Chapter 4
4-1 轨道角动量算符
定义
⎩⎨⎧L^x=ypz^−zpy^L^y=zpx^−xpz^L^z=xpy^−ypx^
或者写成
Lj^=ϵjklxk^pl^
角动量算符是厄米算符,因为
- 如果两个厄米算符对易,则两个厄米算符之积是厄米算符.
- 厄米算符的和差依然为厄米算符。
对易关系
- 角动量的各个分量之间是不对易的
[Lx^,Ly^]=Lx^Ly^−Ly^Lx^=iℏ(xpy^−ypz^)=iℏLz^
同理,
[Ly^,Lz^]=iℏLx^[Lz^,Lx^]=iℏLy^
⟹L^×L^=iℏL^
-
角动量平方算符与其各分量之间是对易的
[L^2,Lx^]=[Lx^2+Ly^2+Lz^2,Lx^]=[Ly^2,Lx^]+[Lz^2,Lx^]=Ly^[Ly^,Lx^]+[Ly^,Lx^]Ly^+Lz^[Lz^,Lx^]+[Lz^,Lx^]Lz^=iℏ(−Ly^Lz^−Lz^Ly^+Lz^Ly^+Ly^Lz^)=0
[L^2,Ly^]=0[L^2,Lz^]=0
合并后可以得到
[L^2,L^]=0
-
角动量与坐标算符对易关系
$$
[\hat{L_i},\hat{x_i}] = 0 \quad
[\hat{L_i},\hat{x_j}] = i\hbar \epsilon_{ijk} \hat{x_k}
$$
-
角动量与动量算符对易关系
[Li^,pi^]=0[Li^,pj^]=iℏϵijkpk^
-
其他关系
[Li^,p^2]=0
球坐标表示
L^z=−iℏ∂φ∂L^2=Lx^2+Ly^2+Lz^2=−ℏ2[sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂)+sin2θ1∂φ2∂2]
注意:知道L^2与r无关即可!
本征值与本征函数
角动量z分量Lz的本征值与本征函数
需要在球坐标下求解
L^z=−iℏ∂φ∂
本征方程
Lz^ψ=λψ⟹ψ=Aeℏiλφ
由连续性条件
ψ(0)=ψ(2π)
本征值
λ=mℏ,m=0,±1,±2,⋯
m称为磁量子数
Lz^的本征值确定了角动量和z方向的夹角θ的方向。
可见,微观系统的角动量在z方向的分量只能取分离值(零或ℏ的整数倍)。所以角动量在空间任意方向的投影是量子化的。
本征函数为
ψm(φ)=Aeimφ
由归一化条件
∫02π∣ψm(φ)∣2dφ=A2∫02πdφ=2πA2=1⟹A=2π1
可得归一化本征函数
ψm(φ)=2π1eimφ,m=0,±1,±2,⋯
角动量的平方L^2的本征值与本征函数
本征方程
L2^Y(θ,φ)=L2Y(θ,φ)=λℏ2Y(θ,φ)
代入角动量平方算符,可以得到一个球谐函数方程,其中Y(θ,φ)就是L2^属于本征值λℏ2的本征函数
[sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂)+sin2θ1∂φ2∂2]Y(θ,φ)+λY(θ,φ)=0
该方程可以分离变量法求解(过程略),最终得到本征函数
Ylm(θ,φ)=Θ(θ)ψm(φ)
其中
Θ(θ)=(−1)m22l+1(l+m)!(l−m)!Plm(cosθ)ψm(φ)=2π1eimφ,m=0,±1,⋯,±l
注:
Plm(cosθ)∣m∣≤l
为m阶l次连带勒让德函数
本征函数全部写开如下:
Ylm(θ,φ)=(−1)m4π2l+1(l+m)!(l−m)!Plm(cosθ)eimφ
本征值为
λℏ2=l(l+1)ℏ2l=0,1,2,⋯
其中l称为角量子数
L2^的本征值确定了角动量的大小
总结
![image-20240610111851149]()
$$
