4.6 수소 원자 The Hydrogen Atom에서 전자의 에너지 준위를 구하기 위하여, Coulomb potential만 고려하였다. 그러나 실제 수소원자의 Hamiltonian은 더 복잡하다. 예를 들어, 전자의 orbit angular momentum에 의해 상대적으로 형성되는 자기장과 전자의 spin 사이의 상호작용이 있다. 이 상호작용의 Hamiltonian은 핵심되는 부분은 다음과 같다. 1
그러나 x, y, z축 angular momentum에 동시에 eigenvector가 되도록 만들 수 없으므로, 수소 원자의 eigenvector
로 정의하면, (일반적인 연산자 곱셈의 경우 순서 주의!)
이므로
따라서 spin
#Structure of Vector Space
첫번째 angular momentum을 표현하기 위해서, angular momentum 제곱 연산자
마찬가지로 두번째 angular momentum도 표현할 수 있다.
각 angular momentum space의 기저는
이므로 전체 space의 기저는
#Total Angular Momentum Operator
Total angular momentum
로 정의하면,
이다. 이 때,
위 식을 이용해
같은 방식으로 다음의 식을 관계를 얻을 수 있다.
따라서 total angular momentum operator 역시 일반적인 angular momentum operator의 commutator 관계를 만족함을 알 수 있다.
#Clebsch-Gordan Coefficient
위 논의에 의하면,
특히,
DEFINITION Clebsch-Gordan Coefficient
Total angular momentum operator
또한 vector
이 때, 계수
지금부터는
이제 식
이 값이
이어야 한다. 이 조건을 만족하지 않는 Clebsch-Gordan coefficient는 모두 0이 된다. 따라서 가능한 모든
이 때,
이제 가능한
가 가능하다. 이 조건을 만족하지 않는 Clebsch-Gordan coefficient는 모두 0이 된다.
이 조건들을 종합하면 Clebsch-Gordan coefficient는 다음과 같은 특징이 있다.
THEOREM
①
②
③
④
#The Values of Clebsch-Gordan Coefficients
주어진
이제
를 작용하면
따라서
여기에 다시
따라서
같은 방식으로 계속
이제
의 선형조합으로 만들 수 있다. 다만, 위에서 구한
라고 하면,
로부터
를 연립하면,
를 얻는다. 따라서
여기에 다시
위의 내용을 종합하면 다음과 같이 정리된다.
Example: Addition of
이 경우 각 angular momentum은
로 간략히 표현하자.
가능한
여기에
이므로
을 얻을 수있다. 여기에 다시
이제
를 구할 수 있다.
즉, angular momentum
특별히 total angular momentum
- 자세한 내용은 --spin-orbit interaction-- 참고. [본문으로]
- 책에 따라서 \( | j_1, j_2, m_1, m_2\rangle \) 로 쓰는 경우도 있다. 책마다 쓰는 방법이 다르므로 먼저 표기법부터 이해하도록 할 것. [본문으로]
- commutator의 성질은 3.3 교환자 Commutator 참고. [본문으로]
- angular momentum 사이의 commutation relation은 4.1 각운동량 연산자 Angular Momentum Operators 참고. [본문으로]
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