Lippmann- Schwinger- Gleichung

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Man betrachte Teilchen, die in Wechselwirkung stehen, jedoch keine gebundenen Zustände miteinander einnehmen:

Der Hamiltonoperator kann geschrieben werden als:

Ĥ=Ĥ(0)+Ĥ(1)

Dabei bezeichne

Ĥ(0)

die kinetische Energie

und

Ĥ(1)

die Wechselwirkungsenergie.

Im Falle stationärer Streuung erhalten wir:

Ĥ|Ψ=E|Ψ

. |Ψ

beschreibt ein am Anfang einlaufendes Teilchen ( ohne Wechselwirkung), die anschließende Streuung und schließlich wieder auseinanderlaufende Teilchen:

Stationär bedeutet hier: Das Gleichgewicht hat sich bereits eingeregelt. Der Prozess ist zeitlich stationär, weil jede Veränderung an einem Teilchenzustand 1 durch ein nachrückendes Teilchen, dessen Zustand sich in den des ersten ( Zustand 1) begibt, aufgefüllt wird.

Die Schrödingergleichung lautet:

(EĤ0)|Ψ=Ĥ(1)|Ψ

Erster Schritt bei derartigen Problemen: Isolation der Störung !

Die formale Lösung kann angegeben werden mittels:

|Ψ=|Φ+1(EĤ0)Ĥ(1)|Ψ1(EĤ0):=(EĤ0)1

Die Division zwischen 1 und dem Operator der linken Seite ist dabei als Ausführung der inversen Operation zu verstehen !

|Φ

ist eine beliebige Lösung der wechselwirkungsfreien Gleichung

(Ĥ0E)|Φ=0

Beweis:

(EĤ0)|Ψ=(EĤ0)|Φ+(EĤ0)1(EĤ0)Ĥ(1)|Ψ(EĤ0)1(EĤ0):=1(EĤ0)|Ψ=Ĥ(1)|Ψ(EĤ0)|Φ=0

Die Gleichung |Ψ=|Φ+1(EĤ0)Ĥ(1)|Ψ

ist dabei eine Integralgleichung, beispielsweise in der Ortsdarstellung:

r¯||Ψ=r¯||Φ+r¯|1(EĤ0)|r¯ ´r¯ ´|Ĥ(1)|r¯ ´ ´r¯ ´ ´||Ψd3r ´ ´d3r ´

Berechnung des inversen Operators 1(EĤ0)

Hier: Greenscher Operator, sogenannte RESOLVENTE

(auch: Residuum !) der Schrödingergleichung.

Methode: Transformation auf Impulsdarstellung ( Fourier- Transformation) und komplexe Integration.

Aber: die Lösung ist nicht eindeutig, je nach Wahl des Integrationsweges ergeben sich unterschiedliche Egebnisse ( Integrationsweg in der komplexen Ebene). Dementsprechend ergeben sich verschiedene Randbedingungen

Die Festlegung erfolgt durch Addition eines kleinen komplexen Terms iε

. Am Schluss kann man dann ε0

gehen lassen.

Damit ergibt sich als LIPPMANN- Schwinger- Gleichung

|Ψ(+)=|Φ+1(EĤ0+iε)Ĥ(1)|Ψ(+)

Wesentlicher Vorteil zur Schrödingergleichung: Die Lippmann- Schwinger- Gleichung ist die im Vergleich zur Schrödingergleichung komplexe Erweiterung mit reeller Polstellenfreiheit !

Mit auslaufender Welle |Ψ(+)

Streuwelle 1(EĤ0+iε)Ĥ(1)|Ψ(+)

und einlaufender Welle |Φ

( Lösung des ungestörten Problems)

Die auslaufende Welle |Ψ(+)

ist die Summe aus einlaufender Welle und Streuwelle !

Greensche Funktion des freien Teilchens

( = Ortsdartellung des Greenschen Operators)

G+(r¯,r¯ ´):=2mr¯|1(EĤ0+iε)|r¯ ´

Dabei werden zwei " Einsen" eingeschoben und wir gewinnen:

G+(r¯,r¯ ´)=2md3qd3q ´r¯||q¯q¯|1(EĤ0+iε)|q¯ ´q¯ ´||r¯ ´

Also: Das Problem wird nach der auslaufenden Welle aufgelöst . Zur Polstellenfreiheit erweitert man komplex.

Dann isoliert man den Greenschen Operator und führt mit diesem eine Fouriertransormation durch !

Der obige Einschub einer Basis ist noch KEINE Fouriertransformation. Wir befinden uns dann immer noch im Ortstraum !

