- •Contents
- •Preface
- •How to use this book
- •Chapter 1 Units, constants, and conversions
- •1.1 Introduction
- •1.2 SI units
- •1.3 Physical constants
- •1.4 Converting between units
- •1.5 Dimensions
- •1.6 Miscellaneous
- •Chapter 2 Mathematics
- •2.1 Notation
- •2.2 Vectors and matrices
- •2.3 Series, summations, and progressions
- •2.5 Trigonometric and hyperbolic formulas
- •2.6 Mensuration
- •2.8 Integration
- •2.9 Special functions and polynomials
- •2.12 Laplace transforms
- •2.13 Probability and statistics
- •2.14 Numerical methods
- •Chapter 3 Dynamics and mechanics
- •3.1 Introduction
- •3.3 Gravitation
- •3.5 Rigid body dynamics
- •3.7 Generalised dynamics
- •3.8 Elasticity
- •Chapter 4 Quantum physics
- •4.1 Introduction
- •4.3 Wave mechanics
- •4.4 Hydrogenic atoms
- •4.5 Angular momentum
- •4.6 Perturbation theory
- •4.7 High energy and nuclear physics
- •Chapter 5 Thermodynamics
- •5.1 Introduction
- •5.2 Classical thermodynamics
- •5.3 Gas laws
- •5.5 Statistical thermodynamics
- •5.7 Radiation processes
- •Chapter 6 Solid state physics
- •6.1 Introduction
- •6.2 Periodic table
- •6.4 Lattice dynamics
- •6.5 Electrons in solids
- •Chapter 7 Electromagnetism
- •7.1 Introduction
- •7.4 Fields associated with media
- •7.5 Force, torque, and energy
- •7.6 LCR circuits
- •7.7 Transmission lines and waveguides
- •7.8 Waves in and out of media
- •7.9 Plasma physics
- •Chapter 8 Optics
- •8.1 Introduction
- •8.5 Geometrical optics
- •8.6 Polarisation
- •8.7 Coherence (scalar theory)
- •8.8 Line radiation
- •Chapter 9 Astrophysics
- •9.1 Introduction
- •9.3 Coordinate transformations (astronomical)
- •9.4 Observational astrophysics
- •9.5 Stellar evolution
- •9.6 Cosmology
- •Index
4.4 Hydrogenic atoms |
95 |
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Harmonic oscillator
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¯h |
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(Planck constant)/(2π) |
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Schrodinger¨ |
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¯h2 ∂2ψn |
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mω2x2ψn |
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m |
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mass |
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equation |
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+ |
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= Enψn |
(4.67) |
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nth eigenfunction |
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2m |
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∂x2 |
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2 |
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ψn |
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x |
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displacement |
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Energy |
En = n+ |
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(4.68) |
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n |
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integer ≥ 0 |
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levelsa |
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2 ¯hω |
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En |
total energy in nth state |
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ω |
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angular frequency |
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ψn = |
Hn(x/a)exp[−x2/(2a2)] |
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(4.69) |
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Eigen- |
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(n!2naπ1/2)1/2 |
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Hn |
Hermite polynomials |
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functions |
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a = |
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¯h |
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1/2 |
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where |
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mω |
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4 |
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Hermite |
H0(y) = 1, |
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H1(y) = 2y, |
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H2(y) = 4y2 − 2 |
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y |
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dummy variable |
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polynomials |
Hn+1(y) = 2yHn(y) − 2nHn−1(y) |
(4.70) |
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aE0 is the zero-point energy of the oscillator. |
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4.4 Hydrogenic atoms |
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Bohr modela |
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rn |
nth orbit radius |
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Quantisation |
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µr2Ω = n¯h |
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(4.71) |
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Ω |
orbital angular speed |
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condition |
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n |
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principal quantum number |
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(> 0) |
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a0 |
Bohr radius |
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0h2 |
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α |
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Bohr radius |
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52.9pm |
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reduced mass ( me) |
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a0 = |
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= |
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(4.72) |
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µ |
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πmee2 |
4πR |
∞ |
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−e |
electronic charge |
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|||||
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n2 |
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me |
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atomic number |
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Orbit radius |
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(4.73) |
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h |
Planck constant |
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rn = Z a0 µ |
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¯h |
h/(2π) |
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En |
total energy of nth orbit |
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µe4Z2 |
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µ |
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Z2 |
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Total energy |
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En = |
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= |
