Уравнение Дирака против релятивистского гамильтониана

Тонкую структуру можно получить, рассматривая релятивистский гамильтониан, а также добавляя поправки на магнитные поля и т. д.

Для водорода эти эффекты малы, что позволяет легко получить аналитическое решение с использованием теории возмущений (которая включала запись релятивистской кинетической энергии в виде ряда Тейлора в в / с и только выходя на в 4 / с 4 срок). Однако в этом нет необходимости , так как полный гамильтониан также можно решить численно.

Для внутренних орбиталей тяжелых элементов релятивистский эффект велик и решается с помощью уравнения Дирака . Почему нельзя вместо этого использовать релятивистский гамильтониан (но решить его численно без теории возмущений) для этих сильно релятивистских систем?

Как получить постоянную тонкой структуры? Есть формула?
@ДерекСибрук. Он не выводится из первых принципов, он измеряется в лаборатории. Измерение постоянной Планка, заряда электрона и т. д. в основном измеряет, насколько огромны и массивны люди. Вместо этого альфа выводится из множества эффектов, которые никогда не касаются человеческого масштаба, см. science.sciencemag.org/content/360/6385/191 . Формула (то есть то, что связывает альфа с безразмерными числами, которые вы вычисляете в своих приборах) варьируется в зависимости от того, что измеряется.

Ответы (1)

Гамильтониан, связанный с уравнением Дирака, на самом деле не является гамильтонианом какой-либо физической системы. Причина в том, что «релятивистский гамильтониан», о котором вы говорите, предполагает, что существует фиксированное, конечное число фермионов, а на самом деле это никогда не бывает так. Всегда присутствует дираковское море электронов с отрицательной энергией (и мюонов, и кварков и т. д.), заполняющих все пространство вокруг нас. Вы не можете описать истинный гамильтониан для этого бесконечного числа фермионов, не используя теорию поля, которая имеет непрерывное число степеней свободы и которую нельзя точно диагонализовать. (Требуется теория возмущений.)

Для таких задач, как атом водорода с идеализированным (точечным, бесконечно массивным) протоном, который имеет только один электрон, вы часто можете в определенной степени обойти эти проблемы. Однако, если вы хотите иметь дело с многоэлектронным атомом, явлений теории поля можно избежать. С несколькими электронами вы должны начать учитывать явления обмена, в которых статистика Ферми-Дирака идентичных частиц влияет на структуру волновой функции. В двухэлектронном атоме, таком как нейтральный гелий, можно представить себе, что электроны постоянно рассеиваются друг на друге, причем процесс рассеяния включает в себя как прямое, так и обменное рассеяние (при котором электроны меняются местами). Однако, когда вы начинаете включать релятивистские поправки, вы также должны учитывать обменное рассеяние на электронах с отрицательной энергией, заполняющих море Дирака. Таким образом, невозможно получить точную картину теории без использования гамильтониана, включающего полное бесконечное число частиц, а это означает, что вы должны использовать теорию поля.

Значит, есть три подхода? 1. Измените гамильтониан и решите уравнение Шрёдингера. 2. Вместо этого решите уравнение Дирака. 3. Полная квантовая теория поля. Итак, является ли 1 наименее точным, 2 более точным и 3 наиболее точным?