Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Hasonló dokumentumok
A spin. November 28, 2006

Az egydimenziós harmonikus oszcillátor

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

1 A kvantummechanika posztulátumai

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

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

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

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

Szinguláris érték felbontás Singular Value Decomposition

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

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

Matematika (mesterképzés)

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

1. Bázistranszformáció

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

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

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

Gráfelmélet/Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 13. Előadás

Kvadratikus alakok gyakorlás.

Numerikus módszerek 1.

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

1. Az euklideszi terek geometriája

7. gyakorlat megoldásai

Fizikai mennyiségek, állapotok

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

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

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

3. Fuzzy aritmetika. Gépi intelligencia I. Fodor János NIMGI1MIEM BMF NIK IMRI

4. Előadás: Erős dualitás

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

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

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Bevezetés az állapottér elméletbe: Állapottér reprezentációk

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

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

17. előadás: Vektorok a térben

Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 4. Előadás

Dualitás Dualitási tételek Általános LP feladat Komplementáris lazaság 2017/ Szegedi Tudományegyetem Informatikai Intézet

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

3. előadás Stabilitás

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

1. Lineáris transzformáció

i=1 λ iv i = 0 előállítása, melynél valamelyik λ i

Markov-láncok stacionárius eloszlása

Mátrixok 2017 Mátrixok

3. Lineáris differenciálegyenletek

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

Principal Component Analysis

azonosságot minden 1 i, l n, 1 j k, indexre teljesítő együtthatókkal, amelyekre érvényes a = c (j) i,l l,i

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

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

Lineáris algebra numerikus módszerei

12. előadás - Markov-láncok I.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

1.1. Definíció. Azt mondjuk, hogy a oszója b-nek, vagy más szóval, b osztható a-val, ha létezik olyan x Z, hogy b = ax. Ennek jelölése a b.

Gauss-Seidel iteráció

Differenciálegyenlet rendszerek

1. A Hilbert féle axiómarendszer

Példa: Háromszög síkidom másodrendű nyomatékainak számítása

Diszkrét Matematika II.

Első zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

Példa keresztmetszet másodrendű nyomatékainak számítására

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

3. előadás. Programozás-elmélet. A változó fogalma Kiterjesztések A feladat kiterjesztése A program kiterjesztése Kiterjesztési tételek Példa

Matematikai geodéziai számítások 10.

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

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 22.

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Lineáris egyenletrendszerek

Bevezetés az algebrába 2

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 3. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április 3. 1 / 28

Kevert állapoti anholonómiák vizsgálata

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

Matematikai geodéziai számítások 5.

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

A szimplex algoritmus

Wigner tétele kvantummechanikai szimmetriákról

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Lineáris algebra mérnököknek

Numerikus módszerek II. zárthelyi dolgozat, megoldások, 2014/15. I. félév, A. csoport. x 2. c = 3 5, s = 4

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

Relativisztikus Kvantummechanika alapok,

11. Előadás. 11. előadás Bevezetés a lineáris programozásba

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

A kvantummechanika általános formalizmusa

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

1. Sajátérték és sajátvektor

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

A Relativisztikus kvantummechanika alapjai

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Átírás:

Az impulzusnyomatékok általános elmélete November 27, 2006 Az elemi kvantummechanika keretében tárgyaltuk már az impulzusnyomatékot. A továbbiakban általánosítjuk az impulzusnyomaték fogalmát a kvantummechanikában úgy, hogy be tudjuk vezetni a spin fogalmát is. Az elemi kvantummechanikában tárgyalt módszerünk alapján megtanultuk, hogy az impulzusnyomaték komponenseihez operátorokat rendelünk: L = r p L(L x, L y, L z ˆ L = i h( r (1 ˆ L( ˆ L x, ˆL y, ˆL z (2 Az impulznyomaték komponenseihez rendelt operátorokra igazak az alábbi kommutálási relációk: [ ˆL x, ˆL y ] = i h ˆL z [ ˆL y, ˆL z ] = i h ˆ L x [ ˆL z, ˆL x ] = i h ˆL y (3 Dolgozzunk a továbbiakban olyan mértékrendszerben, ahol h = 1. Dimenzióanalízissel mindig kideríthetjük, hogy hova kell majd beírni a klasszikus mértékrendszerben a h értéket. 1 Az impulzusnyomaték új definíciója a kvantummechanikában Definició: Bármely J vektoriális mennyiséget impulzusnyomatéknak nevezünk, ha a ( J x, J y, J z komponenseihez rendelt operátorok teljesítik a: [Ĵx, Ĵy] = iĵz (4 [Ĵy, Ĵz] = iĵx [Ĵz, Ĵx] = iĵy 1

