Квантовая механика и интегралы по траекториям

Первый интеграл в этом выражении берётся от нечётной функции и обращается в нуль. Второй интеграл стремится к конечному пределу, когда T-> (так как T/h->):

2i

⁰

sin y

y

dy

=

2i,

так что вероятность перехода невелика. Эта вероятность может стать значительной только в том случае, когда энергии E_n и E_m практически равны друг другу, так как совпадение двух полюсов (E_k-E_n)^-1 и (E_m-E_k)^-1 приводит к возрастанию роли второго члена. Поэтому мы продолжим анализ, предположив, что E_m и E_n приблизительно равны.

Выбрав некоторое малое значение энергии , разделим сумму по k в выражении (6.98) на две части: часть A, для которой |E_k-E_n|>=, и часть B, для которой |E_k-E_n|. Величину мы выберем настолько малой, чтобы коэффициент V_mkV_kn был приблизительно постоянен, когда энергия E_k будет принимать значения в интервале 2 вблизи точки E_n. Выбранная таким образом величина разности энергий является конечной величиной, и T можно взять настолько большим, чтобы выполнялось h/T , а это означает, что |E_n-E_m|.

Итак, для части A выполняется неравенство |E_k-E_n|>=. Тогда второй член невелик, так как он не имеет полюсов. Вклад вносит только первый член, и он равен

a

e^ix-1

x

T

h

,

(6.102)

где x=(E_m-E_n)T/h и

a

=

_(A)

^k

V_mkV_kn

E_k-E_n

.

Суммирование здесь выполняется по всем значениям E_k, за исключением тех, которые попадают в интервал ± вблизи E_m. Эта сумма почти не зависит от , и когда ->0, она определяет главное значение интеграла. Поэтому в пределе при ->0 мы можем написать

a

=

V

_mn

+

 

^k

V

_mk

V

_kn

PP

1

E_k-E_n

,

(6.103)

где выписан член первого порядка и символом PP отмечено, что он берётся в смысле главного значения.

В части B мы будем считать фактор V_mkV_kn постоянным и равным его значению в точке E_k=E_m. Другими словами, мы заменим

_(B)

^k

V

_mk

V

_kn

F(E

_k

)

выражением

 

^k

V

_mk

V

_kn

(E

_k

-E

_m

)

_Em+

^E_m-

F(E

_k

)

dE

_k

,

(6.104)

которое запишем как в I, где

b

=

 

^k

V

_mk

V

_kn

(E

_k

-E

_m

)

(6.105)

и

I

=

_Em+

^E_m-

dE_k

E_k-E_n

e^{(i/h)(E_m-E_n)T}-1

E_m-E_n

-

e^{(i/h)(E_m-E_k)T}-1

E_m-E_k

.

(6.106)

Положив далее (E_m-E_n)(T/h)=x и (E_k-E_n)(T/h)=y, так что (E_m-E_k)(T/h)=x-y, получим

I

=

T

h

_T/h

^-T/h

dy

y

e^ix-1

x

-

e^i(x-y)-1

x-y

.

(6.107)

Этот интеграл легче всего вычислить интегрированием по контуру, считая y комплексной переменной и деформируя контур интегрирования. Вместо интегрирования по прямой от -T/h до T/h будем интегрировать по полуокружности радиуса T/h ниже действительной оси. Поскольку отношение T/h очень велико, а вклад второго члена пренебрежимо мал и поскольку

_T/h

^-T/h

dy

y

=

i

,

мы получим I=i(T/h)(e^ix-1)/x. Складывая части A и B, получаем, наконец, выражение для амплитуды

(a+ib)

(e^ix-1)T

xh

.

(6.108)

Соответствующая вероятность перехода имеет вид (6.86), где

M

_n->m

=

a+ib

=

V

_mn

+

 

^k

V

_mk

V

_kn

PP

1

E_k-E_n

+

i

(E

_k

-E

_m

)

.

(6.109)

Подобно тому как это уже было сделано в соотношении (6.100), последнюю скобку можно записать как (E_k-E_m-i)^-1, где необходимо взять предел при ->0.

Из формулы (6.100) мы видели, что даже в том случае, когда невозможен прямой переход n->m из состояния n в состояние m, тем не менее можно допустить, что такой переход может осуществляться через некоторое так называемое промежуточное состояние.

Этот процесс можно себе представить следующим образом: система, которая находилась первоначально в состоянии n, переходит из этого состояния в некоторое промежуточное состояние k и затем уже из состояния k переходит в конечное состояние m. Амплитуда такого опосредствованного перехода определяется формулой (6.99). Однако физически неправильно было бы говорить, что рассматриваемый процесс действительно осуществляется через то или иное промежуточное состояние k; фактически это утверждение лишь отражает тот факт, что в характеристиках поведения квантовомеханической системы имеются определённые амплитуды вероятности переходов через различные промежуточные состояния k и что вклады от этих амплитуд интерферируют друг с другом ¹).

¹) Иными словами, даже в случае, когда невозможен прямой переход n->m, имеется конечная вероятность найти систему в состоянии m, находившуюся первоначально в состоянии n, что можно понимать как переход в состояние m через некоторое промежуточное состояние.— Прим. ред.