动量算符
动量算符 p^=−iℏ∇,分量形式 p^x=−iℏ∂x∂,p^y=−iℏ∂y∂,p^z=−iℏ∂z∂。
动量算符各分量和坐标算符各分量之间的对易关系;
[x^i,p^j]=iℏδij={0,iℏ,i=ji=j
动量平方算符
p^2=p^x2+p^y2+p^z2=−ℏ2∇2
角动量算符
定义
L^=r^×p^=−iℏ(r×∇)
分量形式
L^xL^yL^z=yp^z−zp^y=−iℏ(y∂z∂−z∂y∂)=zp^x−xpz=−iℏ(z∂x∂−x∂z∂)=xp^y−yp^x=−iℏ(x∂y∂−y∂x∂)
角动量平方算符
L^2=L^x2+L^y2+L^z2
角动量算符各分量对易式
角动量各分量之间不对易
[L^x,L^y]=L^xL^y−L^yL^x=(yp^z−zp^y)(zp^x−xp^z)−(zp^x−xp^z)(yp^z−zp^y)=(p^zz−zp^z)yp^x+(zp^z−p^zz)xp^y=−iℏyp^x+iℏxp^y=iℏ(xp^y−yp^x)=iℏL^z
同理 [L^y,L^z]=iℏL^x, [L^z,L^x]=iℏL^y ⇒ L^×L^=iℏL^
角动量平方算符与其各分量之间是对易的
[L^2,L^x]=[L^x2+L^y2+L^z2,L^x]=[L^x2,L^x=0][L^y2,L^x]+[L^z2,L^x]=L^y[L^y,L^x]+[L^y,L^x]L^y+L^z[L^z,L^x]+[L^z,L^x]L^z=iℏ(−L^yL^z−L^zL^y+L^zL^y+L^yL^z)=0
同理 [L^2,L^y]=0,[L^2,L^z]=0
球坐标系中的角动量(不要求记忆)
L^xL^yL^z=iℏ(sinφ∂θ∂+ctgθcosφ∂φ∂)=−iℏ(cosφ∂θ∂−ctgθsinφ∂φ∂)=−iℏ∂φ∂
L^2=L^x2+L^y2+L^z2=−ℏ2[sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂)+sin2θ1∂φ2∂2]
∇2=r21[∂r∂(r2∂r∂)+sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂)+sin2θ1∂φ2∂2]=r21[∂r∂(r2∂r∂)−ℏ2L^2]
角动量算符的本征函数和本征值
L^z 算符的本征值和本征函数
球坐标系中,L^z=−iℏ∂φ∂
L^zψ=lzψ⇒−iℏ∂φ∂ψ=lzψ
解得
ψ(φ)=Cexp(ℏilzφ)
同时考虑到 φ 和 φ+2π 时系统处于同一状态,得到
lz=mℏ,m∈Z
lz=mℏ 为算符 lz 的本征值,对应的本征函数为
ψm(φ)=Ceimφ归一化ψm(φ)=2π1eimφ
球谐函数
球谐函数 Ylm(θ,φ) 是 L^2 和 L^z 的共同本征波函数(下式要记)
⎩⎨⎧L^2Ylm(θ,φ)=l(l+1)ℏ2Ylm(θ,φ)L^zYlm(θ,φ)=mℏYlm(θ,φ)l=0,1,2,…m=−l,−l+1,…,0,…l−1,l
l 表征了角动量的大小,称为角量子数;m 称为磁量子数,与原子光谱在外磁场中发生分裂有关,每一个 l 值对应 2l+1 个 m。在无外磁场时,角量子数为 l 的量子态是 2l+1 重简并的。L^2,L^z 的本征值谱都是分立的,量子数为 l 和 m。
在 Ylm(θ,φ) 的状态下,角动量大小为 L=l(l+1)ℏ,角动量在 z 方向上的投影 Lz=mℏ。因此可以看出,角动量的空间取向是量子化的。
正交归一化条件:
∫02πdφ∫02πsinθdθYlm∗(θ,φ)∗Yl′m′(θ,φ)=δll′δmm′
补充:量子力学五大假设
- 粒子的态可以用波函数描述
- 力学量对应算符一定是线性的厄密算符
- 测量假设:对力学量进行测量,得到的一定是本征值中的一个
- 态的演化可以用薛定谔方程描述
- 多粒子系统中粒子不可分辨