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R |
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hc |
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(4.74) |
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0 |
permittivity of free space |
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− 8 02h2n2 |
− |
∞ |
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me n2 |
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me |
electron mass |
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Fine structure |
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µ0ce2 |
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e2 |
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1 |
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α |
fine structure constant |
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constant |
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α = |
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= |
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(4.75) |
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µ0 |
permeability of free space |
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2h |
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4π 0¯hc |
137 |
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¯h2 |
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Hartree energy |
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EH = |
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4.36 × 10−18 J |
(4.76) |
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EH |
Hartree energy |
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mea02 |
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Rydberg |
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m |
cα2 |
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m |
e4 |
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E |
H |
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R |
Rydberg constant |
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constant |
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R∞ = |
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e |
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= |
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e |
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= |
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(4.77) |
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∞ |
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2h |
8h3 2c |
2hc |
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c |
speed of light |
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0 |
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Rydberg’s |
1 |
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µ |
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1 |
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1 |
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λ |
photon wavelength |
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formulab |
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= R∞ |
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Z |
2 |
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− |
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(4.78) |
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mmn |
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λmn |
me |
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n2 |
m2 |
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integer > n |
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aBecause the Bohr model is strictly a two-body problem, the equations use reduced mass, µ = memnuc/(me +mnuc) me, where mnuc is the nuclear mass, throughout. The orbit radius is therefore the electron–nucleus distance.
bWavelength of the spectral line corresponding to electron transitions between orbits m and n.
96 Quantum physics
Hydrogenlike atoms – Schrodinger¨ solutiona
Schrodinger¨ equation
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¯h2 |
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Ze2 |
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memnuc |
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− |
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2Ψnlm − |
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Ψnlm = EnΨnlm |
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with |
µ = |
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(4.79) |
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2µ |
4π 0r |
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me + mnuc |
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Eigenfunctions |
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Ψnlm(r,θ,φ) = |
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(n− l − 1)! |
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1/2 |
|
|
2 |
|
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3/2 xle−x/2Ln2l+1l |
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(x)Ylm(θ,φ) |
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(4.80) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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an |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2n(n+ l)! |
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− −1 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
with |
a = |
me |
|
a0 |
, |
|
|
|
|
x = |
|
2r |
, |
|
|
|
|
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|
and Ln2l+1l |
|
(x) = n−l−1 |
|
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(l + n)!(−x)k |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
µ Z |
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k)!k! |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
an |
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− −1 |
|
|
|
(2l + 1 + k)!(n |
− |
l |
− |
1 |
− |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
|
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k=0 |
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||||||||
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|||||||||||
Total energy |
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|
|
En |
= |
|
|
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|
|
|
µe4Z2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.81) |
|
|
|
|
En |
|
|
|
total energy |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
− 8 02h2n2 |
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|
|
|
|
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|
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|
0 |
|
|
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|
permittivity of free space |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
r |
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|
a |
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2 |
− l(l |
|
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|
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|
h |
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Planck constant |
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||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
= |
|
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|
[3n |
+ 1)] |
|
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(4.82) |
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2 |
