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elemento de matriz

elemento de matriz — de la anatomía de la fórmula
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Descripción

En mecánica cuántica, un elemento de matriz es un número complejo que cuantifica la amplitud de probabilidad para una transición entre dos estados cuánticos bajo la acción de un operador. Es un objeto central en la teoría de perturbaciones, la teoría de dispersión y el cálculo de cantidades observables como tasas de transición y secciones eficaces. El elemento de matriz codifica la 'fuerza' de un acoplamiento entre estados, como la interacción de un átomo con un campo electromagnético o la desintegración de una partícula.

Historia

El concepto fue desarrollado a finales de la década de 1920 por Max Born, Werner Heisenberg y Pascual Jordan como parte de la mecánica matricial, la primera formulación completa de la mecánica cuántica. Posteriormente se integró en la notación bra-ket de Dirac, que ahora es estándar.

Cómo funciona

Formalmente, un elemento de matriz se escribe como ⟨ψ_f|Ô|ψ_i⟩, donde |ψ_i⟩ y |ψ_f⟩ son los estados cuánticos inicial y final, y Ô es un operador que representa una cantidad física o interacción. El valor se calcula integrando el producto de la conjugada compleja del estado final, el operador actuando sobre el estado inicial, sobre todo el espacio de configuración. El módulo al cuadrado del elemento de matriz da la probabilidad de la transición, que luego se usa en la regla de oro de Fermi para calcular tasas.

En la práctica

Los elementos de matriz se utilizan para calcular tasas de desintegración de núcleos radiactivos, secciones eficaces de dispersión en física de partículas y espectros de absorción/emisión en física atómica y molecular.

Dato curioso

En física de partículas, el elemento de matriz para un proceso como la aniquilación electrón-positrón a menudo se calcula usando diagramas de Feynman, donde cada diagrama contribuye con un término al elemento de matriz total.

Concept graph →

Fórmulas

$$A(\omega) = \sum_n |\langle n | \mathcal{O} | 0 \rangle|^2 \delta(\omega - (E_n - E_0))$$
Measures the probability of excitations at energy ω.
Qué hay en la fórmula
A(ω)variablespectral function value at energy ω — spectral function
ωvariableenergy variable (frequency) — energía joule
nvariableindex labeling excited eigenstates
|n⟩variableexcited eigenstate of the system — estado cuántico
|0⟩variableground state of the system — estado cuántico
Ovariableoperator whose excitations are probed — operator
E_nvariableenergy of excited state n — energía joule
E_0variableenergy of ground state — energía joule
⟨n|O|0⟩operadorinner product of states with operator applied — elemento de matriz
δ(...)operadorselects only contributions at exact energy difference — dirac delta
∑_noperadoradds contributions from all possible excitations — suma
$$E_n \approx E_n^{(0)} + \sum_{m \neq n} \frac{|\langle m^{(0)} | H' | n^{(0)} \rangle|^2}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}$$
Energy correction from summing over matrix elements divided by energy differences.
Qué hay en la fórmula
E_nvariablePerturbed energy of state n — energía joule
E_n^{(0)}variableUnperturbed energy of state n — energía joule
E_m^{(0)}variableUnperturbed energy of state m — energía joule
H'variablePerturbation Hamiltonian — hamiltoniano joule
|n^{(0)}\ranglevariableUnperturbed state n — estado cuántico
|m^{(0)}\ranglevariableUnperturbed state m — estado cuántico
\sum_{m \neq n}operadorSum over all states m except n — suma
\langle m^{(0)} | H'operadorMatrix element of perturbation between unperturbed states — elemento de matriz
$$\Gamma_{i\to f} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle \psi_f | H' | \psi_i \rangle|^2 \rho(E_f)$$
Transition rate due to perturbation depends on matrix element and density of states.
Qué hay en la fórmula
\Gamma_{i\to f}variableTransition rate from initial state i to final state f — transition rate per second
\psi_ivariableInitial quantum state — función de onda
\psi_fvariableFinal quantum state — función de onda
H'variablePerturbation Hamiltonian — perturbation hamiltonian joule
\rho(E_f)variableDensity of final states at energy E_f — densidad de estados per joule
\hbarconstanteReduced Planck constant, relating energy to angular frequency — constante de Planck reducida = 1.054571817e-34 joule second
\langle \psi_f | H' operadorMatrix element of the perturbation between initial and final states — elemento de matriz

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