kommutálási összefüggéseket ( h = 1. Megjegyzés: Az ˆ L impulzusnyomaték operátor bevezethető precízebben is, kiindulva onnan, hogy ˆ L az elemi forgatások generátora kell legyen (lásd az elemi unitér operátorokkal kapcsolatos alfejezetet. Kimutatható, hogy ez a definíció szintén a (4 egyenletekhez vezet. Bevezetjük a Ĵ 2 = J ˆ 2 2 2 x + Ĵ y + Ĵ z (5 operátort, amit a J J = J 2 -hez rendelünk. Ilyenkor: [Ĵ2, Ĵx] = [Ĵ2, Ĵy] = [Ĵ2, Ĵz] = 0. (6 Ĵ 2 és ˆ J α (α = x, y, z tehát eggyütt mérhető, és van egy közös sajátvektor rendszere! Jelőljük a sajátvektorokat λ, µ formában. Ĵ 2 λµ = λ λµ Ĵ z λµ = µ λµ (7 Az elsődleges feladatunk, hogy meghatározzuk λ és µ értékét, vagyis Ĵ2 és Ĵz sajátértékeit. Ennek érdekében bevezetjük a Ĵ + = Ĵx + iĵy Ĵ = Ĵx iĵy, (8 segédoperátorokat (hasonlóan mint az â és â + operátorokat a harmonikus oszcillátor esetén. Ezen operátoroknak néhány azonnal bizonyítható tulajdonsága van: (Ĵ+ + = Ĵ (9 (Ĵ + = Ĵ + (10 [Ĵ2, Ĵ+] = [Ĵ2, Ĵ ] = 0 (11 [Ĵz, Ĵ+] = Ĵ+ (12 [Ĵz, Ĵ ] = Ĵ (13 [Ĵ+, Ĵ ] = 2Ĵz (14 Ĵ + Ĵ = Ĵ2 Ĵ2 z + Ĵz (15 Ĵ Ĵ + = Ĵ2 Ĵ2 z Ĵz (16 A felsorolt tulajdonságok bizonyítását az olvasónak gyakorlatként javasoljuk. A λ és µ sajátértékek meghatározásának érdekében bebizonyítunk most néhány tételt: 1. Tétel λ µ 2 (17 2

Bizonyítás: λµ Ĵ Ĵ+ λµ = Ĵ+ λµ 2 = λµ Ĵ2 Ĵ2 z Ĵz λµ = ( λ µ 2 µ λµ λµ 0 (18 λµ Ĵ+Ĵ λµ = Ĵ λµ 2 = λµ Ĵ2 Ĵ2 z + Ĵz λµ = ( λ µ 2 + µ λµ λµ 0 (19 A fenti (18 és(19 összefüggésekből következik, hogy λ µ 2 µ 0 (20 λ µ 2 + µ 0 (21 A fenti két egyenlőtlenség teljesüléséhez elengedhetetlenül szükséges, hogy λ µ 2. Ez azonnal belátható összeadva a fenti két egyenletet. 2. Tétel ( Ĵ 2 Ĵ ± λµ Ĵ z (Ĵ± λµ = λ(ĵ± λµ = (µ ± 1(Ĵ± λµ (22 (23 Bizonyítás: A (11 kommutálási reláció értelmében: ( Ĵ 2 Ĵ ± λν = Ĵ±Ĵ2 λµ = λĵ± λµ (24 A (12 és (13 kommutálási relációk felhasználásával meg: Ĵ z (Ĵ+ λν = [Ĵ+ Ĵ+] Ĵ z + λν = Ĵ+µ λν + Ĵ+ λν = (µ + 1Ĵ+ λµ (25 Ĵ z (Ĵ λν = [Ĵ Ĵ ] Ĵ z λν = Ĵ µ λν Ĵ λν = (µ 1Ĵ λµ (26 Ezáltal bizonyítottuk a 2. tételt. A fenti egyenletek értelmében a Ĵ+ operátort növelő operátornak, a Ĵ operátort meg csökkentő operátornak nevezzük. A Ĵ + alkalmazásával egy adott J z -hez tartozó sajátvektorból egy eggyel nagyobb J z sajátértékhez tartozó sajátvektort kapunk. A Ĵ alkalmazásával egy adott J z -hez tartozó sajátvektorból egy eggyel kissebb J z sajátértékhez tartozó sajátvektort kapunk. A Ĵ+ és Ĵ operátorokat lépcső operátoroknak (angolul ladder operator is nevezzük. Az 1. tétel értelmében µ-nek egy alsó és egy felső határa van: j µ j. A 2. tétel alkalmazásával, innen az következik, hogy igaz kell legyen Ĵ + λj = 0 Ĵ λj = 0, (27 3

