Revislll Mexicana de Física 28 no.] (1982) 295-317 ¡;(Ingreso 2 SIS re~isi(in RESONANCIAS EN MECANICA CUANTICA Arturo Cisneros S. Escuela Superior de Física y Matemáticas Instituto PoI itécnico Nacional Héxico, D.F. Harold V. Mclntosh Instituto de Ciencias. Universidad Autónoma de Puebla Puebla, Pue. RESINE." Se presenta una discusión de la naturaleza de las resonancias en mecánica cuántica desde el punto de vista de la teoría espectral de operadores. Para el caso de las resonancias de Bohr-Feshbach, se ilustra la teoría en gráficas que muestran el decaimiento de un estado meta estable doblemente excitado y la excitación de la resonancia por una partícula incidente oon la energía adecuada. Se da una caracterización de las resonanrias y un procedimiento para el cálculo de anchos mediante la función de densidad espectral. Se establece una condición suficiente para que una resonancia de Bohr-Feshbach tenga la forma Breit-Wiqner. 296 ABSTRACf A discussion of the nature of quanturn mechanical resonances is presented froro the point of view of the spectral theory Di operators. In the case of Bohr-Feshbach resonances, graphs are presented to illustrate the theory showing the decay of a doubly excited metastable state and the excitation of the resonance by ao incident particle with proper energy. A characterization of resonances is given as well as a procedure to determine widt~s using the spectral density function. A sufficient condition is given for the validity oE the Breit-Wigner formula for Bohr-Fesbach resonances. Fn sistemas cuánticos se conocen dos tipos de resonancias o estados metacstables; estas son las resonancias de fo~~ y las resonancias de Bohr-Feshbach. Las resonancias de forma, como su nombre 10 indica se presentan por la forma del potencial el cual puede tener bordes que mantienen a lma partícula temporalmente dentro de una región limitada del e~ pacio. I~s resonancias de Bohr-Feshbach se presentan en problemas de muchos cuerpos y se deben a la interacción entre las partículas. Un estado excitado colectivo que sería ligado en ausencia de la interacción resulta no ser estacionario en presencia de la interacción si hay suficiente ene! gÍa para expulsar a una o más de las partículas cayendo las otras a un ni vel más bajo. Un potencial que muestra resonancias de forma es el considerado por Camow(l) y por Gurney y Condon(2) para explicar algunos aspectos de la emisión de partículas alfa por núcleos. Estos trabajos son de importancia histórica ya que constituyeron la primera aplicación exitosa de la mecánl ca cuántica al núcleo, al explicar la regla experimental de (~iger-Nuttal. El potencial se muestra en la Fig. 1. En el interior del núcleo se supone a la partícula en un potencial constante, y fuera de él la partícula se en cuentra afectada por el potencial de Coulomb. La inversa del tiempo de con finamiento de la partícula dentro del núcleo se calcula, para una energía E, multiplicando el coeficiente de transmisión por el número de veces por unidad de tiempo que la partícula choca contra la barrera. De esta manera se establece la ley de Ceiger-Ntittal. Sin embargo, no se explica por qué los estados metaestables aparecen solamente a ciertas energías. La teoría de los estados virtuales explica esto. Una discusión rle la teoría de los 297 Fig. 1 Potencial considerado para el problema de emisión de partículas alfa por núcleos. estados virtuales Nuclear se puede encontrar dado por Fermi (3). en una dimensión (Fig. 2a.). afectada en las notas de un curso de Física Fermi trató primero por un potencial el caso de una partícula tipo barrera Se supone que los parámetros cuadrado V(x) son tales que existe