64.1

Problem 64.1

srednickiChapter 64

习题 64.1

来源: 第64章, PDF第385页


64.1 Let the wave packet be f(p)∼exp⁡(−a2p2/2)Yℓm(p^)f(\mathbf{p}) \sim \exp(-a^2 \mathbf{p}^2 / 2) Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}), where Yℓm(p^)Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) is a spherical harmonic. Find the contribution of the orbital angular momentum to the magnetic moment.

习题 64.1 - 解答


为了求解该波包的轨道角动量对磁矩的贡献,我们需要在动量空间中计算轨道磁矩算符的期望值。为避免符号混淆,下文中用 MM 表示粒子的质量,以区分于球谐函数 YℓmY_{\ell m} 中的磁量子数 mm;并设粒子的电荷为 ee。

1. 轨道磁矩算符的推导

在量子场论中,波包的磁矩定义为空间电流分布的期望值: μ=12∫d3x x×J(x)\boldsymbol{\mu} = \frac{1}{2} \int d^3x \, \mathbf{x} \times \mathbf{J}(\mathbf{x}) 利用 Gordon 分解,Dirac 粒子的电磁流在动量空间中可以分解为对流(轨道)部分和自旋部分。对流部分对应的流矩阵元为: Jconv(p′,p)=e2Muˉ(p′)(p′+p)u(p)\mathbf{J}_{\text{conv}}(p', p) = \frac{e}{2M} \bar{u}(p') (\mathbf{p}' + \mathbf{p}) u(p) 将流算符代入磁矩定义,并利用 x→i∇p′\mathbf{x} \to i \nabla_{\mathbf{p}'} 作用在动量守恒的 δ\delta 函数上。通过分部积分,导数 ∇p′\nabla_{\mathbf{p}'} 会作用在波包函数 f∗(p′)f^*(\mathbf{p}') 上。具体地,提取出轨道贡献部分: μorb=i2∫d3p(2π)32Ef(p)∇p′×[12E′f∗(p′)e2Muˉ(p′)(p′+p)u(p)]p′=p\boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = \frac{i}{2} \int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} f(\mathbf{p}) \nabla_{\mathbf{p}'} \times \left[ \frac{1}{2E'} f^*(\mathbf{p}') \frac{e}{2M} \bar{u}(p') (\mathbf{p}'+\mathbf{p}) u(p) \right]_{\mathbf{p}'=\mathbf{p}} 其中 E=p2+M2E = \sqrt{\mathbf{p}^2 + M^2}。当 ∇p′\nabla_{\mathbf{p}'} 仅作用于 f∗(p′)f^*(\mathbf{p}') 时,利用 uˉ(p)u(p)=2M\bar{u}(p)u(p) = 2M,该项化简为: ie2∫d3p(2π)32E1Ef(p)(∇pf∗(p)×p)\frac{i e}{2} \int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} \frac{1}{E} f(\mathbf{p}) \left( \nabla_{\mathbf{p}} f^*(\mathbf{p}) \times \mathbf{p} \right) 注意到动量空间的轨道角动量算符为 L=−ip×∇p\mathbf{L} = -i \mathbf{p} \times \nabla_{\mathbf{p}},因此 ∇pf∗×p=−p×∇pf∗=−iLf∗\nabla_{\mathbf{p}} f^* \times \mathbf{p} = - \mathbf{p} \times \nabla_{\mathbf{p}} f^* = -i \mathbf{L} f^*。代入上式并利用 L\mathbf{L} 的厄米性,可得轨道磁矩的期望值为: ⟨μorb⟩=∫d3p(2π)32Ef∗(p)(e2EL)f(p)\langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle = \int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} f^*(\mathbf{p}) \left( \frac{e}{2E} \mathbf{L} \right) f(\mathbf{p}) 这表明动量空间中的轨道磁矩算符为 μorb=e2EL\boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = \frac{e}{2E} \mathbf{L}。

2. 计算给定波包的期望值

题目给定的波包形式为: f(p)=Nexp⁡(−a2p22)Yℓm(p^)f(\mathbf{p}) = N \exp\left(-\frac{a^2 \mathbf{p}^2}{2}\right) Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) 其中 NN 为归一化常数。波包的归一化条件为 ∫d3p(2π)32E∣f(p)∣2=1\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} |f(\mathbf{p})|^2 = 1。

