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±ℏ/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)。由于Sz=±ℏ/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,2ℏ)ψ(r,−2ℏ))=(ψ1(r)ψ2(r))
此即为旋量(自旋)波函数。
χ(Sz)=(ab)=a(10)+b(01)
χ+χ=(a∗,b∗)(ab)=∣a∣2+∣b∣2=1
- Sz的本征值为msℏ,本征态为χms(Sz)
χ21(Sz)=∣↑⟩=(10)
χ−21(Sz)=∣↓⟩=(01)
ψ(r,Sz)=(ψ1(r)ψ2(r))=ψ1(r)(10)+ψ2(r)(01)
其中∣ψ1(r)∣2表示电子在位置r,且自旋向上的概率密度。
自旋算符
{S2∣sms⟩=s(s+1)ℏ2∣sms⟩Sz∣sms⟩=msℏ∣sms⟩
泡利(Pauli)算符
令 S=2ℏσ,则σ满足对易关系(由 S×S=iℏS 推出)$$\sigma\times \sigma=2i\sigma$$
显然: σx=σy=σz=1(单位算符)
- 三个分量彼此反对易:[A,B]+=AB+BA≡{A,B}
- σασβ=δαβ+iεαβγσγ
- ⚠️重要的公式:(σ⋅A)(σ⋅B)=A⋅B+iσ⋅(A×B)
- 其中A,B是与σ对易的任何两个矢量
泡利(Pauli)矩阵
在 z 表象中,由于σz 的本征值为±1,因此
σz=(100−1)
此时泡利矩阵为:
σz=(100−1),σx=(0110),σy=(0i−i0)
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) 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
令 J=L+S,此即为总角动量。显然它也与轨道、自旋角动量平移对称。
{J2∣jmj⟩=j(j+1)ℏ2∣jmj⟩Jz∣jmj⟩=mjℏ∣jmj⟩
此时:j=l+21,l−21
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)
(L2,J2,Jz) 的共同本征态
共同本征态 ϕljmj(θ,φ,Sz) 满足
⎩⎪⎨⎪⎧L2ϕljmj=l(l+1)ℏ2ϕljmjJ2ϕljmj=j(j+1)ℏ2ϕljmjJzϕljmj=mjℏϕljmj
发现解的形式如下:
ϕljmj=(aYlmbYlm+1)=aYlmχ21+bYlm+1χ−21
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J来描述,由于J=L+S 有l+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,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 mj 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=21⟹s=0,1
因此有:χ00=∣00⟩(s=0,ms=0) 自旋单态
χ1ms=∣1ms⟩(s=1,ms=−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=21(∣↑⟩1∣↓⟩2−∣↓⟩1∣↑⟩2)(自旋单态)⎩⎪⎨⎪⎧χ11=∣↑⟩1∣↑⟩2χ10=21(∣↑⟩1∣↓⟩2+∣↓⟩1∣↑⟩2)χ1−1=∣↓⟩1∣↓⟩2
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 是属于 s=1 的自旋本征态,即 S2χ10=2ℏ2χ10;而 χ00 是属于s=0 的自旋本征态,即 S2χ00=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=21(∣↑⟩1∣↓⟩2−∣↓⟩1∣↑⟩2)(自旋单态)⎩⎪⎨⎪⎧χ11=∣↑⟩1∣↑⟩2χ10=21(∣↑⟩1∣↓⟩2+∣↓⟩1∣↑⟩2)χ1−1=∣↓⟩1∣↓⟩2
显然 χ1−1,χ11 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 p,则测量粒子2的动量值一定是 −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)的纠缠态。