A spin. November 28, 2006

Hasonló dokumentumok
Az impulzusnyomatékok általános elmélete

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

A Relativisztikus kvantummechanika alapjai

Relativisztikus Kvantummechanika alapok,

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

1 A kvantummechanika posztulátumai

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

Két 1/2-es spinből álló rendszer teljes spinje (spinek összeadása)

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

Kvantummechanika gyakorlat Beadandó feladatsor Határid : 4. heti gyakorlatok eleje

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Fizikai mennyiségek, állapotok

Magszerkezet modellek. Folyadékcsepp modell

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

2015/16/1 Kvantummechanika B 2.ZH

Kvantummechanikai alapok I.

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK


17. előadás: Vektorok a térben

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Bevezetés a részecske fizikába

Kétállapotú spin idbeli változása mágneses mezben

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Differenciálegyenlet rendszerek

1. Relativisztikus kvantummechanika

SCHRÖDINGER-EGYENLET SCHRÖDINGER-EGYENLET

Matematika (mesterképzés)

az Aharonov-Bohm effektus a vektorpotenciál problémája E = - 1/c A/ t - φ és B = x A csak egy mértéktranszformáció erejéig meghatározott nincs fizikai

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Dekoherencia Markovi Dinamika Diósi Lajos. Elméleti Fizikai Iskola Tihany, augusztus szeptember 3.

A kvantummechanika általános formalizmusa

Reciprocitás - kvantumos és hullámjelenségek egy szimmetriája

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

differenciálegyenletek

Vektorterek. Több esetben találkozhattunk olyan struktúrával, ahol az. szabadvektorok esetében, vagy a függvények körében, vagy a. vektortér fogalma.

Magfizika szeminárium

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

A H + 2. molekulaion1. molekulaion, ami két azonos atommagból (protonok) és egyetlen elektronból. A legegyszer bb molekula a H + 2 áll.

Kézirat a Bevezetés a modern fizika fejezeteibe c. tárgyhoz írta: Márkus Ferenc (BME Fizika Tanszék) (utolsó módosítás: november 9.) 4.

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

1. zárthelyi,

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

9. Előadás. (9. előadás) Lineáris egyr.(3.), Sajátérték április / 35

Fermi Dirac statisztika elemei

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

1. Bázistranszformáció

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Az elméleti mechanika alapjai

A kvantummechanikai atommodell

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Gráfelmélet/Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 13. Előadás

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Pere Balázs október 20.

1. feladatsor Komplex számok

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

A kvantumszámok jelentése: A szokásos tárgyalás a pályák alakját vizsgálja, ld. majd azt is; de a lényeg: fizikai mennyiségeket határoznak meg.

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

Gyakorló feladatok I.

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Mátrixok 2017 Mátrixok

II. Két speciális Fibonacci sorozat, szinguláris elemek, természetes indexelés

A kémiai kötés eredete; viriál tétel 1

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Mágneses monopólusok?

Diszkrét Matematika II.

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

Fizika M1, BME, gépészmérnök szak, szi félév (v6)

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS SÍKBELI KERINGŐMOZGÁS

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Összefonódottság detektálása tanúoperátorokkal

2, = 5221 K (7.2)

Kvantumos jelenségek lézertérben

Lineáris leképezések, mátrixuk, bázistranszformáció. Képtér, magtér, dimenziótétel, rang, invertálhatóság

a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( )

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Kevert állapoti anholonómiák vizsgálata

Markov-láncok stacionárius eloszlása

Matematika III előadás

Átírás:

A spin November 28, 2006 1 A spin a kvantummechanikában Az elektronnak és sok más kvantummechanikai részecskének is van egy saját impulzusnyomatéka amely független a mozgásállapottól. (Úgy is mondhatjuk, hogy ezen kvantummechanikai részecskéknek van egy mozgásállapottól független plussz szabadsági foka.) Ezen impulzusnyomaték más mint a mag körüli mozgásból adódó impulzusnyomaték és spinnek nevezzük. A spin léte a relativisztikus kvantummechanikából direkt módon következik (az elektron és más 1/2-es spinű részecske esetére az őket leíró Dirac egyenletből). A nem relativisztikus kvantummechanikában azonban a spint empirikusan vezetjük be. Definíció: Számos elemi részecskének van egy saját mozgásállapotától független impulzusnyomatéka amit spinnek nevezünk és amit általában S -el jelölünk. Ehhez az impulzusnyomatékhoz úgy mint a mozgásállapottól függő L impulzusnyomaték komponenseihez operátorokat rendelünk ( pl. Sx ˆ,..., Ŝ z, S2 ˆ ). Ezen operátorokra ugyanazon kommutálási relációk és sajátérték-egyenleteket érvényesek mint az ˆL z, ˆL x, ˆL y és ˆL 2 operátorokra: Sx ˆ, Ŝy = iŝz (1) Ŝy Ŝz, = iŝx (2) Ŝz, S ˆ x = iŝy (3) Ŝ z s, m = m s, m (4) Sˆ 2 s, m = s(s + 1) s, m (5) ahol s = 1 2, 1, 3 2, 2,... a spin-kvantumszám és m = s, s + 1,..., s 1, s. (A fenti sajátérték-egyenletekben a h = 1 konvencióval éltünk). Az elektron esetén s = 1 2. A töltött részecskék esetén S léte (s 0) egy mágneses nyomatékot is eredményez: (6) µ s = g s µ e S (7) 1

ahol µ e az elemi Bohr magneton µ e = e h, S az impulzusnyomaték-vektor / h (adimenzionális alakban) és g s a giromágneses faktor (elektron esetén g s 2, tulajdonképpen g=2.0023193043737). A fenti összefüggés igaz az orbitális mozgásból származó impulzusnyomatékra is µ L = g L µ e L, (8) ebben az esetben azonban g L = 1! Az elektronra tehát g s = 2g L, amit a spin mágneses anomáliájának nevezünk. A g értéke akkor vehet fel nem egész értékeket, ha egy összetett (több mágneses impulzusnyomaték összegeként felfogható) rendszert vizsgálunk. Az elektron spinjét jellemző kvantumszám s = 1 2. A proton és a neutron spin-kvantumszámja is s = 1 2, a giromágneses faktoruk pedig proton esetén g=2.675 és neutron esetén g=1.832. A fotonok spinje 1, a π és a k mezonok spinje pedig 0. 2 Az elektronspin operátorai Mint minden fizikai mennyiséghez, az elektron spinjéhez is a kvantummechanikában operátorokat rendelünk: ˆ S S (9) (S x, S y, S z ) ( S ˆ x, Ŝy, Ŝz) (10) (S 2 ) ( S ˆ2 ) (11) Sx ˆ, Ŝy = iŝz (12) Ŝy Ŝz, = iŝx (13) Ŝz Ŝx, = iŝy (14) (15) Az elektron esetén s = 1 2, és így m = ±1 2. Az impulzusnyomatékok esetén tárgyaltak értelmében az ( S ˆ2, Ŝz) operátoroknak két közös s, m sajátvektora van, amiket a következőképpen jelölünk: 1 2, 1 = + (16) 2 1 2, 1 = (17) 2 A lényeges elektron-spin operátorok azonnal felírhatók abban a reprezentációban ahol a bázisvektorok a + és a (amint ezt az előző fejezetben definiáltuk ez a standard ( S ˆ2, Ŝz) reprezentáció). Az operátorok mátrix alakjai a következők lesznek: 2

