量子力学角动量理论之缺陷与修正

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汪克林, 曹则贤. 2025: 量子力学角动量理论之缺陷与修正, 物理, 54(5): 344-351. doi: 10.7693/wl20250505
引用本文: 汪克林, 曹则贤. 2025: 量子力学角动量理论之缺陷与修正, 物理, 54(5): 344-351. doi: 10.7693/wl20250505
WANG Ke-Lin, CAO Ze-Xian. 2025: The flaw of angular momentum theory in quantum mechanics and its amendment, Physics, 54(5): 344-351. doi: 10.7693/wl20250505
Citation: WANG Ke-Lin, CAO Ze-Xian. 2025: The flaw of angular momentum theory in quantum mechanics and its amendment, Physics, 54(5): 344-351. doi: 10.7693/wl20250505

量子力学角动量理论之缺陷与修正

    通讯作者: 曹则贤,email:zxcao@iphy.ac.cn

The flaw of angular momentum theory in quantum mechanics and its amendment

    Corresponding author: CAO Ze-Xian, zxcao@iphy.ac.cn
  • 摘要: 角动量理论是量子力学的重要内容。基于角动量分量同三维转动生成元具有同样的基本对易关系的考量,则由基本对易关系就得到了分立的本征值谱(J2,Jz)~(j(j+1),m)。又由于球坐标系下角动量平方J2与动能算符的角部分相同,角动量就这样被纳入了波力学方程,由此解得的定态波函数是(H,J2,Jz)的共同本征函数。然而,不同于波函数理论体系,在后来发展的算符—态矢理论体系中,态矢携带关于系统的全部信息。将角动量用必要的三组独立产生—湮灭算符表示,并在算符—态矢理论体系中考察角动量算符,会发现定态不必然还是(H,J2,Jz)的共同本征态。以在球坐标系和直角坐标系下皆可分离变量的严格可解三维各向同性谐振子为依据,作者详细研究了定态对应的态矢子空间中的(H,J2,Jz)本征值谱问题。在给定总粒子数n的情形下,即限制在特定的n所决定的子空间中,算符—态矢表示给出的角动量分量Jz具有分立的本征值而角动量的本征值却可以是连续变化的,而这正反映出角动量算符J=x × p的根本性质。当角动量分量本征值(以ħ为单位)接近总粒子数n时,基于态矢的计算与基于波函数的计算其结果是一致的,原因是n一定的定态被限制在态矢空间中的一个由等能面所定义的子空间中了。认识到既有的量子力学角动量理论的一些缺陷,则此前涉及轨道角动量之物理效应的相关表述都有修正的必要。
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  • Biedenharn L C,van Dam H (eds.). Quantum Theory of Angular Momentum. Academic Press,1965
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    Gerlach W,Stern O. Zeitschrift für Physik,1922,9:349
    Schidt-Böcking H. Eur. Phys. J. H,2016,41:327
    汪克林,高先龙,曹则贤. 物理,2023,52(9):625
    汪克林,曹则贤. 物理,2024,53(3):168
    汪克林,曹则贤. 物理,2024,53(7):472
    Fradkin D M. American Journal of Physics,1965,33:207
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-12

量子力学角动量理论之缺陷与修正

    通讯作者: 曹则贤,email:zxcao@iphy.ac.cn
  • 1 中国科学技术大学近代物理系 合肥 230026;
  • 2 中国科学院物理研究所 北京 100190

摘要: 角动量理论是量子力学的重要内容。基于角动量分量同三维转动生成元具有同样的基本对易关系的考量,则由基本对易关系就得到了分立的本征值谱(J2,Jz)~(j(j+1),m)。又由于球坐标系下角动量平方J2与动能算符的角部分相同,角动量就这样被纳入了波力学方程,由此解得的定态波函数是(H,J2,Jz)的共同本征函数。然而,不同于波函数理论体系,在后来发展的算符—态矢理论体系中,态矢携带关于系统的全部信息。将角动量用必要的三组独立产生—湮灭算符表示,并在算符—态矢理论体系中考察角动量算符,会发现定态不必然还是(H,J2,Jz)的共同本征态。以在球坐标系和直角坐标系下皆可分离变量的严格可解三维各向同性谐振子为依据,作者详细研究了定态对应的态矢子空间中的(H,J2,Jz)本征值谱问题。在给定总粒子数n的情形下,即限制在特定的n所决定的子空间中,算符—态矢表示给出的角动量分量Jz具有分立的本征值而角动量的本征值却可以是连续变化的,而这正反映出角动量算符J=x × p的根本性质。当角动量分量本征值(以ħ为单位)接近总粒子数n时,基于态矢的计算与基于波函数的计算其结果是一致的,原因是n一定的定态被限制在态矢空间中的一个由等能面所定义的子空间中了。认识到既有的量子力学角动量理论的一些缺陷,则此前涉及轨道角动量之物理效应的相关表述都有修正的必要。

English Abstract

参考文献 (16)

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