角動量算符

在量子力學裏,角動量算符(英語:)是一種算符,類比於經典的角動量。在原子物理學涉及旋轉對稱性()的理論裏,角動量算符佔有中心的角色。角動量,動量,與能量是物體運動的三個基本特性[1]。

簡介

角動量促使在旋轉方面的運動得以數量化。在孤立系統裏,如同能量和動量,角動量是守恆的。在量子力學裏,角動量算符的概念是必要的,因為角動量的計算實現於描述量子系統的波函數,而不是經典地實現於一點或一剛體。在量子尺寸世界,分析的對象都是以波函數或量子幅來描述其機率性行為,而不是命定性()行為。

數學定義

在經典力學裏,角動量 定義為位置 與動量 的叉積:

。

在量子力學裏,對應的角動量算符 定義為位置算符 與動量算符 的叉積:

。

由於動量算符的形式為

。

角動量算符的形式為

。

其中, 是梯度算符。

角動量是厄米算符

在量子力學裏,每一個可觀察量所對應的算符都是厄米算符。角動量是一個可觀察量,所以,角動量算符應該也是厄米算符。讓我們現在證明這一點,思考角動量算符的 x-分量 :

。

其伴隨算符 為

。

由於 、 、 、 ,都是厄米算符,

。

由於 與 之間、 與 之間分別相互對易,所以,

。

因此, 是一個厄米算符。類似地, 與 都是厄米算符。總結,角動量算符是厄米算符。

再思考 算符,

。

其伴隨算符 為

。

由於 算符、 算符、 算符,都是厄米算符,

。

所以, 算符是厄米算符。

對易關係

兩個算符 與 的交換算符 ,表示出它們之間的對易關係。

角動量算符與自己的對易關係

思考 與 的交換算符,

。

由於兩者的對易關係不等於 0 , 與 彼此是不相容可觀察量。 與 絕對不會有共同的基底量子態。一般而言, 的本徵態與 的本徵態不同。

給予一個量子系統,量子態為 。對於可觀察量算符 ,所有本徵值為 的本徵態 ,形成了一組基底量子態。量子態 可以表達為這基底量子態的線性組合: 。對於可觀察量算符 ,所有本徵值為 的本徵態 ,形成了另外一組基底量子態。量子態 可以表達為這基底量子態的線性組合: 。

根據哥本哈根詮釋,量子測量可以用量子態塌縮機制來詮釋。假若,我們測量可觀察量 ,得到的測量值為其本徵值 ,則量子態機率地塌縮為本徵態 。假若,我們立刻再測量可觀察量 ,得到的答案必定是 ,量子態仍舊處於 。可是,假若,我們改為測量可觀察量 ,則量子態不會停留於本徵態 ,而會塌縮為 的本徵態。假若,得到的測量值為其本徵值 ,則量子態機率地塌縮為本徵態 。

根據不確定性原理,

。

的不確定性與 的不確定性的乘積 ,必定大於或等於 。

與 之間, 與 之間,也有類似的特性。

角動量平方算符與角動量算符之間的對易關係

思考 與 的交換算符,

。

與 是對易的, 與 彼此是相容可觀察量,兩個算符有共同的本徵態。根據不確定性原理,我們可以同時地測量到 與 的本徵值。

類似地,

、
。

與 之間、 與 之間,都分別擁有類似的物理特性。

在經典力學裏的對易關係

在經典力學裏,角動量算符也遵守類似的對易關係:

;

其中, 是帕松括號, 是列維-奇維塔符號, 、 、 ,代表直角坐標 。

本徵值與本徵函數

採用球坐標。展開角動量算符的方程式:

;

其中, 、 、 ,分別為徑向單位向量、天頂角單位向量、與方位角單位向量。

轉換回直角坐標,

。

其中, 、 、 ,分別為 x-單位向量、y-單位向量、與 z-單位向量。

所以, 、 、 分別是

、
、
。

角動量平方算符是

;

其中,

、
、
。

經過一番繁雜的運算,終於得到想要的方程式[2]:169

。

滿足算符 的本徵函數是球諧函數 :

;

其中,本徵值 是正整數。

球諧函數也是滿足算符 微分方程式的本徵函數:

;

其中,本徵值 是整數, 。

因為這兩個算符的正則對易關係是 0 ,它們可以有共同的本徵函數。

球諧函數 表達為

;

其中, 是虛數單位, 是伴隨勒讓德多項式,用方程式定義為

;

而 是 階勒讓德多項式,可用羅德里格公式表示為:

。

球諧函數滿足正交歸一性:

。

這樣,角動量算符的本徵函數,形成一組單範正交基。任意波函數 都可以表達為這單範正交基的線性組合:

;

其中, 。

參閱

參考文獻

  1. Introductory Quantum Mechanics, Richard L. Liboff, 2nd Edition, ISBN 0201547155
  2. Griffiths, David J., , Prentice Hall, 2004, ISBN 0-13-111892-7

外部連結

  • 圣地牙哥加州大学物理系量子力学視聽教學:角動量加法
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