- •Введение
- •Список литературы
- •Экспериментальные данные, которые не могут быть объяснены в рамках классической механики
- •Опыты, демонстрирующие волновые свойства электрона
- •Гипотиза де Бройля (Louis de Broglie). 1924
- •Опыт Дж. П. Томсона (George Paget Thomson). 1927
- •Опыт Л. Бибермана, Н. Сушкина и В. Фабриканта. 1949
- •Математический аппарат квантовой механики
- •Гильбертово пространство
- •Примеры гильбертова пространства.
- •Операторы в гильбертовом пространстве
- •Примеры операторов
- •Соотношения между операторами
- •Свойства операторов
- •Дельта-функция
- •Общая процедура построения дельтообразных последовательностей
- •Собственные функции операторов с непрерывным спектром
- •Собственные функции оператора импульса
- •Собственные функции оператора координаты
- •Унитарные операторы
- •Оператор координаты и импульса в импульсном представлении
- •Функция от оператора
- •Две теоремы о коммутирующих операторах
- •Основы квантовой механики
- •Операторы в квантовой механике и физические величины. Вероятность и плотность вероятности нахождения физической вличины.
- •Волновая функция
- •Определение 1.
- •Волновая функция. Определение 2.
- •Измеримость физической величины
- •Редукция волнового пакета
- •Оператор импульса
- •Квантовые скобки Пуассона
- •Оператор эволюции
- •Стационарные состояния
- •Уравнение неразрывности
- •Примеры гамильтонианов
- •Представление Гейзенберга (Werner Heisenberg)
- •Операторы координаты и импульса представлении Гейзенберга
- •Уравнения Эренфеста (Paul Ehrenfest)
- •Минимизирующий волновой пакет
- •Расплывание минимизирующего волнового пакета
- •Расплывание минимизирующего волнового пакета. Пример свободной частицы.
- •Матричное представление операторов
- •Простейшие модели
- •Одномерное движение
- •Качественный анализ спектра гамильтониана.
- •Прямоугольная потенциальная яма
- •Прямоугольный потенциальный барьер
- •Гармонический осциллятор
- •Когерентные состояния гармонического осциллятора
- •Дижение в центральном поле
- •Оператор орбитального момента
- •Операторы сдвига и поворота
- •Инверсия
- •Оператор орбитального момента в сферических координатах
- •Оператор момента
- •Шаровые спиноры (spinor spherical harmonics)
- •Шаровые векторы (vector spherical harmonics)
- •Движение в центральном поле
- •Движение в кулоновском поле. Дискретный спектр
- •1s-электрон
- •Свободная частица как частица в центральном поле
- •Уравнение Дирака
- •Уравнение Дирака для свободной частицы
- •Спектр и стационарные состояния уравнения Дирака для свободного электрона
- •Полный угловой момент электрона
- •Зарядовое сопряжение
- •Нерелятивистский предел уравнения Дирака. Уравнение Паули.
- •Уравнение неразрывности для уравнения Дирака
- •Радиальное уравнение Дирака
- •Уравнение Дирака с кулоновским полем. Дискретный спектр
- •Стационарная теория возмущений
- •Квазивырожденная стационарная теория возмущений
- •Низший порядок теории возмущений для случая двух квазивырожденных уровней
- •Эффект Зеемана. Бесспиновая частица
- •Аномальный эффект Зеемана
- •Эффект Штарка
- •Квадратичный эффект Штарка
- •Линейный эффект Штарка
- •Теория нестационарных возмущений
- •Квантовые переходы под действием гармонического во времени возмущения
- •Квантовые переходы под влиянием возмущения, действующего в течение конечного времени
- •Движение в магнитном поле
- •Спин в магнитном поле
- •Движение в однородном магнитном поле
- •Фаза Берри
- •Плотность потока вероятности и векторный потенциал
- •Теория рассеяния
- •Рассеяние микрочастиц
- •Формула Борна
- •Рассеяние заряженных частиц на экранированном кулоновском потенциале (потенциале Юкавы)
- •Рассеяние заряженных частиц атомами
- •Метод парциальных волн
- •Эффект Рамзауера
- •Квантовая задача многих тел
- •Система тождественных частиц. Принцип Паули.