vagyis: λj Ĵ Ĵ+ λj = ( λ j 2 j λj λj = 0 (28 λj Ĵ+Ĵ λj = ( λ j 2 + j λj λj = 0. (29 A fentiek alapján λ = j (j 1 és λ = j(j + 1, ahonnan következik, hogy: j(j + 1 j (j 1 = 0 j 2 + j j 2 + j = 0 (j j (j + j + (j + j = 0 (j + j (j j + 1 = 0 (30 Mivel j j a fenti egyenlet csak akkor lehet igaz ha j = j (ahol j 0. Felírható tehát, hogy: j µ j (31 A (28 és (29 alapján belátható, hogy: λ = j( j 1 = j(j + 1, (32 következik tehát, hogy Ĵ2 lehetséges sajátértékei j(j+1 alakúak, és egy rögzített j esetén J z lehetséges sajátértékei: j, j +1, j +2,...j 1, j. Lássuk most, milyen értékeket vehet fel j? Legyen Ĵ z λµ = µ λµ, (33 ahol λ = j(j +1. A következőkben az egyszerűség kedvéért a λµ ket vektort egyszerűen jµ -vel fogjuk jelőlni, ugyanis amint láttuk j értéke meghatározza λ értékét. A Ĵ+ operátor alkalmazásával a Ĵ + jµ µ + 1 Ĵ+ 2 jµ µ + 2... (34 Ĵ p + jµ µ + p (35 sajátértékekhez tartozó sajátvektorokat kapjuk. Tételezzük most fel, hogy A Ĵ operátor alkalmazásával a µ + p = j p N (36 Ĵ jµ µ 1 Ĵ 2 jµ µ 2... (37 Ĵ q jµ µ q (38 4

sajátértékekhez tartozó sajátvektorokat kapjuk. Az előző esethez hasonlóan tételezzük most fel, hogy A (36 és (39 értelmében azonnal adódik, hogy: µ q = j q N (39 p + q = 2j N = j = 0, 1 2, 1, 3 2, 2, 5 2,... (40 Azt kaptuk tehát, hogy j egész vagy félegész értékeket vehet fel. Adott j érték mellett µ lehetséges értékei: 0, ±1, ±2,... ± j ha j = 0, 1, 2,... (41 ± 1 2, ±3 2, ±5 2,... ha j = 1 2, 3 2, 5 2,... (42 A (41 sajátértékek azon állapotvektorokhoz tartozó sajátértékek, amelyeket a Schrödinger-féle hullámmechanikából már megismertünk. Az impulzusnyomaték általánosabb értelmezése alapján azonban további, új lehetőségeket kaptunk (42, amelyek a félegész j értékeknek felel meg. A kitűzött sajátérték egyenletekre következtetésként felírható tehát: Ĵ 2 λµ = λ λµ Ĵ z λµ = µ λµ (43 λ = j(j + 1 j = 0, 1 2, 1, 3 2,... (44 ahol rögzített j mellett: µ = j, j + 1,...,j 1, j Lássuk most hogyan kaphatók meg a Ĵ2 és Ĵz közös és normált sajátvektorai. Tételezzük fel, hogy jµ sajátvektora Ĵ2 és Ĵz-nek: Az előbb bizonyítottak értelmében Ĵ 2 jµ = j(j + 1 jµ Ĵ + jµ...ĵp + jµ Ĵ z jµ = µ jµ (45 p + µ = j (46 Ĵ jµ...ĵq jµ µ q = j, (47 szintén sajátvektorok és a µ + 1, µ + 2,...,µ + p illetve µ 1, µ 2,...,µ q sajátértékekhez tartoznak. A Ĵ+ és Ĵ operátorok segítségével megkaphatók tehát a többi sajátvektorok. Az így kapott sajátvektorok azonban nem feltétlenül normáltak. Feltevődik tehát a kérdés, hogyan kapunk normált sajátvektorokat a Ĵ+ és Ĵ alkalmazásával. A feladat tehát, hogy ha Ĵ + jµ = c j, µ + 1, (48 5

