научная статья по теме РАДИАЛЬНЫЕ МАТРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АППАРАТ УГЛОВОГО МОМЕНТА Физика

Текст научной статьи на тему «РАДИАЛЬНЫЕ МАТРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АППАРАТ УГЛОВОГО МОМЕНТА»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 1, с. 3-7

СТЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

УДК 539.142

РАДИАЛЬНЫЕ МАТРИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АППАРАТ УГЛОВОГО МОМЕНТА

© 2015 г. Д. А. Варшалович, А. В. Карпова

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия

E-mail: annakarpova1989@gmail.com Поступила в редакцию 27.01.2014 г.

Для водородных волновых функций показано, что радиальные матричные элементы типа ^n\\rk\n\ ') можно выразить через коэффициенты Клебша—Гордана, характеризующие связь угловых моментов l и \', но в нефизической области их аргументов.

DOI: 10.7868/S0030403415010249

Рассмотрим матричный элемент, представляющий собой интеграл

ад

(п1\гк\пГ) = \гкЯп1Яп1г 2йг, (1)

где ЯпГ и Яп1 — радиальные функции атома водорода, выражающиеся через обобщенные полиномы Лагерра ^ Щ [1]:

Rni - 2.

n

F-Щ-r/n (2r) Jfä (2r \[{n+1)!]3 ы n+i[~n

(2)

где

fk _ Jll' -

п, к +10) в нуль не обращается. (Доказательство соотношения (3) приведено в Приложении.)

Аналогичное соотношение выполняется и для матричных элементов отрицательных степеней г:

(nl|r k\nl') =

2n

n\~k f-k(injl'n,k - 2 0)

2) 11 72Г+1 '

(4)

где

f -k -Jir —

1/2

Матричные элементы (1) вещественны и не зависят от перемены местами начального и конечного состояний.

Общее выражение для матричных элементов дано в Приложении, где показано, что эти матричные элементы можно выразить через коэффициенты Клебша—Гордана, характеризующие связь угловых моментов I и I', но в нефизической области их аргументов.

Зависимость матричных элементов (1) от п, I, I' и к может быть представлена в следующем виде:

км(3)

"(к +1 -А)! (к +1 + А)! (/ + /'+ к + 2)!п1/2

(к +1)! (к +1)! (( + /'- к -1)!

А = /-/'> 0, {1Н\Гп,к + 10) = С /п,к+10 — выражение для коэффициентов Клебша—Гордана, но в нефизической области своих аргументов, когда не выполняется так называемое "условие треугольника" и "проекции" моментов I и I' больше самих моментов. Сам коэффициент Клебша—Гордана при этом обращается в нуль, но произведение

(к - 2)! (к - 2)! (/ + /'- к + 2)! (к - 2 -А)! (к - 2 + А)! (( + /'+ к -1)!

А = /-/'> 0.

Такого рода связь между диагональными элементами (п/\ гк\ п/^1 и коэффициентами Клебша—

Гордана была отмечена ранее в работе [2]. В настоящей работе получено более общее соотношение для матричных элементов, недиагональных по I.

Заметим, что коэффициент (¡п\Гп,(к + 1) 0) при

(к + 1) < 0 переходит в (-1)(,п\/'п,(-к - 2) 0 [3, 4],

а факторы /кг в /ак, если учесть, что (—а)!/(—Ь)! = = (-1)Ь - а(Ь + 1)!/(а + 1)!.

Матричный элемент (п/\гк\п/'^ при четном значении А положителен, а при нечетном значении А его знак зависит от того, положительна или отрицательна степень г. Коэффициенты Клебша— Гордана вещественны при четных значениях А и мнимы при нечетных.

В таблице приведены выражения матричных элементов (п/\гк\п/и их связь с коэффициентами Клебша—Гордана для ряда значений А и к.

Приведем также выражения, связывающие матричные элементы с положительными и отри-

о

к

1

<-ч + 1

1 +

к к

4—( 4—(

+ 1 +

<"Ч 5; к

,—^ ,—^

1 + 1 <-ч +

<-ч <-ч <-ч <-ч

оо к чо сл к

к

+

К оо

К

I

к

X

1

т 1 сч 1

— — —

<-ч '—1

+ 1 +

<-ч <-ч <-ч

4—( 4—( 4—(

<-ч к

I

—V ,-—)

<-ч 1 + т 1 <-ч +

____ ----

сч <-ч <-ч сч

4—(

<-ч

к £

->

сч 1 + 1 сч + 1 +

____

сч сч сч сч сч <-ч

4—(

К |ТП [ТО

? оо

к

у—^ —V

1 т +

<-ч <-ч

4—( ^_(

оо

К

о к

к

о

к т

чо

; I

о

^ <2 ? к

о

с ^

К сч

к

; I

1 +

1 <"Ч т +

__!

+ +

чо К О т

,—^ ,—^ ^—^

1 <-ч + СЧ 1 + т 1 +

---- ---- ----

<"Ч сч <"Ч сч <-ч сч

4—( ч^ 4—( ч^ 4—(

оо т чо 1П

чо

г к

К X

4

сч

о

цательными степенями. Для диагональных эле- аналогичен тому, что используется в [1] для расче-ментов с А = 0:

(5)

{п/\АпI) _ М2к+3 (2/ + к + 2)!