Dabei bezeichnen q¯,q¯ ´

die Wellenvektoren mit der entsprechenden Impulsdarstellung q¯

.

Für ein freies Teilchen, für das der Hamiltonian direkt angegeben werden kann: Ĥ0=p¯̂22m

gilt:

q¯|Ĥ0|q¯ ´=2q¯22mδ(q¯q¯ ´)

Somit also

q¯|1EĤ0+iε|q¯ ´=δ(q¯q¯ ´)E2q¯22m+iε

Asymptotisch gelte für das einlaufende Teilchen als Anfangsbedingung sozusagen

p¯=k¯E=2k¯22m

q¯|1EĤ0+iε|q¯ ´=2m2δ(q¯q¯ ´)k¯2q¯2+iη=:2m2G~+(q¯)δ(q¯q¯ ´)η=2m2εr¯||q¯=1(2π)32eiq¯r¯

Damit folgt dann als angekündigte Fouriertrafo:

G+(r¯,r¯ ´)=1(2π)3d3qG~+(q¯)eiq¯(r¯r¯ ´)G~+(q¯)=1k¯2q¯2+iη

Also: Wir führen die Fouriertransformation durch und gewinnen als Fouriertransformierte

G~+(q¯)=1k¯2q¯2+iη

Die Rücktransformation liefert die gesuchte Greensfunktion G+(r¯,r¯ ´)

, die mittels Residuensatz aus der bekannten G~+(q¯)=1k¯2q¯2+iη

durch Fouriertrafo gewonnen werden kann !

G+(r¯,r¯ ´)

hängt also nur von (r¯r¯ ´)

ab !

Berechnung von G+(r¯r¯ ´):=G+(R¯)

in Polarkoordinaten q¯

erfolgt mittels Residuensatz

G+(R¯)=1(2π)3d3q1k¯2q¯2+iηeiq¯R¯

Dabei lege man

R¯=r¯r¯ ´

entlang der z- Achse, so dass zwischen R¯

und q¯

gerade der Winkel ϑ

liegt:

G+(R¯)=1(2π)30dq11dcosϑ02πdϕq2k¯2q¯2+iηeiqRcosϑG+(R¯)=14π2iqR0dqq2eiqReiqRq(k¯2q¯2+iη)

Dies kann man leicht weiter zusammenfassen, indem im zweiten Term einfach q durch -q ersetzt wird:

G+(R¯)=14π2iRdqqeiqRk¯2q¯2+iη

Die Integration erfolgt mittels Residuensatz in der komplexen q- Ebene:

Dazu ist es nötig, die komplexe Zahl q in Polarkoordinaten umzuschreiben:

q=ρeiΦ0Φπdq=ρeiΦidΦ

Skizzenhaft:

Da die Integration im Unendlichen ( Halbkreisbogen) verschwindet kann man das Integral von Minus bis Plus Unendlich auch gleich als Ringintegral schreiben. Wesentlich ist dann: dass es nur Beiträge aus den Polstellen der Funktion gibt. demnach müssen diese gesucht werden:

Die Pole des Integranden:

1k¯2q¯2+iηq1/2=±k¯2+iη(k+iη2k)

Genau genommen muss noch gezeigt werden, dass das Integral über den Kreisbogen für Radius gegen Unendlich verschwindet:

limρdqqeiqRk¯2q¯2+iη=dqqeiqRk¯2q¯2+iη+limρ0πdΦie2iΦρ2eiρRcosΦeρRsinΦk¯2ρ2e2iΦ+iη

Aber:

limρ0πdΦie2iΦρ2eiρRcosΦeρRsinΦk¯2ρ2e2iΦ+iη=0dalimρeρRsinΦ=0limρdqqeiqRk¯2q¯2+iη=dqqeiqRk¯2q¯2+iη

Mittels Residuensatz ergibt sich dann

dqqeiqRk¯2q¯2+iη=2πi(RES(qeiqRk¯2q¯2+iη))|q=q1

Dies ist der Beitrag vom oberen Integrationsweg, weshalb das Residuum an q=q1 ausgewertet werden muss. Ebenso hätte man den unteren Integrationsweg nehmen können. Dann wäre das Residuum eben an q=q2 auszuwerten gewesen. Da wir die Polstellen des Arguments des Residuums gefunden haben können wir umschreiben: RESqeiqRk¯2q¯2+iη|q=q1=RESqeiqR(k¯2+iηq)(k¯2+iη+q)|q1k¯2+iηk¯2+iη=q1=q2RESqeiqR(k¯2+iηq)(k¯2+iη+q)|q1k¯2+iη=limq>q1(qq1)qeiqR(q1q)(qq2)=q1eiq1R(q1q2)=eik¯2+iηR2limη0eik¯2+iηR2=eikR2