cuando me- nos un estado ligado de energía Eo para el potencial escalón V' (x) (Fig. 2a.) COI1 la condición de frontera ~(O) = O. La función de onda de este estado ligado se ilustra en la Fig. 2b. espectro de energías siguiente es continuo desde cero, sin embargo, para el caso en que el coeficiente para la energía tra un mínimo E o E es ligeramente ma1ización Se encuentra es pequeña. mayor a E menor a E o o se encuentra la razón de la amplitud o = haciendo O) r2/4 )-1. + mues (Fig. 2e). la función de la Fig. 2e. que cerca de E en el estado descrito o la nunción de la Fig. 2d Y si es tal que la amplitud se prepara 10 de la barrera externa a la interna se encuentra tiene forma lorenziana, o sea ( (E-E )2 ~(x,t de transmisión de estas funciones o se encuentra La función de onda para E cerca de E en la razón de la amplitud Si E es ligeramente sistema Regresando al potencial V(x), el La nor interna es constante. interna a la externa Si al tiempo t = O el por la función u(x) de la Fig. 2b, = u(x), se puede determinar su desarrollo en el tiempo ~(x,t) una expansión en términos ciones que más contribuyen de los estados estacionarios. a esta expansión son aquellas Las fun que tienen una r~ 298 v V' al bl el di el Fig. 2. al Potencial energía barrera E b) Eigenfunc~ón douJe u(x) V que tiene el potencial para estados metaestables el estado ligado de energía cíal v'. c), d), E . o e) Eigenfunciones cerca escalón V' tiene un estado E del de la ligado. poten o para el potencial V cerca de la energía - 299 lación de amplitud interna a externa grande. esto corresponde a un ancho de energía r alrededor de Ea Si se hace la pregunta: ¿Si al tiempo t = O se prepara al sistema en la función u(x), cuál es la probabilidad de que después el tiempo de transolrrido t la configuración sea la descrita por la mis~lfunción u(x)? Se debe hacer la aclaración de que el resultado se puede extender el decaimiento depende de las aproximaciQ y de suponer que la integral que se hace sobre la función nes mencionadas bastante (1) 1jJ(x,t»12 = e-rt . I<u(x) I lorenziana del sistema I~ respuesta es hasta :t En rigor. para tiempos pequeños <Xl. no tiene forma exponencial. El resultado es, sin embargo, bueno en muchas aplicaciones. Después de la anterior ción de las resonancias introducción presentaremos de forma en términos de la teoría espectral radores. Esta teoría da origen a una descripción pendiente de cualquier los detalles aproximación. matemáticos Consideremos una descrip- el potencial ciones de frontera urO) u(L) mostrado no será rigurosa; en las Refs. 4 y 5. en la Fig. 3a. con las condi = O. El haffiiltoniano d2 H = - --+ V(x) dx2 tiene un conjunto ind~ de las resonancias La presentación se pueden encontrar de o~ (2) infinito de eigenfunciones u.(x) correspondiente al con ) junto discreto de eigenvalores ción nroporcional . Oiremos wj. Sea uj normalizada y sea Uj una fun- en la reg ión x < x a . de frontera unitarias. r~tonces a u.J que tiene ampl itud unitaria que Ü. satisface condiciones ) uj = uj hj (3) donde h. no depende de x. Fn la Fig. 3b se ilustran dos de estas funcio) nes u .. Se define la función espectral p(w) como aquella función que es J -------constante para w 1 w. y tiene saltos de magnitud Ih.12 en w. (Fig. 4). J J La función p(w) tendrá saltos grandes la función u. tiene una razón grande de la amplitud externa. J La región de una resonancia donde p(w) está creciendo Es fácil demostrar rápidamente. que se satisfacen J Ihjl2 para valores de wj tales que corresponderá Tomemos interna a la amplitud a la región de energía ahora el lLmite L ~ las relaciones de escalamiento 00 300 (4 ) w j+1 - W j '\, (5) 1/L. Fn este