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
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
-引言
--引言
-1.1 普朗克的光量子假说
-1.2 玻尔的原子结构模型
-1.3 德布罗意的物质波假说
-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业
-2.1波函数
-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业
-2.2 薛定谔方程
-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业
-3.1一维运动问题的一般分析
-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业
-3.2 方势阱
-3.3 δ函数势阱
-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业
-3.4 线性谐振子
-3.5 一维散射问题
-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业
-*3.6 δ势的穿透
-*3.7 周期性势场中的能带结构
--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业
-4.1 算符及其运算
-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
-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
-4.4 角动量算符的本征值和本征态
-第四章 力学量用算符表示--第10周作业
-5.1 量子力学中的守恒量
-5.2 对称性与守恒量
-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
-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业
-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质
-*6.2 球无限深势阱
-第六章 中心力场--第13周作业
-6.3 三维各向同性谐振子
-6.4 氢原子和类氢离子
-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程
-*7.2 朗道能级
-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应