Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

4.4 Hydrogenic atoms

95

 

 

Harmonic oscillator

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

 

(Planck constant)/(2π)

 

 

Schrodinger¨

¯h2 2ψn

 

1

 

 

2x2ψn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

mass

 

 

equation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

= Enψn

(4.67)

 

 

nth eigenfunction

 

 

2m

 

∂x2

 

2

 

ψn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

displacement

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Energy

En = n+

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.68)

 

n

 

integer ≥ 0

 

 

levelsa

 

2 ¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En

total energy in nth state

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

angular frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψn =

Hn(x/a)exp[−x2/(2a2)]

 

 

 

(4.69)

 

 

 

 

 

 

Eigen-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n!2n1/2)1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hn

Hermite polynomials

 

 

functions

 

 

 

 

 

 

 

 

a =

 

 

¯h

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Hermite

H0(y) = 1,

 

 

 

H1(y) = 2y,

 

 

 

H2(y) = 4y2 − 2

 

y

 

dummy variable

 

polynomials

Hn+1(y) = 2yHn(y) − 2nHn−1(y)

(4.70)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aE0 is the zero-point energy of the oscillator.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Hydrogenic atoms

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bohr modela

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rn

nth orbit radius

 

 

Quantisation

 

µr2Ω = n¯h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.71)

 

orbital angular speed

 

 

condition

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

principal quantum number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(> 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

Bohr radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0h2

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bohr radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

52.9pm

 

 

 

 

reduced mass ( me)

 

 

 

a0 =

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(4.72)

 

µ

 

 

 

πmee2

4πR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

electronic charge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

atomic number

 

 

Orbit radius

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.73)

 

h

Planck constant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rn = Z a0 µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

h/(2π)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En

total energy of nth orbit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µe4Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

Z2

 

 

 

 

Total energy

 

En =

 

 

 

=

 

 

 

R

 

 

hc

 

 

(4.74)

 

0

permittivity of free space

 

 

 

8 02h2n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

me n2

 

 

me

electron mass

 

 

Fine structure

 

 

 

 

 

 

 

µ0ce2

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

α

fine structure constant

 

 

constant

 

α =

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.75)

 

µ0

permeability of free space

 

 

 

 

2h

 

 

 

4π 0¯hc

137

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hartree energy

 

EH =

 

 

4.36 × 10−18 J

(4.76)

 

EH

Hartree energy

 

 

 

mea02

 

 

 

Rydberg

 

 

 

 

 

 

 

 

m

2

 

 

 

 

 

m

e4

 

 

 

 

 

 

E

H

 

 

 

R

Rydberg constant

 

 

constant

 

R=

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

e

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

(4.77)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2h

8h3 2c

2hc

 

c

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rydberg’s

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

λ

photon wavelength

 

 

formulab

 

 

 

 

= R

 

 

 

Z

2

 

 

 

(4.78)

 

mmn

 

 

 

 

λmn

me

 

 

 

n2

m2

 

integer > n

 

 

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

 

¯h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ze2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

memnuc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2Ψnlm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψnlm = EnΨnlm

 

 

 

with

µ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.79)

2µ

4π 0r

 

 

 

me + mnuc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eigenfunctions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψnlm(r,θ,φ) =

 

 

(nl − 1)!

 

 

 

 

 

1/2

 

 

2

 

 

 

3/2 xlex/2Ln2l+1l

 

(x)Ylm(θ,φ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.80)

 

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n(n+ l)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

with

a =

me

 

a0

,

 

 

 

 

x =

 

2r

,

 

 

 

 

 

 

and Ln2l+1l

 

(x) = nl−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(l + n)!(−x)k

 

 

 

 

 

 

 

µ Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k)!k!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− −1

 

 

 

(2l + 1 + k)!(n

l

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Total energy

 

 

 

 

 

 

 

 

En

=

 

 

 

 

 

 

 

µe4Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.81)

 

 

 

 

En

 

 

 

total energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 02h2n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

permittivity of free space

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

a

 

 

 

2

l(l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

Planck constant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

[3n

+ 1)]

 

 

 

 

 

(4.82)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

me

 

 

 

mass of electron

 

 

Radial

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

=

 

a2n2

[5n2 + 1 − 3l(l + 1)]

 

 

(4.83)

 

 

 

 

¯h

 

 

 

 

 

 

 

 

h/2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

reduced mass (

 

me)

expectation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mnuc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mass of nucleus

 

 

values

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/r =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.84)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψnlm

 

 

 

eigenfunctions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/r2

=

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.85)

 

 

 

 

Ze

 

 

 

charge of nucleus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2l + 1)n3a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

electronic charge

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 1,2,3,...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.86)

 

 

 

 

Lpq

 

 

 

associated Laguerre

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l = 0,1,2,... ,(n− 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.87)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

polynomialsc

 

 

 

 

 

Allowed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

classical orbit radius, n = 1

quantum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0,±1,±2,... ,±l

 

 

 

 

 

 

(4.88)

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

electron–nucleus separation

numbers and

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.89)

 

 

 

 

Y

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

harmonics

selection rulesb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

spherical

 

 

 

 

 

 

 

0h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l = ±1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.90)

 

 

 

 

a0

 

 

 

Bohr radius =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

± 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πmee2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0 or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.91)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a−3/2

 

r/a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a−3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

r/2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψ100 =

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ψ200 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −

 

 

!e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4(2π)1/2

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a−3/2 r

 

 

 

r/2a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 =

21/12

(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 =

21/12

(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 =

21/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] = abba (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+l2j

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1/2

5/2

 

 

+3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. .