límite la función p(w) convergerá a una función derivable, que se guiremos llamando p(w) ilustrada por la función derivable de la Fig. 4. La derivada de la función espectral está dada por Ih 12 ~= lrloCO y (6) lim ~ I:::.w se llama función de densidad esncctral. a: x O Fiq. 3. al Potencial V(x) arbitrario tipo barrera que muestra de forma. b) Eigenfunciones para el potencial V(x). resonancias Se podrá decir. que el potencial V(x) tiene resonancias c~~ndo la función de densidad espectral tiene uno o más máximos relativamente angostos. Una resonancia será un estado no estacionario dado como una supc£ posición de estados estacionarios con un conjunto de coeficientes proporciQ 301 nal a la función de densidad espectral. Si al tiempo t = O se prepara al sistema en uno de estos estados, la probabilidad f(t) de encontrarlo en la misma configuración después de transcurrido el tiempo cuadrado de la transformada de Fourier-Stieltjes t está dada por el de la función de densidad espectral: f(t) = 2 Ife-iwt d p(w) 1 (7) w. ] Fig. 4 Función espectral mostrando la forma característica en la región de una resonancia. En muchos casos se encuentra ción de densidad ziana. espectral dp/dw se que en la región del máximo la fun- aproxima muy bien a una función lore~ Fn esos casos el decaimiento será aproximadamenteexponencial. Sin embargo el procedimiento nos permite caracterizar resonancias de cualquier forma. se aproximen o no a la fonna lorenziana. Este método se aplicó con éxito por primera vez por Hehenberger, ~tlntosh y Brandas(S) al cálculo de los anchos de estados metaestables el efecto Stark del átomo de hidrógeno ca. para campos grandes en a escala atómi- 302 Pasamos ahora al análisis de las resonancias de Bohr-Feshbach. Para ilustrar muestra les. la teoría se analizará claramente el efecto conservando Consideremos el problema cirado, el hamiltoniano H (x) = - o un ejemplo de los más simples que d2 dx2 esenci~ todas las características de una partícula en un pozo de potencial cu~ es + V(x) (8) donde usamos unidades tales que h = 1, m = 1/2. El potencial particular que usamos es de profundidad Vo -12 y ancho 2 (Fig. 5). Imponernos las condiciones de frontera w(!R) = O para R grande en comparación al ancho del pozo. El espectro es discreto, pero el espaciamiento de niveles es muy fi no para energías R ~oo). positivas y lo llamaremos el "continuo" (lo es para Hay tres estados ligados de energía Eo • = -10.53, E, = Y -6.33 E2 = -0.63 (Fig. 5) correspondientes a las eigenfunciones normalizadas W, y w2" Las eigenfunciones del continuo serán designadas \~n' I WO' I R R t=tEo Fig. 5 Potencial pozo Consideremos satisfacen ción, y en partículas. lI(x,y) = ligados. de dos partículas idénticas que + Ho (y) del problema + me- g ó(x-y); g es la fuerza de la interac- de la función delta aparece El hamiltoniano = Ho (x) niveles de Base dentro del mismo pozo y que interactúan de contacto el argumento Cuando g con tres ahora el problema estadística diante el potencial cuadrado la distancia entre las es (9) gó(x-v).. O el problema es separable y podemos determinar las ci~enfunciones, éstas son productos directos simetriz3l10s de las cigenfull- ciones de una partícula y las energías son 13s stunas correspond ¡entes. En principio el problema con interacción (g 1- O) se podría resol ver de la siguiente manera: Las cigenfunciones del problema separahle fa..!:. man un conjunto completo. Se pueden dctenninar todos los elementos Je roa triz del hamiltoniano H en esta hase. La diagonalización de la matriz in finita que resulta proporciona la solución del prohlema. No sorprendcr:í a nadie que esto no se ha podido h..,cer. ,\fortunadarnente,para