- •Одночастичное приближение
- •Матрица плотности
- •Матрица плотности
- •Свойства матрицы плотности. Статистический оператор
- •Квантовое уравнение Лиувилля
- •Матрица плотности подсистемы
- •Введение в теорию молекул
- •Система двух электронов
- •Молекула водорода. Ковалентная связь
- •Уравнение Хартри-Фока
- •Детерминант Слэтера
- •Вариационный принцип
Глава 11
Матрица плотности
11.1Матрица плотности
Мы используем матрицу плотности в следующих случаях
1.Изучаемая система находится в статистическом состоянии
2.Изучаемая система является частью другой системы, то есть изучаемая система не замкнута
Пусть нам задан гамильтониан системы и мы знаем его спектр и собственные функции
^ |
i |
= |
"i i ; |
(11.1) |
H |
||||
h ij |
ji |
= |
ij : |
(11.2) |
Введ¼м вероятность того, что подсистема находится в i-ом квантовом состоянии ( i): wi. Будем считать, что нам задан набор вероятностей fwig, нормируемых следующим образом
X
wi = 1 : (11.3)
i
Суммирование может идти как по всем возможным состояниям |
i, так и по их ограни- |
|
ченному числу.
Состояние называется смешанным, если нам заданы только вероятности того, что система может находиться в определ¼нных i-ых состояниях f ig. Волновая функция смешанного состояния в общем случае не задана.
Состояние называется чистым, если нам задана волновая функция (то есть функция, удовлетворяющая соответствующему уравнению Шр¼дингера), описывающая это состояние. Выше мы имели дело только с чистыми состояниями системы.
439
Рассмотрим случай чистого состояния, когда волновая функция состояния задана как суперпозиция i-ых состояний
h ij ji |
= |
Xi |
ci i |
(11.4) |
= |
i;j : |
(11.5) |
||
Здесь нам заданы коэффициенты fcig. Физический смысл коэффициентов ci: |
|
|||
jcij2 |
= wi ; |
(11.6) |
||
ãäå wi вероятность того, что при измерении система будет обнаружена в i-ом состоянии.
В случае смешанного состояния (квантовостатистического) нам известны волновые функции i-тых состояний f ig и квадраты модулей коэффициентов jcij2. Физический
смысл jcij2 вероятность того, что система находится в i-ом состоянии. Здесь мы не можем построить волновую функцию.
^
Определим среднее значение физической величины F , отвечающей оператору F , в данном смешанном (статистическом) состоянии как
|
|
|
|
Xi |
|
|
|
|
|
F |
= |
wiF i ; |
(11.7) |
||||
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
F i |
= |
|
|
|
(11.8) |
|||
h ijF j ii : |
||||||||
F i среднее значение величины F в i-ом состоянии.
Заметим, что это определение среднего значения величины F отличается от принятого
определения для чистого состояния, то есть для состояния, имеющего волновую функцию. Действительно, рассмотрим среднее значения для функции, заданной Ур. (11.4),
|
^ |
X |
^ |
|
|
|
(11.9) |
||
F = h jF j i = ci cjh ijF j ji |
|
|||
|
|
ij |
|
|
|
|
|
||
XX
= |
2 |
^ |
|
^ |
|
^ |
(11.10) |
jcij |
h ijF j ii + |
ci cjh ijF j ji + cj cih jjF j ii |
|||||
|
i |
( |
i<j |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
XX
|
|
|
|
|
^ |
|
|
= |
wiF i + 2 Re |
: |
(11.11) |
||||
ci cjh ijF j ji |
|
||||||
|
i |
i<j |
|
|
|
||
Видно, что определения Ур. (11.7) и Ур. (11.9) отличаются последним членом в Ур.
