19032

Момент импульса: матричная теория

Лекция

Физика

Лекция 14 Момент импульса: матричная теория Получим собственные значения операторов проекции и квадрата момента другим способом. Этот способ основан только на коммутационных соотношениях между операторами момента и не использует явные выражения для самих оператор

Русский

2013-07-11

280 KB

13 чел.

Лекция 14

Момент импульса: матричная теория

Получим собственные значения операторов проекции и квадрата момента другим способом. Этот способ основан только на коммутационных соотношениях между операторами момента и не использует явные выражения для самих операторов. По этой причине этот способ носит общий характер и может быть использован, в частности, для спинового момента, когда коммутационные соотношения имеют место, а явные выражения для операторов - нет.

Введём следующие операторы:

  (1)

С помощью коммутационных соотношений для операторов проекций момента установим коммутационные соотношения для операторов . Имеем:

     (2)

  (3)

   (4)

Здесь использованы коммутационные соотношения для операторов проекций момента импульса и его квадрата. Отметим, что поскольку операторы  неэрмитовы, они не отвечают никаким наблюдаемым величинам.

Явные выражения для операторов  можно получить из определения оператора момента  и формулы (1). В декартовых координатах выражения для проекций момента  и  приведены в предыдущей лекции. Непосредственно переходя от дифференцирования по декартовым координатам к дифференцированию по сферическим, получим следующие выражения для операторов :

  (5)

Пусть, далее,  - общая собственная функция операторов  и , отвечающая собственным значениям  и  (сейчас предполагается, что собственные значения операторов квадрата и проекции нам сейчас неизвестны; существование полной системы общих собственных функций операторов  и  следует из факта их коммутации). Докажем, что функции  удовлетворяют уравнениям:

     (6)

то есть являются общими собственными функциями операторов  и , отвечающими собственным значениям  и  (либо тождественно равны нулю; в последнем случае уравнения (6) также удовлетворяются).

Для доказательства подействуем операторами  на уравнения на собственные значения  операторов  и :

     (7)

     (8)

Пользуясь тем, что операторы  коммутируют с оператором , поменяем порядок следования операторов в левой части уравнения (1). В результате получим

    (9)

В уравнении (8) поменять порядок следования операторов  и  нельзя, поскольку эти операторы не коммутируют. Выразим входящее в него произведение операторов из коммутационного соотношения (3) и подставим в уравнение (8):

    (10)

Раскрывая в (10) скобки и перенося одно из слагаемых в правую часть, получим второе уравнение

    (11)

Из уравнений (10), (11) следует, что функции  являются собственными функциями операторов  и , отвечающими собственным значениям  и  соответственно, или тождественно обращаются в нуль  (в этом случае уравнения (10), (11) также удовлетворяются, а функция, тождественно равная нулю, собственной по определению не является).

По этой причине операторы  и  называются операторами, повышающим и понижающим проекцию момента импульса частицы на ось .

Далее. Пусть  максимальное собственное значение проекции момента на ось  при фиксированной величине момента (ясно, что таковое существует). Тогда

  (12)

Подействуем на это равенство оператором :

  (13)

С другой стороны из определения имеем

 (14)

Поэтому равенство (13) сводится к

 (15)

Так волновая функция  есть собственная функция всех операторов, входящих в это равенство, а также с учётом того, что это состояние с максимальной проекцией момента на ось , равной , получим:

  (16)

Отсюда

  (17)

где  - максимальное значение проекции момента. Действуя далее на функцию  оператором , будем получать новые собственные функции

 (18)

пока не дойдем до функции с минимальной проекцией. Обозначим эту проекцию . С одной стороны, для числа   справедливо равенство

(19)

где  - целое число. С другой, для функции  выполнено условие

  (20)

Действуя на это равенство оператором , получаем:

  (21)

Так как функция  является собственной функцией операторов  и , то из формулы (21) получаем

 (22)

или

 (23)

Подставляя в формулу (23)  из (19) и приравнивая полученное выражение выражению (17), получим для максимально возможного значения проекции момента в состоянии с определенным квадратом момента

 (24)

где  - целое число. Таким образом из формул (24), (17) и (19) следует, что собственные значение операторов квадрата момента и его проекции на ось  определяются соотношениями

(25)

 (26)

где  - целое или полуцелое число. Никаких других собственных значений эти операторы иметь не могут.

Для построения собственных функций операторов квадрата и проекции момента используем явное выражение оператора  (5). Учитывая, что зависимость от азимутального угла  волновой функции состояния с максимальной проекцией  определяется соотношением , где  - некоторая функция полярного угла , из формул (5), (12) получаем для функции

  (27)

откуда

  (28)

Выражение для сферической функции  получаем, действуя на (28), понижающим оператором:

 (29)

Аналогично получается и общее выражение для сферической функции

  (30)

Рассмотрим теперь свойства четности сферических функций. Поскольку в оператор момента сами декартовы координаты и производные по ним входят в виде билинейных комбинаций, операторы инверсии и момента коммутируют:

  (31)

Используя теорему о связи коммутации операторов и одновременной измеримости физических величин, можно сделать вывод, что состояние с определённым моментом и проекцией обладает также определённой чётностью. А поскольку при преобразованиях инверсии сферические координаты преобразуются как

  (32)

то

  (33)

Найдем четность всех сферических функций. Во-первых, очевидно, что четность сферической функции определяется только моментом и не зависит от проекции момента на ось. Действительно, состояния с различными проекциями связаны друг с другом действием операторов , которые коммутируют с оператором четности. Поэтому достаточно найти четность функции . А это легко сделать, используя явное выражение для сферической функций с максимальной проекцией:

 (34)

Из (34) имеем

 (35)

Поэтому для любых сферических функций

  (34)

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65628. Інформаційне та технічне забезпечення екологічної безпеки критично небезпечних промислових об’єктів 397 KB
  На відміну від автоматичних установок пожежогасіння які розраховують виходячи з подачі обєму рідини на одиницю площі за відрізок часу в якості параметрів ефективності зменшення установкою екологічно шкідливого впливу аварії автором запропоновано розраховувати нову установку виходячи з відношення обєму розпорошеного...
65629. ЛЕКСИКА «ДИТЯЧОГО СПІЛКУВАННЯ» У ГОВІРКАХ ЦЕНТРАЛЬНОЇ СЛОБОЖАНЩИНИ (ХАРКІВЩИНИ) 145.5 KB
  Усі ці роботи різні тематикою матеріалом й аспектами вивчення поєднує одне: предметом дослідження в них є говірне мовлення дорослих. Територіальне ж дитяче мовлення на сьогодні залишається практично не дослідженим як у світовому так і у вітчизняному мовознавстві хоча теоретичне осмислення цього...
65630. ДЕРЖАВНА ПОЛІТИКА ТА ФІНАНСОВИЙ МЕХАНІЗМ ЦІНОУТВОРЕННЯ НА СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКУ ПРОДУКЦІЮ 495 KB
  Водночас забезпечення сталого суспільного розвитку потребує належного регулюючого впливу державної політики і фінансового механізму на функціонування національної економіки через удосконалення системи цін. Важливу роль у здійсненні процесів відтворення та узгодження економічних...
65631. РОЗВИТОК СИСТЕМИ СТРАХУВАННЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ КУЛЬТУР 297 KB
  Дієвим ринковим інструментом його підтримки та забезпечення безперебійності відтворювального процесу виступає страхування сільськогосподарських культур яке відшкодовуючи понесені збитки дозволяє стабілізувати виробництво забезпечити фінансову стійкість господарств а відтак і сталість...
65632. МИСТЕЦЬКЕ ЖИТТЯ ВІННИЧЧИНИ 60-Х РОКІВ XIX – ПЕРШОЇ ПОЛОВИНИ XX СТОЛІТТЯ В КОНТЕКСТІ ХУДОЖНЬОЇ КУЛЬТУРИ ПОДІЛЛЯ 160 KB
  Культура України та, особливо, культурна спадщина регіонів відіграють важливу роль у процесі гармонійного оновлення українського суспільства. Основою національної самосвідомості, як відомо, є уявлення про історичну долю народу та його історичні традиції.
65633. ФІЛОСОФІЯ БОГДАНА КІСТЯКІВСЬКОГО В УКРАЇНСЬКОМУ ФІЛОСОФСЬКО-ПРАВОВОМУ ДИСКУРСІ КІНЦЯ ХІХ – ПОЧАТКУ ХХ СТОЛІТТЯ 280.5 KB
  Актуальність виконаної теми посилюється якраз тим що досліджуваний період характеризується становленням сучасного розуміння права відкритістю і гостротою обговорення проблематики як у контексті теоретичного змісту так і в соціально-практичній спрямованості.
65634. УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ЖІНОЧОГО ПЛЕЧОВОГО ОДЯГУ З ЕЛАСТИЧНИХ ТКАНИН 7.33 MB
  Аналіз сучасного ринку легкої промисловості засвідчує, що швейні вироби з еластичних тканини із вмістом ниток поліуретану займають понад 50% як вітчизняного, так і світового об’єму виготовленого та реалізованого одягу.
65635. ОСОБЛИВОСТІ ДІАГНОСТИКИ ТА ЛІКУВАННЯ ХВОРИХ З ГАСТРОЕЗОФАГЕАЛЬНОЮ РЕФЛЮКСНОЮ ХВОРОБОЮ, РЕФРАКТЕРНОЮ ДО АНТИСЕКРЕТОРНОЇ ТЕРАПІЇ 277 KB
  Великий інтерес фахівців і вчених до даної проблеми обумовлений не тільки значною поширеністю даного захворювання й зростанням захворюваності на ГЕРХ, але й ризиком потенційно небезпечних ускладнень: стравохід Барретта, виразка стравоходу...
65636. МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ КЛАСИФІКАЦІЇ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ СТАНІВ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ НА БАЗІ МОДИФІКОВАНИХ НЕЙРОННИХ МЕРЕЖ 913.5 KB
  Найбільш суттєвою ознакою сучасного етапу розвитку телекомунікаційної галузі є значне підвищення вимог до якості обслуговування при наданні як традиційних послуг передачі даних, так і мультимедійних послуг. Також спостерігається стрімке розширення переліку послуг, що надаються телекомунікаційними мережами.