.
 
Atom helia je ve velmi dobré aproximaci možno považovat za systém tvoření dvěma elektrony nacházejícími se v coulombickém poli jádra. Hamiltonián zkoumaného systéme má tvar
\begin{equation} \label{PM:Hehamilt}
  \hat{H}= \frac{\hat{\vec{P}}_{(1)}^2}{2M} + \frac{\hat{\vec{P}}_{(2)}^2}{2M} - 
  \frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)}|} - \frac{Z \tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(2)}|} +
  \frac{\tilde{e}^2}{|\hat{\vec{X}}_{(1)} - \hat{\vec{X}}_{(2)}|},
\end{equation}
kde v přpadě helia klademe $Z=2$. Dále jsme  zavedli označení $\tilde{e}^2=\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0}$. Buď $\hat{H}_0$ hamiltonián bez posledního členu, $\hat{H}'$ buď poslední člen, zprostředkovávající vzájemnou interakci elektronů. Ze zimy známe explicitní tvar vlnové funkce $\psi_{100}$ popisující základní stav atomu $He^+$
\begin{equation} \label{PM:VFHHeplus}
  \psi_{100}(r,\vartheta,\varphi) = \frac{1}{\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a} \right)^{3/2} e^{\frac{-Zr}{a}},
\end{equation} 
kde $a$ představuje Bohrův poloměr
\[
  a=\frac{\hbar^2}{M \tilde{e}^2}.
\]
V základním stavu $\ket{\psi}$ atomu helia se nacházejí oba elektrony v jejich základním stavu $\psi_{100}(r,\vartheta,\varphi)$ ve shodě s Pauliho vylučovacím principem na základě jejich spinu. Vlnová funkce $\ket{\psi} \in L^2(\real^6,d^3x_{(1)}d^3x_{(2)})$, jež je vlastní funkcí $\hat{H}_0$ příslušející energii základního stavu $E_0^{(0)}$ má tvar
\begin{equation} \label{PM:HeVF1}
  \ket{\psi}=\psi_{100}(r_1,\vartheta_1,\varphi_1)\psi_{100}(r_2,\vartheta_2,\varphi_2)=
  \frac{1}{\pi}\left( \frac{Z}{a} \right)^3 e^{\frac{-Z}{a}(r_1+r_2)}.
\end{equation} 
Energie $E_0^{(0)}$ je určena výrazem
\begin{equation} \label{PM:HePor0}
  E_0^{(0)} = \frac{-\tilde{e}^2 Z^2}{a}.
\end{equation}
V zimě jsme rovně určovali energii základního stavu atomu helia pomocí poruchové teorie do 1. řádu s uvážením poruchového členu $\hat{H}'$. Příslušná oprava energie $E_0^{(1)}$ vyšla
\begin{equation} \label{PM:HePor1}
  E_0^{(1)} = \brapigket{\psi}{\hat{H}'}{\psi} = \frac{5}{8} \frac{\tilde{e}^2 Z}{a},
\end{equation}
kde $\ket{\psi}$ je vlastní funkce \eqref{PM:HeVF1} operátoru $\hat{H}_0$. Pro energii základního stavu jsme tak dostali
\begin{equation} \label{PM:HePorEn}
  E_0 = E_0^{(0)} + E_0^{(1)} = -108.8 + 34.0 = -74.8 eV.
\end{equation}
 
Nyní použijeme Ritzovu variační metodu k získání jiného odhadu. Užijeme přitom jednoparametrickou třídu zkušebních vektorů popsaných vlnovými funkcemi
\begin{equation} \label{PM:HeVF2}
  \ket{\varphi(r_1,\varphi_1,\vartheta_1,r_2,\varphi_2,\vartheta_2,\xi)}=\frac{1}{\pi} \xi^3 e^{-\xi(r_1+r_2)}.
\end{equation} 
Povšimněme si, že při volbě $\xi=Z/a$ přechází \eqref{PM:HeVF2} na \eqref{PM:HeVF1}. Pro $\forall \xi \in \real$ jsou vlnové funkce \eqref{PM:HeVF2} normalizované k jedničce. Dle \eqref{PM:RitzRozpi} hledáme minimum funkce
\begin{equation} \label{PM:HeEnergieRitz}
  E(\xi) = \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}}{\varphi(\xi)} =
    \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0}{\varphi(\xi)} + \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)}.
\end{equation} 
Druhý skalární součin na pravé straně poslední rovnosti získáme přímo z \eqref{PM:HePor1} záměnou $Z/a \mapsto \xi$, neboť  operátor $\hat{H}'$ je na $Z$ nezávislý, tj.
\begin{equation} \label{PM:Ham01Z}
  \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}'}{\varphi(\xi)} = \frac{5}{8} \tilde{e}^2 \xi.
\end{equation} 
První skalární součin na pravé straně \eqref{PM:HeEnergieRitz} je možno vyřešit rovněž bez počítání integrálu. Operátor $\hat{H}_0$ je však třeba rozdělit, neboť v jeho potenciální části explicitně vystupuje závislost na $Z$. Abychom mohli při pevném $Z$ provést pro $\forall \xi \in \real$ záměnu $Z/a \mapsto \xi$, musíme operátor $\hat{H}_0=\hat{H}_0(Z)$ rozepsat jako
\begin{equation} \label{PM:Ham00Z}
  \hat{H}_0(Z)=\hat{T}+\hat{V}(Z) = \hat{T}+\frac{Z}{\xi a} \hat{V}(\xi a),
\end{equation} 
kde operátor kinetické energie $\hat{T}$ je představován prvními dvěma členy formule \eqref{PM:Hehamilt}, v níž druhé dva členy reprezentují operátor $\hat{V}(Z)$.
 
