Quantenmechanik/ Drehimpuls-Algebra

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Drehimpuls-Operator:

L^:=x^×p^=ix×

L^1=ix2x3ix3x2L^2=ix3x1ix1x3L^3=ix1x2ix2x1

Kommutator und Antikommutator

Der Kommutator zweier Operatoren ist definiert durch: [A^,B^]:=A^B^B^A^=(B^A^A^B^)=[B^,A^] Entsprechend definiert man den Antikommutator {A^,B^}:=A^B^+B^A^=B^A^+A^B^={B^,A^}


L^1L^2=(ix2x3ix3x2)(ix3x1ix1x3)=2(x2x32x1x3+x2x1x1x22x32x322x1x2+x1x32x2x3)

L^2L^1=(ix3x1ix1x3)(ix2x3ix3x2)=2(x2x32x1x3x322x1x2x1x22x32+x1x32x2x3+x1x2)

[L^1,L^2]=L^1L^2L^2L^1=2(x2x1x1x2)=i(ix2x1ix1x2)=iL^3

Analog erhällt man [L^2,L^3]=iL^1 und [L^3,L^1]=iL^2

mit den Regeln

[A,B]=[B,A] und [A,A]=0

kennt man somit alle Kommutatoren der Drehimpulsoperatoren.

Gesamtdrehimpuls

L^2:=L^12+L^22+L^32

L^1L^22=L^2L^1L^2+[L^1,L^2]L^2=L^22L^1+L^2[L^1,L^2]+[L^1,L^2]L^2=L^22L^1+i(L^2L^3+L^3L^2)

[L^1,L^22]=i(L^2L^3+L^3L^2)=i{L^2,L^3}

[L^3,L^22]=L^2[L^3,L^2]+[L^3,L^2]L^2=i{L^2,L^1}

Entsprechend errechnet man:

[L^2,L^32]=i{L^3,L^1}

[L^1,L^32]=i{L^3,L^2}

Somit gelangt man schliesslich zu:

[L^1,L^2]=[L^1,L^12]+[L^1,L^22]+[L^1,L^32]=i{L^2,L^3}i{L^3,L^2}=0

Analog gilt:

[L^2,L^2]=0

und

[L^3,L^2]=0

Der Gesamtdrehimpuls vertauscht also mit jeder Komponente des Drehimpulses.

Aufsteiger und Absteiger

Aufsteiger L^+:=L^1+iL^2

Absteiger L^:=L^1iL^2

[L^2,L±]=[L^2,L1]±i[L^2,L2]=0±i0=0

[L^3,L±]=[L^3,L1]±i[L^3,L2]=iL^2±L^1=±(L^1±iL2)=±L±

Offenbar gilt:

L^1=12(L^++L^)

sowie

L^2=12i(L^+L^)

Und somit

L^12+L^22=14(L^+2+L^+L^+L^L^++L^2)14(L^+2L^+L^L^L^++L^2)=12(L^+L^+L^L^+)

Weiterhin ist

[L^+,L^]=[L^1+iL^2,L^1iL^2]=i[L^1,L^2]+i[L^2,L^1]=2i[L^2,L^1]=2L^3

Damit

L^12+L^22=12(L^+L^+L^L^+)=L^+L^L^3

und schließlich

L^2=L^12+L^22+L^32=L^+L^L^3+L^32

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