Also hat man ein Ergebnis für G+(R¯)=14π2iRdqqeiqRk¯2q¯2+iη , man erhält G+(R¯)=14π2iR2πiRES|q1=eikR4πR

Wesentlich: G+(R¯)=G+(r¯r¯ ´) erfüllt die Differenzialgleichung für die Greensche Funktion: (Δ+k2)G+(r¯r¯ ´)=δ(r¯r¯ ´)

Denn: δ(r¯r¯ ´)=r¯|r¯ ´=G+(r¯,r¯ ´)=r¯|(EĤ0+iε)1(EĤ0+iε)|r¯ ´r¯|(2k22mp̂22m)1(EĤ0+iε)|r¯ ´=22m(k2+Δ)r¯|1(EĤ0+iε)|r¯ ´

Ortsdarstellung der Lippmann- Schwinger- Gleichung

r¯||Ψ(+)=r¯||Φ+d3r ´r¯|1(EĤ0+iε)|r¯ ´r¯ ´|Ĥ1|Ψ(+)=r¯||Φ+2m2d3r ´G+(r¯r¯ ´)r¯ ´|Ĥ1|Ψ(+)=eik¯r¯+2m2d3r ´eik|(r¯r¯ ´)|4π|(r¯r¯ ´)|r¯ ´|Ĥ1|Ψ(+)

Mit der durchlaufenden freien Welle r¯||Φ =eik¯r¯

und der Streuwelle 2m2d3r ´G+(r¯r¯ ´)r¯ ´|Ĥ1|Ψ(+)=+2m2d3r ´eik|(r¯r¯ ´)|4π|(r¯r¯ ´)|r¯ ´|Ĥ1|Ψ(+)

Zusammenfassung

Aus der Schrödingergleichung

Die Schrödingergleichung lautet: (EĤ0)|Ψ=Ĥ(1)|Ψ

Mit dem linearen Differentialoperator (EĤ0)|Ψ und der Inhomogenität Ĥ(1)|Ψ

kann man formal lösen:

|Ψ(+)=|Φ+1(EĤ0+iε)Ĥ(1)|Ψ(+)1(EĤ0):=(EĤ0)1

eine Form der Lippmann- Schwinger- Gleichung mit auslaufender Welle |Ψ(+) Greenschen Operator ( auch sogenannte RESOLVENTE)1(EĤ0+iε) und durchlaufender Welle ( freie einlaufende Lösung) |Φ

Die Berechnung der Greenschen Funktion des freien Teilchens:

Als Operator: Ĝ+:=1(EĤ0+iε) erfüllt (EĤ0)Ĝ+=1

Übergang in die Impulsdarstellung: q¯|Ĝ+|q¯ ´=2mĜ+(q¯)δ(q¯q¯ ´)

Mit Ĝ+(q¯):=1k2q2+iη

Mittels Fouriertrafo erfolgt der Übergang in die Ortsdarstellung:

Ĝ+(r¯r¯ ´):=22mr¯|Ĝ+(q¯)|r¯ ´=eik|r¯r¯ ´|4π|r¯r¯ ´|

Dieser erfüllt dann eine Relation des Impulsoperators in Ortsdarstellung ( orts- Differeniationsrelation): (Δ+k2)Ĝ+(r¯r¯ ´)=δ(r¯r¯ ´)

( dies ist die skalare Helmholtzgleichung !)

Potenzialstreuungen

Ĥ(1) sei ein Potenzial, das die Wechselwirkung mit einem schweren Teilchen als STREUZENTRUM ( Target) beschreibt. Allgemein: Beschreibung im Schwerpunktsystem

Hier kann man als Schwerpunktsystem näherungsweise den Schwerpunkt des schweren Teilchen annehmen

In Ortsdarstellung schreiben wir:

r¯ ´|Ĥ(1)|Ψ(+)=V(r¯ ´)Ψ(+)(r¯ ´)Ψ(+)(r¯)=eik¯r¯2m2d3r ´eik¯|r¯r¯ ´|4π|r¯r¯ ´|V(r¯ ´)Ψ(+)(r¯ ´)

Dies ist die Lippmann Schwingergleichung für eine Potenzialstreuung. Diese Gleichung ist völlig äquivalent zur Schrödingergeleichung mit Randbedingungen.

Als Randbedingungen sind in der Streutheorie prinzipiell die asymptotischen Wege für r gegen Plus oder Minus UNENDLICH zu verstehen .