19036

Спин 1/2. Спиновые функции, операторы спина. Матрицы Паули и их свойства. Разложение по спиновым функциям

Лекция

Физика

Лекция 18 Спин 1/2. Спиновые функции операторы спина. Матрицы Паули и их свойства. Разложение по спиновым функциям Целый ряд элементарных частиц – электроны нейтроны протоны и другие – обладают спином . По этой причине рассмотрим подробно свойства спиновых функций и

Русский

2013-07-11

1.1 MB

86 чел.

Лекция 18

Спин 1/2. Спиновые функции, операторы спина. Матрицы Паули и их свойства. Разложение по спиновым функциям

Целый ряд элементарных частиц – электроны, нейтроны, протоны и другие – обладают спином . По этой причине рассмотрим подробно свойства спиновых функций и операторов именно в этом случае.

В этом случае проекция спина на ось  может принимать два значения  и , а потому спиновые волновые функции представляют собой двухкомпонентные спиноры

    (1)

причем вероятности различных значений проекции спина на ось  равны

  (2)

Построим матрицы спиновых операторов в -представлении. В этом представлении базисными функциями являются собственные функции оператора . Очевидно такими функциями являются следующие спиноры

   (3)

Действительно, в состоянии  проекция спина на ось  принимает единственное значение , и, следовательно, эта функция – собственная для оператора , отвечающая собственному значению +1/2. Аналогично, функция  - собственная функция оператора , отвечающая собственному значению -1/2.

Очевидно, искомые матрицы спиновых операторов представляют собой матрицы размерности . Начнем с построения матрицы оператора . Так как функции (3) – собственные функции оператора , то для искомой матрицы оператора  выполнены следующие условия

   (4)

Из формул (4) находим

     (5)

Для построения матриц операторов  и  найдем сначала матрицы операторов . Поскольку коммутационные соотношения между операторами проекций спина такие же, как для операторов орбитального момента, то при действии операторов  на собственные функции оператора  получаются также собственные функции этого оператора, отвечающие на единицу большему или меньшему собственному значению. При действии операторов  () на собственную функцию, отвечающую максимальному (минимальному) собственному значению получается спиновая функция, тождественно равная нулю, то есть нулевой столбец. Поэтому

    (6)

Из соотношений (6) найдем, что

      (7)

Из (7) и определения операторов  находим

     (8)

Матрицы операторов ,  и  (5), (8) (без множителей 1/2) называются матрицами Паули и обозначаются ,  и .

Матрицу оператора  легко найти, возводя в квадрат и складывая матрицы операторов проекций момента (5), (8)

      (9)

Матрицу (9) можно было бы получить и по-другому из следующих рассуждений. Поскольку любая спиновая функция для частицы со спином 1/2 (то есть любой двумерный столбец) является собственной функцией оператора , отвечающей собственному значению  (так как квадрат вектора спина такой частицы имеет в любом состоянии определенное значение), то матрица оператора  является диагональной, причем диагональные матричные элементы равны , то есть матрица оператора  и есть матрица (9).

Свойства матриц Паули

А. Все матрицы Паули, как матрицы операторов физических величин являются эрмитовыми.

Б. Для всех матриц Паули выполнено условие , где 1 – единичная матрица. Это можно проверить непосредственно. Это утверждение есть следствие того факта, что квадрат проекции спина частицы со спином ½ в любом состоянии имеет определенное значение (т.к. есть две возможности для проекции спина +1/2 и –1/2, а квадраты обоих этих чисел – ¼).

В.

Г. Любая матрица (22) может быть представлена в виде: . Это связано с тем, что единичная матрица и три матрицы Паули () образуют полный набор матриц (2), так как пространство таких матриц четырехмерно – матрица определяется заданием четырех чисел, поэтому любые четыре линейно независимые матрицы будут образовывать базис в пространстве таких матриц).

Д. . В частности, , т.е. они антикоммутируют. Алгебра (так называют правила умножения матриц) очень простая - при перестановке матриц просто меняется знак их произведения.

Е. Поскольку матрицы Паули связаны с операторами проекции спина 7на координатные оси для них выполнены обычные коммутационные соотношения для операторов проекций момента на координатные оси

 

(двойка в этом соотношении связана с тем, что ).

Рассмотрим теперь такой вопрос. Пусть частица находится в состоянии

    (10)

Какие значения может принимать в этом состоянии проекция спина на ось  и с какими вероятностями? Для ответа на этот вопрос необходимо найти собственные функции оператора  и разложить по ним функцию (10).

Решаем уравнение

    (11)

или

     (12)

Система однородных алгебраических уравнений (12) имеет ненулевые решения в том случае, когда определитель этой системы равен нулю

     (13)

Отсюда находим возможные значения проекций спина на ось  (которые, как это и должно быть, равны возможным значениям проекции спина на ось ):

    (14)

Подставляя теперь собственные значения (14) в систему уравнений (12), находим собственные функции

  

  (15)

(множители возникли из условия нормировки).

Разложим теперь функцию (10) по собственным функциям (15). Это разложение имеет следующий вид

   (16)

Отсюда согласно постулатам квантовой механики находим вероятности различных значений проекции спина на ось  в состоянии (10):

 

 (17)

Из формул (17), в частности, следует, что если частица находится в состоянии с определенной проекцией спина на ось  ( или ), то вероятности различных значений проекции спина на ось  одинаковы, что находится в соответствии с общим результатом, полученным ранее для собственных состояний операторов момента импульса в квантовой механике. В заключение отметим, что из формул (17) для вероятностей следует, что среднее значений проекции спина на ось  равно

    (18)

Этот же результат можно получить, с использованеим квантовомеханической формулы для средних

    (19)

где  - спиновая функция (10), а матрица оператора  определяется формулой (8).

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23520. Applying Experimental Archaeology to Ethnomusicology: Recreating an Ancient Maya Friction Drum through Various Lines of Evidence 165 KB
  The caption for Figure 11 reads simply Dance with drums string instrument and conch trumpet Schele Mathews 1998:Figure 11. Instead this object is most likely a friction drum Rene Lysloff personal communication an object also not known to have existed in PreContact America. The idea of the friction drum has been discussed in the archaeological literature before.
23521. The Transformation of Xbalanqué or The Many Faces of God A 1.91 MB
  There are images from Izapa Figure 1 and on EarlyClassic vessels Figure 2 which for example confirm the story of the killing of Vucub Caquix the major bird deity. Figure 3 The headband is probably the most important iconographic tool that we can use in identifying the Hero Twins. Even these strange characters Figure 4 largely ignored are headbanded Hero Twins. These depictions of the Hero Twins do not fit the standard form of the twins yet the figure on K1207 Fig.
23522. History of the Mexicans as Told by Their Paintings 266 KB
  This edition is the only available complete English translation published one year after Joaquín García Icazbalceta first published the Spanish text in the Anales del Museo Nacional de México. Of the Mexican Year. Vchilobi 7 the younger brother and god of the Mexicans was born without flesh naciò sin carne but only bones in which condition he lived six hundred years during which period of time the gods did nothing whatever the father as well as the sons and in their representation there is no account taken of these six hundred...
23523. ПРОСТРАНСТВЕННО-ХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНДОЕВРОПЕЙСКОЙ ПРОБЛЕМЫ И КАРТА ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ ПРАРОДИН ШЕСТИ НОСТРАТИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ 147.5 KB
  Очевидно что на карте помещены прародины праязыков потомков ностратических языков и что эта картина на несколько тысячелетий отстоит от эпохи ностратического единства датируемого А. Долгопольским VIII тыс. Хелимского: Этот период отделен от нас не одним десятком тысячелетий его ареалом был Южный Прикаспий [3 с. Терентьева считающих что по данным глоттохронологии возраст ностратической макросистемы определяется около 15 тыс.
23524. Водский язык в 19 – 20 веках 294.5 KB
  А теперь как здороваться и прощаться: Terve Tere päivä Тэрве Тэрэпяйвя Здравствуйте Добрый день Tere oomnikkoa Тэрэ оомниккоа Доброе утро Tere õhtagoa Тэрэ ыхтагоа Добрый вечер Jäämm yvässi Яямм ювясси До свидания Познакомимся теперь с так называемыми кумулятивными рунами: Kuza piippu Ađđaa nalla. Возьмем глаголы из прошлого урока и образуем от них будущее время: valaa €œналивать€ – valavad €œналивают€ – nõizõn valamaa €œбуду наливать€ juvva €œпить€ – joovad €œпьют€ – nõizõn joomaa €œбуду пить€ syvvä €œесть€ –...
23525. Повседневный арабский язык 1.95 MB
  Что касается ритма занятий то было бы оптимально если бы Вы прослушивали каждый день по новому разговору. Предисловие для преподающих арабский язык Дорогие коллеги Данный материал может быть использован для занятий как в группе так и индивидуально. Это господин Али альХаляби. Меня зовут Али альХаляби.
23526. АРАБСКИЙ ЯЗЫК В ДИАЛОГАХ 590 KB
  Разговор 3 В гостинице اَلْحِوَارُ اَلثَالِثُ فِي اَلْفُنْدُقِ Добрый вечер يُورِي: مَسَاءُ اَلْخَيْرِ Добрый вечер سَعِيدْ: مَسَاءُ اَلْخَيْرِ Меня зовут Юрий Кабанов. شُكْراً جَزِيلاً Не за что прощение اَلْعَفْوُ Разговор 6 Телефонный разговор مُكَالَمَةٌ هَاتِفِيَّةٌ Алло أَلُو Да кто на линии на проводе نَعَمْ، مَنْ عَلَى اَلْخَطِّ؟ Я Юрий из Москвы. Добро пожаловать господин Юрий Где ты сейчас أَهْلاً وَسَهْلاً يَا سَيِّدْ يُورِي أَيْنَ أَنْتَ اَلآنَ؟ Я сейчас в городе Фес в гостинице. Основная часть Разговор 1...
23527. Словарь шумеро-аккадского языка 849 KB
  Составление первого подобного словаря на русском языке при отсутствии картотеки картотека составлявшаяся в течение многих лет погибла во время Отечественной войны и блокады Ленинграда оказалось делом исключительно трудоемким и создание его потребовало большого напряжения и большой затраты сил хотя словарь этот включает только не большое число текстов рассчитанных для чтения на первых двух курсах обучения в университете и естественно не может претендовать на полноту. Струве вполне отвечает научным требованиям составления...
23528. Грамматика датского языка 475 KB
  they немое после l n r и перед t s dreng [дрэŋ] мальчик gade [гэ:ðэ] улица holdt [хольт] остановка e [e] [æ] [a] закрытое как в слове меч в конце открытое э перед g открытое a leve [лeвэ] жить spise [сби:сэ] есть jeg [яй] я meget [майэт] очень f [ф] как русское far [фа:] отец g [г] [у] [ŋ] [и] [ ] в начале слова г в середине или конце слова у носовое ŋ как в англ. слове sing после гласной и иногда немое в середине слова give [gi:væ] or [gi] give brag [брa'у] удар synge [сюŋэ] петь sang [саŋ] песня jeg...