nuklearna fizika - pmf naslovnica · rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje...

58
Nuklearna fizika - vježbe - 1. Simetrije

Upload: others

Post on 30-Aug-2019

23 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Nuklearna fizika - vježbe -

1. Simetrije

Page 2: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije

u trodimenzionalnom euklidskom prostoru, rotacija se opisuje realnom, ortogonalnom matricom dimenzije 3x3:

rr

R'

eksplicitan matrični zapis, u granici malih kutova:

10

02

1

02

1

100

0cossin

0sincos

)(

0

2

2

zR

Sakurai

Page 3: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije

21

210

001

cossin0

sincos0

001

)(

2

2

0

xR

210

010

02

1

cos0sin

010

sin0cos

)(

2

2

yR

Page 4: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije

2

22

2

1

21

02

1

)()(

yx RR

trivijalno se pokazuje:

2

2

22

1

210

21

)()(

xy RR

rotacije oko različitih osi ne komutiraju ako ne zanemarimo članove s drugom ili višim potencijama u :

000

00

00

)()()()( 2

2

xyyx RRRR

Page 5: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije

”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom momenta impulsa):

1)()()()()( 2 zxyyx RRRRR

dakle:

)0()()()()()( 2anyzxyyx RRRRRR

Page 6: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije u kvantnoj mehanici

rotaciji, opisanoj matricom R, u kvantnoj mehanici se pridružuje operator D(R), tako da vrijedi:

)(RDR

R

... stanje prije rotacije

... stanje poslije rotacije

R – matrica, D(R) – operator koji se može reprezentirati matricom

dimenzija te matrice ovisi o dimenziji N prostora stanja |>

N=2 (spin=1/2) D(R) se opisuje matricom 2x2

N=3 (spin=1) D(R) se opisuje matricom 3x3

...

Page 7: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije u kvantnoj mehanici

Određivanje matrice operatora D(R):

1) infinitezimalni operator može se u QM napisati kao:

gdje je G hermitski operator, a e infinitezimalni pomak

2) za translaciju: G px/ħ, e dx,

za pomak u vremenu: G H/ħ, e dt,

za rotaciju: G Jz/ħ, e d.

3) dakle:

4) konačna rotacija:

e iGU 1

didzD zJ

1),(

ZiJN

z

NeizD

N

J

1lim),(

(Jz-općenit operator momenta impulsa)

Page 8: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije u kvantnoj mehanici

dakle, svakoj rotaciji (opisanoj matricom R) u kvantnoj mehanici se pridružuje operator D(R) koji ima ista grupna svojstva kao R

budući da vrijedi:

1)()()()()( 2 zxyyx RRRRR

za D(R) dobiva se (zanemarivanjem članova manjih od 2):

1111112

2

22

2

22

2

22

2

22

2222

zxxyyyyxx JJJJJJJJJ

iiiii

2

2

2

2

22

2

22

2

2

2

22

2

22

222211

zxyxyxyyxyxyx JJJJJJJJJJJJJ

iiiii

zxyyx JiJJJJ

zyx JiJJ ],[d

Page 9: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rotacije u kvantnoj mehanici

kijkji JiJJ e],[

jednakak j,i, indeksa 2 koja bilo za

kj,i,u permutacijneparnu za

kj,i,u permutacijparnu za

0

1

1

...

...

...

ijke

Jk-općenit operator momenta impulsa, generator rotacije oko k-te osi

nije definiran kao r × p !

Page 10: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Algebra momenta impulsa

veza zakona sačuvanja i simetrije (Noetherin teorem, moment impulsa generira rotacije) + infinitezimalna analiza komutacijske relacije za operator momenta impulsa:

kijkji JiJJ e],[2222

zyx JJJJ

mjmmjJ z

nadalje definiramo:

yx iJJJ

yx iJJJ

Page 11: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

0,

)()()(,

,,,,,

,,,

,,,,

2

2

2

2222

x

yzzyzyyzx

zxzzzxyxyyyxx

zxyxxxx

JJ

JiJJJiJiJJJiJJ

JJJJJJJJJJJJJJ

CABCBABCA

JJJJJJJJ

Zadatak 1. Dokazati: 0,2

JJ x

Rješenje 1.

