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

27460. Государство: понятие, назначение и признаки 28 KB
  Государство это политикотерриториальная суверенная организация публичной власти общества взимающая с населения налоги издающая законы и обеспечивающая их реализацию. Марксистсколенинское понимание признаков государства: 1 разделение населения по территориальному признаку; 2 наличие публичной власти которая стоит над обществом; 3 наличие налоговой системы. принадлежность людей к данному обществу гражданству; порядок и понятия формы предоставления гражданства именно через понятия гражданство население происходит объединение...
27461. Гражданское общество: понятие, структура, характер и формы его взаимодействия с государственно-правовыми институтами 29.5 KB
  Госво управляет обществом служит формой его организации. общество способное противостоять госву контролировать его и заставить служить обществу. Это общество которое может сформировать правовое госво.
27462. Дайте классификацию юридических (фактических) составов 24 KB
  Такая совокупность юрих фактов в юриспруденции именуется фактическим юрим составом. Юридический фактический состав это система юридических фактов предусмотренных нормами права в качестве основания для наступления правовых последствий возникновение изменение прекращение правоотношения. 2 По процессу накопления фактов: Завершённые процесс накопления фактов завершен; Незавершённые процесс накопления не закончен. 3 По способу накопления фактов: Простые юридические составы с независимым накоплением элементов.
27463. Дайте отличия нормативного акта от правоприменительного (на конкретном примере) 25.5 KB
  Нормативные правовые акты следует отличать от индивидуальных и интерпретационных актов. Индивидуальные правовые акты это акты государственных органов негосударственных организаций должностных лиц выражающие решение по конкретному юридическому делу приговор или решение суда приказ руководителя предприятия или учреждения и др. Индивидуальные акты это акты применения права поэтому их называют еще правоприменительными. В отличие от индивидуальных нормативные правовые акты носят общеобязательный характер и отличаются неконкретностью...
27464. Действие нормативно-правовых актов во времени, в пространстве и по кругу лиц 27.5 KB
  Действие нормативноправового акта порождение тех юридических последствий которые в нем предусмотрены. Действие т. во времени Действие нормативноправовых актов во времени определяется двумя моментами: моментом вступления нормативноправового акта в силу и моментом утраты им юридической силы. Существуют такие понятия как футуроспективное действие закона обращен в будущее рассчитан на facta futura ретроактивное распространение на отношения возникшие до вступления данного акта в силу и ультраактивное действие акт утрачивает силу а...
27465. Действие права 28.5 KB
  Действие права это действие составляющих его разнообразных норм которые в официальной форме выражены в различных нормативноправовых и иных правоустановительных актах. Эти характеристики пределов действия норм права официально закрепляются в соответствующих нормативноправовых актах. Действие во времени определяется периодом времени от момента вступления нормативноправового акта и содержащихся в нем норм в силу до момента ее утраты. Время вступления в законную силу разных нормативноправовых актов определяется различными способами: 1...
27466. Демократический политический режим 24.5 KB
  Государственнополитический режим это элемент формы государства характеризующий совокупность приемов методов способов и средств осуществления государственной власти. Основными признаками демократического режима являются: господство закона; разделение властей; наличие у граждан реальных политических и социальных прав и свобод и их юридическая защищенность и гарантированность; выборность и сменяемость центральных и местных органов государственной власти их подотчетность перед избирателями гласность; наличие свободно формируемых...
27467. Законность, понятие и характеристика 25.5 KB
  Понятие законности неотделимо от понятия права. В результате реализации этого требования органами государства и его должностными лицами возникает особый режим система общественных отношений режим законности. Законность как принцип одно из руководящих системообразующих начал построения и деятельности правового государства выражающееся в системе принципов и требований отражающих идею законности. Режим законности такое состояние общественных отношений когда во взаимоотношениях между государственной властью и населением господствует...
27468. Законотворчество в РФ 31.5 KB
  104 Конституции РФ принадлежит Президенту РФ Совету Федерации членам Совета Федерации депутатам Государственной Думы Правительству РФ законодательным представительным органам субъектов Федерации. 50 1 голос; федеральные же конституционные законы считаются принятыми если за них проголосовало не менее 2 3 голосов от общего числа депутатов Государственной Думы; б одобрение закона Советом Федерации в соответствии с ч. 105 Конституции РФ федеральный закон считается одобренным Советом Федерации если за него проголосовало более...