在量子力学里,角动量算符(英语:angular momentum operator)是一种算符,类比于经典的角动量。在原子物理学涉及旋转对称性(rotational symmetry)的理论里,角动量算符占有中心的角色。角动量,动量,与能量是物体运动的三个基本特性[1]。
简介
角动量促使在旋转方面的运动得以数量化。在孤立系统里,如同能量和动量,角动量是守恒的。在量子力学里,角动量算符的概念是必要的,因为角动量的计算实现于描述量子系统的波函数,而不是经典地实现于一点或一刚体。在量子尺寸世界,分析的对象都是以波函数或量子幅来描述其概率性行为,而不是命定性(deterministic)行为。
数学定义
在经典力学里,角动量 定义为位置 与动量 的叉积:
- 。
在量子力学里,对应的角动量算符 定义为位置算符 与动量算符 的叉积:
- 。
由于动量算符的形式为
- 。
角动量算符的形式为
- 。
其中, 是梯度算符。
角动量是厄米算符
在量子力学里,每一个可观察量所对应的算符都是厄米算符。角动量是一个可观察量,所以,角动量算符应该也是厄米算符。让我们现在证明这一点,思考角动量算符的 x-分量 :
- 。
其伴随算符 为
- 。
由于 、 、 、 ,都是厄米算符,
- 。
由于 与 之间、 与 之间分别相互对易,所以,
- 。
因此, 是一个厄米算符。类似地, 与 都是厄米算符。总结,角动量算符是厄米算符。
再思考 算符,
- 。
其伴随算符 为
- 。
由于 算符、 算符、 算符,都是厄米算符,
- 。
所以, 算符是厄米算符。
对易关系
两个算符 与 的交换算符 ,表示出它们之间的对易关系。
角动量算符与自己的对易关系
思考 与 的交换算符,
- 。
由于两者的对易关系不等于 0 , 与 彼此是不相容可观察量。 与 绝对不会有共同的基底量子态。一般而言, 的本征态与 的本征态不同。
给予一个量子系统,量子态为 。对于可观察量算符 ,所有本征值为 的本征态 ,形成了一组基底量子态。量子态 可以表达为这基底量子态的线性组合: 。对于可观察量算符 ,所有本征值为 的本征态 ,形成了另外一组基底量子态。量子态 可以表达为这基底量子态的线性组合: 。
根据哥本哈根诠释,量子测量可以用量子态坍缩机制来诠释。假若,我们测量可观察量 ,得到的测量值为其本征值 ,则量子态概率地坍缩为本征态 。假若,我们立刻再测量可观察量 ,得到的答案必定是 ,量子态仍旧处于 。可是,假若,我们改为测量可观察量 ,则量子态不会停留于本征态 ,而会坍缩为 的本征态。假若,得到的测量值为其本征值 ,则量子态概率地坍缩为本征态 。
根据不确定性原理,
- 。
的不确定性与 的不确定性的乘积 ,必定大于或等于 。
与 之间, 与 之间,也有类似的特性。
角动量平方算符与角动量算符之间的对易关系
思考 与 的交换算符,
- 。
与 是对易的, 与 彼此是相容可观察量,两个算符有共同的本征态。根据不确定性原理,我们可以同时地测量到 与 的本征值。
类似地,
- 、
- 。
与 之间、 与 之间,都分别拥有类似的物理特性。
哈密顿算符与角动量算符之间的对易关系
思考哈密顿算符 与 的交换算符,
- ,
与 是对易的, 与 彼此是相容可观察量,两个算符拥有共同的本征态。根据不确定性原理,我们可以同时地测量到 与 的同样的本征值。
类似地,
- ,
- 。
与 之间, 与 之间,都分别拥有类似的物理特性。
在经典力学里的对易关系
在经典力学里,角动量算符也遵守类似的对易关系:
- ;
其中, 是泊松括号, 是列维-奇维塔符号, 、 、 ,代表直角坐标 。
本征值与本征函数
采用球坐标。展开角动量算符的方程:
- ;
其中, 、 、 ,分别为径向单位向量、天顶角单位向量、与方位角单位向量。
转换回直角坐标,
- 。
其中, 、 、 ,分别为 x-单位向量、y-单位向量、与 z-单位向量。
所以, 、 、 分别是
- 、
- 、
- 。
角动量平方算符是
- ;
其中,
-
- 、
-
- 、
- 。
经过一番繁杂的运算,终于得到想要的方程[2]:169
- 。
满足算符 的本征函数是球谐函数 :
- ;
其中,本征值 是正整数。
球谐函数也是满足算符 微分方程的本征函数:
- ;
其中,本征值 是整数, 。
因为这两个算符的正则对易关系是 0 ,它们可以有共同的本征函数。
球谐函数 表达为
- ;
其中, 是虚数单位, 是伴随勒让德多项式,用方程定义为
- ;
而 是 阶勒让德多项式,可用罗德里格公式表示为:
- 。
球谐函数满足正交归一性:
- 。
这样,角动量算符的本征函数,形成一组单范正交基。任意波函数 都可以表达为这单范正交基的线性组合:
- ;
其中, 。
参阅
参考文献
- ^ Introductory Quantum Mechanics, Richard L. Liboff, 2nd Edition, ISBN 0-13-111892-7
外部链接
- 圣地牙哥加州大学物理系量子力学视听教学:角动量加法