Page 12: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 2. Pokazati da je J- operator poništavanja!

Rješenje 2.

c je ovdje neizračunata konstanta

(koristimo: i:

(koristimo:

( )

( )

)

[( ) ( )]

)

[( ) ( )]

( 1)(

z z x y

z z x z y

z y y z x z x x z y

z x z y y z x

z

z x y y x

z

J J jm J J iJ jm

J J jm J J iJ J jm

J J J J i J J J J J i J

J J j m J J i J i J J i J j m

J j m m j m

J J j m mJ i J i mJ i J j m

J J j m m J

-

-

-

-

-

(usporedbom s:

)

( 1)

1 ( 1) 1 )

1

x y

z

z

iJ j m

J J j m m J j m

J j m m j m

J j m c j m

- -

-

Page 13: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak za domaću zadaću

1'')1)(('' mmjjmjmjmjJmj

pokazati:

krenuti od:

u slučaju problema, pogledati u skoro bilo koju knjigu iz kvantne mehanike (Messiah, Sakurai, ...)

zz JJJJJ 22-

i koristiti rezultat prošlog zadatka:

1

mjcmjJ

koristiti:

JJ )(- †

Page 14: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Eulerovi kutovi u klasičnoj mehanici rotiranje

tijela se najopćenitije opisuje Eulerovim kutovima , b, g:

1) rotacija oko z-osi za kut ,

2) rotacija oko nove, y’-osi, za kut b,

3) rotacija oko nove, z’’–osi,za kut g.

-sve rotacije vrše se u smjeru obrnutom od kazaljke na satu

Page 15: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

D-funkcija

u kvantnoj mehanici rotacija se opisuje s tri nezavisne konstante gibanja – uvodi se tzv. D-funkcija (“D” dolazi od njemačkog izraza za rotaciju: Drehung)

D-funkcija je rotacijska valna funkcija, tj. vlastita funkcija operatora momenta impulsa

njima se također opisuju transformacije između različitih koordinatnih sistema

ovisno o području fizike, koriste se razne konvencije što se tiče faze i predzanka (na ovom kolegiju koristit će se standard uveden od Bohra i Mottelsona)...

Page 16: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

D-funkcija

/// '''),,(

zyz JiJiJieeeD

gbgb

za Eulerove kutove , b i g, D-funkcija se definira kao:

reducirana matrica rotacije definira se ovom relacijom:

MJeMJd JyiJ

MM

/' ')( bb

veza je, dakle, dana s:( ' )

' '( , , ) ( )M M

i

J J

M M M MD e d g

b g b

),,(),,(' ' gbgb J

MMDMJDMJ

njen efekt na valnu funkciju s kvantnim brojevima J i M dan je s:

dakle:'),,(),,(

'

' MJDMJDM

J

MM gbgb

Page 17: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

D-funkcija

ako se neko stanje pri rotaciji transformira ovako:

i

jijii MJVMJRMJRDVRDMJMJVMJ '')()('*

transformacija tenzorskih operatora?

MJRDMJ )(

onda se očekivana vrijednost vektorskog operatora V transformira ovako:

Page 18: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Wignerove D-matrice

DMM’ su također koeficijenti reprezentacije grupe rotacija:

),(),,()','( '

'

' gb JM

M

J

MMJM YDY

J

MM

J

MM

J

MM

J

MMz

DJJDJ

MDDJ

''

2

''

)1(

D-matrice su vlastite funkcije operatora momenta impulsa:

drugim riječima, D-funkcija ne mijenja vrijednost J:

MJDJJ

MJJDMJDJ

),,()1(

),,(),,( 22

gb

gbgb

Page 19: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Svojstva Wignerovih D-matrica reducirana matrica rotacije je posve realna i ima svojstva:

'

1

1

'

''

'

'

'

''

'

'

'

12

2)(cos)()(

)()1()(

)()(

)()1()(

JJ

J

MM

J

MM

J

MM

MJJ

MM

J

MM

J

MM

J

MM

MMJ

MM

Jddd

dd

dd

dd

bbb

bb

bb

bb

k

kmmkmmjk

j

kmmkkmjkmjmjmjmjmjd

mm !)!'()!()!'(

)2

(sin)2

(cos)1(

!)'()!'()!()!()(

2'2'2 bb

b

može se pokazati (ali nije trivijalno – vidi Sakurai pp.221-223):

WIGNEROVA formula

Page 20: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Simetričan rotor

D-matrica je vlastita funkcija operatora Jz, J3 i J2:

J

KM

J

KM

J

KM

J

KM

J

KM

J

KMz

DJJDJ

KDDJ

MDDJ

)1(2

3

M – projekcija ukupnog impulsa vrtnje J u smjeru osi kvantizacije z (dakle, u laboratorijskom sustavu)

K – projekcija ukupnog impulsa vrtnje J u intrinsičnom koordinatnom sustavu (os x3)(K u intrinsičnom sustavu ima istu ulogu kao M u laboratorijskom)

Page 21: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

D-funkcija

transformacija pariteta daje (shematski zapis):

proizvoljna D-funkcija nema, dakle, dobro definiran paritet

konstrukcija valne funkcije dobrog pariteta:

J

KM

KJJ

KM DPD

)1(

),,()1(),,()1(16

12

0

2gbgb

J

KM

KJJ

KM

Krot

DDJ

KMJ

Page 22: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Primjer 1. Spin 1/2

)()()(),,( gbgb zyz DDDD

2/2/2/ 323 gb iiieee

produkt operatora rotacije

se u reprezentaciji matricama 2x2 svodi na:

a to se može raspisati kao

)cos()sin(

)sin()cos(

0

0

)cos()sin(

)sin()cos(

0

0

2/2/

2/2/

2/2/

2/2/

2/)(2/)(

2/)(2/)(

2/

2/

2/

2/

bb

bb

bb

bb

gg

gg

g

g

ii

ii

i

i

i

i

ee

ee

e

e

e

e

Page 23: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 3. Vlastita stanja momenta impulsa |j,m=mmax=j> zarotirana

su za infinitezimalni kut e oko osi y. Bez upotrebe eksplicitnog izraza

za , izračunajte vjerojatnost da se novo rotirano stanje nalazi u

originalnom stanju do na kvadratične članove u e.

Rješenje 3.

JMM'd

Page 24: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 3. Vlastita stanja momenta impulsa |j,m=mmax=j> zarotirana

su za infinitezimalni kut e oko osi y. Bez upotrebe eksplicitnog izraza

za , izračunajte vjerojatnost da se novo rotirano stanje nalazi u

originalnom stanju do na kvadratične članove u e.

Rješenje 3. Zarotirano stanje dano je s:

jjJiiJ

jjiJ

jjdjjyRjj

yy

yj

R

,2

)(1

,exp,)(,)ˆ,(,

2

2

22

ee

eee

JMM'd

Page 25: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 3. Vlastita stanja momenta impulsa |j,m=mmax=j> zarotirana

su za infinitezimalni kut e oko osi y. Bez upotrebe eksplicitnog izraza

za , izračunajte vjerojatnost da se novo rotirano stanje nalazi u

originalnom stanju do na kvadratične članove u e.

Rješenje 3. Zarotirano stanje dano je s:

Uvodimo:

jjJiiJ

jjiJ

jjdjjyRjj

yy

yj

R

,2

)(1

,exp,)(,)ˆ,(,

2

2

22

ee

eee

yx iJJJ

JMM'd

yx iJJJ i

JJJ y

2

Page 26: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rješenje 3. Dobivamo:

Koristimo poznate relacije:

odnosno:

22

2, 1 ( ) ( ) ,

2 8Rj j J J J J j j

e e

1,)1)((,

1,)1)((,

mjmjmjmjJ

mjmjmjmjJ

1,2,,

1,2,

0,

jjjjjJjjJJ

jjjjjJ

jjJ

Page 27: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rješenje 3.

Dobivamo:

Dakle, vjerojatnost da rotirano stanje nađemo u originalnom stanju je:

2

2

, 2 , 1

2 , 1 , 1

2 2 , 2(2 1) , 2

J J j j j J J j j

j J j j J j j

j j j j j j j

2,)12(4

1,22

,1

2,)12(28

,28

1,22

,,

2

4

2

22

jjjjjjjjjj

jjjjjjjjjjjjjjR

ee

eee

e

...2

22

4

2211,,

j

Rjjjjj

ee

Page 28: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 4. Izračunajte

za svaku vrijednost j . Provjerite rezultat za j =1/2.

Rješenje 4.

md

j

jm

jmm

2

' )(b

''

''

''

')(

//

//

*//

2/2

'

jmejmjmmejm

jmejmjmejmm

jmejmjmejmm

jmejmmmd

yy

yy

yy

y

iJj

jm

iJ

iJiJj

jm

iJiJj

jm

iJj

jm

j

jm

jmm

bb

bb

bb

bb

Page 29: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rješenje 4.

S druge strane vrijedi:

')ˆ,()ˆ,('1

''1

'')(

*

//

//2

'

jmyDJyDjm

jmeJejm

jmejmjmmejmmd

z

iJ

z

iJ

iJj

jm

iJj

jm

jmm

yy

yy

bb

b

bb

bb

j

j

zjz JyRyDJyD )ˆ,()ˆ,()ˆ,(*

bbb

bb

bb

b

cos0sin

010

sin0cos

)ˆ,( yR

Page 30: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rješenje 4.

Za j =1/2 vrijedi:

a) za m’ =1/2

2

'

1( ) sin ' ' cos ' '

1sin ' ' 'cos

2

'cos

jj

m m x z

m j

d m jm J jm jm J jm

J Jjm jm m

i

m

b b b

b b

b

)2/cos()2/sin(

)2/sin()2/cos()(

2/1'

bb

bbbmmd

bbbb

b cos'cos2

1

2cos

2

1

2sin

2

1)(

222/1

2/1

22/12/1 mmd

m

m

Page 31: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Rješenje 4.

b) za m’ = -1/2

bbbb

b cos'cos2

1

2sin

2

1

2cos

2

1)(

222/1

2/1

22/12/1 mmd

m

m

Page 32: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

za J=1 moramo korisiti matričnu reprezentaciju dimenzije 3x3

za reducirane Wignerove matrice trebamo samo Jy, zato koristimo:

i

JJJ y

2

)(

020

202

020

2

)1(

i

ii

i

Jj

y

m=1 m=0 m=-1

m’=1

m’=0

m’=-1

da bi dobili:

1'')1)(('' mmjjmjmjmjJmj

koristimo:

Page 33: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

primjer: m=0 i m’=1

10111)101)(01(0111 J

2)101)(01(0111 10111 J

0)101)(01(0111 10111 J

22

2

02

2

)( i

ii

JJJ y

Page 34: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

sljedeći korak: razvoj u red /byiJ

e

...!3

1

!2

11

32/

bbbb yyyiJ iJiJiJe

y

202

040

202

2

020

202

020

020

202

020

2

2

2)1(

i

ii

i

i

ii

i

Jj

y

2

Page 35: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

)1(22

3

2)1(

020

202

020

2

0240

24024

0240

2

020

202

020

2202

040

202

2

j

y

j

y

J

i

ii

i

i

ii

i

i

ii

i

J

3

Page 36: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

1cossin1

...!4

)(

!2

)(...

