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Physics/양자역학

[양자역학] 5.5 각운동량 덧셈 Addition of Angular Momentums

by 피그티 2020. 9. 18.

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.[각주:1]

H=LS=LxSx+LySy+LzSz

그러나 x, y, z축 angular momentum에 동시에 eigenvector가 되도록 만들 수 없으므로, 수소 원자의 eigenvector |n,l,m,sH 의 eigenvector가 될 수 없다. 다만,

J=L+S

로 정의하면, (일반적인 연산자 곱셈의 경우 순서 주의!)

J2=L2+S2+2LS

이므로 H 는 다음과 같이 정리된다.

H=12(J2L2S2)

따라서 spin S 와 orbit angular momentum L 의 합인 J 에 대하여 다시 정리하는 과정이 필요하다. 이번 페이지에서는 더 일반적으로 첫번째 angular momentum J1 과 두번째 angular momentum J2 의 합 J 에 대하여 살펴본다.


#Structure of Vector Space

첫번째 angular momentum을 표현하기 위해서, angular momentum 제곱 연산자 J12 와 z축 angular moemtnum 연산자 J1z 의 eigenvector |j1,m1 이라고 하자.

J12 |j1,m1=2j1(j1+1) |j1,m1

J1z |j1,m1=m1 |j1,m1

마찬가지로 두번째 angular momentum도 표현할 수 있다.

J22 |j2,m2=2j2(j2+1) |j2,m2

J2z |j2,m2=m2 |j2,m2

각 angular momentum space의 기저는

|j1,m1      where m1=j1,j1+1,,j11,j1

|j2,m2      where m2=j2,j2+1,,j21,j2

이므로 전체 space의 기저는

|j1,m1|j2,m2      where {m1=j1,j1+1,,j11,j1m2=j2,j2+1,,j21,j2

가 된다. 보통 줄여서 |j1,m1,j2,m2 로 쓴다.[각주:2]


#Total Angular Momentum Operator

Total angular momentum J

J=J1+J2

로 정의하면, J 의 x축, y축, z축 성분은 다음과 같이 된다. 

Jx=J1x+J2x , Jy=J1y+J2y , Jz=J1z+J2z

이다. 이 때, J1x 는 첫번째 angular momentum의 x축 성분을 의미하기 때문에, operator로 변환하면 J1xI 가 된다. 따라서 total angular momentum operator는 다음과 같이 정의된다.

Jx=J1xI+IJ2x

Jy=J1yI+IJ2y

Jz=J1zI+IJ2z

J2=Jx2+Jy2+Jz2

위 식을 이용해 JxJy 의 commutator를 구해보자.[각주:3] [각주:4]

[Jx,Jy]=[J1xI+IJ2x,J1yI+IJ2y]=[J1xI,J1yI]+[J1xI,IJ2y]+[IJ2x,J1yI]+[IJ2x,IJ2y]=[J1xI,J1yI]+[IJ2x,IJ2y]=i J1zI+i IJ2z=iJz

같은 방식으로 다음의 식을 관계를 얻을 수 있다.

[Jx,Jy]=iJz

[Jy,Jz]=iJx

[Jz,Jx]=iJy

[J2,Jx]=[J2,Jy]=[J2,Jz]=0

따라서 total angular momentum operator 역시 일반적인 angular momentum operator의 commutator 관계를 만족함을 알 수 있다.


#Clebsch-Gordan Coefficient

위 논의에 의하면, J1J2 가 있는 시스템은 total angular momentum J 를 정의하면, 연산자 J2Jz 의 eigenvector |j,m 로 표현할 수 있다. 이 때, 전체 space의 기저는 |j1,m1,j2,m2 이므로 vector |j,m 을 전개할 수 있다.

|j,m=j1,m1,j2,m2 Cj1,m1,j2,m2j,m |j1,m1,j2,m2

특히, j1 , j2 가 고정되어 있을 때, 위 식의 계수 Cj1,m1,j2,m2j,m 를 Clebsch-Gordan Coefficient라고 부른다.


DEFINITION            Clebsch-Gordan Coefficient


Total angular momentum operator J2 와 z축 성분 Jz 의 eigenvector를 |j,m 이라고 하자.