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|
|
me |
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|
mass of electron |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radial |
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|
|
|
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|
r2 |
|
|
= |
|
a2n2 |
[5n2 + 1 − 3l(l + 1)] |
|
|
(4.83) |
|
|
|
|
¯h |
|
|
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h/2π |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2 |
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µ |
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|
reduced mass ( |
|
me) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
expectation |
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1 |
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mnuc |
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||||||||||||||||||||
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mass of nucleus |
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|||||||||||||||||||||||||||
values |
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1/r = |
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(4.84) |
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||||||||||||||||||||||||||||||||
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an2 |
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Ψnlm |
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|
eigenfunctions |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
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1/r2 |
= |
|
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|
2 |
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.85) |
|
|
|
|
Ze |
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|
charge of nucleus |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
−e |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
(2l + 1)n3a2 |
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|
electronic charge |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
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n = 1,2,3,... |
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
(4.86) |
|
|
|
|
Lpq |
|
|
|
associated Laguerre |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
l = 0,1,2,... ,(n− 1) |
|
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|
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(4.87) |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
polynomialsc |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Allowed |
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|
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|
|
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a |
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|
classical orbit radius, n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
quantum |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m = 0,±1,±2,... ,±l |
|
|
|
|
|
|
(4.88) |
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
electron–nucleus separation |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
numbers and |
|
|
|
|
|
|
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∆n = 0 |
|
|
|
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(4.89) |
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Y |
|
|
m |
|
|
|
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|
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|
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harmonics |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
selection rulesb |
|
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|
l |
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|
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|
spherical |
|
|
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|
0h2 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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∆l = ±1 |
|
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|
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|
|
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|
|
|
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(4.90) |
|
|
|
|
a0 |
|
|
|
Bohr radius = |
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
± 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
πmee2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆m = 0 or |
|
|
|
|
|
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(4.91) |
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|||||||||||
|
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|
|
a−3/2 |
|
r/a |
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
a−3/2 |
|
|
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|
|
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|
|
|
|
r |
|
|
|
|
r/2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Ψ100 = |
|
|
e− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ψ200 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 − |
|
|
!e− |
|
|
|
|
|
|
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|
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|||||||||||||||||||||||
|
π1/2 |
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4(2π)1/2 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
a−3/2 r |
|
|
|
r/2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a−3/2 r |
|
|
|
|
|
r/2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
iφ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Ψ210 = |
|
|
|
|
|
|
e− |
|
|
cosθ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ψ21±1 = |
|
|
|
|
|
|
|
e− |
|
|
|
|
|
sin |
θe± |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
4(2π)1/2 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8π1/2 |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ψ300 = |
|
a−3/2 |
|
|
|
|
|
|
27 − 18 |
r |
+ 2 |
r2 |
|
e− |
r/3a |
|
Ψ310 = |
21/2a−3/2 |
|
|
|
|
|
|
6 − |
r |
! |
r |
e− |
r/3a |
cosθ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
81(3π)1/2 |
a |
a2 |
|
|
|
|
|
81π1/2 |
|
|
|
|
|
|
a |
a |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a−3/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
r |
|
|
|
r/3a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iφ |
|
|
|
|
|
|
a−3/2 |
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
r/3a |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Ψ31±1 = |
|
|
|
6 − |
|
! |
|
e− |
|
|
|
|
|
sinθe± |
|
|
Ψ320 = |
|
|
|
|
|
|
|
e− |
|
|
|
|
(3cos |
|
|
θ − 1) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
81π1/2 |
|
a |
a |
|
|
|
|
|
|
|
81(6π)1/2 |
a2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a−3/2 r2 |
r/3a |
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iφ |
|
|
|
|
|
|
|
a−3/2 r2 |
|
|
r/3a |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2iφ |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ψ32±1 = |
|
|
|
e− |
|
|
|
|
|
|
sinθcosθe± |
|
|
|
|
|
Ψ32±2 = |
|
|
|
e− |
|
|
|
|
|
sin |
|
θe± |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
81π1/2 |
a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
162π1/2 |
a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aFor a single bound electron in a perfect nuclear Coulomb potential (nonrelativistic and spin-free). bFor dipole transitions between orbitals.
cThe sign and indexing definitions for this function vary. This form is appropriate to Equation (4.80).
