量子力学中的角动量本征值问题

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汪克林, 曹则贤. 2026: 量子力学中的角动量本征值问题, 物理, 55(3): 198-207. doi: 10.7693/wl20260306
引用本文: 汪克林, 曹则贤. 2026: 量子力学中的角动量本征值问题, 物理, 55(3): 198-207. doi: 10.7693/wl20260306
WANG Ke-Lin, CAO Ze-Xian. 2026: Eigenvalue problem for angular momentum in quantum mechanics, Physics, 55(3): 198-207. doi: 10.7693/wl20260306
Citation: WANG Ke-Lin, CAO Ze-Xian. 2026: Eigenvalue problem for angular momentum in quantum mechanics, Physics, 55(3): 198-207. doi: 10.7693/wl20260306

量子力学中的角动量本征值问题

    通讯作者: 曹则贤,email:zxcao@iphy.ac.cn

Eigenvalue problem for angular momentum in quantum mechanics

    Corresponding author: CAO Ze-Xian, zxcao@iphy.ac.cn
  • 摘要: 在量子力学中,作用于希尔伯特空间中的矢量ψ上满足对易关系J × J=iħJ的算符即可称为角动量。角动量与SU(2)群的生成元有相同的对易关系,由后者得到的作为{J2,Jz}共同本征态的表示|jm>常常会被当作量子力学的角动量表示。然而,这样得到的表示是纯代数的,是可能的数学表示之一。轨道角动量J=r × p是物理量,J2似无明确的物理意义,轨道角动量的表示问题应该从物理的角度出发加以考察。本文将轨道角动量算符用升降算符ak+,ak,k=1,2,3,表示,基于与空间参照系相结合的占据态空间表示{n1,n2,n3 ;nk=0,1,2,…}探讨J2,Jz的本征值问题。利用Jz与守恒量nb=n1+n2的对易性,J2与守恒量nt=n1+n2+n3的对易性,可以轻松得到算符J2和Jz各自的本征态/本征值表达式,其表现出与算符J2和Jz的固有对称性相关联的结构。只有偶发的(J2,Jz)共同本征态,这真实地反映了J2与Jz之间的角色关系。我们的理论可为涉及角动量的量子力学问题,如朗道能级、自旋—轨道耦合等,提供简单有效的求解路径,并有助于发掘本征值/本征态的内在结构。
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  • Planck M. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft,1900,2:202
    曹则贤. 黑体辐射. 北京:世界图书出版公司,2024
    Planck M. La loi du rayonnement noir et l’hypothèse des quantités élémentaires d’ation (黑体辐射定律与作用量之单元的假 设). In:Langevin P,de Broglie M (eds.). La théorie du rayonnement et les quanta. Gauthier-Villars,1912. pp.93—114
    曹则贤. 量子力学:巨匠与脚手架. 北京:世界图书出版公司,2026
    Cline D. Variational Principles in Classical Mechanics,Third edition. University of Rochester,2021
    Weyl H. Gruppentheorie und Quantenmechanik(群论 与量 子力 学). S. Herzel,1928
    Yamanouchi T. Quantum Mechanics,In:E. Roubine (ed.). Mathematics Applied to Physics. Springer,1970
    Born M. Zeitschrift für Physik,1926,35:557
    Schrödinger E. Annalen der Physik,1926,79:361
    Casimir H. Rotation of a Rigid Body in Quantum Mechanics. Groningen,1931
    Schwinger J. On Angular Momentum. Nuclear Development Associates,Inc.,1952
    汪克林,曹则贤. 物理,2025,54(5):344
    Landau L. Zeitschrift für Physik,1930,64(9-10):629
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-01

量子力学中的角动量本征值问题

    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: 在量子力学中,作用于希尔伯特空间中的矢量ψ上满足对易关系J × J=iħJ的算符即可称为角动量。角动量与SU(2)群的生成元有相同的对易关系,由后者得到的作为{J2,Jz}共同本征态的表示|jm>常常会被当作量子力学的角动量表示。然而,这样得到的表示是纯代数的,是可能的数学表示之一。轨道角动量J=r × p是物理量,J2似无明确的物理意义,轨道角动量的表示问题应该从物理的角度出发加以考察。本文将轨道角动量算符用升降算符ak+,ak,k=1,2,3,表示,基于与空间参照系相结合的占据态空间表示{n1,n2,n3 ;nk=0,1,2,…}探讨J2,Jz的本征值问题。利用Jz与守恒量nb=n1+n2的对易性,J2与守恒量nt=n1+n2+n3的对易性,可以轻松得到算符J2和Jz各自的本征态/本征值表达式,其表现出与算符J2和Jz的固有对称性相关联的结构。只有偶发的(J2,Jz)共同本征态,这真实地反映了J2与Jz之间的角色关系。我们的理论可为涉及角动量的量子力学问题,如朗道能级、自旋—轨道耦合等,提供简单有效的求解路径,并有助于发掘本征值/本征态的内在结构。

English Abstract

参考文献 (13)

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