(11.11). Заметим, что если положить ^ |
^ |
|
F = H, то последний член в Ур. (11.11) будет равен |
||
нулю и средние значения Ур. (11.7), и Ур. (11.9) будут совпадать. |
|
|
Рассмотрим эрмитовский оператор ^+ |
^ |
|
A |
= A, пусть мы знаем его спектр и собственные |
|
функции |
|
|
^ |
= an n(x) |
(11.12) |
A n(x) |
||
h nj mi |
= nm : |
(11.13) |
440
Собственные функции оператора |
^ |
|
|
|
|
|
|
A образуют полный набор. |
|
||
Функцию i, описывающую i-ое состояние системы, разложим по функциям n |
|||||
|
|
X |
|
|
|
i(r) |
= |
dn(i) n(x) |
|
(11.14) |
|
|
|
n |
|
|
|
dn(i) |
= h nj ii |
= |
dn(i) dm(i0)h nj mi |
(11.15) |
|
ii0 |
= h ij i0i |
(11.16) |
|||
|
|
|
X |
|
|
|
= |
|
nm |
|
(11.17) |
|
d(i) d(i0) : |
|
|||
|
|
X |
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
В выражении для среднего значения величины F в i-ом состоянии ( виде разложения Ур. (11.14)
|
|
^ |
|
|
|
F i = h |
ii |
|
|
||
ijF j |
|
+ |
|||
* |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
XX
= |
dn(i) n F^ dm(i) m |
|
|
|
|
|
|
|
nm
13.05.2022
i) представим в
(11.18)
(11.19)
|
X |
|
^ |
X |
|
|
|
= |
(i) |
(i) |
(i) (i) |
Fnm ; |
(11.20) |
||
dn |
dm h njF j mi |
= dn |
dm |
|
|||
|
nm |
|
|
nm |
|
|
|
где мы ввели |
|
|
|
|
|
|
|
|
Fnm |
^ |
|
|
|
(11.21) |
|
|
= h njF j mi : |
|
|
||||
Среднее значение величины F в смешанном статистическом состоянии можно представить в виде
XX X
|
|
wi |
|
i = wi dn(i) dm(i) Fnm : |
|
F = |
F |
(11.22) |
|||
ii nm
Введ¼м матрицу плотности для данного статистического состояния
X
mn = wid(ni) d(mi) ; (11.23) i
тогда выражение для среднего значения величины F примет вид
XX
|
|
|
|
^ |
|
F = |
|
(11.24) |
|||
wiF i = mn Fnm = Tr(^F ) : |
|||||
inm
Матрицы
функций
^ |
|
^ |
|
^ è F [(^)mn = mn è (F )nm = Fnm] зависят от оператора |
|||
|
|
^ |
^ |
|
|||
n, а F = Tr(^F ) не зависит от оператора A.
^
A, от его собственных
441
Рассмотрим отдельно случай, когда оператор ^ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
A есть оператор координаты x^ (см. Ур. |
||
(2.55), (2.305) ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x^ x0 (x) = |
x x0 (x) = x0 x0 (x) ; |
(11.25) |
|||
|
|
|
|
x0 (x) = |
(x x0) ; |
|
(11.26) |
|
|
|
|
h x0 j x1 i = |
(x0 x1) : |
|
(11.27) |
||
В этом случае матрица плотности записывается, как |
|
|
||||||
|
|
dx(i) |
= |
h xj ii = |
i(x) ; |
|
(11.28) |
|
(x0; x) |
= |
xx0 = Xi |
widx(i0)+dx(i) = Xi |
wi i+(x0) i(x) : |
(11.29) |
|||
Здесь матрицей плотности обычно называют функцию (x0; x). |
|
|||||||
|
|
|
Xi |
wih ijF^j ii |
|
|
(11.30) |
|
|
F = |
|
|
|||||
= |
i |
wi Z |
dx i+(x)F^(x) (x) |
|
(11.31) |
|||
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
= |
dx "F^(x0) |
wi i+(x) (x0)# |
|
(11.32) |
||||
|
|
|
Z |
|
i |
x0=x |
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
Z
hi
^0
=dx F (x) (x ; x)
x0=x
|
|
F^ |
|
|
x0 |
|
|
|
Tr |
x |
|
; |
x) : |
(11.33) |
|||
x |
( |
) |
( |
|
|
|
В Ур. (11.33) оператор ^ 0 F (x) сначала действует на переменные x, затем переменная x
клад¼тся равной x (x0 = x), затем производится интегрирование (взятие следа) по переменной x.