4.4 Hydrogenic atoms |
97 |
|
|
Orbital angular dependence
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
(s)2 |
0.2 |
−0.4 |
|
(px)2 |
(py)2 |
− |
0.4 |
− |
0.2 |
− |
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0.2 |
|
0.2 |
y |
|
|
|
|
|
x |
−0.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(pz)2 |
|
|
|
(d 2 |
−y |
2 )2 |
(dxz)2 |
|
|
|
|
|
−0.4 |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
(d 2 )2 |
(d )2 |
(d )2 |
z |
yz |
xy |
0 |
0 |
|
s orbital |
0 |
= constant |
|
|
|
|
|
(4.92) |
Y m |
spherical |
a |
|||||||||||
(l = 0) |
s = Y0 |
|
|
|
|
|
|
l |
harmonics |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
p orbitals |
px = |
2−1/12 |
(Y11 − Y1−1) cosφsinθ |
(4.93) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
py = |
|
|
i |
|
(Y 1 |
+ Y |
−1) |
|
sinφsinθ |
(4.94) |
θ,φ |
spherical polar |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
(l = 1) |
|
|
|
|
|
coordinates |
||||||||||||||||
21/2 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
pz = Y10 cosθ |
|
|
|
|
|
|
|
(4.95) |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
dx2 y2 |
= |
1 |
|
(Y 2 |
+ Y −2) |
|
sin2 θcos2φ |
(4.96) |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
− |
|
21/2 |
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|||||
d orbitals |
dxz = |
2−1/12 |
(Y21 − Y2−1) sinθcosθcosφ |
(4.97) |
|
|
θ |
|
y |
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
(3cos |
2 |
θ − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x φ |
|
|||||||||||
(l = 2) |
dz2 = Y2 |
|
1) |
|
|
(4.98) |
|
|
|
|||||||||||||
|
dyz = |
i |
(Y21 + Y2−1) sinθcosθsinφ |
(4.99) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
21/2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
dxy = |
2−1/i2 |
(Y22 − Y2−2) sin2 θsin2φ |
(4.100) |
|
|
|
|
|
aSee page 49 for the definition of spherical harmonics.
98 Quantum physics
4.5 Angular momentum Orbital angular momentum
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.101) |
L |
angular |
|
|
L = r×pˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
¯h |
x |
∂ |
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
momentum |
|||||||||
Angular |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.102) |
r |
|
position vector |
|||||||||||||
Lz = i |
∂y − y ∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
linear momentum |
|
¯h |
|
|
∂ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
momentum |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.103) |
xyz |
Cartesian |
||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
i |
∂φ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
coordinates |
|||||||
operators |
ˆ2 |
|
ˆ |
2 |
|
|
ˆ |
2 |
|
|
|
|
ˆ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rθφ |
spherical polar |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
L |
= Lx |
|
+ Ly |
|
+ Lz |
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.104) |
|
|
coordinates |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
∂ |
|
|
|
|
∂ |
|
1 ∂2 |
|
|
¯h |
|
(Planck |
||||||
|
|
= −¯h2 |
|
|
|
|
sinθ |
|
|
+ |
|
|
|
|
(4.105) |
|
|
constant)/(2π) |
|||||||||||||
|
|
sinθ |
∂θ |
∂θ |
sin2 θ |
∂φ2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
ˆ |
|
ˆ |
|
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ladder |
L± = Lx ± iLy |
|
|
|
|
|
∂ |
∂ |
|
|
|
|
|
(4.106) |
Lˆ±ml |
ladder operators |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
iφ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
spherical |
||||
operators |
|
= ¯he± |
|
|
icotθ |
∂φ |
± |
∂θ |
|
|
|
|
|
|
(4.107) |
|
l |
harmonics |
|||||||||||||
|
Lˆ±Ylml |
|
= ¯h[l(l + 1) − ml(ml ± 1)]1/2Ylml ±1 |
|
(4.108) |
l,ml |
integers |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ˆ2 |
ml |
= l(l + 1)¯h |
2 |
|
ml |
(l ≥ 0) |
|
|
|
|
|
(4.109) |
|
|
|
|||||||||||||||
Eigen- |
L |
Yl |
|
Yl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
ˆ |
ml |
= ml¯hYl |
ml |
|
|
(|ml| ≤ l) |
|
|
|
|
|
(4.110) |
|
|
|
||||||||||||||||
functions and |
LzYl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
eigenvalues |
ˆ |
ˆ |
|
|
ml |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
ml |
(θ,φ) |
|
(4.111) |
|
|
|
|||||
Lz |
[L±Yl |
|
|
(θ,φ)] = (ml ± 1)¯hL±Yl |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
l-multiplicity = (2l + 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.112) |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Angular momentum commutation relationsa
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
angular momentum |
|
Conservation of angular |
|
ˆ |
ˆ |
|
(4.113) |
|
p |
momentum |
|
|
momentumb |
|
[H,Lz] = 0 |
|
|
H |
Hamiltonian |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Lˆ |
ladder operators |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
± |
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
ˆ |
|
ˆ |
(4.120) |
|
ˆ |
|
(4.114) |
|
[Lx,Ly] = i¯hLz |
||||||
|
|
ˆ |
ˆ |
|
ˆ |
|
||||
[Lz,x] = i¯hy |
|
|
|
(4.121) |
||||||
ˆ |
|
|
|
|
[Lz |
,Lx] = i¯hLy |
||||
[Lz,y] = −i¯hx |
|
(4.115) |
|
[Lˆy,Lˆz] = i¯hLˆx |
(4.122) |
|||||
ˆ |
|
(4.116) |
|
ˆ |
ˆ |
|
ˆ |
|
||
[Lz,z] = 0 |
|
|
|
|
||||||
[Lˆz,pˆx] = i¯hpˆy |
|
(4.117) |
|
[L+,Lz] = −¯hL+ |
(4.123) |
|||||