Viriálový teorém \eqref{PM:virial} v případě našeho potenciálu má podobu
\[
  2 \stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = - \stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}}.
\]
Navíc z \eqref{PM:HePor0} musí platit
\[
  (\hat{T} + \hat{V}(\xi a)) \ket{\varphi(\xi)} = - \tilde{e}^2 \xi^2 a \ket{\varphi(\xi)}.
\]
Z posledních dvou formulí je možno získat 
\[
  \stredni{\hat{T}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = \tilde{e}^2 \xi^2 a, \quad
  \stredni{\hat{V}}_{\ket{\varphi(\xi)}} = -2 \tilde{e}^2 \xi^2 a.
\]
Na základě rovnosti \eqref{PM:Ham00Z} musí být
\[
  \brapigket{\varphi(\xi)}{\hat{H}_0(Z)}{\varphi(\xi)} = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2 Z) 
\]
což ve spojení s předchozím výsledkem \eqref{PM:Ham01Z} dává
\begin{equation} \label{PM:HeVarEn}
  E(\xi) = \tilde{e}^2 \xi (\xi a - 2Z + \frac{5}{8}).
\end{equation}
Tato funkce nabývá minima v bodě $\xi_0 = \frac{1}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)$ a hledaná hodnota energie je rovna
\begin{equation} \label{PM:HeRitzEn}
  E_0^{(var)}=E(\xi_0)=\frac{-\tilde{e}^2}{a}\left(Z-\frac{5}{16}\right)^2 \cong -77.5 eV,
\end{equation}
Což s experimentální hodnotou $E_0^{(exp)} = -78.9 eV$ souhlasí podstatně lépe, než výsledek \eqref{PM:HePorEn}.
 
Získaný výsledek \eqref{PM:HeRitzEn} je možno chápat (se zpětným pohledem na \eqref{PM:HePor0}) jako energii základního stavu, kde odpudivá síla mezi elektrony způsobila odstínění $5/16$ náboje každého z nich.
\end{example}
 
%================================================================================
\subsection{Nestacionární poruchová teorie}
%================================================================================
Předpokládejme hamiltonián ve tvaru
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklham}
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \epsilon \hat{V}(t),
\end{equation}
kde $\hat{H}_0$ nezávisí na čase.
\footnote{Nestacionární poruchová teorie se liší od poruchové teorie zavedené v zimě závislosti poruchového členu 
$\hat{V}=\hat{V}(t)$ na čase.}
Jak tvar hamiltoniánu napovídá, budeme dále užívat Diracovy reprezentace. Předpokládejme, že v počátečním čase $t_0$ máme systém ve stavu $\ket{\psi(t_0)}$ a že jeho časový vývoj umíme vyřešit v případě $\epsilon = 0$. Pro tento případ je časový vývoj stavu $\ket{\psi(t_0)}$ možno popsat Diracovým evolučním operátorem $\hat{U}_0(t,t_0)$, zavedeného v kapitole \ref{KapitolaDiracovaReprezentace} rovností \eqref{ZQM:DirOpEq}
\begin{equation} \label{PM:NPTopUO}
  \ket{\psi(t)} = \hat{U}_0 (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
\end{equation}
 
V dalším se bude zabývat úlohou, v níž máme zadán stav systému $\ket{\psi(t_0)}$ v čase $t_0$ a zajímá nás s jakou pravděpodobností přejde systém po provedení měření v čase $t$ do stavu $\ket{\psi_1}$. Budeme se tedy zabývat určením výrazu
\begin{equation} \label{PM:NPTzaklsouc}
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2.
\end{equation}
 
Zaveďme za tímto účelem evoluční operátor ve Schrödingerově reprezentaci $\hat{U}(t,t_0)$ zohledňující celý hamiltonián \eqref{PM:NPTzaklham} (v dalším operátory a stavy bez dodatečných indexů znamenají Schrödingerovu reprezentaci)
\begin{equation} \label{PM:NPTopUS}
  \ket{\psi(t)} = \hat{U} (t,t_0) \ket{\psi(t_0)}.
\end{equation}
 
Podobně pro vývoj stavů v Diracově reprezentaci zavedeme operátor $\hat{U}_D(t,t_0)$ splňující
\footnote{Máme tedy už celkem 3 evoluční operátory: $\hat{U}_0(t,t_0)$, $\hat{U}(t,t_0)$ a $\hat{U}_D(t,t_0)$. Připomeňme, že všechny jsou unitární.}
\begin{equation} \label{PM:NPTopUD}
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_D(t_0)}.
\end{equation}
 
Vztah mezi stavy v Diracově a Schrödingerově reprezentaci popisuje rovnice \eqref{ZQM:DirVec}
\[
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger (t,t_0) \ket{\psi(t)}.
\]
Za předpokladu $\ket{\psi(t_0)} = \ket{\psi_D(t_0)} = \ket{\psi_0}$ (tedy že obě reprezentace se v čase $t_0$ shodují), můžeme poslední rovnost užitím \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPTopUD} přepsat jako
\[
  \ket{\psi_D(t)} = \hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) \ket{\psi_0} = \hat{U}_D (t,t_0) \ket{\psi_0},
\]
čímž získáváme rovnost mezi zavedenými evolučními operátory
\begin{equation} \label{PM:NPT3op}
  \hat{U}_0^\dagger(t,t_0) \hat{U}(t,t_0) = \hat{U}_D (t,t_0).
\end{equation}
 
Dále na základě rovnosti \eqref{ZQM:DirVF} popisující časový vývoj stavů v Diracově reprezentaci, musí platit
\[
  i \hbar \frac{d}{dt} \ket{\psi_D(t)} = \epsilon \hat{V}_D(t) \ket{\psi_D(t)},
\]
odkud dosazením z \eqref{PM:NPTopUD} dostáváme diferenciální rovnici pro operátor $\hat{U}_D(t,t_0)$
\begin{equation} \label{PM:NPToprDR}
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D(t,t_0) = \epsilon \hat{V}_D(t) \hat{U}_D(t,t_0).
\end{equation}
 
Vraťme se nyní k výrazu \eqref{PM:NPTzaklsouc} a dosaďme do něj z \eqref{PM:NPTopUS} a \eqref{PM:NPT3op}
\[
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = |\brapigket{\psi_1}{\hat{U}(t,t_0)}{\psi_0}|^2 = 
     |\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_0(t,t_0) \hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}|^2.
\]
Předpokládejme $\hat{H}_0 \ket{\psi_1} = E_1 \ket{\psi_1}$ a nechme operátor $\hat{U}_0(t,t_0)$ působit na bra $\bra{\psi_1}$. Využitím explicitního tvaru $\hat{U}_0(t,t_0)$ \eqref{ZQM:DirEvOp} dostáváme
\begin{equation} \label{PM:NPTmatel}
  |\braket{\psi_1}{\psi(t)}|^2 = \left| e^{\frac{i}{\hbar}E_1(t-t_0)}\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
    \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2.  
\end{equation}
 
Převedli jsme původní úlohu na hledání maticových elementů $\brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0}$, kde operátor $\hat{U}_D (t,t_0)$ splňuje rovnost \eqref{PM:NPToprDR}. Předpokládejme poruchový rozvoj operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$ ve tvaru
\begin{equation} \label{PM:NPTUDrozvoj}
  \hat{U}_D (t,t_0) = \hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) + \sum_{k=1}^{+\infty} \epsilon^k \hat{U}_D^{(k)} (t,t_0).  
\end{equation}
První člen rozvoje $\hat{U}_D^{(0)} (t,t_0)$ určíme dosazením poslední rovnosti do diferenciální rovnice \eqref{PM:NPToprDR}. Při volbě $\epsilon = 0$ získáváme (za dodatečného předpokladu $\hat{U}_D (t_0,t_0)=\opone$)
\[
  \hat{U}_D^{(0)} (t,t_0) = \opone.
\]
Dále porovnáním členů úměrných $\epsilon$ resp. $\epsilon^2$
\[
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t),
\]
resp.
\[
  i \hbar \frac{d}{dt} \hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) = \hat{V}_D (t) \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0),
\]
získáváme pro další členy rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} vzorce
\begin{align}
  \hat{U}_D^{(1)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \: d\tilde{t},  \nonumber \\
  \hat{U}_D^{(2)} (t,t_0) &= \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D(\tilde{t}) \hat{U}_D^{(1)} (\tilde{t},t_0) \: d\tilde{t} =
    \left(\frac{-i}{\hbar}\right)^2 \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2  
    \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2). \label{PM:NPTUD2aprox}
\end{align}
Obecně pro $n$-tý člen rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj}
\begin{equation} \label{PM:NPTUDN}
  \hat{U}_D^{(n)} (t,t_0)  = \left(\frac{-i}{\hbar}\right)^n 
    \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{n-1}} dt_n
    \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2) \ldots \hat{V}_D (t_n).
\end{equation}
 
V dalším předpokládejme nejhrubší možnou aproximaci operátoru $\hat{U}_D (t,t_0)$, tedy
\begin{equation} \label{PM:NPTpredp}
  \hat{U}_D (t,t_0)  \approx \opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1. 
\end{equation}
Dále buď $\hat{H}_0 \ket{\psi_0}=E_0 \ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0 \ket{\psi_1}=E_1 \ket{\psi_1}$. Tvar maticového elementu ve výrazu \eqref{PM:NPTmatel} budeme řešit zvlášť pro $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 0$ a $\braket{\psi_1}{\psi_0} = 1$. Uvažujme nejprve první z případů a dosaďme předpokládaný tvar řešení \eqref{PM:NPTpredp} do \eqref{PM:NPTmatel}. Dostáváme
\[
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
  \left| \brapigket{\psi_1}{\opone - \frac{i}{\hbar} \epsilon \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2 =
  \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \brapigket{\psi_1}{\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1}{\psi_0} \right|^2,
\]
kde je možno převést operátor $\hat{V}_D (t_1)$ do Schrödingerovy reprezentace užitím \eqref{ZQM:DirOp} a vytáhnout integrál pryč ze skalárního součinu. Výsledkem je
\begin{equation} \label{PM:NPTpr1}
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 =
  \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \left| \int\limits_{t_0}^t e^{\frac{i}{\hbar}(t_1-t_0)(E_1-E_0)} 
    \brapigket{\psi_1}{\hat{V}(t_1)}{\psi_0}dt_1 \right|^2.
\end{equation}
 
Při nejhrubší aproximaci musí pro ortogonální stavy platit, že pravděpodobnost, že částice, jež byla v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_0}$ bude po provedení měření v čase $t$ převedena do stavu $\ket{\psi_1}$ je stejná jako pravděpodobnost, že měření v čase $t$ převede částici, jež byla v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_1}$ do stavu $\ket{\psi_0}$.
 
Vezměme si nyní případ $\braket{\psi_1}{\psi_0}=1$ a zkoumejme stejným způsobem výraz
\[
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
  \left| \braket{\psi_1}{\psi_0} - \frac{i \epsilon}{\hbar}\brapigket{\psi_1}
    {\int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) \: dt_1}{\psi_0} \right|^2.
\]
Výraz na pravé straně je $\geq 1$ neboť reálná část výrazu v absolutní hodnotě je tvořena pouze $\braket{\psi_1}{\psi_0}$ a je rovna jedné. K ní přispěje ryze imaginární druhý člen a tak hodnota posledního výrazu musí být $\geq 1$. V tomto případě je třeba v rozvoji $\hat{U}_D(t,t_0)$ uvažovat členy úměrné alespoň $\epsilon^2$, abychom získali smysluplný výsledek. 
 
Vraťme se k případu $\braket{\psi_1}{\psi_0}=0$. Zde se může v nejhrubší aproximaci stát, že pravděpodobnost přechodu
$\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$ je malá v porovnání s pravděpodobnostmi přechodů do jiných stavů
$\left| \brapigket{\psi_i}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$. Pro nejhrubší smysluplnou aproximaci může být třeba započítat i členy vyššího řádu rozvoje. Podívejme se, jak dopadne aproximace do $\epsilon^2$. Užitím explicitního vyjádření $\hat{U}_D^{(2)}(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUD2aprox} dostáváme
\[
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2 \approx
  \left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2 \hat{V}_D (t_1) \hat{V}_D (t_2)}
  {\psi_0} \right|^2.
\]
Pokud je možno $\ket{\psi_0}$, $\ket{\psi_1}$ doplnit na ON bázi $(\ket{\psi_k})$: $\hat{H}_0\ket{\psi_k}=E_k\ket{\psi_k}$, potom lze poslední výraz upravit
\begin{align}
  \left| \brapigket{\psi_1}{- \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \hat{V}_D (t_1) dt_1
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2}\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2 
  \hat{V}_D (t_1) \left( \sum_k \ket{\psi_k}\bra{\psi_k} \right) \hat{V}_D (t_2)}
  {\psi_0} \right|^2 = \nonumber \\
  = \left| - \frac{i\epsilon}{\hbar} \int\limits_{t_0}^t \brapigket{\psi_1}{\hat{V}_D (t_1)}{\psi_0} dt_1
  - \frac{\epsilon^2}{\hbar^2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1}dt_2 
  \sum_k \brapigket{\psi_1}{\hat{V_D}(t_1)}{\psi_k} \brapigket{\psi_k}{\hat{V_D}(t_2)}{\psi_0} \right|^2. \label{PM:NPT2RAD}
\end{align}
 
Pokud byla do prvního řádu poruchového rozvoje $\hat{U}_D(t,t_0)$ pravděpodobnost přechodu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{U}_D (t,t_0)}{\psi_0} \right|^2$ „malá“, bude v posledním výraze převažovat člen s dvojným integrálem. Ten je možno chápat jako přeskok přes mezistav, který umožnil systému dostat se v důsledku našeho měření v čase $t$ do finálního stavu $\ket{\psi_1}$. Nejsme totiž schopni rozlišit, zdali systém v nějakém mezistavu byl či nikoliv. Za povšimnutí rovněž stojí, že uvnitř absolutní hodnoty se sčítají amplitudy pravděpodobnosti - tím pádem může docházet k interferenci. Je snadno uvěřitelné, že při započítání vyšších členů rozvoje \eqref{PM:NPTUDrozvoj} zohledníme více možných přeskoků přes mezistavy.  
 
V literatuře je možno potkat operátor $\hat{U}_D^{(n)}(t,t_0)$ (viz \eqref{PM:NPTUDN}) zapsaný pomocí operátoru časového uspořádání $\hat{T}$.
 
\begin{define}
Buďte $\hat{A}=\hat{A}(t)$, $\hat{B}=\hat{B}(t)$ libovolné operátory závislé na čase, $t_1$, $t_2$ libovolné časy. \textbf{Operátor časového uspořádání} $\hat{T}$ definujeme
\[
  \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2) \big] =
  \begin{cases}
    \hat{A}(t_1)\hat{B}(t_2), \quad \text{když} \quad t_1 \geq t_2, \\
    \hat{B}(t_2)\hat{A}(t_1), \quad \text{když} \quad t_1 < t_2.
  \end{cases}
\]
\end{define}
 
\begin{remark}
Analogicky se dá zavést působení $\hat{T}$ na více operátorů.
\end{remark}
 
Věnujme pozornost následujícímu integrálu
\begin{equation} \label{PM:NPTopcasuspor}
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big] =
  \underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)}_{t_1 \geq t_2} +
  \underbrace{\int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_1}^{t} dt_2 \hat{A}(t_2)\hat{A}(t_1)}_{t_1 < t_2}.
\end{equation}
Ukážeme, že integrály na pravé straně předchozí rovnosti jsou stejné. Provedeme formálně záměnu $t_1 \leftrightarrow t_2$ ve druhém integrálu
\[
  \int\limits_{t_0}^t dt_2 \int\limits_{t_2}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2)
\]
a následnou záměnou integračního pořadí zjistíme, že oba integrály na pravé straně \eqref{PM:NPTopcasuspor} se skutečně shodují. Dostáváme tak
\[
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) =
  \frac{1}{2} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1)\hat{A}(t_2) \big].
\]  
Indukčně by bylo možno ukázat
\[
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t_1} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t_{k-1}} dt_k 
    \hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k) =
  \frac{1}{k!} \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
  \hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \ldots \hat{A}(t_k)\big].
\]  
Rozvoj operátoru $\hat{U}_D(t,t_0)$ \eqref{PM:NPTUDrozvoj} je pak možno elegantněji zapsat
\begin{equation} \label{PM:NPTUDROZV}
  \hat{U}_D(t,t_0) = \sum_{k=0}^{+ \infty} \frac{1}{k!} \left( \frac{- i}{\hbar} \right)^k
  \int\limits_{t_0}^t dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \ldots \int\limits_{t_0}^{t} dt_k
    \hat{T} \big[\hat{V}_D(t_1) \ldots \hat{V}_D(t_k)\big],
\end{equation}
což je řada připomínající rozvoj exponenciely. Zaveďme formálně
\[
  \hat{T} \exp \left\{ \int\limits_{t_0}^{t} d\tilde{t} \hat{A}(\tilde{t}) \right\} =
  \opone + \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \hat{A}(t_1) + 
    \frac{1}{2!} \int\limits_{t_0}^{t} dt_1 \int\limits_{t_0}^{t} dt_2 \hat{T} \big[\hat{A}(t_1) \hat{A}(t_2)\big] + \ldots
\]
Vyjádření \eqref{PM:NPTUDROZV} je pak možno převést do finálního tvaru
\[
  \hat{U}_D(t,t_0) = \hat{T} \exp \left\{ \frac{-i}{\hbar} \int\limits_{t_0}^{t} \hat{V}_D(\tilde{t}) d\tilde{t} \right\}.
\]
 