entenuer la naturaleza de las resonancias de Bohr-Feshbach basta con considerar una suhmatriz. En la Fig. 6a se muestra el espectro de energía de una partícula y en la Fig. 6b el espectro de dos partículas ticular el nivel 2E2 correSpOndiente (g O). = a la eigenftUlción Observemos en pa,: lV2 (x) lb (y). rs- te estado está casi degenerado con estados del tipo [Wo(x)W (y) + Wo(Y)W (x) n n tado base y J /n . que corresponden" una nartícul" otra 1 ibre. E E 2E 6 al Espectro b) Espectro ción de energías de energías mutua O b) a) Fig. en el es para para en un pozo. estados estados de una partícula en un pozo. de dos partículas sin interac 30~ El estado W2(X)W2(Y) es estacionario en ausencia de interacción. \'0 es estacionario cuando g i O ya que la interacción puede hacer que lUla de las ~lrtículas caiga al estado base expulsando a la otra. Dicho de otra ITklnera, la interacción mezcla a 105 estados $0 ~7(X)~2(Y), [~o(X)Wn (y) Qn + WO(yH'n (X)] para un cierto rango de valores de n. (IDa) 112 (10b) Precisamente este conjtmto limitado de elementos de la base se tomará para representar al hamiltoniano H(x,y) en la región de interés. Comentamos que la perturbación mezcla a $0 que es par en x y en Y. solamente con estados $ tales que ~ es par ya que W n es par. o n L1 función de onda de los estados ligados está limitada a la r~ gión del pozo, mientras que los de energía positiva tienen una función de onda eS~lrcida en el rango de -R a +R. Por esto, Wo y W2 tienen un factor de normalización de orden uno mientras que ~ n tiene un factor de normaliza_ ción proporcional a 1/~ Los elementos de matriz del hamiltoniano de pe~ turbación 11' = go (x-y) dependen de R de la manera siguiente: II!' 1$n > 'V 1/~ (11 a) <<:> 111' 1<:> > n m 'V I/R (11 b) <$ O La suhmatriz del hamiltoniano total (Ec. (9) ) en la base ($O'<Pn), tcrnando las nueve flll1ciones4J más cercanas en energía a 4J ' se n o muestra en la Tabla 1 (hemos t~,do g =-~.S y R = 1100 para el ejemplo). El cero de energía se ha desplazado para puede diagonal izar dando los eigenvalorcs (Tabla lIT). Los eigenvcctorcs aparecen donde se ha tomado el primer coeficiente 1, ... 9)el j-ésimo eigenvector, entonces lizada u que <<:>01111<:>0>= O. Esta rrk1trizse (Tabla 11) y los eigenvectores como renglones de la Tabla 111, como uno. Sea C. ~i= O, J1 la j-éS~1 función de onda norma es Ii c .. $ 1 j donde N J1 j [Ic2.]l;' )i j i ]1 1 (12 ) ( 13) 305 TABLA 1 .011083 .011107 .011133 .011157 .011183 .011207 .000000.011009.011033.011058 .011Q09 -.068185 .011033 - .049717 .011058 -.031233 -.012733 .011083 .005784 .0111 07 .024317 . 011133 .042867 .011157 .061433 .011183 .080015 . 011207 TABLA l. Submatriz del harniltoniano problema de dos partículas con interacción en un pozo. para el TABLA 11 -.070490 -.052494 -.035021 -.018423 -.003017 .012166 .028457 .045780 .063672 .081918 TABLA 11. Eigenvalores de la submatriz del hamiltoniano teracción para el problema de dos partículas. con in TABLA IJJ 1.00000 -4.81783 -.53467 -.28293 -.19230 -.14568 -.11715 -.09798 -.08419 -.07380 1. 00000 .70787 -3.99937 .52241 -.27934 -.19059 -.14460 -.11647 -.09749 -.08382 1.00000 .33492 .75581 -2.93181 - .49833 -.27219 -.18718 -.14260 -.11515 -.09655 - .45883 1. 00000 .22320 .35492 .86706 -1.95202 -.25987 -.18122 .. 13909 -.11283 1.00000 .17044 .23783 .39364 1.14311 -1.26208 -.40635 -.24207 -.17234 -.13377 1.00000 .13823 .17949 .25593 .44609 1.74051 -.91404 -:36177 -.22544 - .16370 1. 00000 .11493 .14208 .18608 .26965 .48987 2.68257 -.77081 -.33683 -.21543 1. 00000 .09746 .11631 .14422 .18982 .27770 .51749 3.81275 1. 