TEORIA PERTURBATIVA DIPENDENTE DAL TEMPO



Documenti analoghi
Spettrofotometria. Le onde luminose consistono in campi magnetici e campi elettrici oscillanti, fra loro perpendicolari.

Come visto precedentemente l equazione integro differenziale rappresentativa dell equilibrio elettrico di un circuito RLC è la seguente: 1 = (1)

Complementi di Analisi per Informatica *** Capitolo 2. Numeri Complessi. e Circuiti Elettrici. a Corrente Alternata. Sergio Benenti 7 settembre 2013

EMISSIONE E ASSORBIMENTO DI LUCE DA PARTE DELLA MATERIA

Da Newton a Planck. La struttura dell atomo. Da Newton a Planck. Da Newton a Planck. Meccanica classica (Newton): insieme

Energia potenziale elettrica

May 5, Fisica Quantistica. Monica Sambo. Sommario

Descrizione matematica della propagazione Consideriamo una funzione ξ = f(x) rappresenatata in figura.

Struttura Elettronica degli Atomi

GIROSCOPIO. Scopo dell esperienza: Teoria fisica. Verificare la relazione: ω p = bmg/iω

Prova scritta intercorso 2 31/5/2002

TX Figura 1: collegamento tra due antenne nello spazio libero.

Il Campionameto dei segnali e la loro rappresentazione. 1 e prende il nome frequenza di

Generatore radiologico

bensì una tendenza a ruotare quando vengono applicate in punti diversi di un corpo

GRANDEZZE ALTERNATE SINUSOIDALI

Fisica II - CdL Chimica. La natura della luce Ottica geometrica Velocità della luce Dispersione Fibre ottiche

2. Leggi finanziarie di capitalizzazione

(2) t B = 0 (3) E t In presenza di materia, le stesse equazioni possono essere scritte E = B

Esercizi su lineare indipendenza e generatori

Dimensione di uno Spazio vettoriale

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

La propagazione delle onde luminose può essere studiata per mezzo delle equazioni di Maxwell. Tuttavia, nella maggior parte dei casi è possibile

Fisica quantistica. Introduzione alla polarizzazione e altri sistemi a due livelli. Christian Ferrari. Liceo di Locarno

Capitolo 4 Le spettroscopie. 1. Lo spettro elettromagnetico

INTEGRALI DEFINITI. Tale superficie viene detta trapezoide e la misura della sua area si ottiene utilizzando il calcolo di un integrale definito.

Campione sciolto in un solvente (deuterato) e. posto in un tubo. di vetro a pareti sottili di diametro di 5 mm e lungo circa 20 cm

Applicazioni lineari

Appunti sul corso di Complementi di Matematica - prof. B.Bacchelli Equazioni differenziali lineari omogenee a coefficienti costanti.

2.1 Definizione di applicazione lineare. Siano V e W due spazi vettoriali su R. Un applicazione

1 Serie di Taylor di una funzione

APPUNTI DI MATEMATICA LE FRAZIONI ALGEBRICHE ALESSANDRO BOCCONI

Controlli Automatici T. Trasformata di Laplace e Funzione di trasferimento. Parte 3 Aggiornamento: Settembre Prof. L.

IL PROBLEMA DELLE SCORTE

LA CORRENTE ELETTRICA

FUNZIONE REALE DI UNA VARIABILE

B. Vogliamo determinare l equazione della retta

LEZIONE 23. Esempio Si consideri la matrice (si veda l Esempio ) A =

x 1 + x 2 3x 4 = 0 x1 + x 2 + x 3 = 0 x 1 + x 2 3x 4 = 0.

La teoria dell offerta

LA CORRENTE ELETTRICA Prof. Erasmo Modica

Può la descrizione quantomeccanica della realtà fisica considerarsi completa?

Tutte le tecniche spettroscopiche si basano sulla interazione tra radiazione elettromagnetica e materia.

Termologia. Introduzione Scale Termometriche Espansione termica Capacità termica e calori specifici Cambiamenti di fase e calori latenti

Cenni di geografia astronomica. Giorno solare e giorno siderale.

