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 Spins = 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
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
mitl ∈ 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 .
Diej
's besitzen also für jedesl
zwei Werte. Betrachten wirj = l + 1 2 , m s = 1 2 und m l = m − 1 2 ,
somit folgt, wenn wir unsere Rekursionsrelation benutzen
(wobeiwirdie Terme vonJ 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 wirindieobereRelationm = 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: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
m s + m l = m
liefern muss, dass bei festemj = 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 ,
wobei wir bereits den Koezienten für
| m l − 1 2 , 1 2 i
bestimmt haben. Die Matrix derClebsch-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 Einträgekönnen 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
-teKomponenteT 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 −
,
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) .
Es sei
K ˆ i die i
-te Komponente eines Vektoroperators und
ˆ J
der Operator desGesamt-
drehimpulses mit Eigenkets
| jm i
vonJ ˆ 2 und
J ˆ z = ˆ J 3 .
Zu zeigen ist,dassh 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 diex
- undy
-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
undK ˆ
wegenh 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 AnwendungderOperatoren 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
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 Hilfedieses 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. allgemeinT ˆ q (k).
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 auchm
nicht verändertwerden.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
undm
nicht verändert undsomitalso 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
undK ˆ
invariantunterRotationist.Umdieseinzusehen,wendenwirden RotationsoperatorfüreineinnitesimaleRotationumdenWinkelε
unddenEinheitsvektorn
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
undK ˆ
.Also istdas Skalarprodukt invariant unterRotation und somiteinSkalaroperator.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: