유도완성

1차 에너지 보정 유도 (First-Order Energy Correction Derivation)

1. 비축퇴 경우

유도비축퇴 1차 에너지 보정 유도

Step 1: 섭동 전개

해밀토니안: H^=H^(0)+λH^\hat{H} = \hat{H}^{(0)} + \lambda\hat{H}'

에너지와 상태를 λ\lambda의 멱급수로 전개:

En=En(0)+λEn(1)+λ2En(2)+E_n = E_n^{(0)} + \lambda E_n^{(1)} + \lambda^2 E_n^{(2)} + \cdotsn=n(0)+λn(1)+λ2n(2)+|n\rangle = |n^{(0)}\rangle + \lambda|n^{(1)}\rangle + \lambda^2|n^{(2)}\rangle + \cdots

Step 2: 고유값 방정식에 대입

H^n=Enn\hat{H}|n\rangle = E_n|n\rangle에 대입:

(H^(0)+λH^)(n(0)+λn(1)+)=(En(0)+λEn(1)+)(n(0)+λn(1)+)(\hat{H}^{(0)} + \lambda\hat{H}')(|n^{(0)}\rangle + \lambda|n^{(1)}\rangle + \cdots) = (E_n^{(0)} + \lambda E_n^{(1)} + \cdots)(|n^{(0)}\rangle + \lambda|n^{(1)}\rangle + \cdots)

Step 3: λ\lambda의 1차 항 비교

λ1\lambda^1 차수:

H^(0)n(1)+H^n(0)=En(0)n(1)+En(1)n(0)\hat{H}^{(0)}|n^{(1)}\rangle + \hat{H}'|n^{(0)}\rangle = E_n^{(0)}|n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)}|n^{(0)}\rangle

Step 4: n(0)\langle n^{(0)}|을 왼쪽에서 내적

n(0)H^(0)n(1)+n(0)H^n(0)=En(0)n(0)n(1)+En(1)n(0)n(0)\langle n^{(0)}|\hat{H}^{(0)}|n^{(1)}\rangle + \langle n^{(0)}|\hat{H}'|n^{(0)}\rangle = E_n^{(0)}\langle n^{(0)}|n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)}\langle n^{(0)}|n^{(0)}\rangle

H^(0)\hat{H}^{(0)}의 에르미트성에 의해 n(0)H^(0)n(1)=En(0)n(0)n(1)\langle n^{(0)}|\hat{H}^{(0)}|n^{(1)}\rangle = E_n^{(0)}\langle n^{(0)}|n^{(1)}\rangle이므로:

En(0)n(0)n(1)+n(0)H^n(0)=En(0)n(0)n(1)+En(1)E_n^{(0)}\langle n^{(0)}|n^{(1)}\rangle + \langle n^{(0)}|\hat{H}'|n^{(0)}\rangle = E_n^{(0)}\langle n^{(0)}|n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)}

양변에서 En(0)n(0)n(1)E_n^{(0)}\langle n^{(0)}|n^{(1)}\rangle가 소거되어:

En(1)=n(0)H^n(0)\boxed{E_n^{(1)} = \langle n^{(0)}|\hat{H}'|n^{(0)}\rangle}

이 결과는 매우 직관적이다: 1차 에너지 보정은 섭동 해밀토니안의 비섭동 상태에서의 기댓값이다.

2. 1차 파동함수 보정의 유도

유도1차 파동함수 보정 유도

Step 3의 방정식에서 m(0)\langle m^{(0)}| (mnm \neq n)을 왼쪽에서 내적:

Em(0)m(0)n(1)+Hmn=En(0)m(0)n(1)+En(1)0E_m^{(0)}\langle m^{(0)}|n^{(1)}\rangle + H'_{mn} = E_n^{(0)}\langle m^{(0)}|n^{(1)}\rangle + E_n^{(1)} \cdot 0m(0)n(1)=HmnEn(0)Em(0)\langle m^{(0)}|n^{(1)}\rangle = \frac{H'_{mn}}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}

따라서:

n(1)=mnm(0)H^n(0)En(0)Em(0)m(0)\boxed{|n^{(1)}\rangle = \sum_{m \neq n}\frac{\langle m^{(0)}|\hat{H}'|n^{(0)}\rangle}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}|m^{(0)}\rangle}

3. 2차 에너지 보정의 유도

유도2차 에너지 보정 유도

λ2\lambda^2 차수의 방정식에 n(0)\langle n^{(0)}|을 내적하면:

En(2)=n(0)H^n(1)=mnHnmHmnEn(0)Em(0)E_n^{(2)} = \langle n^{(0)}|\hat{H}'|n^{(1)}\rangle = \sum_{m \neq n}\frac{H'_{nm}H'_{mn}}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}

Hnm=(Hmn)H'_{nm} = (H'_{mn})^*이므로:

En(2)=mnHmn2En(0)Em(0)\boxed{E_n^{(2)} = \sum_{m \neq n}\frac{|H'_{mn}|^2}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}}

4. 응용 예제

예제조화진동자에 대한 $\delta$-함수 섭동

비섭동 해밀토니안: H^(0)=p^22m+12mω2x2\hat{H}^{(0)} = \frac{\hat{p}^2}{2m} + \frac{1}{2}m\omega^2 x^2

섭동: H^=αδ(x)\hat{H}' = \alpha\delta(x) (α>0\alpha > 0)

기저 상태의 1차 에너지 보정:

E0(1)=α0δ(x)0=αψ0(0)2=αmωπE_0^{(1)} = \alpha\langle 0|\delta(x)|0\rangle = \alpha|\psi_0(0)|^2 = \alpha\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}

홀수 nn 상태의 경우, ψn(0)=0\psi_n(0) = 0이므로 En(1)=0E_n^{(1)} = 0.

짝수 nn 상태의 1차 보정:

En(1)=αψn(0)2=α(mωπ)1/2Hn(0)22nn!E_n^{(1)} = \alpha|\psi_n(0)|^2 = \alpha\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\frac{|H_n(0)|^2}{2^n n!}

이 결과는 물리적으로 자명하다: δ\delta-함수 섭동은 원점에서의 확률 밀도에 비례하여 에너지를 변화시킨다.

예제수소 원자의 상대론적 운동 에너지 보정

상대론적 운동 에너지 보정:

H^=p^48m3c2\hat{H}' = -\frac{\hat{p}^4}{8m^3c^2}

1차 에너지 보정:

En(1)=18m3c2p^4=12mc2[En2+2Ene24πϵ0r+e24πϵ0r2]E_n^{(1)} = -\frac{1}{8m^3c^2}\langle\hat{p}^4\rangle = -\frac{1}{2mc^2}\left[E_n^2 + 2E_n\left\langle\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0 r}\right\rangle + \left\langle\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0 r}\right\rangle^2\right]

1/r=1/(n2a0)\langle 1/r\rangle = 1/(n^2 a_0), 1/r2=1/[n3(+1/2)a02]\langle 1/r^2\rangle = 1/[n^3(\ell+1/2)a_0^2]을 대입하면:

En(1)=En22mc2(4n+1/23)E_n^{(1)} = -\frac{E_n^2}{2mc^2}\left(\frac{4n}{\ell + 1/2} - 3\right)

이는 수소 원자 미세 구조의 세 가지 기여 중 하나이다.