ˆ |
|
|
|
|
ˆ |
ˆ |
|
ˆ |
(4.124) |
|
|
|
|
|
[L−,Lz] = ¯hL− |
||||||
[Lz,pˆy] = −i¯hpˆx |
|
(4.118) |
|
[Lˆ+,Lˆ |
] = 2¯hLˆz |
(4.125) |
||||
ˆ |
|
(4.119) |
|
|
− |
|
|
|
||
[Lz,pˆz] = 0 |
|
|
ˆ2 |
ˆ |
|
|
(4.126) |
|||
|
|
|
|
|
[L |
,L±] = 0 |
|
|||
ˆ2 |
ˆ |
ˆ2 |
ˆ |
ˆ2 ˆ |
|
|
|
(4.127) |
|
|
[L ,Lx] = [L ,Ly] = [L ,Lz] = 0 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
aThe commutation of a and b is defined as [a,b] = ab− ba (see page 26). Similar expressions hold for S and J. bFor motion under a central force.
4.5 Angular momentum |
99 |
|
|
Clebsch–Gordan coe cientsa
|
|
|
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
|
|
|
j, |
− |
mj |
| |
l1, |
− |
m1;l2, |
− |
m2 |
= ( |
− |
1)l1+l2−j |
|
j,mj |
| |
l1,m1;l2,m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+3/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
1/2 1/2 |
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1/2 |
3/2 |
|
|
+1/2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
/ +1/2 |
1 |
|
|
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1 +1/2 |
|
1 |
|
|
3/2 1/2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
+1 2× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
+1/2 −1/2 |
1/2 |
1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l1 |
|
|
|
l2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1 −1/2 |
1/3 |
2/3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
|
|
|
j |
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1/2 +1/2 |
1/2 1/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 +1 / 2 |
|
2/3 |
|
1/3 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m1× |
2 |
|
|
coe cients |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
j,mj |l1,m1;l2,m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
+2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m1 m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+5/2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. . |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
3/2 1/2 |
2 |
|
+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. . |
|
|
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2 |
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5/2 3/2 |
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+3 2× |
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1/4 3/4 |
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1/5 4/5 |
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+1/2 +1/2 |
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5/2 3/2 |
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1/2 1/2 |
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−1/2 +1/2 |
1/2 −1/2 |
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0 +1/2 |
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1 1 |
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3/2 1 |
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5/2 |
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+3/2 |
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5/2 3/2 |
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1/2 1/2 |
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+3/2 0 |
2/5 3/5 |
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+1/2 |
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0 +1 |
1/2 −1/2 |
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1 |
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0 |
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+1/2 +1 |
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5/2 3/2 1/2 |
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+1 −1 |
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+3/2 −1 |
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1/10 2/5 1/2 |
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0 0 |
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2/3 0 −1/3 |
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+3 |
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1/2 0 |
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3/5 1/15 −1/3 |
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−1 +1 |
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1/6 −1/2 1/3 |
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3/2 3/2 |
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−1/2 +1 |
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2 |
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1 |
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+2 |
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3 |
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/ +3/2 |
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1 |
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+2 |
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3 |
2 |
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+3 2× |
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+2 +1 |
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1 |
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3 2 |
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+3/2 +1/2 |
1/2 1/2 |
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+1 |
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+2 0 |
1/3 2/3 |