\hat{L_z} Y_{lm} = m\hbar Y_{lm} \\
\hat{L^2} Y_{lm} = l(l+1)\hbar^2 Y_{lm} \\
l = 0,1,2\cdots \quad m = 0,\pm 1,\pm 2\cdots, \pm l
$$
-
球谐函数系Ylm是Lz和L2共同的本征函数
-
Lz和L2的本征值是有关联的:l和m需满足一定关系
L2=l(l+1)ℏ2Lz=mℏl=0,1,2⋯m=0,±1,±2⋯,±l(∣m∣≤l)
-
角动量的本征值为
L=l(l+1)ℏ
-
角动量L2^的本征值是2l+1度简并的:属于本征值l(l+1)ℏ2的线性独立本征函数Ylm(θ,φ)共有2l+1个,因为对于同一个l,m可以取0,±1,⋯,±l共2l+1个值
4-2 自旋
电子自旋假设
自旋算符
自旋角动量也由一个算符描写,记为S^
自旋角动量是一个假设,满足如下结论:
S^×S^=iℏS^[Sx^,Sy^]=iℏSz^[Sy^,Sz^]=iℏSx^[Sz^,Sx^]=iℏSy^
由于自旋角动量在空间任意方向上的投影只能取±2ℏ两个值,所以Sx^Sy^Sz^的本征值都是±2ℏ,其平方为(2ℏ)2
从而可以推出自旋角动量平方的本征值
S2=s(s+1)ℏ2=43ℏ2Sz=msℏ=±21ℏ
s为自旋量子数只有一个数值s=21
ms为自旋磁量子数ms=±21
自旋角动量大小
S=23ℏ
含自旋状态的波函数
Ψ=Ψ(x,y,z,Sz,t)
含自旋状态的波函数写成列矩阵
Φ(r,Sz,t)=[1]
Pauli算符
令S^=2ℏσ^
⎩⎨⎧Sx=2ℏσxSy=2ℏσySz=2ℏσz
对易关系
S^×S^=iℏS^⟹σ^×σ^=2iσ^
分量形式
[σx^,σy^]=2iσz^[σy^,σz^]=2iσx^[σz^,σx^]=2iσy^
σx,σy,σz的本征值都是±1
σx2,σy2,σz2的本征值都是1,即σx2=σy2=σz2=1
反对易关系
σx^σy^+σy^σx^=0orσx^σy^=−σy^σx^
由此还可以得出如下的有用性质
σx^σy^=−σy^σx^=iσz^
pauli算符的矩阵形式
在Sz表象下,自旋算符可以表示为
σx=[0110]σy=[0i−i0]σz=[100−1]Sx=2ℏσx=2ℏ[0110]Sy=2ℏσy=2ℏ[0i−i0]Sz=2ℏσz=2ℏ[100−1]
自旋波函数
通常自旋和轨道运动之间是有相互作用的,所以电子的自旋状态对轨道运动有影响。但是,当这种相互作用很小时,可以将其忽略,也就是可以对波函数进行分离变量
ϕ(r,Sz,t)=ψ(r,t)χ(Sz)
其中χ(Sz)是Sz^的本征函数,称为自旋波函数
![image-20240610113741259]()
![image-20240610113801732]()
总结
![image-20240610114954490]()
例题
- 电子自旋z分量是1ℏ,求沿着与z轴成θ角的z′方向,自旋分量为2ℏ或−2ℏ的概率?
![image-20240428151549274]()
在Sz表象下,自旋算符沿三个轴的分量表示为
设转轴沿y轴正向,则自旋算符沿z’轴的分量为
Sz′=Szcosθ+Sxsinθ=2ℏ[cosθsinθsinθ−cosθ]
![image-20240610114107120]()
![]()
![image-20240610115637120]()
![image-20240610120236636]()
![image-20240610120308621]()
![image-20240610120434800]()