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s = 1 2 zubestimmen, wobei dieglobalePhasedurch:

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10 Übungsblatt Theoretische Physik IV

10.1 (Clebsch-Gordan-Koezienten)

Es sind die Clebsch-Gordan-Koezienten

h ls; m l m s | jm i

für ein Elektron mit Bahndre-

himpuls

l

und Spin

s = 1 2

zubestimmen, wobei dieglobalePhasedurch:

h l 1 2 ; l 1

2 | l + 1 2 l + 1

2 i = 1,

bestimmt ist.

Es gilt dieRelation:

J ˆ ± | j 1 j 2 ; jm i =

J ˆ 1 ± + ˆ J 2 ± X

m 0 1 ,m 0 2

| j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 ih j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i ,

wobeiwirnureineIdentitäteingeschobenhabenmit

P

m 0 1 ,m 0 2 | j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 ih j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | = 1.

Nun folgtnach Anwendung derOperatoren:

p (j ∓ m) (j ± m + 1) | j 1 j 2 ; jm ± 1 i

= p (j 1 ∓ m 0 1 ) (j 1 ± m 0 1 + 1) P

m 0 1 ,m 0 2 | j 1 j 2 ; m 0 1 ± 1, m 0 2 ih j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i +

p (j 1 ∓ m 0 2 ) (j 1 ± m 0 2 + 1) P

m 0 1 ,m 0 2 | j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 ± 1 ih j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i

Multiplikation mit

h j 1 j 2 ; m 1 m 2 | ,

liefert:

p (j ∓ m) (j ± m + 1) h j 1 j 2 ; m 1 m 2 | j 1 j 2 ; jm ± 1 i

= p (j 1 ∓ m 0 1 ) (j 1 ± m 0 1 + 1) P

m 0 1 ,m 0 2 δ m 2 ,m 0 2 δ m 1 m 0

1 ± 1 h j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i +

p (j 1 ∓ m 0 2 ) (j 1 ± m 0 2 + 1) P

m 0 1 ,m 0 2 δ m 1 ,m 0

1 δ m 2 m 0

2 ± 1 h j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i

Wir führendies aus, indem wir

m 0 1 = m 1 ∓ 1,

bzw.

m 0 2 = m 2

ersetzen für den ersten

Term und äquivalent

m 0 2 = m 2 ∓ 1

bzw.

m 0 1 = m 1

für den zweiten Term.Somit gilt für

dieClebsch-Gordan-Koezientendie Rekursions-Relation:

p (j ∓ m) (j ± m + 1) h j 1 j 2 ; m 1 m 2 | j 1 j 2 ; j, m ± 1 i = p

(j 1 ∓ m 1 + 1) (j 1 ± m 1 ) h j 1 j 2 ; m 1 ∓ 1, m 2 | j 1 j 2 ; jm i

+ p

(j 2 ∓ m 2 + 1) (j 2 ± m 2 ) h j 1 j 2 ; m 1 , m 2 ∓ 1 | j 1 j 2 ; jm i

(2)

p (j ∓ m) (j ± m + 1) h ls; m l m s | j, m ± 1 i = p

(l ∓ m l + 1) (l ± m l ) h ls; m l ∓ 1, m s | jm i

+ p

(s ∓ m s + 1) (s ± m s ) h ls; m l , m s ∓ 1 | jm i .

Setzen wirnun noch

m = m ∓ 1,

sofolgt:

p (j ∓ m + 1) (j ± m) h ls; m l m s | j, m i = p

(l ∓ m l + 1) (l ± m l ) h ls; m l ∓ 1, m s | jm ∓ 1 i

+ p

(s ∓ m s + 1) (s ± m s ) h ls; m l , m s ∓ 1 | jm ∓ 1 i .

wobei

j 1 = l

mit

l ∈ Z , j 2 = s = 1 2 , m 1 = m l , m 2 = m s = ± 1 2 , m = m l + m s = m l ± 1 2

und

j = l ± 1 2 .

Die

j

's besitzen also für jedes

l

zwei Werte. Betrachten wir

j = l + 1 2 , m s = 1 2

und

m l = m − 1 2 ,

somit folgt, wenn wir unsere Rekursionsrelation benutzen (wobeiwirdie Terme von

J ˆ

verwenden):

q

l + 1 2 + m + 1

l + 1 2 − m

h m − 1 2 , 1 2 | l + 1 2 , m i q =

l + m − 1 2 + 1

l − m + 1 2

h m − 1 2 + 1, 1 2 | l + 1 2 , m + 1 i v +

u u u t

1

2 + 1 2 + 1 1 2 − 1

2

| {z }

=0

h m − 1 2 , 3 2 | l + 1 2 , m + 1 i ,

dies liefertalso:

s

l + m + 3

2 l − m + 1 2

h m − 1

2 , 1 2 | l+ 1

2 , m i = s

l + m + 1

2 l − m + 1 2

h m+ 1

2 , 1 2 | l+ 1

2 , m+1 i ,

umstellen liefert:

h m − 1 2 , 1

2 | l + 1 2 , m i =

s l + m + 1 2

l + m + 3 2 h m + 1 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 1 i ,

ausderRekursionsrelation.Wirkönnennunweitergehenund

m + 2

betrachten, indem wirindieobereRelation

m = m + 1

einsetzen:

h m + 1 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 1 i =

s l + m + 3 2

l + m + 5 2 h m + 3 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 2 i ,

inBezug zu

m

liefert dies:

(3)

h m − 1 2 , 1

2 | l + 1 2 , m i =

s l + m + 1 2

l + m + 5 2 h m + 3 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 2 i ,

Für

m + 3

folgt:

h m + 3 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 2 i =

s l + m + 5 2

l + m + 7 2 h m + 5 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 3 i

bzw.

h m − 1 2 , 1

2 | l + 1 2 , m i =

s

l + m + 1 2

l + m + 7 2 h m + 5 2 , 1

2 | l + 1

2 , m + 3 i ,

dieskönnenwirnundurchführenbiswirdenmaximalmöglichenWert

m l = l

erreichen

(indem wir auf der rechten Seite

m = l − 1 2

einsetzen und nur in den Nenner das

m

ersetzen, dies erkennt man schnell, wenn man oben hinschaut und sieht, dass sich die

Nenner immer mit dem nachfolgenden Zähler wegheben und nur der letzte Nenner

überlebt):

h m − 1 2 , 1

2 | l + 1 2 , m i =

s

l + m + 1 2 (2l + 1) h l, 1

2 | l + 1 2 , l + 1

2 i .

Nun können wirunsere Phasenbeziehung nutzenund erhalten:

h m − 1 2 , 1

2 | l + 1 2 , m i =

s

l + m + 1 2 (2l + 1) .

Diesist dererste Clebsch-Gordan-Koezient. Aus derDenition:

| j 1 j 2 ; jm i = X

m 0 1 ,m 0 2

| j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 ih j 1 j 2 ; m 0 1 m 0 2 | j 1 j 2 ; jm i

wissen wir jedoch, da wir über

m s

und

m l

summieren müssen und deren Summe

m s + m l = m

liefern muss, dass bei festem

j = l ± 1 2

die Summe nur aus

2

Termen

bestehen.DieGleichungenfürdieursprünglichenKetsindenbasistransformiertenlauten

somit:

| l + 1

2 , m i = | m − 1 2 , 1

2 ih m − 1 2 , 1

2 | l + 1

2 , m i + | m + 1 2 , − 1

2 ih m + 1 2 , − 1

2 | l + 1 2 , m i

| l − 1

2 , m i = | m − 1 2 , 1

2 ih m − 1 2 , 1

2 | l − 1

2 , m i + | m + 1 2 , − 1

2 ih m + 1 2 , − 1

2 | l − 1

2 , m i ,

(4)

wobei wir bereits den Koezienten für

| m l1 2 , 1 2 i

bestimmt haben. Die Matrix der

Clebsch-Gordan-KoezientenmusseineunitäreMatrixbilden.DieseEigenschaftha-

ben nur Drehmatrizen,alsoAbbildungen derForm

cos α sin α

− sin α cos α

.

Der bestimmte Koezient steht hier für einen

cos α

Eintrag. Die restlichen Einträge

können wirdaherüberdieEulersche Identität

cos 2 α + sin 2 α = 1

bestimmen.

sin 2 α = 1 ! − cos 2 α

= 2l + 1

2l + 1 − l + m + 1 2 2l + 1

= l − m + 1 2 2l + 1

Somit lautet dieMatrixderCG-Koezienten

q l+m+ 1 2 2l+1

q l − m+ 1 2 2l+1

q l − m+ 1 2 2l+1

q l+m+ 1 2 2l+1

 =

h m − 1 2 , 1 2 | l + 1 2 , m i h m + 1 2 , − 1 2 | l + 1 2 , m i h m − 1 2 , 1 2 | l − 1 2 , m i h m + 1 2 , − 1 2 | l − 1 2 , m i

.

10.2 (Irreduzible Tensoroperatoren)

Füreinen Operator

A ˆ

seifolgende Operatorfunktion deniert:

ˆ J 2 n

A ˆ o

≡ h J ˆ x , h

J ˆ x , A ˆ ii + h

J ˆ y , h

J ˆ y , A ˆ ii + h

J ˆ z , h J ˆ z , A ˆ ii

.

(1)

Es istzuzeigen,dassfürdie

q

-teKomponente

T ˆ q (k)

eines irreduziblenTensoroperators

T ˆ (k)

vomRang

k

gilt:

ˆ J 2 n

T ˆ q (k) o

= ~ 2 k (k + 1) ˆ T q (k) .

Es gelten diefolgenden nützlichen Beziehungen:

J ˆ + = ˆ J x + i J ˆ y

und

J ˆ = ˆ J x − i J ˆ y ,

hierausfolgen:

J ˆ x = 1 2

J ˆ + + ˆ J

und

J ˆ y = 1 2i

J ˆ + − J ˆ

,

(5)

h J ˆ ± , T ˆ q (k) i

= ~ p

(k ∓ q) (k ± q + 1) ˆ T q (k) ± 1 ,

und

h J ˆ z , T ˆ q (k) i

= ~ q T ˆ q (k) .

Wenn wirden irreduziblen Tensoroperator in

(1)

einsetzen,erhaltenwir:

ˆ J 2 n

T ˆ q (k) o

= h J ˆ x , h

J ˆ x , T ˆ q (k) ii + h

J ˆ y , h

J ˆ y , T ˆ q (k) ii + h

J ˆ z , h

J ˆ z , T ˆ q (k) ii

= 1 4

h J ˆ + + ˆ J , h

J ˆ + + ˆ J

, T ˆ q (k) ii

− 1 4

h J ˆ + − J ˆ , h

J ˆ + − J ˆ

, T ˆ q (k) ii + ~ q h

J ˆ z , T ˆ q (k) i

= 1 4

h J ˆ + + ˆ J , nh

J ˆ + , T ˆ q (k) i + h

J ˆ , T ˆ q (k) ioi

− 1 4

h J ˆ + − J ˆ , nh

J ˆ + , T ˆ q (k) i

− h

J ˆ , T ˆ q (k) ioi

+ ~ 2 q 2 T ˆ q (k)

= ~ 4

p (k − q) (k + q + 1) h

J ˆ + , T ˆ q+1 (k) i + ~

4

p (k + q) (k − q + 1) h

J ˆ + , T ˆ q (k) −1 i + ~

4

p (k − q) (k + q + 1) h

J ˆ , T ˆ q+1 (k) i + ~

4

p (k + q) (k − q + 1) h

J ˆ , T ˆ q (k) 1 i + ( − ~ )

4

p (k − q) (k + q + 1) h

J ˆ + , T ˆ q+1 (k) i + ~

4

p (k + q) (k − q + 1) h

J ˆ + , T ˆ q (k) 1 i + ~

4

p (k − q) (k + q + 1) h

J ˆ , T ˆ q+1 (k) i

− ~ 4

p (k + q) (k − q + 1) h

J ˆ , T ˆ q (k) 1 i + ~ 2 q 2 T ˆ q (k)

= 2 · ~ 4

p (k − q) (k + q + 1) h

J ˆ , T ˆ q+1 (k) i + ~

2

p (k + q) (k − q + 1) h

J ˆ + , T ˆ q (k) 1 i

+ ~ 2 q 2 T ˆ q (k)

= ~ 2

p (k − q) (k + q + 1) ~ p

(k + q + 1) (k − q) ˆ T q (k) + ~

2

p (k + q) (k − q + 1) ~ p

(k − q + 1) (k + q) ˆ T q (k) + ~ 2 q 2 T ˆ q (k)

= ~ 2 2

(k − q) (k + q + 1) + (k + q) (k − q + 1) + 2q 2 T ˆ q (k)

= ~ 2 2

k 2 + kq + k − kq − q 2 − q

+ k 2 − kq + k + kq − q 2 + q

+ 2q 2 T ˆ q (k)

= ~ 2 2

2k 2 + 2k T ˆ q (k)

= ~ 2 k (k + 1) ˆ T q (k) .

(6)

Es sei

K ˆ i

die

i

-te Komponente eines Vektoroperators und

ˆ J

der Operator desGesamt-

drehimpulses mit Eigenkets

| jm i

von

J ˆ 2

und

J ˆ z = ˆ J 3 .

Zu zeigen ist,dass

h jm | K ˆ i | jm 0 i = h jm | J ˆ i | jm 0 i h jm | ˆ J · K ˆ | jm i

~ 2 j (j + 1)

mit

J ˆ · K ˆ = P 3

i=1 J ˆ i K ˆ i

gilt.

Wirkönnen ausnutzen, dass wirdenErwartungswert für

J ˆ 2

kennen:

h jm | J ˆ 2 | jm i = ~ 2 j (j + 1) .

Setzen wirdiesen indiezu zeigende Gleichung ein,vereinfacht sichdiese zu:

h jm | K ˆ i | jm 0 i

h jm | J ˆ i | jm 0 i = h jm | J ˆ · K ˆ | jm i

h jm | J ˆ 2 | jm i .

(2)

Betrachtenwirnunden Zähler desBruchs derrechtenSeite:

h jm | J ˆ · K ˆ | jm i = h jm | X 3 i=1

J ˆ i K ˆ i | jm i .

Ausnutzen von

J ˆ ± =

J ˆ x ± i J ˆ y

=

J ˆ 1 ± i J ˆ 2

und

J ˆ z = ˆ J 3 ,

ermöglicht uns die

x

- und

y

-Komponente desOperators auszudrückenmit:

J ˆ x = 1 2

J ˆ + + ˆ J J ˆ y = − i

2

J ˆ + − J ˆ .

Wir können nun ausnutzen das die Komponenten von

ˆ J

und

K ˆ

wegen

h J ˆ i , K ˆ j i

= i ~ ijk K ˆ k

vertauschen. Somit gilt also

ˆ J · K ˆ = P 3

i=1 J ˆ i K ˆ i = P 3

i=1 K ˆ i J ˆ i

.Die Anwendung

derOperatoren liefert

J ˆ z | jm i = m ~ | jm i ,

bzw.

J ˆ ± | jm i = ~ p

(j ∓ m) (j ± m + 1) | jm i

.

Setzen wirdiesein, erhaltenwir:

h jm | X 3 i=1

J ˆ i K ˆ i | jm i = h jm | X 3 i=1

K ˆ i J ˆ i | jm i

+ h jm | 1 2 K ˆ 1

J ˆ + + ˆ J

| jm i + h jm | i

2 K ˆ 2

− J ˆ + + ˆ J

| jm i

+ h jm | K ˆ 3 J ˆ z | jm i

(7)

Als Ergebniserhaltenwiralso mit

c ± = p

(j ∓ m) (j ± m + 1)

:

h jm | J ˆ · K ˆ | jm i = ~

2 c + h jm | K ˆ 1 | jm + 1 i + ~

2 c h jm | K ˆ 1 | jm − 1 i + ( − i ~ )

2 c + h jm | K ˆ 2 | jm + 1 i + i ~

2 c h jm | K ˆ 2 | jm − 1 i + m ~ h jm | K ˆ 3 | jm i .

Dieskönnen wirauch zusammenfassen zu:

h jm | J ˆ · K ˆ | jm i = ~

2 c + h jm | K ˆ 1 − i K ˆ 2 | jm + 1 i + ~

2 c h jm | K ˆ 1 + i K ˆ 2 | jm − 1 i + m ~ h jm | K ˆ 3 | jm i .

Aus derVorlesung ist bekannt, dass Vektoroperatorkomponenten auch inder sphäri-

schen Form als

U ˆ ± 1 = ∓ 1 2

U ˆ 1 ± i U ˆ 2

und

U ˆ 0 = ˆ U z

geschrieben werdenkönnen, somit ergibt sichalso,da

K ˆ

einVektoroperator ist:

h jm | J ˆ · K ˆ | jm i = ~

2 c + h jm | √

2 ˆ K −1 | jm + 1 i + ~

2 c h jm |

− √ 2

K ˆ +1 | jm − 1 i + m ~ h jm | K ˆ 0 | jm i

= ~

√ 2 c + h jm | K ˆ 1 | jm + 1 i − ~

√ 2 c h jm | K ˆ +1 | jm − 1 i + m ~ h jm | K ˆ 0 | jm i .