11.2Свойства матрицы плотности. Статистический оператор
В предыдущем параграфе мы ввели матрицу плотности (см. Ур. (11.23), (11.29))
mn |
= |
Xi |
widn(i) dm(i) ; |
(11.34) |
(x0; x) |
= |
Xi |
wi i+(x0) i(x) : |
(11.35) |
442
Матрица плотности есть эрмитовская матрица
X
+mn = nm = wid(mi)d(ni) = mn ; (11.36) i
XX
(x0; x) = |
wi it(x0) i (x) = |
wi i+(x) i(x0) = (x0; x) : |
(11.37) |
i |
|
i |
|
Рассмотрим физический смысл диагональных элементов матрицы плотности
XX
|
|
|
|
nn |
= |
|
|
|
widn(i) dn(i) |
= |
wijdn(i)j2 : |
|
|
(11.38) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
Введ¼м оператор проекции на состояние n |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
^ |
|
= j nih nj |
|
|
|
|
(11.39) |
||||||
|
|
|
|
|
^ Pn |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Pnjfi |
= h njfi j ni |
|
|
|
(11.40) |
||||||||
|
|
|
|
|
^+ |
^ |
|
^2 |
^ |
: |
|
|
(11.41) |
|||||
|
|
|
|
|
|
Pn |
|
= Pn ; |
Pn |
= Pn |
|
|
||||||
Ур. (11.41) показывают, что оператор ^ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pn является проектором (см. Ур. (2.162)). |
|
|||||||
Рассмотрим средние значения оператора ^ |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pn в исследуемом нами смешанном состоянии |
||||||
(ñì. Óð. (11.15)) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Xi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Pn = |
wi(Pn)i |
|
|
|
|
|
|
(11.42) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
|
|
(i) |
2 |
|
|
(Pn)i = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: |
|
|||||||
|
h ijPnj ii = h ij nih nj ii |
= jdn j |
|
(11.43) |
||||||||||||||
Получаем, что среднее значение проектора |
^ |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pn, на смешанном состоянии имеет вид |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Xi |
wijdn(i)j2 = nn : |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Pn |
= |
|
|
|
|
(11.44) |
|||||||
Физический смысл nn вероятность того, что при измерении система будет обнаружена в состоянии n.
Физический смысл (x; x) плотность вероятности найти частицу в точке x.
Рассмотрим нормировку матрицы плотности (см. Ур. (11.3), (11.16))
n |
nn |
= |
n |
wijdn(i)j2 = |
wi! |
n |
jdn(i)j2 |
! |
= 1 ; |
(11.45) |
X |
|
|
XXi |
|
Xi |
X |
|
|
|
|
X |
nn |
= |
Tr(^) = 1 : |
|
|
|
|
|
(11.46) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
n
443
В случае, когда ^ |
|
|
|
A = x^, нормировка выглядит, как |
|
!Z |
|
Z |
Z |
X |
|
|
X |
dx j (i)(x)j2 = 1 : (11.47) |
|
dx (x; x) = |
dx wij (i)(x)j2 = |
wi |
|
|
i |
i |
|
Рассмотрим, как в терминах матрицы плотности можно описать чистое состояние.
Пусть чистое состояние описывается волновой функцией |
i0 |
|
|
= i0 ; |
(11.48) |
возьм¼м следующий набор вероятностей |
|
wi0 |
= |
1 |
wi6=i0 |
= |
0 |
wi |
= i;i0 : |
|
Тогда матрица плотности примет вид
mn |
= |
Xi |
widn |
dm |
= dn |
dm |
: |
pure |
|
|
(i) |
(i) |
(i0) |
(i0) |
|
Рассмотрим состояние, описываемое i0 , â A-представлении
|
X |
i0 (r) = |
dn(i0) n(r) () d(i0) : (d(i0))n = dn(i0) ; |
|
n |
где мы ввели бесконечномерный вектор
d(i0) = (d(1i0); d(2i0); d(3i0); ) :
(11.49)
(11.50)
(11.51)
(11.52)
(11.53)
(11.54)
Получаем, что волновая функция |
|
i0 и вектор d(i0) определяются друг через друга. |
||||||||||
Мы видим, что в случае чистого состояния |
i0 матрицу плотности можно записать |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
как прямое произведение функций |
i0 â A-представлении |
|
|
|
||||||||
pure |
= (d |
(i0) |
d |
(i0)+ |
|
(i0) |
(i0) |
(i0) |
(i0) |
: |
(11.55) |
|
mn |
|
|
)mn = dm |
dn |
= dn |
dm |
|
|||||
В случае, когда ^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
A = x^, матрица плотности, описывающая чистое состояние с волновой |
||||||||
функцией i0 , имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pure |
0 |
; x) = |
+ |
0 |
) |
i0 (x) : |
(11.56) |
|
(x |
i0 |
(x |
|
||||
444
В случае чистого состояния матрица плотности является проектором
(( pure)2)mn = |
Xk |
mk kn |
= Xk |
dk(i0) dm(i0) dn(i0) dk(i0) = dn(i0) dm(i0) Xk |
dk(i0) dk(i0) |
(11.57) |
|
= |
d(i0) d(i0) |
= pure : |
|
|
(11.58) |
||
|
n |
m |
|
mn |
|
|
|
Убедимся, что в случае смешанного состояния матрица плотности не является проектором (см. Ур. (11.16))
( 2)mn = |
Xk |
mk kn = Xk |
|
Xi |
widk(i) dm(i)! |
Xi0 |
wi0dn(i0) dk(i0)! |
(11.59) |
||
= |
X0 |
wiwi0dn(i0) dm(i) |
|
dk(i) dk(i0) = |
wiwi0dn(i0) dm(i) i;i0 |
(11.60) |
||||
|
|
X |
|
X0 |
|
|
|
|||
|
i;i |
|
k |
|
|
i;i |
|
|
|
|
= |
Xi |
wi2dn(i) dm(i) ; |
|
|
|
|
|
|
(11.61) |
|
mn = |
Xi |
widn(i) dm(i) : |
|
|
|
|
|
|
(11.62) |
|
Чтобы имело место равенство ( 2)mn = mn, необходимо выполнение |
|
|||||||||
|
|
wi2 |
= wi ; |
|
|
8i ; |
|
|
(11.63) |
|
|
|
wi |
= 0 |
|
èëè |
wi = 1 : |
|
|
(11.64) |
|
Из нормировки вероятностей |
Xi |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
wi = |
1 |
|
|
(11.65) |
|||
следует, что только одна вероятность из fwig отлична от нуля, пусть это будет wi0 = 1. Получаем, что равенство ( 2)mn = mn будет иметь место только для чистого состояния,
соответственно, для смешанного состояния это равенство не имеет место.
Матрица плотности mn определяет статистический оператор ^
h mj^j ni = |
mn ; |
(11.66) |
|
^ |
|
X |
|
E |
= |
j mih mj ; |
(11.67) |
|
|
n |
|
^jfi |
|
^ ^ |
(11.68) |
= E ^Ejfi |
|||
|
|
! |
! |
XX
= |
j mih mj ^ |
j nih nj jfi |
(11.69) |
|
m |
n |
|
|
X |
|
|
= |
j mi mnh njfi : |
|
(11.70) |
mn
445
В случае, когда |
^ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
A = x^, матрица плотности, описывающая чистое состояние с волновой |
|||||||||||||||||||||||||||
функцией i0 , имеет вид ( x0 (x) = (x x0)) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
h |
x |
^ x0 |
i |
= |
(x0; x) ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(11.71) |
|||||
j |
j |
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
E^ |
= |
dx j xih xj ; |
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(11.72) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
j |
^ ^ |
j |
|
i |
Z |
|
0 |
00 |
h |
j |
|
ih |
|
j |
j |
ih |
|
j i |
(11.73) |
|
|
|
^f(x) = |
x |
E ^E |
f |
= |
dx dx |
|
x00 |
x00 |
x0 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
^ x0 |
|
f |
|
|||||||||||||||
ZZ
= |
Z |
dx0 |
dx00 (x x00) (x0; x00)f(x0) |
(11.74) |
= |
dx0 |
(x0; x)f(x0) : |
(11.75) |
Из Ур. (11.58) следует, что в случае чистого состояния статистический оператор является проектором
^2 = ^; |
^+ = ^: |
(11.76) |
Это верно только для чистого состояния, которое мы описываем соответствующей матрицей плотности или статистическим оператором.