(п/\г-к+3)\п1) " \2) (2/ - к -1)!' В частности,

(п/\г"Ч = п 1/ +1)

(п/\ г -2\п/) I 2/'

^ ■ "С + ) +1),

¡0) - п1'«'+')(/ - 2)(/+2)(/+2), Щ - п <' -+ "<'+2)(/ - 2)(/+2)(/+3)

Для недиагональных элементов с А = 1:

(п/\гк\п/ -1 _ -(п)2к+3 (2/ + к +1)! (п/\г-(к+3)\п/ -1 _ (2) (( - к - 2)!. В частности,

К°\п/ -1 =-2п31 (/ _ 1)(/ (п/\г~3\п/ - 1) I 2/1

та (п/ - 1\гк\п!). В интеграле

да

I Кп/'Кп/г аг ж Iе х ьп+/ (х)ьп+/' (х)йх,

(х = 2г / п),

заменяем один из полиномов Лагерра его выражением через производящую функцию

т2/+1, ч (п + /) ! Х -21 -1/ й

1п+/ (х) = , е Х I —

\ах,

п-/-1

-х п+1

е х .

(п - / -1)!

После (п - / - 1)-кратного интегрирования по частям получим интеграл вида

Г -х п+/( й У к+1-(-/ ')т 2/ +1, ч ,

I е х (() х 'Ьп+Г(х)йх,

0

в котором заменяем полином Лагерра его явным 3\ выражением согласно формуле

1(х)=(-1)2/,+1 [(п+/') !]2 х

«-/'-1

х

(-х)

(6)

=0 г!(21'+1 + г)!(п - / -1 - г))

г=0

после чего приходим к сумме интегралов вида

ах. (7)

-ххп+/ (()-1 хг+к+Н'-/Х

0

йх

= - 3 п5 ( -1)/(/ +1)(/ -1)(/ +1),

(п/\г \п/ -1 2 v ' v 2)\ 2.'

{п/\г2\п/ -11 = {п/\г~5\л/ -11 =

4п'« - "С+')(/ - §(' -2)(/+2)(/+2).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Докажем формулу (3). Используемый нами метод вычисления матричного элемента (п^г1"\п/

Эти интегралы будут отличны от нуля при г + к +1 - (/ - /') > п - / -1 или г > п - / -1 - (к +1). Дифференцирование по х дает следующий результат:

й У--1 г+к+1-(-Г) _ (г + к + 1 - (/ - Г)) ! г+к+1-п+Г+1

(а)

\йх!

ах (г + к +1 - п + /' +1)!

Таким образом, приходим к простому интегра-

лу вида

Г-х п+/ г+к+1-п+/ +1

е х х

йх = ( + /'+ к + 2 + г)!.

В результате искомый матричный элемент имеет вид:

0

ад

0

мАпъ = (-l)«+/+2/'+1 -1, ( - /'-1)! +/,)!

А'(и - / -1)! (п + /)! ( л\г ( , 1 , 1 п 1

х

х n-l'-1 (-1)г (г + к +1 - (/ - /'))!(( + Г + к + 2 + г)!

=п_г_Нк1)г!(2/' +1 + г)!(п - Г -1 - г)!(г + к +1 - п + Г +1)!

Переобозначив переменную суммирования г ^ г - (п -Г'-1 - (к + 1)) получим

к+1 I

г=0

(При вычислении интеграла (7) полагалось, что г + к + 1 - (Г -Г') >-1, иначе возникает вторая сумма. При к < -1 и I -1' > к + 2 только вторая сумма и дает вклад в интеграл. В таком случае выполняется формула (4)).

Матричные элементы и коэффициенты Клеб-ша—Гордана можно выразить через обобщенные

гипергеометрические функции. Для (п1\гк\п1 имеем

МЛ,,.).нУ-м (п)к+'(-'-0'( + '■)',

V ' п2\2! )(п -Г -1)! (п + /¡!

_(-1)г+к+1 (п +1 + г¡!(п -Г -1 + г¡!_

=0г!(к +1 - г¡!(п + Г + г - (к +1))!(п - Г -1 + г - (к +1))!'

1п1\Ап1) = (-1)^+1J2(п)к+1 ( -Г1)!(п +1')!:

\ / 1 ; пЛ2) Ч(п -Г -1)! (п +Г)!

( +Г'- к -1)!(п -Г '- к - 2)!(к +1)) ' (п +Г)!(п -Г -1)! п -Г, п +Г +1, -к -1

3-*2

п -Г'- к, п -Г'- к -1

Для коэффициентов Клебша—Гордана получим выражение, используя формулу Вигнера (например, [3]):

(!п\Г п, к +10 = V 21 +1

[(( + п)!(( -п)!