!3

)(1

...)(!4

1)(

!3

1

!2

11

...!4

1

!3

1

!2

11

2

4223

4

232

432/

bb

bbbb

bbbb

bbbbb

yy

yy

yyyy

yyyyiJ

JJi

iiJii

J

iJiJiJiJ

iJiJiJiJe

y

Page 37: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 5. Izračunati:

Rješenje 5.

)(1

' bmmd

)cos1(2

1sin

2

1)cos1(

2

1

sin2

1cossin

2

1

)cos1(2

1sin

2

1)cos1(

2

1

1cos

202

040

202

4

1sin

020

202

020

21)(

1

bbb

bbb

bbb

bbb

i

ii

ii

d

Page 38: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zbrajanje dva momenta impulsa

21ˆˆˆ jjJ

0],[ 21 ji jj

kijkji jijj 111 ],[ e

kijkji jijj 222 ],[ e

zbrajamo dva operatora momenta impulsa ( , ) koji zadovoljavaju uobičajene komutacijske relacije (u različitim potprostorima):

1j 2j

za bilo koji par operatora iz različitih potprostora vrijedi:

kijkji JiJJ e],[

važno - sumirani moment impulsa zadovoljava iste komutacijske relacije:

Page 39: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zbrajanje dva momenta impulsa

22112211 mjmjmjmj

MJjjMJ 21–

Clebsch-Gordanov problem

moguća su dva izbora baze čitavog sistema:

zz jjjj 21

2

2

2

1 ,,,

zJjjJ ,,,2

2

2

1

2

unitarna transformacija koja povezuje dvije baze:

Page 40: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zbrajanje dva momenta impulsa

22112211

1

11

2

22

mjmjMJmjmjMJj

jm

j

jm

Clebsch-Gordanovi koeficijenti

standardni izbor faze:

realni) (i 02211 JJjjjj

MJMJmjmjmjmjjj

jjJ

J

JM

21

21

22112211

obrat:

Page 41: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Clebsch-Gordanovi koeficijenti

Mmm 21

svojstva:

1) za

2) također za:

3)

4)

5)

6)

100 mjmj

02211 MJmjmj

2121 jjJjjJ ili

121212211 jjjjjjjj

''22112211 ''1

11

2

22

MMJJ

j

jm

j

jm

MJmjmjMJmjmj

''22112211 2211

21

21

21

21

'' mmmm

jj

jjJ

jj

jjM

MJmjmjMJmjmj

Page 42: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

3j-simboli

MJmjmjJMmm

Jjj Mjj

221121

21

12

)1( 21

definicija:

svojstva:

1)

2)

3)

132

132

213

213

321

321

mmm

jjj

mmm

jjj

mmm

jjj

312

312

321

321 321)1(mmm

jjj

mmm

jjj jjj

321

321

321

321 321)1(mmm

jjj

mmm

jjj jjj

Page 43: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 6. Krećući od definicije 3j-simbola “prevedite” svojstva 1)-3) na Clebsch-Gordanove koeficijente

Rješenje 6. (uzimamo j3=J, m3=-M)

2)

MJmjmjMJmjmjJjj

1122221121)1(

1) 1 2 1 2

1 1 2 2 1 1 2 2

2

( 1) ( 1)

2 1 2 1

j j M J j m

j m j m J M J M j m j mJ j

2 1

1 1 2 2 1 1 2 2

2

2 1( 1)

2 1

J j m Jj m j m J M J M j m j m

j

MJmjmjJ

MJmjmjJ

MjjJjj

Mjj

1122221112

)1()1(

12

)1( 12

21

21

Page 44: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 6. Krećući od definicije 3j-simbola “prevedite” svojstva 1)-3) na Clebsch-Gordanove koeficijente

Rješenje 6. (uzimamo j3=J, m3=-M)

3)

MJmjmjMJmjmjJjj

2211221121)1(

MJmjmjJ

MJmjmjJ

MjjJjj

Mjj

2211221112

)1()1(

12

)1( 21

21

21

Page 45: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 7. Pokažite:

Rješenje 7.

221112

122211

2

12)1( mjMJmjMJmjmjj

JmjJ

Mmm

Jjj

Mmm

Jjj Jjj

21

21

21

21 21)1(3)

2)

21

21

21

21 21)1(mMm

jJj

Mmm

Jjj Jjj

21

21

21

21

mMm

jJj

Mmm

Jjj

def

2211

2

221112

)1(

12

)1( 2121

mjMJmjj

MJmjmjJ

mJjMjj

Page 46: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 7. Pokažite:

Rješenje 7.

221112

122211

2

12)1( mjMJmjMJmjmjj

JmjJ

2211

2

)(

221112

12)1( 2121 mjMJmj

j

JMJmjmj

MjjmJj

2211

2

221112

12)1( 12 mjMJmj

j

JMJmjmj

mjJ

Mmm 21uz

Page 47: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

3j-simboli

daljnja svojstva (relacije ortogonalnosti):

4)

5)

,

33

,

33

1

11

2

2212

1

3,

321

,

321

321

321

mmjj

j

jm

j

jm jmmm

jjj

mmm

jjj

,

22

,

11

21

213

3

33

,3

,2

,1

321

321

3213 )12(

mmmm

jj

jjj

j

jmmmm

jjj

mmm

jjjj

Page 48: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

3j-simboli

specijalni slučajevi:

1)

2)

2211 jmjm i 2121 jjJjjM i

1)(2

1

1)(2

)1(

)(

21

21212211

212121

21212121

jj

jjjjjjjjjjjjjj

jjjj jjjj

021 jjj i jJmM i

021 i mmm

12

)1(00

12

)1(

0

0 0

jmjmj

jmm

jj mjmj

}

Page 49: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Racahova formula za 3j-simbole

općenita formula za bilo koji 3j-koeficijent:

( )!( )!( )!( )!( )!( )!( 1) ( , , )

( 1)

!( )!( )!( )!( )!( )!

a b f

t

t

a d a d b e b e c f c fa b c

a b cd e f

t c b t d c a t e a b c t a t d b t e

)!1(

)!()!()!(),,(

cba

bacacbcbacba

Page 50: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 8. Izračunati:

Rješenje 8.

'0

1

mm

jj

'mm mora biti:

mogući t-ovi:

mfemdjcbja , , , , , 01

11

( 1) ( ,1, ) ( )!( )!( )!( )!0 '

( 1)

!( 1 )! !(1 )!( )!(1 )!

j m

t

t

j jj j j m j m j m j m

m m

t j t m t t j t m t

010 tt i 1,0 t

)!22(

)!12(!1!1),1,(

j

jjj

)!1()!(

1

)!()!1(

1)!()!(

)!22(

)!12()1(

'0

1 1

mjmjmjmjmjmj

j

j

mm

jj mj

Page 51: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zadatak 8. Izračunati:

Rješenje 8.

'0

1

mm

jj

)1)(12()1(

)2()1)(12(

1

2

1)1(

)!()!(

)()!()!(

)22)(12(2)!12(

)!12()1(

'0

1

1

1

jjj

m

mjjj

mjmj

mjmjmjmj

jjjj

j

mm

jj

mj

mj

mj

')1)(12(

)1('0

1mm

mj

jjj

m

mm

jj

Page 52: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zbrajanje tri momenta impulsa

321ˆˆˆˆ jjjJ

moguća su tri izbora baze čitavog sistema, ovisno o redoslijedu

zbrajanja:

332211 mjmjmj

312321ˆˆˆ)ˆˆ(ˆ jjjjjJ

231321ˆˆ)ˆˆ(ˆˆ jjjjjJ

213231ˆˆˆ)ˆˆ(ˆ jjjjjJ

Page 53: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Zbrajanje tri momenta impulsa tri baze su međusobno povezane, npr.:

MJjjMJjjMJjjMJjjj

312231312231

12

''''