J2 |j,m=2j(j+1) |j,m

Jz |j,m=m |j,m

또한 vector |j,m|j1,m1,j2,m2 로 다음과 같이 전개된다고 하자.

|j,m=j1,m1,j2,m2 Cj1,m1,j2,m2j,m |j1,m1,j2,m2

이 때, 계수 Cj1,m1,j2,m2j,m 를  Clebsch-Gordan coefficient라고 부른다.


|j1,m1,j2,m2 의 orthonormal 성질을 이용하여, Clebsch-Gordan coefficient를 다음과 같이 표현할 수 있다.

Cj1,m1,j2,m2j,m=j1,m1,j2,m2|j,m


지금부터는 j1j2 가 고정되어 있다고 하자. 따라서 가능한 m1, m2 는 다음과 같다.

m1=j1,j1+1,,j11,j1

m2=j2,j2+1,,j21,j2

이제 식 (???), (???) 그리고 (???) 를 이용하여,

Jz |j,m=(J1xI+IJ2x)(j1,m1,j2,m2 Cj1,m1,j2,m2j,m |j1,m1,j2,m2)=j1,m1,j2,m2 (m1+m2)Cj1,m1,j2,m2j,m |j1,m1,j2,m2

이 값이 m |j,m 이기 위해서는

m=m1+m2

이어야 한다. 이 조건을 만족하지 않는 Clebsch-Gordan coefficient는 모두 0이 된다. 따라서 가능한 모든 m 의 값은 다음과 같다.

m=(j1+j2),(j1+j2)+1,,j1+j21,j1+j2

이 때, m=j1+j2 를 만들 수 있는 m1 , m2 의 값은 각각 j1, j2 인 경우 밖에 없다. m=j1+j21 를 만들 수 있는 m1 , m2 의 값은 j11 , j2 인 경우와 j1 , j21 인 경우 2가지 밖에 없다.


이제 가능한 j 의 값을 살펴보자. m 의 최대값은 j1+j2 이므로 가능한 j 의 최대값도 j1+j2 가 된다. 그러나 j=j1+j2 인 space의 dimension은 2j+1 이므로 더 많은 j 값이 가능하다. m=j1+j21 의 가능한 2가지 경우에서 하나는 j=j1+j2 가 차지하므로 그 다음으로 고려할 수 있는 j 값은 j1+j21 이 가능하다. 이런 식으로 계속하면

j=j1+j2,j1+j2,,|j1j2|

가 가능하다. 이 조건을 만족하지 않는 Clebsch-Gordan coefficient는 모두 0이 된다.


이 조건들을 종합하면 Clebsch-Gordan coefficient는 다음과 같은 특징이 있다.


THEOREM            


        ①  Cj1,m1,j2,m2j,m0       only if |j1j2|jj1+j2


        ②  Cj1,m1,j2,m2j,m0       only if m=m1+m2


        ③  Cj1,m1,j2,m2j,m 는 실수 (conventional)


        ④  Cj1,j1,j2,jj1j,j 는 양수 (conventional)


#The Values of Clebsch-Gordan Coefficients

주어진 j1, j2 에 대하여 Cj1,m1,j2,m2j,m 을 구하는 방법을 살펴보자. 먼저 j=j1+j2 부터 시작하자. 이 때 가능한 m(j1+j2) , (j1+j2)+1 , ..., j1+j21 , j1+j2 이다. 일단 최대값인 m=j1+j2 가 가능한 경우는 m1=j1 , m2=j2 밖에 없다.

|j=j1+j2,m=j1+j2=|j1,m1=j1,j2,m2=j2

이제 |j=j1+j2,m=j1+j21 을 구하기 위해서 ladder operator

J=Jx+iJy=J1I+IJ2

를 작용하면

2j1+2j2 |j=j1+j2,m=j1+j21=J |j1,m1=j1,j2,m2=j2=(J1I+IJ2) |j1,m1=j1,j2,m2=j2=2j1 |j1,m1=j11,j2,m2=j2+2j2 |j1,m1=j1,j2,m2=j21

따라서

|j=j1+j2,m=j1+j21=j1j1+j2 |j1,m1=j11,j2,m2=j2+j2j1+j2 |j1,m1=j1,j2,m2=j21


여기에 다시 J 를 작용하면 

4j1+4j22 |j=j1+j2,m=j1+j22=J |j=j1+j2,m=j1+j21=(J1I+IJ2) (j1j1+j2 |j1,m1=j11,j2,m2=j2             +j2j1+j2 |j1,m1=j1,j2,m2=j21)=j1j1+j24j12 |j1,m1=j12,j2,m2=j2             +j1j1+j22j2 |j1,m1=j11,j2,m2=j21             +j2j1+j22j1 |j1,m1=j11,j2,m2=j21            +j2j1+j24j22 |j1,m1=j1,j2,m2=j22