\begin{remark}
  Pro $t_1 \neq t_2$ je obecně $\komut{\hat{V}_D(t_1)}{\hat{V}_D(t_2)} \neq 0$. Proto bylo třeba zavést operátor časového uspořádání $\hat{T}$.
\end{remark}
 
\begin{example}
Interakce elektromagnetického záření s látkou
 
Předpokládejme záření popsané klasicky, tedy Maxwellovými rovnicemi pomocí vektoru intenzity elektrického pole $\vec{E}$ a vektoru magnetické indukce $\vec{B}$. Abychom tento předpoklad ospravedlnili, budeme uvažovat záření s dlouhými vlnovými délkami v porovnání s rozměry atomů (vzpomeňme na Comptonův rozptyl). Dále předpokládejme, že záření neinteraguje s jádry - tedy že dochází ke změně pouze v atomových obalech (excitace, deexcitace). Jelikož $\vec{E}$ má na náboje urychlující, resp. zpomalující účinek, zatímco $\vec{B}$ pouze natáčí směr pohybu náboje, budeme v 1. přiblížení zkoumat vliv pouze $\vec{E}$. Hamiltonián jednoho atomu zapíšeme
\[
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \sum_{k=1}^n e \vec{E}(t) \hat{\vec{X}}_{(k)},
\]
kde $\hat{H}_0$ popisuje elektrony vázané v coulombickém potenciálu jádra, zatímco suma na pravé straně popisuje jejich interakci s vnějším elektrickým polem (dopadajícím zářením). Uvažujeme $n$ elektronů v jádru, každý popsaný polohovým vektorem $\vec{x}_k$. Tvar interakčního členu by měl být zřejmý z Lorentzovy síly.
Zavedeme operátor elektrického dipólového momentu $\hat{\vec{D}}$ vztahem
\[
  \hat{\vec{D}} = \sum_{k=1}^n e \hat{\vec{X}}_{(k)}.
\] 
Za předpokladu, že dopadající EM záření je lineárně polarizované, lze volbou soustavy souřadnic docílit, aby $\vec{E}(t) || \hat{\vec{D}}$. Interakční člen $\hat{V}(t)$ je možno zapsat
\[
  \hat{V}(t) = E(t)\hat{D}.
\]
 
Zabývejme se nyní otázkou, s jakou pravděpodobností $W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1)$ v 1. řádu (nestacionárního) poruchového rozvoje přejde systém, jež byl v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_0}$ do stavu $\ket{\psi_1}$ v čase $t_1$. Za tímto účelem předpokládejme $\braket{\psi_1}{\psi_0}=0$, $\hat{H}_0\ket{\psi_0}=E_0\ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0\ket{\psi_1}=E_1\ket{\psi_1}$. Dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, je hledaná pravděpodobnost
\begin{align} \label{PM:NPTpr1vys1}
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) &= \frac{1}{\hbar^2}
  \left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)} 
    \brapigket{\psi_1}{\hat{D}E(t)}{\psi_0}dt \right|^2 = \nonumber \\
  &= \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 \frac{1}{\hbar^2}
  \left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{\frac{i}{\hbar}(t-t_0)(E_1-E_0)} E(t) dt \right|^2
\end{align}
 
Z klasické elektrodynamiky je znám vzorec pro energii $E_{\nu}$ EM záření dopadajícího na jednotku plochy na jednotkový rozsah frekvencí kolem $\nu$ za čas $t_1-t_0$
\[
  E_{\nu} = \frac{c}{2\pi} \left| \int\limits_{t_0}^{t_1}  e^{2\pi i \nu (t-t_0)} E(t) dt \right|^2,
\]
kde $E(t)$ v integrandu představuje intenzitu kolmo dopadající složky elektrického pole. Označíme-li $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$, je možno užitím poslední rovnosti zjednodušit výraz \eqref{PM:NPTpr1vys1} do finální podoby
\[
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{2\pi}{c\hbar^2}
    \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2 E_{\nu}.
\]
Pravděpodobnost excitace (resp. deexcitace) $E_0 \leftrightarrow E_1$ je tedy úměrná členu $\left| \brapigket{\psi_1}{\hat{D}}{\psi_0} \right|^2$ (jež je třeba brát jako konstantu) a hustotě energie složky EM vlnění o frekvenci blízké $\nu = \frac{|E_1-E_0|}{\hbar}$.
\end{example}
 
 
\begin{example}
Poruchový rozvoj v nejnižším řádu pro potenciál $\hat{V} \neq \hat{V}(t)$ (v Diracově obraze může být $\hat{V}_D = \hat{V}_D(t)$)
 