MitHilfe desWigner-Eckart-Theorems können wirnun auffolgendes schliessen:

h jm | J ˆ · K ˆ | jm i = c jm h jm | K ˆ | jm i ,

wobei

c jm

nur von

j

und

m

abhängt. Die Begründung ergibt sich direkt aus dem

Wigner-Eckart-Theorem, da die Betrachtung einer Komponente, d.h. also

q

, mit Hilfe

dieses Theorems unabhängig von der Komponente gemacht werden kann,dieses besagt

nämlich:

h α 0 j 0 m 0 | T ˆ q (k) | αjm i = h jk; mq | j 0 m 0 i h α 0 j √ 0 || T ˆ (k) || αj i 2j + 1 .

WirkönnenalsodiesenVorfaktor,dersichausderSummederdreiKomponentenkoef-

zientenbildetals

c jm

schreiben,wobeialledrei Komponenten, miteinem individuellen Koezienten, proportional zu dem reduzierten Matrixelement sind. Die Konstante

c jm

ist unabhängigvom Operator

K ˆ

bzw. allgemein

T ˆ q (k)

.

(8)

T ˆ 0 (0) = ˆ S = ˆ J · K ˆ

(

J ˆ · K ˆ

ist also auch einSkalaroperator, 1

):

h α 0 j 0 m 0 | S ˆ | αjm i = δ jj 0 δ mm 0 h α √ 0 j 0 | S ˆ | αj i 2j + 1 .

Die Eigenschaft diesesskalarenOperatorsistdassowohl

j

als auch

m

nicht verändert

werden.DieseEigenschaft können wirauchgleichaufdielinkeSeite unserGleichung

(2)

anwenden,womit sich:

h jm | K ˆ i | jm 0 i

h jm | J ˆ i | jm 0 i = h jm | K ˆ | jm i h jm | J ˆ | jm i ,

ergibt. Diesfolgt daraus, dasseinSkalaroperator gerade

j

und

m

nicht verändert und

somitalso gleiche Koezientenenstehen, welche wirgleich wegkürzenkönnen.

Wir können nun den Skalaroperator im Nenner der rechten Seite von Gleichung

(2)

betrachten:

h jm | J ˆ 2 | jm i = h jm | X 3 i=1

J ˆ i J ˆ i | jm i

= ~

√ 2 c + h jm | J ˆ 1 | jm + 1 i − ~

√ 2 c h jm | J ˆ +1 | jm − 1 i + m ~ h jm | J ˆ 0 | jm i .

= c jm h jm | J ˆ | jm i

Wirerhaltenalsogenaudengleichen Koezienten,nachdemwirWigner-Eckartange-

wandt haben.Wirkönnen unsereErkenntnissealso zusammenfassen,durch einsetzenin

Gleichung

(2)

erhalten wir:

1

dadasSkalarproduktvon

J ˆ

und

K ˆ

invariantunterRotationist.Umdieseinzusehen,wendenwirden RotationsoperatorfüreineinnitesimaleRotationumdenWinkel

ε

unddenEinheitsvektor

n

D ˆ (R) = I − i

~ ε ˆ J · n

an.

J ˆ · K ˆ 0

= D ˆ (R) ˆ J · K ˆ D ˆ (R)

=

I − i

~ ε J ˆ · n

ˆ J · K ˆ

I + i

~ ε J ˆ · n

= ˆ J · K ˆ + i

~ ε h

ˆ J · n , ˆ J · K ˆ i + ε 2

~ 2

ˆ ˆ

J · n J · K ˆ J ˆ · n

| {z }

∈O ( ε 2 )

Wieoben gesehen vertauschen

J ˆ

und

K ˆ

.Also istdas Skalarprodukt invariant unterRotation und somiteinSkalaroperator.

(9)

h jm | K ˆ i | jm 0 i

h jm | J ˆ i | jm 0 i = h jm | J ˆ · K ˆ | jm i

h jm | J ˆ 2 | jm i = c jm h jm | K ˆ | jm i

c jm h jm | ˆ J | jm i = h jm | K ˆ | jm i h jm | ˆ J | jm i .

Wirhatten jedochschongezeigt, dass dieTerme dieganz links und ganz rechts steht

übereinstimmen. Somit ergibt sich also,wenn wirwiederumstellen:

h jm | K ˆ i | jm 0 i = h jm | J ˆ i | jm 0 i h jm | J ˆ · K ˆ | jm i h jm | J ˆ 2 | jm i ,

oderwenn wirden Erwartungswertim Nennerexplizit hinschreiben:

h jm | K ˆ i | jm 0 i = h jm | J ˆ i | jm 0 i h jm | J ˆ · K ˆ | jm i

~ 2 j (j + 1) .

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