当前课程知识点:量子力学(上) >  第五章 量子力学中的对称性与守恒量 >  5.2 对称性与守恒量 >  5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒

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5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒在线视频

5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒

下一节:5.2.4 离散对称性及离散守恒量

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5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒课程教案、知识点、字幕

现在我们再来考虑另外一个

很常见的变换 那就是空间旋转

先考虑一个比较简单的情形

就是系统绕z轴

旋转一个小角度δφ

其实这里的φ

就是球坐标里的方位角

所以这个变换就是φ

变成φ′等于φ+δφ

那么大家很容易发觉

这其实

是和我们刚才所分析的

沿x轴的平移

是完全类似的

所以

我们也可以进行

和刚才所作的分析

完全类似的一个推导

这样一来

这个变换

所对应的无穷小算符

就是-ihbar对φ的偏导数

而大家马上认出来

这就是角动量算符的z分量

完全类似的

如果我们考虑绕x轴

或者是y轴的旋转变换

那么它们所对应的

无穷小算符就分别是

角动量的x分量L_x

和角动量的y分量就是L_y

如果我们考虑

三维空间里的一个

一般的变换

那么

它的表达就稍微复杂一点

那就是

把r′写成r加上一个δφ

叉乘r

其中这个δφ就是一个

无穷小旋转的一个表达

它本身是一个

无穷小的三维矢量

它的构造是这样的

因为任何一个旋转

都要有一个旋转轴

我们就把这个旋转轴的方向

的单位矢量记作n

然后还有一个旋转角度

那么这个旋转角度δφ

本身只是一个数值

这里的旋转有个约定

那就是

绕着n轴以右手螺旋的方式

做旋转

那么

假设波函数在这个旋转之下

是不变的

这种情形

在数学的语言叫作标量

那么ψ′在r′

旋转之后的那一点的值

就仍然等于ψ在r那一点的值

这个关系也是和前面的

一维空间里的平移是类似的

那么我们就可以

重新把这个关系

就是把r′

用刚才的变换式代进去

并且

把那个δφ×r移到右边来

那么就是变成了ψ′

在r地方的值

等于ψ在r减去δφ×r

这个地方的值

再次利用三维空间里的

泰勒展开

那么应当保留到δφ

的一次项的时候

是这样的一个角的变动

点乘上ψ的梯度

再把它们写成一个

变换的形式

第一项是单位算符

第二项就是这样的一个

叉点积的混合运算

这里再往下做的时候

要稍微做一点变换

那就是这里是一个

三个矢量的

叉积和点积的混合运算

我们知道这个混合运算

是可以允许有一个

次序上的重新安排的

那就是把它重新写成为

叉积在后面点积在前面

之所以可以做这样的一个

恒等的变换

是因为δφ

在这里是一个常矢量

它是不需要被

这个到三角算符所作用的

于是刚才那变换式

就变成了这个样子

然后

再去和无穷小变换做对比

类似的引入这里有一个i

这里有一个hbar

于是

出来了一个新的算符的定义

这个定义就是

-ihbarr叉乘上到三角算符

也就是说是r叉乘上p算符

而这个算符正好就是

三维空间里的角动量算符

因此我们得到了

一个很重要的一个结论

就是三维空间的旋转变换

可以通过角动量算符

来生成

另一方面

所谓的空间旋转的不变性

直观的说

就是空间没有特殊的方向

或者说空间是各向同性的

用一个式子来表达

那就是H在r这个地方的值

等于把r做了一个

旋转变换之后的

那一点的同样的H的值

而这也就意味着

L这个算符和H

是可以对易的

也就是说

角动量是一个守恒量

所以我们现在

对于空间旋转变换和

角动量守恒之间的关系

有了一个很明确的认识

量子力学(上)课程列表:

序言

-引言

--引言

第一章 量子力学的历史渊源

-1.1 普朗克的光量子假说

--1.1.1 黑体辐射的能谱

--1.1.2 普朗克假说

--1.1.3 光电效应

--1.1.4 康普顿效应

-1.2 玻尔的原子结构模型

--1.2.1 氢原子光谱和弗兰克-赫兹实验

--1.2.2 玻尔模型

--1.2.3 索末菲量子化条件

-1.3 德布罗意的物质波假说

--1.3.1 德布罗意假说

--1.3.2 微观粒子波动性的实验

-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业

第二章 波函数与薛定谔方程

-2.1波函数

--2.1.1 波粒二象性的意义

--2.1.2 波函数的统计诠释

--2.1.3 波函数的归一化

--2.1.4 态叠加原理

--2.1.5 动量分布几率

--2.1.6 不确定关系

--2.1.7 力学量的平均值和力学量的算符表示

--2.1.8波函数应满足的要求

-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业

-2.2 薛定谔方程

--2.2.1 薛定谔方程的引入

--2.2.2 几率守恒定律

--*2.2.3量子力学的初值问题 自由粒子的传播子

--2.2.4 定态薛定谔方程 能量本征方程

--2.2.5 非定态 薛定谔方程的一般解

--2.2.6 一般系统的薛定谔方程

--2.2.7 量子力学的表象

--2.2.8 量子力学中的测量 波包坍缩

-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业

第三章 一维势场中的粒子

-3.1一维运动问题的一般分析

--3.1.1 一维定态薛定谔方程的解的一般特征

--3.1.2 关于一维定态薛定谔方程的解的基本定理

--3.1.3 一维定态的分类 束缚态和非束缚态

--3.1.4一维束缚态的一般性质

-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业

-3.2 方势阱

--3.2.1 一维无限深势阱

--3.2.2 对称有限深方势阱

-3.3 δ函数势阱

--3.3.1 函数的定义和主要性质

--3.3.2 一维δ函数势阱中的束缚态

--3.3.3 δ函数势阱与方势阱的关系

-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业

-3.4 线性谐振子

--3.4.1 方程的无量纲化和化简

--3.4.2 厄密多项式

--3.4.3 线性谐振子的能级和波函数

-3.5 一维散射问题

--3.5.1 一维散射问题的一般描述方法

--3.5.2 方势垒的量子隧穿

--3.5.3 方势阱的共振透射

-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业

-*3.6 δ势的穿透

--3.6.1 δ势垒的穿透

--3.6.2 δ势阱的穿透

-*3.7 周期性势场中的能带结构

--*3.7.1 有限平移不变性,弗洛盖-布洛赫定理

--*3.7.2克勒尼希-彭尼模型,能带的形成

--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业

第四章 力学量用算符表示

-4.1 算符及其运算

--4.1.1 基本的和导出的力学量算符

--4.1.2 线性算符

--4.1.3 算符的运算和厄密算符

--4.1.4算符的对易关系

-第四章 力学量用算符表示--第8周作业

-4.2 厄密算符的主要性质

--4.2.1 算符的本证方程

--4.2.2 厄密算符的本征值

--4.2.3 本征函数系的正交性

--4.2.4 简并情形 共同本征函数

--4.2.5 力学量的完备集

--4.2.6 一般力学量的测量几率

--4.2.7 不确定关系的准确形式

-第四章 力学量用算符表示--第9周作业

-4.3 动量本征函数的归一化

--4.3.1 动量本征函数在无穷空间中的归一化

--*4.3.2 动量本征函数的箱归一化

-4.4 角动量算符的本征值和本征态

--4.4.1角动量算符的球坐标表示

--4.4.2 角动量算符z的本征值和本征函数

--4.4.3 角动量平方算符的本征值和本征函数

--4.4.4 球谐函数的基本性质

-第四章 力学量用算符表示--第10周作业

第五章 量子力学中的对称性与守恒量

-5.1 量子力学中的守恒量

--5.1.1 力学量的平均值随时间的演化

--5.1.2 量子力学里的守恒量 好量子数

--*5.1.3 能级简并与守恒量

--*5.1.4 维里定理

-5.2 对称性与守恒量

--5.2.1体系的对称变换 幺正变换

--5.2.2 空间平移不变性与动量守恒

--5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒

--5.2.4 离散对称性及离散守恒量

-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第11周作业

-5.3 全同粒子系统波函数的交换对称性

--5.3.1多粒子体系的描写

--5.3.2 全同粒子的不可区别性

--5.3.3波函数的变换对称性和粒子的统计性质

--5.3.4交换对称或反对称波函数的构成 泡利不相容原理

--5.3.5 自由电子气 费米面

-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画

--*5.4.1 薛定谔方程初值问题的形式解

--*5.4.2 薛定谔图画

--*5.4.3 海森堡图画

-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业

第六章 中心力场

-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质

--6.1.1中心力场中薛定谔方程的约化

--6.1.2约化径向方程与一维薛定谔方程的比较

--*6.1.3 二体问题的分解 相对运动

-*6.2 球无限深势阱

--*6.2.1球坐标系中的自由粒子波函数

--*6.2.2球无限深势阱中能级的确定

-第六章 中心力场--第13周作业

-6.3 三维各向同性谐振子

--6.3.1 三维各向同性谐振子在直角坐标系中的解

--6.3.2球坐标系中的解 缔合拉盖尔多项式

-6.4 氢原子和类氢离子

--6.4.1 径向方程的化简及其解

--6.4.2 氢原子和类氢原子的能级和波函数

--6.4.3 氢原子的轨道磁矩 g因子

--6.4.4 碱金属原子的能级

--*6.4.5 电子偶素 电子偶素湮灭的EPR佯谬

第七章 带电粒子在电磁场中的运动

-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程

--7.1.1 带电粒子在电磁场中的经典哈密顿量 正则动量

--7.1.2 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程 规范条件

--7.1.3 经典的和量子的规范不变性

-*7.2 朗道能级

--7.2.1 带电粒子在均匀磁场中的经典运动

--7.2.2 带电粒子在均匀磁场中的量子运动 朗道能级

--*7.2.3 朗道能级的简并度

-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应

--*7.3.1 费曼的路径振幅

--*7.3.2 无线长螺线管的矢量势

--*7.3.3 阿哈罗诺夫-博姆效应和不可积相因子

5.2.3 空间旋转不变性与角动量守恒笔记与讨论

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