Budeme postupovat obdobně jako v předchozím příkladu. Mějme systém v čase $t_0$ ve stavu $\ket{\psi_0}$. V čase $t_1$ provádíme měření. Zajímá nás pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1)$, že jím převedeme systém do stavu $\ket{\psi_1}$. Hamiltonián má tvar $\hat{H}=\hat{H}_0 + \hat{V}$, přičemž předpokládáme $\braket{\psi_1}{\psi_0}=0$, $\hat{H}_0\ket{\psi_0} = E_0 \ket{\psi_0}$, $\hat{H}_0\ket{\psi_1} = E_1 \ket{\psi_1}$.
Hledaná pravděpodobnost je dle \eqref{PM:NPTpr1}, kde klademe $\epsilon = 1$, po jednoduché úpravě rovna
\[
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) = \frac{1}{\hbar^2} 
  \left| \brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0} \right|^2 \left| \int\limits_{t_0}^{t_1} e^{\frac{i}{\hbar}(E_1 - E_0)t} dt \right|^2.
\]
Poslední integrál je možno spočítat
\footnote{Výpočet se provede buď exaktně matematicky s rozdělením integrandu na reálnou a imaginární část, nebo podstatně rychlejšími barbarskými fyzikálními způsoby okamžitou integrací, při níž $i$ představuje jen symbol. Rozhodnutí nechávám na vkusu počtáře. Obě cesty vedou ke stejnému cíli.}
s výsledkem
\begin{equation} \label{PM:NPTpr2vysl}
  W_{\ket{\psi_0} \rightarrow \ket{\psi_1}}(t_0,t_1) =
  \frac{4 \left|\brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0}\right|^2}{(E_1-E_0)^2} 
  \sin^2 \left( \frac{E_1-E_0}{2\hbar} (t_1-t_0) \right).
\end{equation}
 
Tohoto výsledku využijeme v následujícím příkladě. Povšimněme si výrazného potlačení posledního výrazu pro velké rozdíly energií $E_1-E_0$. Rovněž je možno nalezený výraz odhadnout shora hodnotou 
$\frac{4 \left|\brapigket{\psi_1}{\hat{V}}{\psi_0}\right|^2}{(E_1-E_0)^2}$.
\end{example}
 
 
\begin{example}
Nabitá částice v krabici.
 
Mějme částici o hmotnosti $M$ a náboji $e$ v krabici $(0,a)\times(0,b)\times(0,c)$ v počátečním stavu $\ket{qrs}$. V čase $t=0$ zapneme elektrické pole $\vec{E}=(E,0,0)$ a v čase $T$ jej vypneme. S jakou pravděpodobností po změření energie v čase $t>T$ najdeme částici ve stau $\ket{QRS}$, přičemž $(Q,R,S)\neq\ket{q,r,s}$.
 
Předpokládejme, že částice nemůže z krabice uniknout. Pracujeme tedy na $\hilbert = L^2((0,a)\times(0,b)\times(0,c), d^3x)$. Částici v krabici je možno chápat jako částici v nekonečně hluboké trojrozměrné potenciálové jámě. V případě částice v jednorozměrné nekonečně hluboké potenciálové jámě, kde $V(x)=0$ pro $x \in (0,a)$ mají vlastní funkce $\psi_q(x)$ tvar
\begin{equation} \label{PM:NPTONVF1}
  \psi_q(x) = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right).
\end{equation}
Pro $q \in \priroz$ tvoří tyto funkce ON soubor. Očekáváme, že vlastní funkce částice v krabici budou tvaru 
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3VF}
  \ket{qrs} = \sqrt{\frac{8}{abc}} \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) 
  \sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right)
\end{equation}
a pro $q,r,s \in \priroz$ budou rovněž tvořit ON soubor, tedy $\braket{qrs}{QRS} = \delta_{qQ} \delta_{rR} \delta_{sS}$. Označme
\[
  \hat{H}=\hat{H}_0 + \hat{V}, \qquad \hat{H}_0=\frac{- \hbar^2}{2M}\Delta, \quad \hat{V}=-eEx \cdot.
\]
K řešení úlohy využijeme výsledku předchozího příkladu \eqref{PM:NPTpr2vysl}. Budeme potřebovat vlastní hodnoty $E_{qrs}$ hamiltoniánu $\hat{H}_0$. Jeho působení na ket $\ket{qrs}$ je triviální. Platí
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3Energy}
  \hat{H}_0 \ket{qrs} = \frac{\hbar^2}{2M} \left[ \left( \frac{\pi q}{a} \right)^2 +
    \left( \frac{\pi r}{b} \right)^2 + \left( \frac{\pi s}{c} \right)^2 \right] \ket{qrs} = 
  E_{qrs} \ket{qrs}.
\end{equation}
 
Dále bude třeba určit výraz $\brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs}$. Užitím tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NPTpr3VF} a dosazením za operátor $\hat{V}=-eEx \cdot$ dostáváme
\begin{align*}
  \brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \frac{-8eE}{abc} \int\limits_0^a dx \int\limits_0^b dy \int\limits_0^c dz &\biggl\{
    x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right) \times \\
      &\sin \left( \frac{\pi r y}{b} \right) \sin \left( \frac{\pi R y}{b} \right)
      \sin \left( \frac{\pi s z}{c} \right) \sin \left( \frac{\pi S z}{c} \right) \biggr\}.
\end{align*}
Využitím ortonormality vlastních funkcí \eqref{PM:NPTONVF1} se integrál zjednoduší na
\[
  \frac{-2eE}{a} \delta_{rR} \delta_{sS} \int\limits_0^a 
  x \sin \left( \frac{\pi q x}{a} \right) \sin \left( \frac{\pi Q x}{a} \right)  dx.
\]  
Po násilném zintegrování zbytku se výsledek rozpadne na dva podpřípady
\begin{equation} \label{PM:NPTpr3skalsouc}
  \brapigket{QRS}{\hat{V}}{qrs} = \begin{cases}
    0 \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{sudé}, \\
    \delta_{rR} \delta_{sS} \frac{-8aeE}{\pi^2} \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \quad \text{pro} \quad $(q+Q)$ \: \text{liché}.
  \end{cases}
\end{equation}
 
Pro jednoduchost zavedeme označení
\begin{equation} \label{PM:NPTpr32funkce}
  \omega = \frac{E_{QRS}-E_{qrs}}{\hbar}, \quad I_T(\omega)=\frac{4}{\omega^2} \sin^2 \left(\frac{1}{2}\omega T\right).
\end{equation}
 