Energia e Lavoro. In pratica, si determina la dipendenza dallo spazio invece che dal tempo

Principi costruttivi e progettazione di Gioacchino Minafò IW9 DQW. Tratto dal sito web

INTRODUZIONE AL CONTROLLO OTTIMO

x (x i ) (x 1, x 2, x 3 ) dx 1 + f x 2 dx 2 + f x 3 dx i x i

Matematica generale CTF

Il concetto di valore medio in generale

Particelle identiche : schema (per uno studio più dettagliato vedi lezione 2) φ 1

Basi di matematica per il corso di micro

APPUNTI SUL CAMPO MAGNETICO ROTANTE

Gas perfetti e sue variabili

APPLICAZIONI LINEARI

Realizzazione di un Autocorrelatore a Singolo Impulso a DYE

19 Il campo elettrico - 3. Le linee del campo elettrico

Tabella periodica degli elementi

Potenza elettrica nei circuiti in regime sinusoidale

Le funzioni continue. A. Pisani Liceo Classico Dante Alighieri A.S A. Pisani, appunti di Matematica 1

METODO PER LA DESCRIZIONE DEL CAMPO MAGNETICO ROTANTE

Il sistema di Rossler

Anche nel caso che ci si muova e si regga una valigia il lavoro compiuto è nullo: la forza è verticale e lo spostamento orizzontale quindi F s =0 J.

Modulo di Meccanica e Termodinamica

FUNZIONI ELEMENTARI - ESERCIZI SVOLTI

1 Applicazioni Lineari tra Spazi Vettoriali

E naturale chiedersi alcune cose sulla media campionaria x n

L EQUILIBRIO UNIVERSALE dalla meccanica celeste alla fisica nucleare

CAPITOLO 3 FONDAMENTI DI ANALISI DELLA STABILITA' DI SISTEMI NON LINEARI

Definisci il Campo di Esistenza ( Dominio) di una funzione reale di variabile reale e, quindi, determinalo per la funzione:

Elettronica II Proprietà e applicazioni della trasformata di Fourier; impedenza complessa; risposta in frequenza p. 2

bipolari, quando essi, al variare del tempo, assumono valori sia positivi che negativi unipolari, quando essi non cambiano mai segno

SVILUPPO IN SERIE DI FOURIER. Prof. Attampato Daniele

Dispensa sulle funzioni trigonometriche

Appunti sulla Macchina di Turing. Macchina di Turing

Corso di. Dott.ssa Donatella Cocca

SERIE NUMERICHE. prof. Antonio Greco

Alessandro Pellegrini

Abbiamo costruito il grafico delle sst in funzione del tempo (dal 1880 al 1995).

Usando il pendolo reversibile di Kater

a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 Utilizzo ECG

Modelli matematici e realtà:

Transitori del primo ordine

Moto circolare uniforme

FAM. 1. Sistema composto da quattro PM come nella tabella seguente

Descrizione del funzionamento di un Lock-in Amplifier

Diagonalizzazione di matrici e applicazioni lineari

Verranno descritti di seguito brevemente gli algoritmi di calcolo utilizzati per l interpretazione nei tre metodi inseriti all interno del programma.

Capitolo. La funzione di trasferimento. 2.1 Funzione di trasferimento di un sistema. 2.2 L-trasformazione dei componenti R - L - C

Capitolo 25: Lo scambio nel mercato delle assicurazioni

Oscillazioni: il pendolo semplice

Nome..Cognome.. Classe 4G 4 dicembre VERIFICA DI FISICA: lavoro ed energia

Il valore assoluto. F. Battelli Università Politecnica delle Marche, Ancona. Pesaro, Precorso di Analisi 1, Settembre 2005 p.

a) Il campo di esistenza di f(x) è dato da 2x 0, ovvero x 0. Il grafico di f(x) è quello di una iperbole -1 1

MATEMATICA DEL DISCRETO elementi di teoria dei grafi. anno acc. 2009/2010

ESERCIZI DI ALGEBRA LINEARE E GEOMETRIA

RISONANZA. Introduzione. Risonanza Serie.

4. Proiezioni del piano e dello spazio

4. Operazioni elementari per righe e colonne

Transcript:

Capitolo 14 EORIA PERURBAIVA DIPENDENE DAL EMPO Nel Cap.11 abbiamo trattato metodi di risoluzione dell equazione di Schrödinger in presenza di perturbazioni indipendenti dal tempo; in questo capitolo trattiamo perturbazioni dipendenti dal tempo. Consideriamo in particolare perturbazioni che inducono transizioni quantiche, cioè transizioni tra livelli del sistema imperturbato indotte da potenziali che agiscono per un certo tempo. Sia un sistema caratterizzato dalla Hamiltoniana H = H + V(t) (14.1) di cui si conosce lo spettro relativo ad H. L effetto del potenziale dipendente dal tempo V(t) normalmente si può trattare solo in modo perturbativo, ma ciò richiede che la sua intensità sia piccola. 14.1 Rappresentazione d interazione Nel caso della Hamiltoniana dell Eq.(13.1) possiamo introdurre due operatori di evoluzione: U (t, t ) = e ih (t t )/ il cui generatore è H e U(t, t ) generato da H. E possibile definire un terzo operatore di evoluzione U I U(t, t ) = U (t, t )U I (t, t ) (14.2) che sta alla base della cosiddetta rapprentazione d interazione. Vedremo subito che il generatore di questo operatore di evoluzione è il potenziale perturbante stesso. Dalle equazione del moto per U ed U,Eq. (5.19), possiamo determinare le equazioni del moto per U I i d dt U(t, t ) = i d dt [U (t, t )U I (t, t )] (14.3) Ne consegue e quindi HU = H U U I + U i d dt U I (14.4) [H + V(t)]U U I = H U U I + U i d dt U I (14.5) 76

CAPIOLO 14. EORIA PERURBAIVA DIPENDENE DAL EMPO 77 Infine si ha i d dt U I(t, t ) = V I (t)u I (t, t ) (14.6) V I (t) = U 1 V(t)U (14.7) L equazione del moto nella rappresentazione d interazione è quindi regolata dal potenziale perturbante, ma quest ultimo ha incorporato gli effetti dinamici dovuti alla Hamiltoniana imperturbata. Queste equazioni sono alla base dei metodi perturbativi dipendenti dal tempo. L integrando l equazione del moto e sviluppando in serie si ottiene U I (t, t ) = I i t dt V I (t ) + ( i )2 14.2 ransizioni quantiche t dt V I (t ) t dt V I (t ) + (14.8) Affrontiamo ora un problema che si presenta di frequente in MQ, cioè quello di una interazione che agisce sul sistema per un periodo di tempo limitato. Abbiamo in mente per esempio il caso di un atomo sottoposto per un tempo ad un campo elettromagnetico (e.m.). Il campo e.m. interagendo con gli elettroni dell atomo, ne provoca la transizione da un livello ad un altro dello spettro di H. Vogliamo studiare qui le condizioni perchè queste transizioni si realizzano (regole di selezione) e le probabilità di transizione. Per fissare le idee consideriamo un atomo di idrogeno che a t= si trova nello stato fondamentale e viene irradiato per un tempo da un campo e.m. monocromatico di frequenza angolare ω. In seguito all interazione, l atomo si trova in uno stato eccitato di energia E k. La perturbazione non porta sempre l atomo nello stesso stato k, nel senso che ripetendo l irradiazione tante volte, l atomo si troverà certe volte in uno stato certe volte in un altro. Potremo quindi descrivere, sulla base del principio di sovrapposizione, lo stato ψ t > come una sovrapposione degli autostati di H. Si tratta quindi di determinare la probabilità P k di transizione dallo stato fondamentale allo stato k. Quest ultima è data dalla ampiezza di probabilità che il sistema, che all istante t = si trovava nello stato ψ > all istante t > si trovi in ψ k > P k = < ψ k ψ t > 2 = < ψ k U(t, ) ψ > 2 (14.9) Possiamo scambiare U con U I. Questi differiscono infatti per l operatore di evoluzione imperturbato e quest ultimo, preso tra autostati imperturbati, si trasforma in un fattore di fase che scompare per effetto del modulo quadro. Quindi al primo ordine nella interazione V I abbiamo P k = 2 = 2 dt < ψ k V I (t ) ψ > 2 (14.1) dt < ψ k V(t ) ψ > e i (E k E )t 2 (14.11) Nel caso in considerazione V è il potenziale dovuto al campo e.m. di una data frequenza angolare ω, che possiamo scrivere V(t) = Vcosωt,dove V contiene la parte spaziale. L integrale sul tempo si può effettuare e otteniamo P k = 2 < ψ k V ψ > 2 ei(ω ω k) 1 i(ω ω k ) e i(ω+ωk) 1 2 (14.12) i(ω + ω k ) La struttura risonante di questa espressione per ω ± ω k contempla due diverse situazioni. L atomo di idrogeno si trova a t= nello stato fondamentale, allora ω k > il primo termine risuona (Fig.(5.1),parte