■к+1+Г-Г

I

(к +1 - (( - Г'))!(к +1 + (( - Г'))! (( + Г' - к -1)! (к +1)! (к +1)! (( + Г' + к + 2)!

(-1)г+к+1 (Г + п - г + к +1)!(,' - п + г)!

1/2

((' + п)! (('-п)! ^ г! (к +1 + Г - Г - г)! (( + п - г)! ((' - п + г - к -1)!

Данное выражение содержит факториалы от целых отрицательных чисел, так как Г, Г' < п. Однако такие факториалы входят в числитель и знаменатель парами, и можно использовать следующее [4]:

В = Ь-а ЁЗ ^ (=2)1 = М^« (Ы!)

\Н)! № = 1)! (=Ь)! ( 1 (а = 1)!.

С помощью этого соотношения мы избавляемся от "плохих" факториалов:

(Гп\Г'п, к +10 = >/27+1 (-1)Т X '(к +1 - (( - Г'))!(к +1 + (( - Г')) ! (( + Г'- к -1)!'

(к +1)!

(к +1)! (( + Г'+ к + 2)!_

1/2

(п -Г~1)!(п +1)! .

1(п - Г -1)!(п + Г')!

х к+1-Г' (-1)г+к+1 (Г + п - г + к +1)!(п - Г'- г + к)! Х 1 г!(к +1 + Г - Г'- г)!(( + п - г)!(п - Г - г -1))

Переобозначим переменную суммирования г ^ к + 1 + Г - Г'- г, а затем выразим коэффициенты Клебша—Гордана через обобщенную гипергеометрическую функцию

Г-Г'

(Гп\Г'п, к + 1 0 = >/2Г+1 (-1) +1 X

(к +1 - (/ - Г'))!(к +1 + ((- Г'))! (( + Г' - к -1)! (к +1)! (к +1)! (( + Г' + к + 2)!

к+1+Г -Г'

X I

1/2

1(п - Г' -1)!(п + Г)!

г=0

\1(п - Г -1)!(п + Г')!

_(-1)г (Г + п + г)!(п - Г -1 + г)!_=

г!(к +1 + Г - Г - г)!((' + п + г - к -1)!(п - Г -1 + г - к -1)! =

х

i -i'

^л/2/Tl(-1)Т (-1)1 -l'

-l +k+1

(k +1 -((-1'))!(k +1 + ((-1'))! ((+1' -k -1)!"

(k +1)!

(k +1)! ((+1' + k + 2)!_

1/2

l(n -1'-1)!(n +1)!

'((- Г + k +1)!(n +1' - k -1)!(n -1 - k - 2)!'

J(n -1 -1)!(n +1')!

X 3F2

(n -1 -1)!(n +1')! fn -1, n +1' +1, -l +1' - k -1 n +1' - k, n -1 - k -1

11.

Преобразуем обобщенные гипергеометрические функции с помощью следующего соотношения, приведенного в [5]:

a, b, c

e, f

_ Г(е)Щ)Г^)

e — a, f — a, s Г(а)Г(5 + b)r(s + c)3 2 ^s + b, s + c s _ e + f — а — b — c, s Ф 0.

Используя это выражение, найдем, что

{nl\rk\nl') X Г+l' - k)Г(n -1'- k -1) Г(-k -1) X

X 3 F2

11 =

Г(n - 1)Г(n +1 - k)Г(-2k - 2) (n -1, n +1 +1, -k -1 чn -1' - k, n -1' - k -1 = Г(n +1' - k)Г(n -1' - k - 1)Г(2k + 3) = Г(n - 1)Г(n +1 - k)Г(k + 2) ' (l +1' - k, l - Г - k -1, -k -1

x 3F2

n + l - k, -2k - 2

11,

<ln\l'n, k +10 « Г(n + Г - k)Г(n -1 - k - 1)Г((-1' - k -1)

X 3F2

11 =

Г(n -1)Г(n +1 - k)r(-2k - 2) fn -1, n + Г +1, -l + Г - k -1 n +1' - k, n -1 - k -1 Г(n +1' - k)Г(n -1 - k - 1)Г(2k + 3) Г(n -1)Г(n +1 - k)Г(k + 2 -1 +1') f l +1' - k, l -1' - k -1, -k -1 n +1 - k, -2k - 2

x 3F2

Отсюда видно, что матричные элементы и коэффициенты Клебша—Гордана выражаются через одну и ту же обобщенную гипергеометрическую функцию. Разделив одно выражение на другое, можно найти искомое соотношение.

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 14-12-00955.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика, М.: Физматлит, 2002. С. 225.

2. Варшалович Д.А., Херсонский В.К. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1979. Т. 22. № 10. С. 2099.

3. Варшалович Д.А., Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Л.: Наука, 1975.

4. Бандзайтис А.А., Каросене А.В., Савукинас А.Ю. и др. // Докл. АН СССР. 1964. Т. 154. № 4. С. 812.

5. Люк Ю. Специальные математические функции и их аппроксимации. М.: Мир, 1980. С. 174.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком