Реферат: Операторы момента импульса и их коммутация

4.3.5.6. Наконец, мы подошли вплотную к решению важнейшей проблемы – связи квантового числа l со значением квадрата момента импульса и с параметром в уравнении (4.62). Обратимся вновь к уравнению (4.72). В его правой части стоит сумма квадратов операторов. Исследуем её, разлагая на комплексные сомножители по аналогии с задачей о гармоническом осцилляторе. Обозначим их и . Их смысл подобен смыслу операторов (3.79) и (3.80) – они также являются операторами сдвига состояний.

(4.78)

(4.79)

4.3.5.7. Если в задаче об осцилляторе каждый из операторов сдвигов исследовался в паре с гамильтонианом, то в данном случае сдвиги не будут связаны с перемещением по энергетической лесенке уровней. Здесь мы будем двигаться как бы по энергетической горизонтали в пределах одного вырожденного уровня, пересчитывая состояния с общим модулем |, но с разными его ориентациями. По этой причине удобнее всего рассмотреть последствия перестановок операторов и , с оператором , действие которого на конкретную собственную волновую функцию описывается уравнением (4.69). Составим коммутаторы и . Для удобства и сокращения громоздких выкладок объединим символы (+) и (–). Далее всюду будем полагать, что запись индексов в виде столбца (±) означает, что в последующих выражениях верхнему индексу (+) будут соответствовать верхние же знаки в совместных записях и, наоборот, нижнему индексу (–) – знаки внизу, например:

(4.80)

Подставим в (4.80) уравнения (4.78) и (4.79), затем перегруппируем слагаемые

(4.81)

Коммутаторы и уже выведены выше – формула (4.66). Используем их выражения

т.е. (4.82)

(4.83)

4.3.5.8. Исходя из формулы (4.80), произведение операторов можно записать так

При подстановке (4.82) и (4.83) это дает

(4.84)

Найдем далее результат действия операторов на волновую функцию, для которой заданы квантовые числа l и m, т.е. , используя уравнения (4.64) и (4.69):

(4.85)

4.3.5.9. Выражение (4.85) – это по-прежнему операторное уравнение на собственные значения. Оно показывает, что функции соответствует состояние с квантовым числом m+1, т. е увеличенным на единицу по сравнению с исходной функцией - состояние . Таким образом, оператор с полным правом может быть назван оператором повышения состояния (но не уровня!). Аналогично оператор – оператор понижения, так как функции соответствует уменьшенное квантовое число –

4.3.5.10. Следовательно, действие операторов повышения и понижения на волновую функцию можно представить так

(4.86)

(4.87)

Обратите внимание на то, что операторы и изменяют характеристику преобразуемой функции, и формулы (4.86) и (4.87) не создают уравнений на собственные значения, а постоянные – это просто численные множители. Таким образом, эти формулы позволяют “пересчитывать” состояния в проделах одного вырожденного уровня, которому отвечает конкретный модуль момента импульса, заданный квантовым числом l. При этом сдвиг между ближайшими значениями проекций равен , т.е.

. (4.88)

4.3.5.11. Напоминаем, что волновые функции являются собственными функция-ми операторов и . На основании уравнений (4.64) и (4.68) можно записать

(4.89)

а из уравнений (4.58) и (4.70) следует

(4.90)