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ +1/2

1

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +1/2

1

 

 

 

5/2 3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3 2×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 −1/2

1/4 3/4

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −1/2

1/5 4/5

 

 

+1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 +1/2

3/4 −1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +1/2

4/5 −1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/2 3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 −1/2

1/2 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 −1/2

 

2/5 3/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2

 

 

 

 

 

−1/2 +1/2

1/2 −1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+5/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +1/2

 

 

3/5 −2/5

 

 

 

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3/2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/2

 

+3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +1

 

1

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

+1

 

1

 

 

5/2 3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3 2×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 0

1/2 1/2

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 0

2/5 3/5

 

 

 

 

 

+1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +1

1/2 −1/2

 

2

 

1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 +1

3/5 −2/5

 

5/2 3/2 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 −1

 

1/6 1/2 1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 −1

 

1/10 2/5 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

2/3 0 −1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2 0

 

 

 

3/5 1/15 −1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 +1

 

1/6 −1/2 1/3

 

 

 

 

 

 

3/2 3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1/2 +1

 

3/10 −8/15 1/6

 

 

 

 

 

2

 

 

1

+3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ +3/2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3 2×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +1

 

1

 

3 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 +1/2

1/2 1/2

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 0

1/3 2/3

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 +3/2

1/2 −1/2

 

3

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +1

2/3 −1/3

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 −1/2

1/5 1/2 3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −1

 

1/15 1/3 3/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 +1/2

3/5 0 −2/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 0

 

8/15 1/6 −3/10

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1/2 +3/2

1/5 −1/2 3/10

 

 

3

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +1

 

6/15 −1/2 1/10

 

 

3

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3/2 −3/2

1/20 1/4 9/20 1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 −1

1/5 1/2 3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1/2 −1/2

9/20 1/4 −1/20 −1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

3/5 0 −2/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1/2 +1/2

9/20 −1/4 −1/20 1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 +1

1/5 −1/2 3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−3/2 +3/2

1/20 −1/4 9/20 −1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+7/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 3/2

7/2

 

 

 

+5/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +3/2

1

 

 

7/2 5/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

×

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +1/2

3/7 4/7

 

 

 

 

+3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

+3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +3/2

4/7 −3/7

7/2 5/2 3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −1/2

1/7 16/35 2/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 +1

1/2

1/2

 

 

 

+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +1/2

4/7 1/35 −2/5

 

 

 

 

+1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +2

1/2 −1/2

 

4

 

 

 

3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +3/2

2/7 −18/35 1/5

 

 

 

7/2

 

5/2 3/2 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 0

 

3/14 1/2 2/7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −3/2

1/35 6/35 2/5 2/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 +1

 

4/7 0 −3/7

 

 

 

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 −1/2

12/35 5/14

 

 

 

 

0 −3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +2

 

3/14 −1/2 2/7

 

4

 

 

3

 

 

2

 

1

 

 

 

0 +1/2

18/35 −3/35 −1/5 1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −1

1/14 3/10 3/7

1/5

 

 

 

−1 +3/2

4/35 −27/70 2/5 −1/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 0

3/7 1/5 −1/14 −3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 +1

3/7 −1/5 −1/14 3/10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 +2

1/14 −3/10 3/7 −1/5

 

4

 

 

3

 

 

 

2

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2 −2

1/70 1/10 2/7 2/5 1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+1 −1

8/35 2/5 1/14 −1/10 −1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

18/35 0 −2/7 0

 

1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1 +1

8/35 −2/5 1/14 1/10 −1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−2 +2

1/70 −1/10 2/7 −2/5 1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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+l2j 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 ¯j,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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

l

 

s

 

j

 

 

 

 

 

 

 

·|·

Clebsch–Gordan

 

coe cientsb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

coe cients

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

+m =m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.136)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bSumming spin and orbital angular momenta as examples, eigenstates |s,ms and |l,ml .

 

 

Or “Wigner coe cients.” Assuming no LS interaction.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Magnetic moments

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µB

Bohr magneton

 

 

Bohr magneton

 

µB =

 

 

e¯h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.137)

 

e

electronic charge

 

 

 

 

2me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯h

 

(Planck constant)/(2π)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

me

electron mass

 

 

Gyromagnetic

 

γ =

 

 

orbital magnetic moment

(4.138)

 

γ

 

gyromagnetic ratio

 

ratioa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

orbital angular momentum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(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 = BJgJ BJ JgJ kT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

Bohr magneton

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

Boltzmann constant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M for isolated

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µBB

 

 

 

 

 

T

temperature

 

spins

(J = 1/2)

M 1/2 = B 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.