19038

Сложение моментов. Коэффициенты Клебша-Гордана

Лекция

Физика

Лекция 20 Сложение моментов. Коэффициенты КлебшаГордана Поскольку в классической механике суммарный момент импульса системы из двух частиц равен векторной сумме моментов частиц квантовомеханический оператор суммарного момента двух частиц определяется как

Русский

2013-07-11

1.3 MB

22 чел.

Лекция 20

Сложение моментов. Коэффициенты Клебша-Гордана

Поскольку в классической механике суммарный момент импульса системы из двух частиц равен векторной сумме моментов частиц, квантовомеханический оператор суммарного момента двух частиц определяется как

     (1)

где  и  - операторы координаты и импульса первой частицы (эти операторы действуют только на те аргументы волновой функции системы двух частиц, которые относятся к первой частице),  и  - операторы координаты и импульса второй частицы (здесь и далее суммарный момент импульса двух частиц обозначается символом ). При этом так как операторы момента первой и второй частицы действуют на разные аргументы волновой функции, то операторы момента первой и второй частицы коммутируют друг с другом. Кроме того, можно проверить, что для операторов проекций суммарного момента справедливы те же коммутационные соотношения, что и для оператора момента импульса одной частицы:

      (2)

(в этой лекции ). Благодаря соотношению (2) операторы квадрата суммарного момента и его проекции на любую ось коммутируют. Это, в частности, означает, что операторы  и  имеют общие собственные функции, а операторы различных проекций суммарного момента импульса общих собственных функций не имеют (за исключением одного состояния с нулевыми проекциями). Собственными значениями оператора  могут являться только числа , где  - целое или полуцелое неотрицательное число. Собственными значениями оператора  могут являться положительные и отрицательные целые числа, причем в состоянии, в котором квадрат суммарного момента имеет определенное значение , проекция момента может принимать значения .

Найдем собственные значения и собственные функции операторов  и . Стартуем с общих собственных функций операторов , , , . Поскольку эти операторы коммутируют, у них существуют общие собственные функции, которые равны произведениям сферических функций, зависящих от координат первой и второй частиц

  (3)

где моменты и проекции моментов каждой частицы могут принимать любые допустимые для них значения.

Легко сообразить, что функции (3), вообще говоря, не будут собственными функциями оператора , поскольку оператор  не коммутирует с операторами  и  (это доказывается элементарно с использованием определения оператора суммарного момента и коммутационных соотношений для проекций момента импульса частицы). Из этого утверждения следует, что в тех состояниях, в которых проекции моментов частиц имеют определенные значения, суммарный момент определенного значения, вообще говоря, не имеет (и наоборот).

Можно доказать, что оператор квадрата суммарного момента и его проекция коммутируют с операторами квадрата момента каждой частицы

   (4)

Из формулы (4) следует, что четыре оператора  имеют полную систему собственных функций. Обозначим эти функции как

     (5)

где квантовые числа – собственные значения указанных выше операторов.

Поскольку обе системы функций  и  (для всех возможных значений индексов) являются полными (как собственные функции коммутирующих эрмитовых операторов), то любую из этих функций можно разложить в ряд по системе других функций. В частности

 (6)

где суммирование проводится по тем значениям квантовых чисел  - собственным значениям квадрата суммарного момента и его проекции – которые они могут принимать в состоянии с определенными значениями квадрата момента каждой частицы. Коэффициенты разложения  называются коэффициентами Клебша-Гордана. В связи с формулой (6) отметим, что суммирование по индексам, определяющим собственные значения операторов , не должно проводится, так как и функции , и функции  являются собственными функциями этих операторов. Отметим также, что существуют различные варианты как обозначений этих коэффициентов, так и произношения фамилий. Согласно основным принципам квантовой механики квадраты коэффициентов Клебша-Гордана  определяют вероятность того, что в состоянии с определенными значениями квадратов моментов каждой частицы и их проекций  квадрат суммарного момента и его проекция на имеют те или иные значения .

Коэффициенты Клебша-Гордана можно выразить через скалярные произведения функций  и . Действительно, умножая равенство (6) на функцию , интегрируя по координатам первой и второй частиц и пользуясь ортонормированностью функций , получим

    (7)

Поскольку функции  и  определены с точностью до фазового множителя, фаза коэффициентов Клебша-Гордана является, вообще говоря, неопределенной. Оказывается, что фазы волновых функции  и  всегда можно выбрать так, чтобы коэффициенты Клебша-Гордана были действительными. В дальнейшем будем предполагать именно такой выбор фаз. Отсюда сразу следует, что и обратное разложение - функции  по системе функций  - определяется теми же самыми коэффициентами Клебша-Гордана. Действительно, умножая обратное разложение

 (8)

(мы пока обозначили коэффициенты разложения как ) на функцию  и интегрируя, получим

    (9)

А поскольку коэффициенты Клебша-Гордана действительны, и разложение  по , и разложение  по  определяются одними и теми же коэффициентами Клебша-Гордана.