따라서

|j=j1+j2,m=j1+j22=j1j1+j22j112j1+2j21 |j1,m1=j12,j2,m2=j2+2j1j1+j2j22j1+2j21 |j1,m1=j11,j2,m2=j21+j2j1+j22j212j1+2j21 |j1,m1=j1,j2,m2=j22

같은 방식으로 계속 J 를 작용하여 j=j1+j2 인 모든 경우를 구할 수 있다.


이제 j=j1+j21 인 경우를 살펴보자. m 의 최대값인 m=j1+j21

|j1,m1=j11,j2,m2=j2    ,     |j1,m1=j1,j2,m2=j21

의 선형조합으로 만들 수 있다. 다만, 위에서 구한 |j=j1+j2,m=j1+j21 과 orthonormal 관계에 있어야 하므로, (단, α>0 )

|j=j1+j21,m=j1+j21=α |j1,m1=j11,j2,m2=j2+β |j1,m1=j1,j2,m2=j21

라고 하면,

j=j1+j2,m=j1+j21|j=j1+j21,m=j1+j21=0

j=j1+j21,m=j1+j21|j=j1+j21,m=j1+j21=1

로부터

j1j1+j2α+j2j1+j2β=0

α2+β2=1

를 연립하면,

α=j2j1+j2

β=j1j1+j2

를 얻는다. 따라서 

|j=j1+j21,m=j1+j21=j2j1+j2 |j1,m1=j11,j2,m2=j2j1j1+j2 |j1,m1=j1,j2,m2=j21

여기에 다시 J 를 작용하여 j=j1+j21 의 모든 경우를 얻을 수 있다.


위의 내용을 종합하면 다음과 같이 정리된다.


j=j1+j2j=j1+j21<start here>m=j1+j2|j=j1+j2,m=j1+j2J m=j1+j21|j=j1+j2,m=j1+j21orthonormal|j=j1+j21,m=j1+j21J J m=j1+j22|j=j1+j2,m=j1+j22|j=j1+j21,m=j1+j22orthonormalJ J J J m=(j1+j2)+2|j=j1+j2,m=(j1+j2)+2|j=j1+j21,m=(j1+j2)+2J J m=(j1+j2)+1|j=j1+j2,m=(j1+j2)+1|j=j1+j21,m=(j1+j2)+1J m=(j1+j2)|j=j1+j2,m=(j1+j2)


Example: Addition of j1=j2=12

이 경우 각 angular momentum은 1212 만 가능하므로 로 나타내자. 예를 들어,

|j1=12,m1=12,j2=12,m2=12          |,

로 간략히 표현하자.


가능한 j 는 1과 0이므로 jm 의 최대값 1에서 부터 시작하자.

|j=1,m=1=|,

여기에 J 를 작용하면,

2|j=1,m=1= |,+ |,

이므로

|j=1,m=0=12(|, + |,)

을 얻을 수있다. 여기에 다시 J 를 작용하면,

|j=1,m=1=|,


이제 j=0 인 값을 구하면, 위에서 구한 |j=1,m=0 와의 orthonormal 성질로부터

|j=0,m=0=12(|,  |,)

를 구할 수 있다.


즉, angular momentum 1212 을 더하면, total angular momentum j=1,0 을 얻을 수 있고, 각 eigenvector들의 관계는 위와 같이 구해진다. 이를 Clebsch-Gordan coefficient로 표현하면 다음과 같다.

C12,12,12,121,1=1

C12,12,12,121,0=12  ,  C12,12,12,121,0=12

C12,12,12,121,1=1


C12,12,12,120,0=12  ,  C12,12,12,120,0=12


특별히 total angular momentum j=1 인 경우, eigenvector가 3개이므로 triplet, j=0 인 경우, eigenvector가 1개이므로 singlet이라고 부른다. 



  1. 자세한 내용은 --spin-orbit interaction-- 참고. [본문으로]
  2. 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]
  3. commutator의 성질은 3.3 교환자 Commutator 참고. [본문으로]
  4. angular momentum 사이의 commutation relation은 4.1 각운동량 연산자 Angular Momentum Operators 참고. [본문으로]