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+1 |
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+1/2 +3/2 |
1/2 −1/2 |
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3 |
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2 |
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1 |
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+1 +1 |
2/3 −1/3 |
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3 |
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2 |
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1 |
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+3/2 −1/2 |
1/5 1/2 3/10 |
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+2 −1 |
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1/15 1/3 3/5 |
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+1/2 +1/2 |
3/5 0 −2/5 |
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0 |
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+1 0 |
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8/15 1/6 −3/10 |
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0 |
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−1/2 +3/2 |
1/5 −1/2 3/10 |
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3 |
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2 |
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1 |
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0 |
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0 +1 |
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6/15 −1/2 1/10 |
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3 |
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2 |
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1 |
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+3/2 −3/2 |
1/20 1/4 9/20 1/4 |
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+1 −1 |
1/5 1/2 3/10 |
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+1/2 −1/2 |
9/20 1/4 −1/20 −1/4 |
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0 0 |
3/5 0 −2/5 |
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−1/2 +1/2 |
9/20 −1/4 −1/20 1/4 |
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−1 +1 |
1/5 −1/2 3/10 |
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−3/2 +3/2 |
1/20 −1/4 9/20 −1/4 |
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+7/2 |
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2 3/2 |
7/2 |
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+5/2 |
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+2 +3/2 |
1 |
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7/2 5/2 |
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× |
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2 |
× |
2 |
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+2 +1/2 |
3/7 4/7 |
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+3/2 |
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4 |
+3 |
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+1 +3/2 |
4/7 −3/7 |
7/2 5/2 3/2 |
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4 |
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3 |
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+2 +2 |
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+2 −1/2 |
1/7 16/35 2/5 |
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+2 +1 |
1/2 |
1/2 |
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+2 |
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+1 +1/2 |
4/7 1/35 −2/5 |
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+1/2 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+1 +2 |
1/2 −1/2 |
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4 |
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3 |
|
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|
2 |
|
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0 +3/2 |
2/7 −18/35 1/5 |
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7/2 |
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5/2 3/2 1/2 |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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+2 0 |
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3/14 1/2 2/7 |
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+2 −3/2 |
1/35 6/35 2/5 2/5 |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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+1 +1 |
|
4/7 0 −3/7 |
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|
+1 |
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|
|
|
|
|
|
|
|
+1 −1/2 |
12/35 5/14 |
|
|
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|
0 −3/10 |
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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0 +2 |
|
3/14 −1/2 2/7 |
|
4 |
|
|
3 |
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
0 +1/2 |
18/35 −3/35 −1/5 1/5 |
|
|
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|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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+2 −1 |
1/14 3/10 3/7 |
1/5 |
|
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−1 +3/2 |
4/35 −27/70 2/5 −1/10 |
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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+1 0 |