Sˆ 2 = 3 4 0 1 S ˆ 0 1 + = 0 0 Ŝ x = 1 2 0 1 ; Ŝz = 1 2 0 1 ; S ˆ 0 0 = ; Ŝy = i 0 1 2 (18) (19) (20) A fenti mátrixok segítségével könnyen ellenőrízhetők a következő összefüggések: Sˆ x 2 = S ˆ y 2 = S ˆ z 2 = 1 4Î (21) Ŝ x Ŝ y + ŜyŜx = 0 (22) Ŝ y Ŝ z + ŜzŜy = 0 (23) Ŝ zsx ˆ + S ˆ x Ŝ z = 0 (24) {Ŝj, Ŝk} = 1 2Îδ jk (25) j, k = (x, y, z) (26) Az s = 1/2 kvantumszám esetén tehát a spinoperátor komponensei antikommutálnak. A következőkben bevezetjük a σ = (σ x, σ y, σ z ) Pauli mátrixokat: 0 1 σˆ x = 0 i ; ˆσ y = i 0 ; ˆσ z = A Pauli mátrixoknak néhány azonnali tulajdonságai: σ = 2 S (27) (28) 0 1 ˆσ 2 x = ˆσ2 y = ˆσ2 z = Î (29) {σ x, σ y } = {σ y, σ z } = {σ z, σ x } = 0 (30) σ x σ y = iσ z ; σ y σ z = iσ x ; σ z σ x = iσ y ; (31) σ x σ y σ z = iî (32) Sp(σ x ) = Sp(σ y ) = Sp(σ z ) = 0 (33) A σ x, σ y, σ z, I mártixok egy bázist alkotnak a (2 2)-es mátrixok terén, vagyis minden 2 2 mátrix felírható ezen négy mátrix lineáris kombinációjaként: a b c d = α 0 1 0 1 + β 0 i + γ i 0 + δ 0 1 (34) 3

ahol α = 1 2 (a + d), β = 1 2 (b + c), γ = i 2 (b c), δ = 1 2 (a d). Egy nagyon lényeges szintén gyorsan bizonyítható tulajdonság értelmében ha A és B két tetszőleges vektor, akkor: ( σ A)( σ B) = A B + i σ ( A B) (35) A fenti tulajdonságok bizonyítását gyakorlatként az olvasóra bízzuk. 3 Az elektron teljes állapotvektora. Az elektron teljes hullámfüggvénye Az elektron állapotának a leírásához tehát kétféle változó szükséges, orbitális változók ( r, p ) és spin (m, s) változók. Ha ψ adja az elektron teljes állapotvektorát, akkor ψ ǫ, ahol ǫ egy olyan vektortér amit két másik vektortér tenzoriális szorzatából kapunk: ǫ = ǫ r ǫ s, ahol ǫ r az orbitális változók vektortere ( dimenziós tér) és ǫ s a spin változók vektortere (2 dimenziós tér). Az ǫ r tér-en az ˆ r, ˆ ˆ p, L, Ĥr típusú operátorok hatnak, és igaz, hogy ˆr k, ˆp j = iδ kj h. Az ǫ s vektortéren az S ˆ x, Ŝ y, Ŝ z, S2 ˆ tipusú operátorok hatnak, az állapotvektorok ezen a téren pedig a + és vektorok lineáris kombinációival kaphatok meg. A teljes állapotvektor ψ = φ k alakú, ahol k = α + + β (α, β tetszőleges komplex számok). Az r, + és r, vektorok sokasága egy bázist alkotnak ǫ-on. r, = r, r, + = r + (az r vektorok az ˆ r koordináta-operátor sajátvektorait jelenti). Étrelmezhetjük most az elektron teljes hullámfüggvényét mint a állapotvektornak ezen bázisvektorokra eső vetületeit. Az elektron teljes hullámfüggvényének tehát két komponense lesz: ψ + ( r ) és ψ ( r ), ahol ψ + ( r ) = r, + ψ és ψ ( r ) = r, ψ. Az elektront teljes állapotát leíró ψ( r ) = {ψ + ( r ), ψ ( r )} mennyiséget spinornak nevezzük. A teljes hullámfüggvényre a normálási feltétel: { r } ψ + ( r ) 2 d r + { ψ ( r ) 2 d r = 1 r } (36) A kétkomponensű hullámfüggvényt, a spinort, egy 1 2 oszlopmátrix formájában írjuk fel: ψ( r ) = ψ+ ( r ) ψ ( r ) ; ψ( ψ+ ( = ψ ( (37) A teljes hullámfüggvényben tehát egy mátrixba elhelyezve függvényeink vannak. Az orbitális mennyiségekhez rendelt operátorok a függvényekre hatnak, a spin-hez rendelt operátorok meg a mátrixokra hatnak. 4