''233

12212312

''23123212312231312

)12)(12()1(

);()12)(12(''

321

MMJJ

Jjjj

MMJJ

jJj

jjjjj

jjjJjjWjjMJjjMJjj

W je “Racahov W-koeficijent”, a vitičasta zagrada označava

“Wignerov 6j-simbol” (ili koeficijent)

6j-koeficijent se mogu raspisati preko 3j-koeficijenata

(netrivijalno, po potrebi pogledati Supek II, str. 629)

Page 54: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Sferični tenzorski operatori sferičnim tenzorskim operatorom ranga k zovemo skup 2k+1

veličina koje se pri rotaciji koordinatnog sustava transformiraju

ovako:

k

kq

kqq

kq

kq

kq DTDTDT

'

'' ),,(),,(),,(' gbgbgb

k

qT

osnovna razlika u odnosu na npr. Kartezijeve tenzore je u njihovoj ireducibilnosti

raspisujući gornji izraz za infinitezimalne rotacije, može se pokazati (vidi npr. Sakurai, str. 236):

1)

2)

k

q

k

qz qTTJ ],[k

q

k

q TqkqkTJ 1)1)((],[

ova dva izraza ponekad se koriste i kao definicija sferičnih tenzorskih operatora (vidi Greiner, str. 162)

Page 55: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Wigner-Eckartov teorem matrični elementi sferičnog tenzorskog operatora u bazi

momenta impulsa mogu se uvijek napisati kao:

gdje je s dvostrukom crtom označen “reducirani” matrični

element koji je neovisan o “magnetskim” kvantnim brojevima

m, m’ i q

prvi član – orijentacija sistema s obzirom na z-os (geometrija +

simetrija!)

smisao teorema: za neku vrijednost m, m’ i q izračunati

reducirani matrični element i zatim ga koristiti za računanje

matričnih elemenata za svaki m, m’ i q

12'','','

,','

jmjqkmjmjTmj

jTj k

kq

Page 56: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Wigner-Eckartov teorem primjer: j'j''JT m

k

q i 1

1'2''1'''''','''','

',''',' 11

jmjmmjmjJmj

jj Jm

biramo: 0m znajući:

''''''

1

0 '''','''',' mmmmjJmj

i:

' ''

'' ''10 ' '

'( ' 1)m m

mj m j m

j j

'0''

'1'1'2)1(''01'''

'1'

mm

jjjmjmj

mj

'''

''

)1')(1'2('

')1(

'0''

'1'mm

mj

jjj

m

mm

jj

JJJJ z , 2

11

1

1

0

Page 57: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Wigner-Eckartov teorem primjer:

1

' '' ' ''

' ''

' ''

'( ' 1)' 2 ' 1

'

'( ' 1)(2 ' 1)

', ' '', ' m m

m m

j jm j

m

j j j

Jj j

11

' ''

' ''

', ' '', '', ' ' '', ' '' ' ''1 ' '

2 ' 1

'( ' 1)(2 ' 1)' ''1 ' '

2 ' 1

' ''1 ' ' '( ' 1)

m

j jJj m J j m j m m j m

j

j j jj m m j m

j

j m m j m j j

j'j''JT m

k

q i 1

Page 58: Nuklearna fizika - PMF Naslovnica · Rotacije ”1” se može zapisati kao rotacija oko bilo koje osi za 0o (takav zapis će nam trebati kasnije za povlačenje analogije s algebrom

Projekcijski teorem specijalan slučaj Wigner-Eckartovog teorema za vektorske

operatore (za slučaj j’=j):

mjJmjmjVmj qjj

mjjmjq ',','

)1(2

,Vˆ,'

primjer: magnetski dipolni moment m neparne jezgre

ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆl s l N s NV g l g sm m m m m

' '( 1)

( 1)

ˆ ˆ'

ˆ ˆ'

z zj m j m j m j j mj j

j j

j m j j m

m j m j j m

mm

m

... Schmidtove granice