CAPIOLO 14. EORIA PERURBAIVA DIPENDENE DAL EMPO 78 E k E k E assorbimento E emissione stimolata Figura 14.1: ransizioni quantiche sinistra)ed il secondo si può trascurare. In questo caso P k rappresenta la probabilità di eccitazione k P k = 2 < ψ k V ψ > 2 4 sin(ω ω k)/2 2. (14.13) (ω ω k ) Oppure l atomo di idrogeno si trova a t= nello stato eccitato k, allora ω k < il secondo termine risuona (Fig.(5.1),parte destra) ed il primo si può trascurare. In questo caso P k rappresenta la probabilità di diseccitazione k P k = 2 < ψ k V ψ > 2 4 sin(ω + ω k)/2 2 (14.14) (ω + ω k ) E sufficiente descrivere il primo caso. Normalmente il tempo di esposizione è microscopicamente grande e si può assumere. In tal caso la parte temporale di P k tende alla delta di Dirac δ(ω ω k ), ossia la transizione è possibile solo se l energia del fotone del campo e.m. è tale che ω = E k E (14.15) Questa condizione fu per la prima volta congetturata da Niels Bohr per l interpretazione delle righe spettrali in connessione con l ipotesi della struttura atomica. Il limite per è esso stesso una realizzazione della funzione delta di Dirac (vedi Fig.2 e Sez.4) sin 2 αxt lim t x 2 = πα 1 δ(x) (14.16) t da cui l eq.(14.13) diventa P k = 2π < ψ k V ψ > 2 δ( ω E k ) (14.17) La probabilità cresce linearmente col tempo, perchè il numero di transizioni è proporzionale alla durata dell irradiazione. Più significativa è la probabilità per unità di tempo, P k / che non dipende dal tempo. 14.3 Approssimazione di dipolo In questo paragrafo calcoliamo la parte spaziale della probabilità di transizione, da cui scaturisce un altra importante regola di selezione. Consideriamo più da vicino la Hamiltoniana del singolo elettrone atomico in presenza del campo e.m. avente potenziale vettore A. Reinserendo il potenziale dovuto nucleo V nella Hamiltoniana, Eq.(11.24), si ha al primo ordine in A H = 1 2m ( p e c A) 2 + V p2 2m + V e mc p A = H e mc p A (14.18) Nel caso in cui il campo di radiazione è costituito da onde monocromatiche piane,campo elettrico E,campo magnetico B e vettore d onda k formano una terna destrorsa, con E lungo l asse z,b lungo l asse x e k