mi lesz c értéke ahhoz, hogy ha jµ = 1, akkor Felhasználva a (16 és (45 egyenlőségeket j, µ + 1 j, µ + 1 = 1 (49 jµ Ĵ Ĵ+ jµ = c 2 j, µ + 1 j, µ + 1 jµ Ĵ Ĵ+ jµ = [j(j + 1 µ(µ + 1] jµ jµ A normált sajátvektorokra felírható tehát, hogy: } (50 c = j(j + 1 µ(µ + 1 (51 Ĵ + jµ = j(j + 1 µ(µ + 1 j, µ + 1 (52 A feladat hasonló a Ĵ operátorra is Ĵ + jj = 0 (53 Ĵ jµ = d j, µ 1, (54 keressük itt d értékét úgy, hogy a jobb és baloldalon is normált sajátvektorok legyenek. A (15 és (45 felhasználásával azonnal adódik, hogy: jµ Ĵ+Ĵ jµ = d 2 j, µ 1 j, µ 1 jµ Ĵ+Ĵ jµ = [j(j + 1 µ(µ 1] jµ jµ A normált sajátvektorokra felírható tehát: } (55 d = j(j + 1 µ(µ 1 (56 Ĵ jµ = j(j + 1 µ(µ 1 j, µ 1 (57 2 A standard reprezentáció Ĵ j, j = 0 (58 {Ĵ2, Ĵz} Definíció: Bármely olyan reprezentáció, amelynek a τ jm bázisvektorai egymásból a Ĵ + τjm = j(j + 1 m(m + 1 τ, j, m + 1 Ĵ + j, j = 0 (59 Ĵ τjm = j(j + 1 m(m 1 τ, j, m 1 Ĵ j, j = 0 (60 képletekkel {Ĵ2 származtathatók } ((j = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,... és m = j, j + 1,...j 1, j egy, Ĵz típusú standard reprezentációt alkot. A τ kvantumszámok az összes olyan sajátértéket jelőli, amely azon operátorhoz tartoznak, amelyekkel Ĵ 2 és Ĵz egy teljes megfigyelhető mennyiség-rendszert alkot! Megjegyzések: 6

1. Legyen τ és j rögzített. Ilyenkor a τ, j, j, τ, j, j 1,..., τ, j, j, vektorok egy standard reprezentációt alkotnak az ǫ(τ, j (2j + 1 dimenziós altéren! 2. A különböző τ és j értékekhez tartozó ǫ(τ, j alterek kölcsönösen merőlegesek egymásra. 3. ǫ j = τ i ǫ(τ i, j (61 egy rögzített j értékhez tartozó altér. 4. ǫ = j { } j = 0, 1, 2,... ez a klasszikus Hilbert ter ǫ j j = 1 2, 3 2,... ez egy újabb Hilbert teret ad (62 (összesen egy összetett, átfogóbb Hilbert teret eredményez 5. A standard reprezentációban a ˆ J operátor komponenseinek egyszerűen meghatározható mátrix alakjai vannak: τ, j m Ĵz τ, j, m = m τ, j m τ, j, m = mδ ττ δ jj δ mm (63 τ, j m Ĵ+ τ, j, m = j(j + 1 m(m + 1δ ττ δ jj δ m,m+1 (64 τ, j m Ĵ τ, j, m = j(j + 1 m(m 1δ ττ δ jj δ m,m 1 (65 Ĵ x = 1 (Ĵ+ + 2 Ĵ Ĵ y = 1 (Ĵ 2 i Ĵ+ (66 Ha csak az ǫ(τ, j altéren dolgozunk, akkor egyszerű (2j + 1 (2j + 1-es mátrixok formájában írhatók fel Ĵ x, Ĵy, Ĵz komponensei. 6. A τ és j változókra vonatkozóan a Ĵ2, Ĵx, Ĵy, Ĵz, Ĵ+, Ĵ operátorokhoz tartozó mátrixok diagonálisak akár egy tetszőleges altéret tekintünk vagy ha az egész Hilbert téren dolgozunk. Példaként az ǫ(τ, j altéren: nézzük meg a Ĵ2, Ĵx, Ĵy, Ĵz, Ĵ+, Ĵ mátrixok alakjait különböző j értékekre: a. j = 0 [Ĵ2 ] = 0 ] ] ] ] ] [Ĵz = [Ĵ+ = [Ĵ = [Ĵx = [Ĵy = 0 (67 b. j = 1 2 Ĵ 2 = 3 [ ] 1 0 4 0 1 Ĵ z = 1 [ ] 1 0 2 0 1 (68 (69 7

[ ] 0 1 Ĵ + = 0 0 [ ] 0 0 Ĵ = 1 0 Ĵ x = 1 [ ] 0 1 2 i 1 0 Ĵ y = 1 [ ] 0 1 2 i 1 0 (70 (71 (72 (73 (74 c. a j = 1 esetet házi feladatként javasoljuk. Határozzuk meg ebben az esetben a Ĵ2, Ĵz, Ĵ+, Ĵ, Ĵx, Ĵy alakjait a standard reprezentációban. 8