11.3Примеры чистых и смешанных состояний частицы со спином s = 1=2
Рассмотрим оператор спина (см. параграф 5.7)
|
|
|
|
|
s^ |
|
1 |
|
|
|
s^2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
= |
|
|
; |
= |
|
|
I ; |
|
|
|
|
|
(11.77) |
||||
|
|
|
|
|
2 |
4 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
где I единичная матрица, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
s^x = |
1 |
|
0 |
1 |
; |
s^y |
= |
|
1 |
0 |
i |
|
|
; s^z = |
1 |
|
1 |
0 |
: (11.78) |
|||
|
|
1 |
0 |
|
|
i |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|||||||||
2 |
|
2 |
|
2 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|||||||||||||
Волновая функция состояний с определ¼нной проекцией спина на ось z имеет следу-
ющую спинорную зависимость |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s^z = |
; |
|
|
|
|
(11.79) |
|
2 |
= |
0 |
; |
2 |
= |
1 |
(11.80) |
|||
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
446
Рассмотрим чистое состояние, описываемое следующей функцией
1 |
|
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
(11.81) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= p2 |
1 |
= p2 |
2 |
+ p2 |
2 |
: |
|
||||||
Заметим, что
1
s^x = 2 ; (11.82)
то есть эта функция описывает состояние, имеющее определ¼нную проекцию спина на ось x.
Построим соответствующую матрицу плотности (см. Ур. (11.52), (11.55))
= |
= |
0 |
1 |
1 |
1 |
; |
(11.83) |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
@ |
2 |
2 |
A |
|
|
nm = |
2 |
2 |
|
(11.84) |
|||
( )m( )n : |
|
|
|
|
|
|
Ещ¼ раз убеждаемся, что в случае чистого состояния матрица плотности проектор
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
= : |
|
|
|
|
0 |
|
|
13 |
(11.85) |
||||||||
sx |
= |
|
Tr(^sx ^) = Tr |
2 |
2 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
(11.86) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
||||||
|
|
= |
|
2 Tr |
20 |
1 |
|
|
1 |
4 |
|
|
|
|
= |
2 |
|
@ |
|
|
A5 |
(11.87) |
||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
13 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
4@ |
2 |
|
|
2 |
|
|
A5 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
13 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
i |
0 |
1 |
1 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
0 |
|
i |
|
1 |
1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
||||||||||
sy |
= |
Tr(^sy ^) = Tr |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
A5 |
(11.88) |
|||||||||||||||||
|
|
= |
|
2 Tr |
20 |
i |
i |
|
|
i |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
i |
2 |
|
= 0 |
|
|
|
(11.89) |
|||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
4@ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
13 |
|
|||
sz |
= |
Tr(^sz ^) = Tr |
|
2 |
|
|
|
0 |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
(11.90) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
0 |
|
1 |
1 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
||||||||
|
|
= |
2 Tr |
20 |
1 |
|
|
|
4 |
1 |
|
|
|
13 |
|
|
@ |
|
|
A5 |
|
|||||||||||
|
|
21 |
|
|
|
21 |
|
= 0 |
|
|
|
(11.91) |
||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
4@ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
447
Спин направлен по оси x. Рассмотрим смешанное состояние
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
0 |
2 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
1 |
|
0 |
|
A |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
11 + 21 ;+ 21 |
вероятность того, что проекция спина на ось z равна +21 . |
|||||||||||||||||||||||||||||
22 21 ; 21 |
вероятность того, что проекция спина на ось z равна 21 . |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
= |
0 |
4 |
|
1 |
1 |
= |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
1 |
|
0 |
A 6 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
4 |
|
|
13 |
|||||||||
|
|
|
sx |
= |
|
Tr(^sx ^) = Tr |
2 |
2 |
|
|
1 |
|
0 |
0 |
2 |
1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
0 |
|
1 |
|
1 |
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
= |
|
2 Tr |
1 |
2 |
|
13 |
= 0 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4@ |
0 |
1 |
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
13 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 i |
|
0 |
0 |
21 |
|||||||
|
|
|
y |
= |
Tr(^sy ^) = Tr |
4 |
1 |
|
0 |
i |
@ |
21 |
0 |
A5 |
||||||||||||||||
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 i |
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
= |
|
2 Tr |
2 |
|
= 0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
4@ |
0 |
|
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
13 |
|||||||||
|
|
sz |
= |
Tr(^sz ^) = Tr |
2 |
2 |
|
|
0 |
|
|
1 |
2 |
1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
0 |
|
1 |
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
= |
2 Tr |
20 |
1 |
|
|
4 |
|
13 |
|
|
|
@ |
|
|
A5 |
||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
= 0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
4@ |
|
|
|
0 |
|
|
A5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Ориентация спина хаотична.
(11.92)
(11.93)
(11.94)
(11.95)
(11.96)
(11.97)
(11.98)
(11.99)
448