4 A Pauli egyenlet A relativisztikus kvantummechanika keretében meglátjuk, hogy a spinnel rendelkező elektron mozgását a kvantummechanikában a Dirac egyenlet adja. U- gyanitt kimutatjuk, hogy a kis mozgási sebességek határesetében a Dirac egyenlet átmegy a Pauli egyenletbe. A Pauli egyenletet konzekvensen a Dirac egyenletből lehet levezetni. Az egyenletet meg lehet indokolni azonban fenomenologikusan, a jelenlegi tudásunk alapján is. Kis sebességgel mozgó elektron esetén a spin csak mágneses kölcsönhatások során jelentkezik. Igy a Schrödinger egyenlettől eltérő egyenletünk csak mágneses térben lesz. A spin-mágneses tér kölcsönhatási energiája E = µ e B = g µ 0 S B = µ0 σ B, (38) ahol figyelembe vettük, hogy σ = 2 S és g 2. Mágneses térben tehát a rendszer Hamilton függvénye H = H 0 + H 1 = 1 ( p e A) 2 + eφ µ 0 σ B, (39) ahol A a vektorpotenciál és φ a skalárpotenciál. A Schrödinger egyenlet alakja ahol i h dψ dt = Ĥψ, (40) Ĥ = 1 ( ˆ p ea) ˆ 2 + eˆφ µ 0 ˆ ˆ σ B (41) Ha a ψ( ψ+ ( = ψ ( spinort tekintjük az elektron állapotát leíró hullámfüggvénynek és használjuk a Pauli mátrixokat: ˆ σ = σˆ x i + ˆσy j + ˆσz k (42) B = Bx i + By j + Bz k (43) ˆ σ ˆ B = 0 1 0 i B x + i 0 A Schrödinger egyenlet alakja ezáltal: i h d dt ψ+ ( ψ ( B y + 0 1 B z (44) 1 = ( ˆ p e ˆ A) 2 ψ+ ( + eˆφ ψ ( + (45) B +µ z B x ib y ψ+ ( 0 B x + ib y B z ψ ( (46) 5

A fenti egyenlet tehát a Schrödinger egyenlet a spinnel rendelkező elektronra. Ezt az egyenletet másnéven Pauli egyenletként ismerjük és valójából nem más, mint két egymással összekapcsolt differenciálegyenlet: i h d dt ψ +( 1 = ( ˆ p e ˆ A) 2 + eˆφ ψ + ( + (47) +B z µ 0 ψ + ( + (B x ib y )µ 0 ψ ( (48) i h d dt ψ ( 1 = ( p ˆ e ˆ A) 2 + eˆφ ψ ( + (49) B z µ 0 ψ ( + (B x + ib y )µ 0 ψ + ( (50) Amikor tehát a kvantummechanika keretében egy eletron nemrelativisztikus mozgását vizsgáljuk mágneses terek jelenlétében első közelítésként a Pauli egyenletet kell megoldanunk. A Pauli egyenlettel kapcsolatban két lényeges megjegyzést tehetünk: Mágneses tér hiányában vagy a B x = B y = 0 esetben a Pauli egyenlet leíró két kapcsolt differenciálegyenlet felbomlik két egymástól független egyenletre. A Pauli egyenlet nem tökéletes, és amint a relativisztikus tárgyalásmódban majd meglátjuk nem tartalmaz egy lényeges kölcsönhatási tagot, nincs benne a spin-orbitális kölcsönhatás! Mivel úgy az elektron pályamenti mozgásából mind pedig a spinjébő kifolyólag egy mágneses nyomték származik, a két mágneses nyomaték kölcsönhat, és ez eredményezi a spin-orbitális kölcsönhatást. Könnyen belátható, hogy ennek a kölcsönhatásnak az erőssége az S L szorzattal arányos, és egy plusz tagot eredményez a rendszert leíró Hamilton függvényben. Ezen spin-orbitális kölcsönhatásnak a tárgyalására vissztérünk majd a relativisztikus kvantummechanika keretében. 6