7.2.束缚态和共振

mathcal{F} {bm{Im}quad p>0} 区域的零点对应束缚态而它在 {bm{Im}quad p<0} 区域的零点可代表共振这一事实表明,在束缚态和共振之间应当有某种联系。本节我们的目标就是要建立这二者的联系。我们从重新引入可变耦合参数 lambda 并考虑哈密顿量 H=H^0+lambda V 的散射入手。之前我们已经证明过,在 p 为物理上的可能值是, Jost 函数在 p 点是解析的(在 {bm{Im}quad p<0} 的可能奇点除外),在这些区域 Jost 函数实际上是 lambda p 的解析函数,记为 mathcal{F}(lambda,p)

现在我们假定对于某一实数 lambda_0 在上半平面和下半平面的边界上有一个 mathcal{F} 的零点:即在阈处的零点。我们将看到,如果改变 lambda ,零点就会发生移动,比如,如果改变 lambda 使位势具有更强的吸引作用,则零点就会向上移动到 {bm{Im}quad p>0} 的区域并且形成一个束缚态;如果使位势的吸引作用变得更弱,则零点就会向下移动到 {bm{Im}quad p<0} 区域,并且当 l>0 时形成一个共振态, l=0 的情况称为“虚态”。

当改变 lambda 时, mathcal{F} 的零点一定要移动,因为如果对于某一区间的 lambdaJost 函数保持固定,那么它对于所有的 lambda 都必须是固定的(因为 mathcal{F} 的解析的),这与一致的对于 lambda=0,mathcal{F}neq 0 的事实相矛盾。为了看出当 lambda 改变时零点如何移动,我们将 mathcal{F}(lambda,p) 分别在 lambda=lambda_0,p=0 处做双幂级数展开,即:

mathcal{F}(lambda,p)=sum_{n,m}a_{nm}p^m(lambda-lambda_0)^n

在之前对于Jost函数在阈处的特性的讨论中,我们得到了如下的关系:

mathcal{F}_0(p)=igamma_0p+O(p^2)

那么,对于 l=0 的情况,在阈处的零点是单的,并且对比我们的双幂级数,级数的最低项应该具有如下的形式

mathcal{F}(lambda,p)=ixi p+eta(lambda-lambda_0)+dots[l=0]

显然,当 lambda=lambda_0 时此式在 p=0 处有单零点,而对靠近 lambda_0 lambda ,在

bar{p}approx -frac{ieta}{xi}(lambda-lambda_0),[l=0]

处可找到同样的零点,就是说,当 lambda 变化通过 lambda_0 时,零点线性地移动到虚轴以下,如下图所示,对应于 E 的黎曼面上的零点的移动:

在上面的图中, s 波的 Jost 函数的零点最初是 {bm{Im}quad p>0} 区域的束缚态,当势减弱时,束缚态沿虚轴移动逐渐变为较弱的束缚态,直到 lambda=lambda_0 时,它便成为零能共振态。当我们继续减弱势,零点继续沿着虚轴移动,显然它不能总是在靠近实轴处,因此也就不会变成我们在上一节中讨论的共振。

s 波的 Jost 函数在负虚轴上的零点有时被认为是“虚态”,显然虚态不是正规的束缚态。它的物理意义是,在靠近阈处附近的虚态意味着 mathcal{F}(0) 很小,因而散射长度很大,所以靠近阈处的虚态在低能时会产生很大的截面,比如 n-p 单态的虚态。

现在我们考虑 l>0 的情况,我们已经知道

mathcal{F}_l(p)=beta_lp^2+O(p^4),[l>0]

所以我们可以发现,在这种情况下, Jost 函数在阈处的零点是二阶零点,与双幂级数对比可得:

mathcal{F}(lambda,p)=xi p^2+eta(lambda-lambda_0)+cdots[l>0]

当靠近 lambda_0 时有两个零点,分别在

bar{p}approxpm ibigg(frac{eta}{xi}bigg)^{1/2}(lambda-lambda_0)^{1/2},[l>0]

lambda 经过 lambda_0 时,这两个零点在原点重合并重新分离,如下图所示:

对双幂级数得严格验证表明,共振点的虚部来自 igamma p^{2l+1} ,因此它变为

bm{Im}quadbar{p}(resonace)propto(lambda-lambda_0)^l,[l>0]

此时,角动量越大,零点的路径越趋向于实轴,对应的共振峰也越尖锐。

这些低能共振的一个重要的性质时它们的背景相移 delta_{bg} 总是很小的,因此对应的截面总表现出非常纯粹的 Breit-Wigner 峰。为了理解这一点,我们可以回顾一下背景相移

delta_{bg}=-argbigg(frac{dmathcal{F}}{dE}bigg)_{bar{E}}

当零点是负实轴上的束缚态时, (dmathcal{F}/dE)_{bar{E}} 必须是实的。因为 (dmathcal{F}/dE)_{bar{E}} 是连续变化的,并且当零点在阈处时不为零,因此在零点刚通过阈处后其值主要是实的并且导致了共振态。换句话说,只要共振靠近阈处,背景相移 delta_{bg} 就很小。

现在我们回过头来看我在计算方势阱相移和截面时, l=3 的共振情况。我们的势阱给得太浅而不足以束缚住一个 l=3 的束缚态,所以在靠近阈处一定有一个 mathcal{F} 的共振零点。因为 mathcal{F} 的零点靠近阈处,所以它的背景相移很小而明显的表现为 sigma_3Breit-Wigner 峰。我们现在来逐渐加深方势阱,可以发现共振点将一直向阈处靠近,当它到达阈处时,就变得更加地接近实轴并且表现出更尖锐地共振。最后,当势阱变得足够深时,共振将移到 {bm{Im}quad p>0} 区域而成为束缚态,正如第四张图,共振峰消失了。

(2ma^2V_0)^{1/2}=5.2(2ma^2V_0)^{1/2}=5.5(2ma^2V_0)^{1/2}=5.7(2ma^2V_0)^{1/2}=5.8

最后我们注意到,对于确定的系统,可能所有的共振态都属于上述的“近束缚态”型.在这种情况下,束缚态和共振态可以认为在本质上是相同的;两者都是 mathcal{F} 的零点(或 s 的极点),唯一的区别是束缚态发生在 {bm{Im}quad p>0} 内而共振态发生在 {bm{Im}quad p<0} 内。然而仍然要强调的是,当然可能有更加复杂的系统,这些系统的共振态不对应 s 的极点,它们 s 的极点也不对应着共振态。

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