00000 .08423 .09795 .11703 .14537 .19187 .28222 53385 1.00000 .07400 .08438 .09816 .11735 .14587 - 19283 - 28442 TABLA -o o '" III.Eigenvectores de la submatriz del para el problema de dos partículas hamiltoniano en un pozo. con -.70958 -.32444 4.95974 -.67964 - 54220 5.83615 interacción 307 Definbnos la función espectral para el caso de las resonancias la Ec. (3)). de la misma manera de fonma La única diferencia (ver discusión como se hizo a continuación de es que en este caso "condición de front£. ra unitaria" significa amplitud unitaria dentro del pozo. Calculando los escalones Ih. 12 resulta la función espectral de la Fi~. 7. De este punto ) en adelante la definición de la función de densidad espectral (tomando el limite R ro) y la caracterización 7 la resonancia lisis. de forma. Esto lo haremos Para el caso particular se tienen los efectos pares) para calcular los la función de onda interna sible mostrar físicamente ) el aná y para mostrar que con una resonancia, cada par muestra en la gráfica usa- superior la re~ión del pozo (-3.3SxS3.3), de onda externa aparece su amplitud generalizando (incrementado con otras nueve funciones im - ll. densidad de probabilidad.para función más adelante al caso de resultados que se muestran en las Figs. 8 y 9. pares de figuras, rior muestra es análoga de este pozo cuadrado que se asocian mos el conjunto de funciones Se presentan de la resonancia la la infe- (-750 ~ x:s.?50), a esta escala muy reducida real en relación en amplitud porque a la amplitud la im~ sería externa en el pa- pel. En la Fi~. 8 se muestra el desarrollo temporal de la densidad de pr£ habilidad cuando al tiempo t = O se prepara al sistema en el estado ~ . Esto muestra el decaimiento Una de las partículas del estado metaestable muestra excitado". cae al estado base y la otra es expulsada probabilidad de viajar a la derecha o a la izquierda. babilidad o "doblemente una oscilación a pequeña escala con igual La densidad de pr£ lo que hace que el trazo de la pluma de la ~raficadora llene ciertas áreas de las figuras. porciones cercanas integración a la izquierda es más ancho; de onda ficticia mayor, Fn la Fig. 9 se muestra encuentra nivel similar sin embargo la excitación superior central de cada fi ~ra esto hace que la oscilación la envolvente igual a la necesaria 41 y la separación de la onda transmitida 0 dada la cual se debe al decaimiento de la resonancia. apreciable. Una partícula para excitar Se observa de una longitud es fácilmente la otra en un paquete al ancho de la resonancia. En las el intervalo muestre de la resonancia. en el pozo en el estado base, ssiano con energía y ancho y derecha se de ondas ga~ la resonancia la excitación del de la onda retar 308 , Fig. 7 (,,) Función espectral para la resonancia de Bohr-Feshbach diente al nivel doblemente excitado de dos partículas ~/\~ ___~l~ corresponen un pozo. (a) ~ I ________ eb Fig. 8 _ (b) 309 ~ ____ • (e) ~ ____ ~ (d) ~ ___ ~ (e) ~ __ ~ (1) ~ ~ (g) ~ ~~ Fig. B Secuencia de gráficas (h) que muestra el desarrollo temporal de la den- sidad de probabilidad para el decaimiento del estado metaestable doblemente excitado pe.ra dos partículas en un pozo. 310 ~ ~~I __ laJ ~ ~~ Ib) ~ ~ IC) ~ ~ __ I_d) ~ .Al. le) --~-~ __ ~~ __ Fig. 9 (1) 311 -~~ (g) ~ _~~ (h) ~ •.