Составители:
2
xy
222 22
22
2
22 2
2
2
2
z
ˆˆ
[L ,L ] y z z x z x y z
zyxz xz zy
yyz yx z zx zy
xzxz yxyzxz
zxyxxz
xy z y zy
ˆ
yx iL.
xy
∂∂∂∂ ∂∂ ∂∂
∂∂∂∂ ∂∂ ∂∂∂∂∂∂ ∂∂ ∂∂
∂∂∂∂ ∂∂ ∂∂
=− − − − − − =
=− − − − − − ==− − − − − − =
=− − − − − − =
∂∂∂∂ ∂∂∂∂
∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂∂∂ ∂∂ ∂∂
∂∂∂∂ ∂∂∂∂
∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂
∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂
∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂
=− + − − + − +
=− + − − + − +=− + − − + − +
=− + − − + − +
∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂
∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂
∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂∂
∂∂∂∂
∂∂∂∂∂∂∂∂
∂∂∂∂
++−− =
++−− =++−− =
++−− =
∂∂ ∂ ∂ ∂∂
∂∂ ∂ ∂ ∂∂∂∂ ∂ ∂ ∂∂
∂∂ ∂ ∂ ∂∂
∂∂
∂∂∂∂
∂∂
=− − =
=− − ==− − =
=− − =
∂∂
∂∂∂∂
∂∂
!
!
!!
Точно так же можно получить коммутационные соотношения для других пар
операторов проекций момента импульса:
yz x zx y
ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ
[L ,L ] i L , [L ,L ] i L .
==
====
==
!!
Отсюда следует вывод: три проекции момента импульса
xyz
L,L,L
не могут быть
одновременно точно измерены.
Задача 8. Докажите, что оператор квадрата момента импульса
2
ˆ
L
коммутирует с
операторами
xy
ˆˆ
L,L
и
z
ˆ
L
.
Решение. По определению оператора
2
ˆ
L
,
2222
xyz
ˆˆˆˆ
LLLL.
=++
=++=++
=++
Следовательно,
2222
xxxyxzx
ˆˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆ
[L ,L ] [L ,L ] [L ,L ] [L ,L ].
=++
=++=++
=++
(3.8)
Для первого слагаемого в (3.8) находим
22233
x x xx xx x x
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆ ˆ
[L ,L ] L L L L L L 0.
= − =−=
= − =−== − =−=
= − =−=
Второе и третье слагаемые в (3.8) преобразуем, воспользовавшись
коммутационными соотношениями, полученными в задаче 7:
y
xzzx
y
ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ
[L ,L ] i L ,[L ,L ] i L .
=− =
=− ==− =
=− =
!!
С учетом этих соотношений
222
y x yx xy yyx yxy yxy xyy
yyx yxy yz zy
222
z x zx xz zzx zxz zxz xzz
zzx z
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ
[L,L ] LL LL LLL LLL LLL LLL
ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆ ˆˆ
L[L,L] [L,L]L i(LL LL),
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ
[L,L ] LL LL LLL LLL LLL LLL
ˆˆˆ ˆˆ
L[L,L ] [L,
=−= − + − =
=−= − + − ==−= − + − =
=−= − + − =
=+=−+
=+=−+=+=−+
=+=−+
=−= − + − =
=−= − + − ==−= − + − =
=−= − + − =
=+
=+=+
=+
!
xz zy yz
ˆˆˆˆˆ
L]L i(LL LL).
=+
=+=+
=+
!
Подставляя полученные выражения в (3.8), получаем
2
x
ˆˆ
[L ,L ] 0,
=
==
=
т. е. оператор
2
ˆ
L
коммутирует с оператором
x
ˆ
L
.
Аналогично доказывается коммутативность оператора
2
ˆ
L
с операторами
y
ˆ
L
и
z
ˆ
L
.
Таким образом, мы доказали, что квадрат момента импульса может быть
одновременно точно измерен только с одной из его проекций.
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ [ Lˆ x , Lˆ y ] = − ! 2 y − z z − x −z − x y − z = ∂z ∂y ∂x ∂z ∂x ∂z ∂z ∂y ∂ ∂2 ∂2 ∂2 ∂2 ∂2 = −! y 2 + yz − yx 2 − z 2 + zx − zy + ∂x ∂z ∂x ∂z ∂y∂x ∂y ∂z ∂x ∂z ∂2 ∂2 ∂ ∂2 +z2 + xy 2 − x − xz = ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂y ∂ ∂ ˆ = −!2 y −x = i !Lz . ∂x ∂y Точно так же можно получить коммутационные соотношения для других пар операторов проекций момента импульса: [ Lˆ y , Lˆ z ] = i !Lˆ x , [ Lˆ z , Lˆ x ] = i !Lˆ y . Отсюда следует вывод: три проекции момента импульса Lx , Ly , Lz не могут быть одновременно точно измерены. Задача 8. Докажите, что оператор квадрата момента импульса L̂2 коммутирует с операторами Lˆ x , Lˆ y и L̂z . Решение. По определению оператора L̂2 , Lˆ 2 = Lˆ 2x + Lˆ 2y + Lˆ 2z . Следовательно, ˆ2 , L [L ˆ ] = [L ˆ 2 , Lˆ ] + [ L ˆ 2 , Lˆ ] + [ L ˆ 2 , Lˆ ]. (3.8) x x x y x z x Для первого слагаемого в (3.8) находим [ Lˆ 2x , Lˆ x ] = L ˆ 2 Lˆ − L x x ˆ Lˆ 2 = Lˆ 3 − L x x x ˆ 3 = 0. x Второе и третье слагаемые в (3.8) преобразуем, воспользовавшись коммутационными соотношениями, полученными в задаче 7: [ Lˆ y , Lˆ x ] = − i !L ˆ , [ Lˆ , L z z ˆ ] = i !Lˆ . x y С учетом этих соотношений [ Lˆ 2y , Lˆ x ] = Lˆ 2y Lˆ x − Lˆ x Lˆ 2y = Lˆ y Lˆ y Lˆ x − Lˆ y Lˆ x Lˆ y + Lˆ y Lˆ x Lˆ y − Lˆ x Lˆ y Lˆ y = = Lˆ y [ Lˆ y , Lˆ x ] + [ Lˆ y , Lˆ x ] Lˆ y = − i !( Lˆ y Lˆ z + Lˆ z Lˆ y ), [ Lˆ 2z , Lˆ x ] = Lˆ 2z Lˆ x − Lˆ x Lˆ 2z = Lˆ z Lˆ z Lˆ x − Lˆ z Lˆ x Lˆ z + Lˆ z Lˆ x Lˆ z − Lˆ x Lˆ z Lˆ z = = Lˆ [ Lˆ , Lˆ ] + [ Lˆ , Lˆ ] Lˆ = i !( Lˆ Lˆ + Lˆ Lˆ ). z z x z x z z y y z Подставляя полученные выражения в (3.8), получаем ˆ2 , L [L ˆ ] = 0, x т. е. оператор L̂2 коммутирует с оператором L̂x . Аналогично доказывается коммутативность оператора L̂2 с операторами L̂y и L̂z . Таким образом, мы доказали, что квадрат момента импульса может быть одновременно точно измерен только с одной из его проекций.