Výsledná pravděpodobnost $W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T)$, že částici, jež byla na počátku ve stavu $\ket{qrs}$ převedeme měřením provedeném po čase $T$ do stavu $\ket{QRS}$ je dle \eqref{PM:NPTpr2vysl} rovna
\[
  W_{\ket{qrs} \rightarrow \ket{QRS}}(T) = 
    \left( \frac{8aeE}{\pi^2 \hbar} \right)^2 \left( \frac{qQ}{(Q^2-q^2)^2} \right)^2
    |I_T(\omega)| \delta_{rR} \delta_{sS},
\]
přičemž musí navíc $q \neq Q$, $(q+Q)$ liché. V 1. řádu poruchové teorie může systém přeskočit pouze do stavů s $Q$ lišícím se o liché číslo. Přeskok do zbylých stavů by se objevil ve vyšším řádu poruchové teorie (viz \eqref{PM:NPT2RAD}), kde by byl reprezentován dvěma přeskoky.
 
Věnujme chvíli pozornost funkci $I_T(\omega)$ definovaná \eqref{PM:NPTpr32funkce}. Tato funkce nabývá maxima pro $\omega=0$, přičemž nulové hodnoty nabývá v bodech $\omega_T=\frac{2\pi k}{T}$, kde $k \in \cela \backslash \{0\}$. Průběh pro $T=2,3,4$ je na obrázku \ref{PM:NPTgraphITomega}.
\begin{figure}[ht]
  \centering
   \includegraphics[]{ITomega}
  \caption{Průběh $I_T(\omega)$ pro $T=2,3,4$}
  \label{PM:NPTgraphITomega}
\end{figure}
 
Z grafu vidíme, že pro $T$ malé je $I_T(\omega)$ dost široké, tj. nezanedbatelné pro velký počet možných energií. Naproti tomu pro $T$ velké je $I_T(\omega)$ nezanedbatelné pouze v malé oblasti kolem nuly. Energie se tedy prakticky nezmění. Toto je možno chápat jako projev principu neurčitosti energie: Při měření trvajícím čas $T$ jsme schopni určit energii $E$ s přesností maximálně řádu $\hbar/T$.
\end{example}
 
 
%================================================================================
\subsection{Náhlá změna hamiltoniánu}
%================================================================================
Budeme uvažovat systém, jež je v čase $t_0<0$ popsán hamiltoniánem $\hat{H}_-$. V čase $t=0$ dojde ke změně v systému. Systém je v čase $t>0$ popsán novým hamiltoniánem $\hat{H}_+$ (může se jednat o chemickou reakci, změnu parametrů HO, rozpad jádra...). Budeme se zabývat otázkou, s jakou pravděpodobností při měření energie v čase $t>0$ naměříme energii $E_+$, pokud byl systém v čase $t_0<0$ ve stacionárním stavu $\ket{\psi_-}$: $\hat{H}_- \ket{\psi_-} = E_- \ket{\psi_-}$.
\footnote{Jedná se o přibližnou metodu z důvodu předpokladu okamžité změny hamiltoniánu v čase $t=0$. Vhodnější by bylo předpokládat, že ke změně hamiltoniánu dochází v časovém intervalu $(-\epsilon,\epsilon)$.}.
 
Předpokládejme, že známe spektrum i vlastní vektory operátorů $\hat{H}_-$, $\hat{H}_+$. Časový vývoj počátečního stacionárního stavu $\ket{\psi_-} = \ket{\psi_-(t_0)}$ je pro čas $t<0$ určen rovnicí
\[
  \ket{\psi_-(t)} = e^{\frac{-i}{\hbar}E_-(t-t_0)}   \ket{\psi_-(t_0)}.
\]
Pro čas $t=0$ potom
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimin0}
  \ket{\psi_-(0)} = e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0}   \ket{\psi_-(t_0)}.
\end{equation}
Za předpokladu, že vlastní funkce operátoru $\hat{H}_+$ tvoří ON bázi $\hilbert$ $(\ket{\varphi_k})$: $\hat{H}_+ \ket{\varphi_i} = E_i \ket{\varphi_i}$, je možno zapsat vývoj počátečního stavu $\ket{\psi_-(t_0)}$ v čase $t>0$ pomocí rozkladu vektoru \eqref{PM:NZHpsimin0} do báze vlastních funkcí $\hat{H}_+$, jejichž časový vývoj známe
\begin{equation} \label{PM:NZHpsimint}
  \ket{\psi_-(t)} = \sum_k e^{\frac{-i}{\hbar}E_k t} \braket{\varphi_k}{\psi_-(0)}  \ket{\varphi_k}.
\end{equation}
Předpokládejme, že v čase $t>0$ provádíme měření energie a zajímá nás, s jakou pravděpodobností 
$W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t)$ převedeme systém do stacionárního stavu $\ket{\psi_+(t)}=\ket{\varphi_1}$. Dle očekávání je tato pravděpodobnost rovna
\[
  W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) = 
    \left| \braket{\psi_-(t)}{\psi_+(t)}  \right|^2 = \left| \braket{\psi_-(t)}{\varphi_1}  \right|^2,
\]  
kam dosazením za $\ket{\psi_-(t)}$ z \eqref{PM:NZHpsimint} a \eqref{PM:NZHpsimin0} a využitím ortonormality báze $(\ket{\varphi_k})$ dostaneme
\begin{equation} \label{PM:NZHmain}
  W_{\ket{\psi_-} \rightarrow \ket{\psi_+}}(t_0,t) = 
    \left| \sum_k e^{\frac{i}{\hbar} E_k t} e^{\frac{i}{\hbar}E_- t_0} 
    \bra{\varphi_k} \braket{\psi_-}{\varphi_k} \ket{\varphi_1}  \right|^2 =
    \left| \braket{\psi_-}{\psi_+}  \right|^2.
\end{equation}
 
Výsledný vztah byl obdržen za velmi zjednodušujících podmínek - především jsme požadovali znalosti spekter i vlastních funkcí obou hamiltoniánů $\hat{H}_-$, $\hat{H}_+$. Získaný výsledek nicméně užijeme v následujících příkladech.
 
\begin{example}
Nekonečně hluboká jednorozměrná potenciální jáma šířky $a$, tj. $x \in (0,a)$ zdvojnásobí v čase $t=0$ svou šířku, tj. $x \in (-a,a)$. S jakou pravděpodobností najdeme systém, který v čase $t<0$ byl v základním stavu, v základním stavu v čase $t>0$?
 