我们需要计算的期望值为: ⟨μorb⟩=∫d3p(2π)32Ef∗(p)e2ELf(p)∫d3p(2π)32E∣f(p)∣2\langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle = \frac{\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} f^*(\mathbf{p}) \frac{e}{2E} \mathbf{L} f(\mathbf{p})}{\int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} |f(\mathbf{p})|^2}

第一步:处理角向积分 角动量算符 L\mathbf{L} 仅作用于角向部分 Yℓm(p^)Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}})。在球坐标系下,L\mathbf{L} 的三个分量在态 ∣ℓ,m⟩|\ell, m\rangle 下的期望值为: ⟨Yℓm∣Lz∣Yℓm⟩=m\langle Y_{\ell m} | L_z | Y_{\ell m} \rangle = m ⟨Yℓm∣Lx∣Yℓm⟩=⟨Yℓm∣Ly∣Yℓm⟩=0\langle Y_{\ell m} | L_x | Y_{\ell m} \rangle = \langle Y_{\ell m} | L_y | Y_{\ell m} \rangle = 0 因此,角向积分直接给出: ∫dΩ Yℓm∗(p^)LYℓm(p^)=mz^\int d\Omega \, Y_{\ell m}^*(\hat{\mathbf{p}}) \mathbf{L} Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) = m \hat{\mathbf{z}}

第二步:处理径向积分 将角向积分结果代入期望值表达式,并在球坐标下展开动量测度 d3p=p2dp dΩd^3p = p^2 dp \, d\Omega。常数 NN 和角向积分 ∫dΩ∣Yℓm∣2=1\int d\Omega |Y_{\ell m}|^2 = 1 在分子分母中相互抵消,得到纯径向的积分比值: ⟨μorb⟩=e2mz^∫0∞p2dp(2π)32E1Eexp⁡(−a2p2)∫0∞p2dp(2π)32Eexp⁡(−a2p2)\langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle = \frac{e}{2} m \hat{\mathbf{z}} \frac{\int_0^\infty \frac{p^2 dp}{(2\pi)^3 2E} \frac{1}{E} \exp(-a^2 p^2)}{\int_0^\infty \frac{p^2 dp}{(2\pi)^3 2E} \exp(-a^2 p^2)} 消去公共的常数因子 12(2π)3\frac{1}{2(2\pi)^3},最终表达式化简为: ⟨μorb⟩=e2mz^∫0∞dpp2E2exp⁡(−a2p2)∫0∞dpp2Eexp⁡(−a2p2)\langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle = \frac{e}{2} m \hat{\mathbf{z}} \frac{\int_0^\infty dp \frac{p^2}{E^2} \exp(-a^2 p^2)}{\int_0^\infty dp \frac{p^2}{E} \exp(-a^2 p^2)} 其中 E=p2+M2E = \sqrt{p^2 + M^2}。

3. 物理极限分析(非相对论极限)

作为物理检验,考虑非相对论极限(即波包在动量空间极度局域化于 p=0p=0 附近,对应 aM≫1a M \gg 1)。此时积分主要由 p→0p \to 0 贡献,能量可近似为静止质量 E≈ME \approx M。 将 E≈ME \approx M 提出积分号外,分子分母的积分完全抵消,我们自然恢复了经典的非相对论轨道磁矩公式: ⟨μorb⟩≈e2Mmz^\langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle \approx \frac{e}{2M} m \hat{\mathbf{z}}

最终答案

轨道角动量对磁矩的精确贡献(期望值)为: ⟨μorb⟩=emz^2∫0∞dpp2p2+M2exp⁡(−a2p2)∫0∞dpp2p2+M2exp⁡(−a2p2)\boxed{ \langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle = \frac{e m \hat{\mathbf{z}}}{2} \frac{\int_0^\infty dp \frac{p^2}{p^2 + M^2} \exp(-a^2 p^2)}{\int_0^\infty dp \frac{p^2}{\sqrt{p^2 + M^2}} \exp(-a^2 p^2)} }