Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше
Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике
§ 55. Оператор сиина
Ниже, в этой главе, мы не будем интересоваться зависимостью волновых функций от координат. Говоря, например, о поведении функций
при повороте системы координат, можно подразумевать, что частица находится в начале координат, так что ее координаты при таком повороте останутся неизменными и полученные результаты будут характерны именно для поведения функции
в зависимости от спиновой переменной
Переменная о отличается от обычных переменных (координат) своей дискретностью. Наиболее общий вид линейного оператора, действующего на функции от дискретной переменной а, запишем в виде
где
— постоянные; заключив
в скобки, мы хотим подчеркнуть, что следующий далее спиновый аргумент относится уже не к начальной функции
а к функции, возникшей под действием оператора f. Легко видеть, что величины
совпадают с матричными элементами оператора, определенными по обычному правилу (11,5). Интегрирование по координатам в (11,5) заменяется теперь суммированием по дискретной переменной, так что определение матричного элемента принимает вид
Здесь
— собственные функции оператора
отвечающие собственным значениям
; каждая такая функция отвечает состоянию, в котором частица обладает определенным значением
, т. е. из всех компонент волновой функции отлична от нуля лишь одна 2):
Согласно (55,1) имеем
и после подстановки, вместе с в (55,2) последнее равенство удовлетворяется автоматически, чем и доказывается сделанное утверждение.
Таким образом, операторы, действующие на функции от а, могут быть представлены в виде (2s + 1)-рядных матриц. Это относится, в частности, к оператору самого спина, действие которого на волновую функцию выражается, согласно (55,1), формулой
Согласно сказанному выше (конец § 54) матрицы
совпадают с полученными в § 27 матрицами
, в которых надо лишь заменить буквы L и М буквами s и
Тем самым мы определили оператор спина.
В важнейшем случае спина
эти матрицы двухрядны. Их записывают в виде
где
Матрицы (55,7) называют матрицами Паули. Матрица
диагональна, как и должно быть для матрицы, определенной по собственным функциям самой величины
.
Отметим некоторые специфические свойства матриц Паули. Непосредственно перемножая матрицы (55,7), получим равенства
Комбинируя их с общими правилами коммутации (54,1), найдем, что
т. е. матрицы Паули антикоммутативны. С помощью этих равенств легко убедиться в справедливости следующих полезных формул:
(55,10)
где а и b — два произвольных вектора. В силу этих соотношений всякое скалярное полиномиальное выражение, составленное из матриц
сводится к не зависящим от о членам и членам первой степени по а; отсюда следует, что всякая вообще скалярная функция оператора о сводится к линейной функции (см. задачу 1). Наконец, отметим значения следов (сумм диагональных компонент) матриц Паули и их произведений:
(55,11)
Подробному изучению спиновых свойств волновых функций, в том числе их поведения при произвольных вращениях системы координат, посвящены следующие параграфы этой главы. Но уже здесь сразу же отметим важное свойство этих функций — поведение относительно поворотов вокруг оси
.
Произведем бесконечно малый поворот на угол
вокруг оси
. Оператор такого поворота выражается с помощью оператора момента (в данном случае — спина) в виде
Поэтому в результате поворота функции
перейдут в
где
Переписав это соотношение в виде
и интегрируя, находим, что при повороте на конечный угол
функции
перейдут в функции
(55,12)
В частности, при повороте на угол
они умножаются на множитель
одинаковый для всех
и равный
(число
всегда имеет ту же четность, что и
).
Таким образом, при полном повороте системы координат вокруг оси
волновые функции частицы с целым спином возвращаются к своему первоначальному аначению, а волновые функции частиц с полуцелым спином меняют свой знак.
Задачи
1. Свести произвольную функцию линейного по матрицам Паули скаляра
к линейной функции.
Решение. Для определения коэффициентов в искомой формуле
замечаем, что при выборе оси
вдоль направления b собственные значения оператора а
равны
, а соответствующие собственные значения оператора
равны
. Отсюда находим
2. Определить значения скалярного произведения
спинов (1/2) двух частиц в состояниях, в которых суммарный спин системы
имеет определенные значения (0 или 1).
Решение. По общей формуле (31,3), справедливой при сложении любых двух моментов, найдем
3. Какие степени оператора s произвольного спина s являются независимыми?
Решение. Оператор
составленный из разностей
и всех возможных собственных значений
дает нуль при воздействии на любую волновую функцию, а потому сам равен нулю. Отсюда следует, что
выражается через более низкие степени оператора
так что независимыми являются лишь его степени от 1 до 2s.