Установим теперь, какие значения могут принимать суммарный момент  и его проекция  в состоянии с определенными значениями квантовых чисел . Для проекций момента благодаря линейной связи  ответ очевиден

           (10)

(Поэтому, на самом деле, в суммах (6), (8) не два суммирования, а одно: в сумме (6) – только по квантовому числу , квантовое число  равно сумме . В сумме (8) суммирование проводится по двум квантовым числам  и , но при выполнении условия (10)).

Возможные значения квантового числа  можно установить из следующих соображений. При фиксированных квантовых числах  и  полное количество состояний  равно . Поэтому квантовые числа  и  могут принимать  пар значений. При этом для каждого возможного фиксированного  число  должно пробегать все значения, входящие в мультиплет .

Используем эти обстоятельства для подсчета числа состояний (при фиксированных  и ). Максимальные значения  и , а, следовательно, и  равны

  (11)

А значит, и максимальное значение  равно

     (12)

Далее, есть два состояния, с  (при  и ). Поэтому должно быть и два состояния  с такой проекцией. Но одно из них входит в мультиплет состояний с . Поэтому второе входит в мультиплет состояний с .

При дальнейшем уменьшении  на единицу будет увеличиваться количество состояний с такой проекцией, и, следовательно, будет «подключаться» новый мультиплет состояний с меньшим значением . Однако, легко сообразить, что при уменьшении  меньше, чем , это перестанет происходить. Поэтому это значение  и есть минимальное значение суммарного момента в состояниях с фиксированными  и .

Итак, мы доказали, что при фиксированных квантовых числах  и , и всех возможных проекциях, суммарный момент принимает значения

    (13)

при этом для каждого  проекция  может принимать все возможные значения.

Этот результат имеет наглядное толкование. В квантовой механике не существует состояний, в которых был бы определен вектор момента. Поэтому при сложении складываются состояния с фиксированной длиной вектора момента, но с неопределенным направлением. Поэтому можно получить значение момента , если векторы моментов частиц параллельны, и любые значения до значения , которое реализуется в случае, если векторы моментов частиц антипараллельны.

Коэффициенты Клебша-Гордана удовлетворяют ряду условий.

Во-первых, это условие нормировки вероятностей различных значений суммарного момента в состоянии с определенными значениями моментов и проекций обеих частиц

     (14)

Во-вторых, - условие нормировки вероятностей различных значений проекций моментов частиц в состоянии с определенными значениями суммарного момента и его проекции

     (15)

(в суммах (14)-(15) выполнено условие )

В-третьих, коэффициенты Клебша-Гордана представляют собой матрицу перехода от одного ортонормированного базиса к другому. Поэтому совокупность этих коэффициентов задает унитарное преобразование и образует унитарную квадратную матрицу.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59236. УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ПРО ПРИКМЕТНИК 48.5 KB
  Ми повторимо все що знаємо про прикметники; Закріпимо вміння знаходити його в тексті ставити питання до прикметника та складати з ним речення і словосполучення.
59237. Ходить, ходить зима гаєм... Урок читання: Зима-білосніжка 37 KB
  Мета уроку: Навчати учнів бачити відчувати створені словами образи природи; спостерігати за змінами які відбуваються у природі з настанням зими; розширити знання учнів про особливості зимівлі окремих тварин...
59239. В. Стус. Життя. Доля. Поезія 87 KB
  Стуса зрозуміти його трагічну долю. Стуса. Стуса розуміти його трагічну долю відчайдушну боротьбу в тоталітарній державі €œрозвиненого соціалізму за національну незалежність українського народу.
59241. Сценарій змагань КВВ (клубу веселих і винахідливих) 32.5 KB
  Команда яка одягнулася першою одержує 5 очок. Якість вірші оцінюється від 2 до 5 очок. Команді яка переможу нараховують 5 очок тим що програли 3 очка. В цьому конкурсі приймають участь тільки дівчата 5 очок і 4 очка.
59243. Свято Миколая-Чудотворця 39.5 KB
  Біля входу на сцену сидить на стільчику дід Панас і дрімає. Дійові особи: Святий Миколай дід Панас 1й ангел Софія 2й ангел Ірена Жид Чорт Візник Ведучий Ведучий: Майже у всіх народів є звичай давати дітям вночі на Святого Миколая всякі дарунки.