CAPIOLO 14. EORIA PERURBAIVA DIPENDENE DAL EMPO 79 lungo l asse y. Considereremo solo transizioni di dipolo elettrico, quindi possiamo ignorare il campo magnetico. Il campo elettrico è allora E = A t = ẑr[ A ωe i(k yy ωt) ] (14.19) Vogliamo stimare la lunghezza d onda del campo di radiazione. Partiamo dal fatto che l energia trasportata dai fotoni del campo e.m. dev essere dell ordine di grandezza dell energia coinvolta nelle transizioni elettroniche, che è E el e 2 /r per l atomo di idrogeno. Allora si ha λ = 2πc ω = 2πc E el = 2πc e 2 /r (14.2) da cui r λ = e2 2πc 1 2 137π 1 (14.21) Ciò comporta che il campo elettrico è praticamente costante su scala atomica, almeno per atomi non troppo grandi poichè r r /Z ( Z=numero atomico). Allora nello sviluppo in serie di e ikyy, chiamato sviluppo in multipoli, possiamo arrestarci all ordine più basso (approssimazione di dipolo). Il potenziale del campo e.m. diventa ee mcω p z In questa approssimazione possiamo calcolare l elemento di matrice di transizione: < ψ k V ψ >= ee mcω < ψ k p z ψ > (14.22) L elemento di matrice di p z si calcola come segue < ψ k p z ψ >= i 2m < ψ k [H, z] ψ >= i 2m (E k E ) < ψ k z ψ > (14.23) L operatore z in coordinate polari è rcosθ = 4π/3rY 1, quindi < ψ k p z ψ >= 4π/3 r 2 drψ k (r)rψ (r) dω Y l k m k Y 1 Y δ lk,1δ mk, (14.24) roviamo qui una nuova regola di selezione: la transizione si ha solo se il momento angolare l k = 1 e la proiezione m k =. Se consideriamo, invece di ψ, un altro stato ψ k, la regola di selezione diventa l k l k = 1 (14.25) Anche la regola di selezione sulla proiezione del momento angolare si deve generalizzare. Se consideriamo il campo elettrico polarizzato lungo l asse x o y, allora l operatore di transizione è una combinazione di Y 11 e Y 1 1. In tal caso si ha m k m k = 1 (14.26) Il calcolo dell elemento di matrice di transizione si può effettuare applicando il teorema di Wigner-Eckart (vedi Cap.15): < ψ k Y 1m ψ k > < l k m k Y 1m l k m k > = < l km k, 1m l k m k > 2l k + 1 < ψ k Y ψ k > (14.27) e le regole di selezione derivano dalle proprietà del coefficiente di Clebsch-Gordan. Concludendo, abbiamo mostrato al primo ordine della teoria perturbativa dipendente dal tempo, che una transizione quantica tra livelli elettronici è soggetta a regole di selezione, che ci consentono di distinguere le transizioni permesse da quelle proibite: l energia dei fotoni del campo e.m. dev essere uguale alla differenza di energia tra i due livelli; la differenza di momento angolare tra i due livelli dev essere di una unità di ; la differenza tra le proiezioni dei momenti angolari dev essere 1,,-1 secondo lo stato di polarizzazione del campo elettrico.

CAPIOLO 14. EORIA PERURBAIVA DIPENDENE DAL EMPO 8 16 12 F (ω ω k ) 2 F (ω ω k ) = ( ) 2 sen[ω ω k ] 2 (ω ω k ) F (ω ωk) 8 4 8π - 6π 4π 2π 2π 4π 6π 8π ω ω k Figura 14.2: Probabilità di transizione quantica 14.4 Indeterminazione energia-tempo Consideriamo per semplicità un potenziale costante che agisce nell intervallo. Questo caso si ricava dalla Eq.(12.11) con ω = P k = 2 < ψ k V ψ > 2 4 sin(ω k)/2 2 (14.28) (ω k ) La funzione al secondo membro ha oscillazioni smorzate (vedi figura) con infiniti minimi corrispondenti a sin(ω k )/2 =. rascurando i sempre più piccoli contributi dopo il primo minimo, possiamo concludere che la probabilità si estende fino a ω k /2 π (14.29) cioé (E k E ) 2π (14.3) Se immaginiamo l azione di V per un tempo come un modo per misurare l energia E k dello stato eccitato fondamentale, allora più grande è piú piccolo è l intervallo di incertezza nella determinazione dell energia e viceversa. E una sorta di principio di indeterminazione tra energia e tempo. Ricordiamo tuttavia che il tempo in MQ non è un operatore. Prima di concludere discutiamo brevemente la curva di Fig.2. Per tendente all infinito tutte le oscillazioni si smorzano e F tende a zero ovunque tranne nell origine dove tende all infinito, essendo proporzionale a. Ha quindi le proprietà della Delta di Dirac.