=~ _~~=---__ _~~_ O) (k) Fig. 9 312 (m) =----( n) ( o) (p) --~ --==----=JL~==="'~==__(q) ~ I_==~(,--r) Fig. 9 Secuencia de gráficas que muestra el desarrollo temporal de la densidad de probabilidad para la excitación de la resonancia correspondiente al nivel doblemente excitado para dos partículas en un po_ zo. 313 Se puede abstraer la situación general del ejemplo estudiado. Se tiene un estado localizado degenerado o casi degenerado con un continuo de estados no localizados. Una interacción do una reso~1ncia o estado mctaestable. mezcla a estos estados gcnera~ Las ftlnciones de onda de los esta dos no localizados contienen un factor de normalización l/1Ft por cada par tícula no localizada, donde R es el radio del lmiverso del sistema. Este factor es importante porque determina el orden de magnitud de los elementos de matriz de la perturbación .. Tenemos una base de estados TI = (14 ) 1,2,3 en la cual el h1Miltoniano sin interacción es diagonal. El hamiltoniano total representado en esta base tiene la forma 3 a*] w] o 1 a*2 a3 a2 W (1 S) W2 a~, W 3 donde un = <~ollll~n>; precian. w O los elementos no escritos son de orden llR y se des La ecuación secular de la matrlz (15) es -Á _ L a~ (16 ) -n~\ n Si A es el j-ésimo eigenvalor de (15), el j-ésimo cigenvector está dado j por (17) donde a* (18) n CJO A.-W ) n Las eigenfunciones u. J están dadas por (19) 314 donde N. (20) ) El problema calones sin interacción tiene una función espectral con es- dados por IhOl2 ~o ~ n donde (21a) hOn$" n = (21b) están nonnalizadas y (~O'~) ~O';Pn) satisfacen condiciones de fron teTa unitarias. El problema con interacción tiene una fUnción espectral con esca Jones Ih.1 dados por 2 ) u hIT j j j (22) 1 Ih.12 J IhO + N.2 J ¿ n C. hO Jn n 2 (23 ) 1 El resul taJo importante que obtenenos es que la tnleva función espectral se determina escalones la misma transfonnación unitaria de la vieja función espectral En la Fig. lOa se ilustra la solución rular para TI = 9. La intersección detennina los eigenvalores )...' J pectral la cual tiene escalones efectuando que diagonaliza gráfica sobre los al hamiltoniano. de la ecuación se I 3n de la recta \-wo con la curva X-wn En la Fig. 10b se ilustra la func~ónes de tamaño Ihjl2 en las posiciones - 'j. En el 1ími te R 0+00 la fune ión de densidad espectral, lim Rcaracteriza Ih I .:-l. 2 6' a la resonancia. (24) 315 o (w) b) Fig.10 a) Solución b) Función espectral para la región de la resonancia de BohrFeshbach. gráfica de la ecuación Consideramos un caso especial secular de la matriz de amplia aplicaci6n. (15) La interae ción mezclará estados <to ,l1>n dentro de un ancho de energías de orden f ao 12 /6w si dentro de este ancho las energías w n están unifonnenente 316 espaciadas y las an son constantes.entonces el lado derecho de la ecuación secular (16) es la expansión de ~littag-Leffler de la cotangente, esta ec~ ción tomará la forma l.-w o = :,2 cot[ ~ (25 ) (l.-Wo)] y el escalón de fUnción espectral IhY [2 1 L + [e.Jn n ¡hO 12 )J h'a* t,w ~cot[~ t,w (l..-w J o + 2 1 Ih.[2 J na2 2+-(t,w) 2 substituyendo de la Ec. (25) se s]mplifica a 2 + l..l~a2 T (l. a2 (t.w) .-W )2] J o La función de densidad espectral se ruede detenninar: [h [2 donde r lim _J_ R- t.w r ¡hO + h' r2 4 + 2~ (l.-wo)/a(' (l.-w) 2 2~ l]m REl resultado que obtenemos es que la función de densidad espectral tiene la foma de Breit-Wigner y lar el ancho de la resonaocia. aunQ-lc no se satisfaga fonma lorenziana un procedimiento para calc~ Sin anbargo, es importante hacer notar q..Jc el criterio cJUlociado podemos caracterizar densidad espectral. tenEmOS para que la resonancia resonancias calculando tenga la función de Comoen el caso de la rcsonanc ia de C(llma, ~C'fXlwe demostrar que si el sistem,l se prepara a tiempo t = O ('TI el estado <Po • la probabi 1idad de encontrarlo en la misma configuración des¡ués de transcurrido t está dada por el cuadrado de la transfonnada de Fourier-Sticltjes función de densidad espectral. el tiempo de la REFEROCL\S l. 2. 3. 4. 5. G. Gamow, Z. Physik. 51 (1928) 204. R.'i. Gurney y E.U. Condon, Phys. 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