第八章 电子的自旋

8.1 电子自旋态与自旋算符

电子自旋的实验依据

  • 碱金属原子光谱的双线结构、反常塞曼(Zeeman)效应、施特恩(Stern)- 格拉赫(Gerlach)实验等。(参照原⼦物理部分)
  • 电子自旋在空间中任意方向上的投影只取±/2\pm \hbar/2两个值,且电子是费米子

自旋态的描述

  • 考虑到自旋,电子的波函数应为ψ(r,Sz)\psi(r,S_z)。由于Sz=±/2S_z=\pm \hbar/2(自旋角动量在z轴上的投影),经常使用二分量波函数来描述电子的状态。

ψ(r,Sz)=(ψ(r,2)ψ(r,2))=(ψ1(r)ψ2(r)) \psi(r,S_z)= \begin{pmatrix} \psi(r,\frac{\hbar}{2})\\ \psi(r,-\frac{\hbar}{2}) \end{pmatrix} =\begin{pmatrix} \psi_1(r) \\ \psi_2(r) \end{pmatrix}

此即为旋量(自旋)波函数。

  • 波函数可分离变量(将自旋波函数提出)$$\psi(r,S_z)=\phi(r)\chi(S_z)$$

    • 自旋波函数一般形式:

χ(Sz)=(ab)=a(10)+b(01) \chi(S_z)= \begin{pmatrix} a\\ b \end{pmatrix} =a \begin{pmatrix} 1\\ 0 \end{pmatrix} +b \begin{pmatrix} 0\\ 1 \end{pmatrix}

  • 归一化条件:

χ+χ=(a,b)(ab)=a2+b2=1 \chi^+\chi=(a*,b*)\begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix} =|a|^2+|b|^2=1

  • SzS_z的本征值为msm_s\hbar,本征态为χms(Sz)\chi_{m_s}(S_z)

χ12(Sz)==(10) \chi_{\frac{1}{2}}(S_z)=|\uparrow\rangle= \begin{pmatrix} 1\\ 0 \end{pmatrix}

χ12(Sz)==(01) \chi_{-\frac{1}{2}}(S_z)=|\downarrow\rangle= \begin{pmatrix} 0\\ 1 \end{pmatrix}

  • 旋量波函数:

ψ(r,Sz)=(ψ1(r)ψ2(r))=ψ1(r)(10)+ψ2(r)(01) \psi(r,S_z)= \begin{pmatrix} \psi_1(r)\\ \psi_2(r) \end{pmatrix} =\psi_1(r) \begin{pmatrix} 1\\ 0 \end{pmatrix} +\psi_2(r) \begin{pmatrix} 0\\ 1 \end{pmatrix}

其中ψ1(r)2|\psi_1(r)|^2表示电子在位置rr,且自旋向上的概率密度。

自旋算符

  • 自旋角动量与轨道角动量平移对称

{S2sms=s(s+1)2smsSzsms=mssms\begin{cases} S^2|sm_s\rangle=s(s+1)\hbar^ 2|sm_s\rangle\\ S_z|sm_s\rangle=m_s\hbar|sm_s\rangle \end{cases}

泡利(Pauli)算符

S=2σS=\frac{\hbar}{2}\sigma,则σ\sigma满足对易关系(由 S×S=iSS\times S=i\hbar S 推出)$$\sigma\times \sigma=2i\sigma$$

显然: σx=σy=σz=1\sigma_x=\sigma_y=\sigma_z=1(单位算符)

  • 三个分量彼此反对易:[A,B]+=AB+BA{A,B}[A,B]_+=AB+BA\equiv \{A,B\}
  • σασβ=δαβ+iεαβγσγ\sigma_\alpha\sigma_\beta=\delta_{\alpha\beta}+i\varepsilon_{\alpha\beta\gamma}\sigma_\gamma
  • ⚠️重要的公式:(σA)(σB)=AB+iσ(A×B)(\sigma\cdot A)(\sigma\cdot B)=A\cdot B+i\sigma\cdot(A\times B)
    • 其中A,BA,B是与σ\sigma对易的任何两个矢量

泡利(Pauli)矩阵

zz 表象中,由于σz\sigma_z 的本征值为±1\pm 1,因此

σz=(1001)\sigma_z= \begin{pmatrix} 1 &0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}

此时泡利矩阵为:

σz=(1001),σx=(0110),σy=(0ii0)\sigma_z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}, \sigma_x = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \sigma_y = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix}

注意他们的轮换对称性。

8.2 总角动量的本征态

自旋轨道耦合

薛定谔方程是非相对论性的,因为其时空地位不对等。(求导次数左右不等)

  • 修正:
    • 时空导数均改为二阶— Klein-Gordon 方程
    • 时空导数均改为一阶— Dirac 方程 (预言了正电子的存在)
  • 在相对论量子力学中,电子满足 Dirac 方程。在非相对论极限(低速运动)下,对于中心力场 V(r)V(r) 中运动的电子,Dirac 方程将自动给出自旋轨道耦合项:$$H=\frac{p^2}{2\mu}+V(r)+\xi(r)S\cdot L$$

电子的总角动量

J=L+S\overrightarrow{J}=\overrightarrow{L}+\overrightarrow{S},此即为总角动量。显然它也与轨道、自旋角动量平移对称。

{J2jmj=j(j+1)2jmjJzjmj=mjjmj\begin{cases} J^2|jm_j\rangle=j(j+1)\hbar^ 2|jm_j\rangle \\ J_z|jm_j\rangle=m_j\hbar|jm_j\rangle \end{cases}

此时:j=l+12,l12j=l+\frac{1}{2},l-\frac{1}{2}

力学量完全集

  • 加上自旋,系统共有四个自由度,那么需要四个彼此互易算符来描述整个系统。

    可以证明:对于自旋轨道耦合系统$$H=\frac{p^2}{2\mu}+V(r)+\xi(r)S\cdot L$$

    力学量完全集为 (H,L2,J2,Jz)(H,L^2,J^2,J_z)

(L2,J2,Jz)(L^2,J^2,J_z) 的共同本征态

共同本征态 ϕljmj(θ,φ,Sz)\phi_{ljm_j}(\theta,\varphi,S_z ) 满足

{L2ϕljmj=l(l+1)2ϕljmjJ2ϕljmj=j(j+1)2ϕljmjJzϕljmj=mjϕljmj\begin{cases} L^2\phi_{ljm_j}=l(l+1)\hbar^2\phi_{ljm_j} \\ J^2\phi_{ljm_j}=j(j+1)\hbar^ 2\phi_{ljm_j} \\ J_z\phi_{ljm_j}=m_j\hbar\phi_{ljm_j} \end{cases}

发现解的形式如下:

ϕljmj=(aYlmbYlm+1)=aYlmχ12+bYlm+1χ12\phi_{ljm_j}= \begin{pmatrix} aY_{lm} \\ bY_{l m+1} \end{pmatrix} =aY_{lm}\chi_{\frac{1}{2}}+bY_{l m+1}\chi_{-\frac{1}{2}}

8.3 碱金属原子光谱的双线结构与反常塞曼效应

碱金属原子光谱的双线结构(无外磁场情形)

无外场时,只存在自旋轨道耦合。由总角动量JJ来描述,由于J=L+SJ=L+Sl+1/2;l1/2l+1/2;l-1/2 两个取值,故部分原子产生了双线结构。

正常塞曼效应(强磁场情形)

强磁场下,自旋轨道耦合的作用忽略不计,谱线分裂完全由 l,sl,s 描述。

反常塞曼效应(弱磁场情形)

此时需要同时考虑自旋轨道耦合与外磁场影响,一般先进行精细结构分裂,再由 mjm_j 的取值确定外磁场作用下的分裂。

8.4 自旋单态与三重态

两个电子自旋耦合:S=S1+S2,s1=s2=12s=0,1S=S_1+S_2,s_1=s_2=\frac{1}{2}\Longrightarrow s=0,1

因此有:χ00=00(s=0,ms=0)\chi_{00}=|00\rangle (s=0,m_s=0) 自旋单态

χ1ms=1ms(s=1,ms=1,0,1)\chi_{1m_s}=|1m_s\rangle (s=1,m_s=-1,0,1) 自旋三重态

自旋单态与三重态

考虑到两个电子体系是全同粒子体系,波函数必须具有交换对称性,即须组合为

χ00=12(1212){χ11=12χ10=12(12+12)χ11=12\chi_{00}=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2-|\downarrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2)(自旋单态) \\ \begin{cases} \chi_{11}=|\uparrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2\\ \chi_{10}=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2+|\downarrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2)\\ \chi_{1-1}=|\downarrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2 \end{cases}

显然,自旋单态具有交换反对称性;而自旋三重态具有交换对称性。

  • 电子是费米子,两个电子组成的体系的波函数为交换反对称。但体系的 自旋波函数既可以是交换反对称,也可以是交换对称。这是因为波函数由轨道函数和自旋函数两部分组成。

⚠️可以证明χ10\chi_{10} 是属于 s=1s=1 的自旋本征态,即 S2χ10=22χ10S^2\chi_{10}=2\hbar^2\chi_{10};而 χ00\chi_{00} 是属于s=0s=0 的自旋本征态,即 S2χ00=0.S^2\chi_{00}=0.

8.5 量子纠缠态

纠缠态

由两个粒子组成的复合体系的量子态,如果能够表示为每个粒子的量子态的乘积,则称为可分离态或者非纠缠态;反之,则称为纠缠态。

举例如下:

χ00=12(1212){χ11=12χ10=12(12+12)χ11=12\chi_{00}=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2-|\downarrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2)(自旋单态) \\ \begin{cases} \chi_{11}=|\uparrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2\\ \chi_{10}=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2+|\downarrow\rangle_1|\uparrow\rangle_2)\\ \chi_{1-1}=|\downarrow\rangle_1|\downarrow\rangle_2 \end{cases}

显然 χ11,χ11\chi_{1-1},\chi_{11} 为非纠缠态;剩下两者为纠缠态

Bell 基

在量子信息理论中,把任何具有两种态的量子 体系称为一个量子比特。一个电子的自旋态就 是一个量子比特。

纠缠态的含义

对于两个粒子体系:不管两个粒子相隔多远,若测量粒子1的动量值为 pp,则测量粒子2的动量值一定是 p-p。两者之间有确切的统计关联,这就是纠缠态的非局域关联。人们就称这个量子态是(p1,p2)(p_1,p_2)的纠缠态。