Tvar vlnových funkcí je na základě \eqref{PM:NPTONVF1} následující
\[
  \ket{\psi_-} = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{a}\right), \quad
  \ket{\psi_+} = \sqrt{\frac{1}{a}} \sin \left(\frac{\pi q x}{2a}\right).
\]
Základní stav $\ket{\psi_{-0}}$, resp. $\ket{\psi_{+0}}$ získáme při volbě $q=1$. Jelikož $\ket{\psi_{-0}}$ není na $(-a,0)$ definováno, bude hledaná pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t)$ dána dle \eqref{PM:NZHmain} výrazem
\[
  W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \left| \braket{\psi_{-0}}{\psi_{+0}}  \right|^2 =
  \frac{\sqrt{2}}{a} \int\limits_0^a \sin \left(\frac{\pi x}{a}\right) \sin\left( \frac{\pi x}{2a} \right),
\]
což po integraci dává
\[
  W_{\ket{\psi_{-0}} \rightarrow \ket{\psi_{+0}}}(t) = \frac{32}{9\pi^2} \cong 36\%.
\]
 
\begin{remark}
Tento výsledek není překvapující, neboť energie základního stavu $\ket{\psi_{+0}}$ je menší než energie základního stavu $\ket{\psi_{-0}}$. Z platnosti zákona zachování energie na makroskopické úrovni se dá odůvodni získaný výsledek.
\end{remark}
\end{example}
 
 
\begin{example}
Mějme atom tricia s elektronem v základním stavu. V čase $t=0$ dojde k $\beta$-rozpadu
\[
  H_1^3 \stackrel{\beta}{\rightarrow} \left(He_2^3\right)^+.
\]
Určete pravděpodobnost, že po rozpadu nalezneme elektron v obalu $He_2^3$ v základním stavu. S jakou pravděpodobností v 1. excitovaném stavu?
 
Normalizované vlastní funkce pro elektron v základním stavu atomu vodíku $\ket{\psi_0^H}$ resp. kationtu helia $\ket{\psi_0^{He}}$ mají tvar (viz \eqref{PM:VFHHeplus})
\begin{equation} \label{PM:NZHpr2VF1}
\ket{\psi_0}=\frac{1}{\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{3/2} e^{-Zr/{a_0}},
\end{equation}
kde v případě vodíku klademe $Z=1$, v případě helia $Z=2$. $a_0$ zde představuje Bohrův poloměr pro atom vodíku. Pravděpodobnost $W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}}$, že elektron v heliovém atomu nalezneme v základním stavu je dle \eqref{PM:NZHmain} rovna
\[
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \left| \braket{\psi_0^H}{\psi_0^{He}} \right|^2.
\]  
Dosazením explicitního tvaru vlnových funkcí \eqref{PM:NZHpr2VF1} a po určení skalárního součinu dostáváme
\[
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}} = \frac{512}{719} \cong 70 \%.
\]  
Přechod do 1. excitovaného stavu je komplikovanější z důvodu degenerace 1. excitovaného stavu atomu $He^+$. Normalizované vlastní funkce jsou
\begin{align} \label{PM:NZHpr2VF2}
  \ket{\psi_{200}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{3/2}
     \left( 2 - \frac{Zr}{a_0} \right) e^{-Zr/{2a_0}}, \nonumber \\
  \ket{\psi_{210}} &= \frac{1}{4\sqrt{2\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
     r \: e^{-Zr/{2a_0}} \cos \vartheta,  \\   
  \ket{\psi_{21\pm1}} &= \frac{\mp1}{8\sqrt{\pi}} \left( \frac{Z}{a_0} \right)^{5/2}
     r \: e^{-Zr/{2a_0}} \sin \vartheta \: e^{\pm i \varphi}, \nonumber 
\end{align}
kde opět v případě atomu $He^+$ klademe $Z=2$. Je třeba spočítat zvlášť pravděpodobnosti přechodů do jednotlivých stavů \eqref{PM:NZHpr2VF2} a výsledky sečíst (je to snažší, než vypadá). Výsledek
\[
  W_{\ket{\psi_0^H} \rightarrow \ket{\psi_1^{He}}} = \frac{1}{4} = 25\%.
\]
 
Předpokládejme dále, že máme rovnováhu mezi $\beta$-rozpadem tricia a deexcitací elektronů v obalu atomu helia $\ket{\psi_1^{He}} \rightarrow \ket{\psi_0^{He}}$. V důsledku této deexcitace je vyzářen foton o energii $40,8 \: eV$ (spadá do UV světla). Tento foton je možno absorbovat jiným materiálem a převést tak jeho energii ve viditelné světlo (předpokládejme, že se tak děje s účiností 100 \%). Poločas rozpadu tricia je $T_{1/2}=13.3 \: let$. Určete, kolik tricia je třeba k získání zdroje světla o světelném výkonu $1 \: W$.
 
Postup nechám na bujné fantazii počtáře. Výsledek by měl být kolem $1.85 \: kg$.
 
 
 
\end{example}