3/7 1/5 −1/14 −3/10 |
|
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0 +1 |
3/7 −1/5 −1/14 3/10 |
|
|
|
|
|
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|
|
0 |
|
|
|
|
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−1 +2 |
1/14 −3/10 3/7 −1/5 |
|
4 |
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|
3 |
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
0 |
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||
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+2 −2 |
1/70 1/10 2/7 2/5 1/5 |
|
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||||||||||||||||||||||||||
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+1 −1 |
8/35 2/5 1/14 −1/10 −1/5 |
|
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||||||||||||||||||||||||||
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0 0 |
18/35 0 −2/7 0 |
|
1/5 |
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|||||||||||||||||||||
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−1 +1 |
8/35 −2/5 1/14 1/10 −1/5 |
|
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||||||||||||||||||||||||||
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|
−2 +2 |
1/70 −1/10 2/7 −2/5 1/5 |
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
aOr “Wigner coe cients,” using |
the |
Condon–Shortley |
sign |
convention. Note that |
a |
square |
|
root is assumed |
|||||||||||||||||||||
over all coe cient digits, so |
that |
“−3/10” corresponds |
to − |
|
|
|
|
|
|
≥ 0 are |
|||||||||||||||||||
|
3/10. |
Also for clarity, |
|
only values of mj |
|||||||||||||||||||||||||
listed here. The coe cients |
for |
m |
|
< |
0 can be obtained |
from |
the |
symmetry relation |
|
j, m |
|
|
l |
|
, |
|
m |
|
;l |
|
, |
|
m |
|
= |
||||
(−1)l1+l2−j j,mj |l1,m1;l2,m2 . |
|
j |
|
|
( |
|
|
|
|
|
− |
j |
| |
|
1 |
|
− |
|
1 |
|
2 |
|
− |
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 Quantum physics
Angular momentum additiona
|
J = L + S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.128) |
|
|
J ,J |
total angular momentum |
||||||||||||||
|
Jz |
= Lz + Sz |
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.129) |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L,L |
orbital angular |
|
|
|||||||||||||||||||
|
ˆ |
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
ˆ2 |
|
|
ˆ2 |
|
|
|
|
|
|
ˆ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
momentum |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ 2L S |
(4.130) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Total angular |
J |
= L |
|
+ S |
|
|
S ,S |
spin angular momentum |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
= mj ¯hψj,m/j · |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
momentum |
Jˆzψj,mj |
(4.131) |
|
|
ψ |
|
eigenfunctions |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
Jˆ2ψj,mj |
|
= j(j + 1)¯h2ψj,mj |
(4.132) |
|
|
mj |
|
magnetic quantum |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
number |mj | ≤ j |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
j-multiplicity = (2l + 1)(2s+ 1) |
(4.133) |
|
|
j |
|
(l + s) ≥ j ≥ |l − s| |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mutually |
|
2 |
,S |
2 |
,J |
2 |
,Jz,L · S } |
(4.134) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
commuting |
{L |
|
|
|
|
|
{} |
|
set of mutually |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
2 |
,S |
2 |
,Lz,Sz,Jz} |
|
|
(4.135) |
|
|
|
commuting observables |
||||||||||||||||||||||
sets |
{L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Clebsch– |
|j,mj = |
|
|
|
|
m |
,m |
|
|
|
|
j,mj |l,ml;s,ms |l,ml |s,ms |
|
|
|· |
|
eigenstates |
|
|
||||||||||||||
Gordan |
|
|
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|
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|
||||||||||||||||||||
|
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|
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|
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|
s |
|
|
|
l |
|
s |
|
j |
|
|
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|
|
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|
·|· |
Clebsch–Gordan |
|
||||||
coe cientsb |
|
|
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|
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|
l |
|
|
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|
|
coe cients |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
+m =m |
|
|
|
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|||||||||
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|
(4.136) |
|
|
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|
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|
||
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|
|
a |
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
bSumming spin and orbital angular momenta as examples, eigenstates |s,ms and |l,ml . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Or “Wigner coe cients.” Assuming no L–S interaction. |
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||
Magnetic moments |
|
|
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|||
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|||
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µB |
