量子力学第四弹——角动量

量子力学第四弹——角动量相对于位置和动量等力学量 在量子力学中角动量的内容丰富的多 因此值得进行专门的 深入的探讨

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相对于位置和动量等力学量,在量子力学中角动量的内容丰富的多,因此值得进行专门的、深入的探讨。

:从本讲起省略算符头上的帽子,并假设读者自知。


轨道角动量 L^

Definition

L=x×p




Lα=ϵαβγxβpγ

Commutation Relations

  1. [Lα,Lβ]=iϵαβγLγ
  2. [L2,Lα]0CommonEigenstate Degeneracy

Eigenvalue Problems

L2|l,ml=Lz|l,ml=l(l+1)2|l,ml,l=0,1,ml|l,ml,ml=l,l+1,,+l

自旋角动量 S^

Definition

[Sα,Sβ]=iSγ




[S2,Sα]0

Eigenvalue Problems

S2|s,ms=Sz|s,ms=s(s+1)2|s,ms,s=12ms|s,ms,ms=12,+12



In this course, only electron, a Fermion, is considerd, which means we assume

s
equals



12

.


S2|s,ms=Sz|s,ms=342|s,ms±12|s,ms

Orthonormal & Completeness

Let |ms=+12=|1,|ms=12=|0

{
i|j=δij1i=0|ii|=I(unitoperator)

升降算符

J 总角动量

Definition

J±=Jx±iJy

Properties

  1. J±|j,mj=C|j,mj±1, where C=(j±mj+1)(jmj)J+|j,+j0J|j,j0


    (to be prooved )

  2. [J±,J2]0

    proof

    [J±,J2]===[Jx±iJy,J2][Jx,J2]±i[Jy,J2]0

  3. [J±,Jz]=J±

    proof

    [J±,Jz]=====[Jx±iJy,Jz][Jx,Jz]±i[Jy,Jz]iJy±iiJx(Jx±iJy)J±

  4. [J±,J]=±2Jz

    proof

    [J±,J]====[Jx±iJy,JxiJy][Jx,Jx]+[Jy,Jy]i([Jx,Jy][Jy,Jx])0+0±2Jz±2Jz

  5. J±J=J2J2z±Jz

    proof

    J±J====(Jx±iJy)(JxiJy)J2x+J2yi(JxJyJyJx)J2x+J2y±JzJ2J2z±Jz

泡利矩阵

Definition

Sα=2σα so that σ2α=1 .

Properties

  1. [σα,σβ]=2iϵαβγσγ

    proof

    [σα,σβ]=====[2Sα,2Sβ]42[Sα,Sβ]42iϵαβγSγ2iϵαβγ2Sγ2iϵαβγσγ

  2. [σα,σβ]+=σασβ+σβσα0(αβ)

    proof
    根据prop 1

    σασβσβσα=2iϵαβγσγ



    两边左乘

    σα



    σβσασβσα=2iϵαβγσασγ



    两边右乘

    σα



    σασβσασβ=2iϵαβγσγσα



    两式相加


    4iϵαβγ(σασγ+σγσα)=0



    因此


    [σα,σβ]+=σασβ+σβσα0

    (provided

    αβ
    )

    if

    α=β
    ,


    [σα,σβ]+=σασβ+σβσα=2



    To sum up


    [σα,σβ]+=σασβ+σβσα=2δαβ

  3. σασβ=δαβ+iϵαβγσγ

    proof

    σασβσβσα=σασβ+σβσα=2iϵαβγσγ2iϵαβγσγ+2δαβ



    Therefore


    σασβ=δαβ+iϵαβγσγ

  4. DEF: σ±=σx±iσy2
  5. DEF: σ+=|10|,σ=|01|
  6. σx=(0110)σy=(0ii0)σz=(1001)

proof
σ+=|10|=(10)(01)=(0010)
σ=|01|=(01)(10)=(0100)
σx=σ++σ=(0110)
σy=i(σ+σ)=(0ii0)

{
σz|1=+1|1σz|0=1|0

σz=====IσzI(|00|+|11|)σz(|00|+|11|)|11||00|(1000)(0001)(1001)

总角动量 J^

Definition

J=L+S

Properties

  1. [Jα,Jβ]=iϵαβγLγ
    [Jα,Sβ]0
  2. [J2,Jα]0
    {
    J2|j,mj=Jz|j,mj=j(j+1)2|j,mj,j=0,1,mj|j,mj,mj=j,j+1,,+j

  3. [J±,J2]0
  4. [J±,Jz]=J±
  5. [J±,J]=±2Jz
  6. J±J=J2J2z±Jz

角动量的本征值问题

用纯代数的方法,借助升降算符的性质,求解角动量的本征值问题,虽然没有物理图像,但是过程简洁。

[J2,Jα]=0

{
J2|λ,m=λ2|λ,mJz|λ,m=m|λ,m

(

λ,m
unknown)

[J±,Jz]=J±




JzJ±=J±Jz±J±




{
J2[J±|λ,m]=J±J2|λ,m=λ2[J±|λ,m]Jz[J±|λ,m]=(J±Jz±J±)|λ,m=(m±1)[J±|λ,m]



which means


J±|λ,m=C|λ,m±1



However


J2J2zm2λ



Let

m0
&

m0+N
be the extremums

Thus


{
J+|λ,m00J|λ,m0+N0



As


λ,m|J±J|λ,m==λ,m|J2J2z±Jz|λ,m(λ2m2±m)2



We can get


{
λ2m20+m0=0λ2(m0+N)2(m0+N)=0









m0=N2λ=N2(N2+1)



Let

j=N2,N=0,1,2,...



J2|j,mj=j(j+1)2|j,mj,j=0,12,1,32,Jz|j,mj=mj|j,mj,mj=j,j+1,,+j

角动量的耦合

Two electron’s coupling

S=S1+S2

  1. Commutation Relations
    [S1α,S21]0,[S2α,S22]0,[Sα,S2]0
    [S1α,S1β]=iϵαβγS1γ,[S2α,S2β]=iϵαβγS2γ,[Sα,Sβ]=iϵαβγSγ
    [S1α,S2β]=0
  2. Eigenvalue Equations

Tricks

  1. 123(10100)=101002020030300


    低维矢量到高维矢量。

2.

Thanks to Prof. Guo Hong

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