費米黃金法則(Fermi's golden rule)
/ FUR-mee /
許多量子過程並非兩個銳利能階之間的跳躍,而是衰變進入一整片連續的可能性——激發原子把光子放射進無數場模之一、粒子散射到任一出射方向。對這些過程,有用的量不是單一機率,而是一個定值的躍遷率:每秒躍遷幾次。費米黃金法則就是給出此速率的簡潔公式。
它陳述:在微擾 V 下由初態 i 躍遷到諸末態 f 的速率為 Gamma = (2 pi/hbar) |<f|V|i>|^2 rho(E_f),其中 |<f|V|i>|^2 是耦合矩陣元的平方、rho(E_f) 是每單位能量的末態密度,在能量守恆處取值。它由一階含時微擾論在長時間極限下導出:共振因子 sin^2[(omega - omega_fi)t/2]/(omega - omega_fi)^2 隨時間變窄,對連續末態積分後成為強制能量守恆的狄拉克 delta 函數,留下隨時間線性成長的機率——因而是定值速率。定值速率作用於一個衰變中的族群,便產生熟悉的指數衰變律。
黃金法則無所不在:它給出自發放射與吸收率、散射截面、核與粒子的衰變率,以及固體中的電子輸運率。其誠實的前提:必須有真正的(準)連續末態,rho(E_f) 才有意義;耦合須弱到一階微擾論成立;經過的時間須遠長於 1/(能階間距)、卻又遠短於衰變時間。在極短時間下機率是二次而非線性成長,故該處不適用此法則。(它其實由狄拉克導出;費米因其實用而稱之為「黃金」。)
激發原子的自發放射率由黃金法則導出,其中 V 是原子-場耦合、rho 是真空中光子模的密度;結果是一個定值速率 A(愛因斯坦 A 係數),故激發族群依 N(t) = N_0 e^(-A t) 衰變、壽命 1/A——對氫的 2p 態約 1.6 奈秒。
一個定值的黃金法則速率,正是使衰變呈指數形式的原因。
此法則需要連續的末態且一階微擾有效;它不描述相干的二能階動力學(那是拉比振盪),且在極短時間下失效,該處躍遷機率隨 t 為二次而非線性。