Bohr magneton |
|
|
|||
Bohr magneton |
|
µB = |
|
|
e¯h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.137) |
|
−e |
electronic charge |
|
|
|||||||||||||
|
|
2me |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
¯h |
|
(Planck constant)/(2π) |
||||||||||||
|
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|
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|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
me |
electron mass |
|
|
|||
Gyromagnetic |
|
γ = |
|
|
orbital magnetic moment |
(4.138) |
|
γ |
|
gyromagnetic ratio |
|
||||||||||||||||||||||
ratioa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
orbital angular momentum |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
||||||||||
Electron orbital |
|
γe = |
−¯hµB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.139) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
gyromagnetic |
|
|
|
|
|
|
−e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γe |
electron gyromagnetic ratio |
|||||||||||
ratio |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.140) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
2me |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Spin magnetic |
|
µe,z = −geµBms |
(4.141) |
|
µe,z |
z component of spin |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
magnetic moment |
|
|
|||||
moment of an |
|
|
|
= ±geγe |
|
|
|
|
|
|
(4.142) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
ge |
electron g-factor ( |
|
2.002) |
||||||||||||||||||||||
electronb |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gee¯h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
= ± |
|
|
|
|
|
(4.143) |
|
ms |
spin quantum number (±1/2) |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
4me |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
µJ |
total magnetic moment |
|||||
|
|
µJ = gJ |
|
|
|
|
|
J(J + 1)µB |
(4.144) |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
J,z = |
|
(J |
B |
m |
J |
(4.145) |
|
µJ,z |
z component of µJ |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
m |
|
magnetic quantum number |
||||||||||||||||||||||||||
Lande´ g-factorc |
|
µ |
|
|
|
|
|
− |
g µ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J(J + 1) + S(S + 1) − L(L+ 1) |
|
|
|
|
|
total, orbital, and spin |
|||||||||||||||||
|
|
gJ = 1 + |
|
|
J,L,S |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
quantum numbers |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2J(J + 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
(4.146) |
|
gJ |
Lande´ g-factor |
|
|
aOr “magnetogyric ratio.”
bThe electron g-factor equals exactly 2 in Dirac theory. The modification ge = 2 + α/π + ..., where α is the fine structure constant, comes from quantum electrodynamics.
cRelating the spin + orbital angular momenta of an electron to its total magnetic moment, assuming ge = 2.
4.5 Angular momentum |
101 |
|
|
Quantum paramagnetism
|
|
1 |
|
|
|
|
|
0.8 |
B∞(x) = L(x) |
|
|
|
|
0.6 |
|
||
|
|
0.4 |
B4(x) |
|
|
|
|
|
B1(x) |
|
|
|
|
0.2 |
B1/2(x) = tanhx |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
−10 |
−5 |
−0.2 |
5 |
x |
10 |
|
|
−0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−0.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
BJ (x) = |
2J + 1 |
|
|
(2J + 1)x |
1 |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
coth |
|
|
|
|
|
− |
|
coth |
|
|
|
|
(4.147) |
|
4 |
|||||||||
|
|
|
2J |
|
|
|
|
|
2J |
2J |
2J |
|
|
||||||||||||||||||
Brillouin |
|
|
|
|
|
|
J + 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BJ (x) |
Brillouin function |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
(x 1) |
|
|
|
J |
total angular momentum |
|
||||||||||||||||||||
|
B |
J (x) |
|
|
|
x |
(4.148) |
|
|
|
|
quantum number |
|
||||||||||||||||||
function |
|
3J |
L(x) |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
L |
(x) |
(J |
|
1) |
|
|
|
|
Langevin function |
|
||||||||||||||||
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.149) |
|
|
|
|
= cothx |
− |
1/x (see page 144) |
|
|||||||
|
|
|
x = tanhx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
1/2( |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
mean magnetisation |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
number density of atoms |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gJ |
Lande´ g-factor |
|
||||||
Mean |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
µBB |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.150) |
BB |
magnetic flux density |
|
|||||||||||||
magnetisationa |
M = nµBJgJ BJ JgJ kT |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
µ |
|
|
Bohr magneton |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
Boltzmann constant |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
M for isolated |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
µBB |
|
|
|
|
|
T |
temperature |
|
|||||||||||
spins |
(J = 1/2) |
M 1/2 = nµB tanh |
|
|
|
|
(4.151) |
M 1/2 mean magnetisation for |
|
||||||||||||||||||||||
kT |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J = 1/2 (and gJ = 2) |
|
|
aOf an ensemble of atoms in thermal equilibrium at temperature T , each with total angular momentum quantum number J.