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 M M M 表示粒子的质量,以区分于球谐函数 Y ℓ m Y_{\ell m} Y ℓ m 中的磁量子数 m m m ;并设粒子的电荷为 e e e 。
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 = 1 2 ∫ d 3 x x × J ( x ) \boldsymbol{\mu} = \frac{1}{2} \int d^3x \, \mathbf{x} \times \mathbf{J}(\mathbf{x}) μ = 2 1 ∫ d 3 x x × J ( 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:
J conv ( p ′ , p ) = e 2 M u ˉ ( p ′ ) ( p ′ + p ) u ( p ) \mathbf{J}_{\text{conv}}(p', p) = \frac{e}{2M} \bar{u}(p') (\mathbf{p}' + \mathbf{p}) u(p) J conv ( p ′ , p ) = 2 M e u ˉ ( p ′ ) ( p ′ + 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}'} x → i ∇ p ′ 作用在动量守恒的 δ \delta δ 函数上。通过分部积分,导数 ∇ p ′ \nabla_{\mathbf{p}'} ∇ p ′ 会作用在波包函数 f ∗ ( p ′ ) f^*(\mathbf{p}') f ∗ ( p ′ ) 上。具体地,提取出轨道贡献部分:
μ orb = i 2 ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E f ( p ) ∇ p ′ × [ 1 2 E ′ f ∗ ( p ′ ) e 2 M u ˉ ( 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}} μ orb = 2 i ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p f ( p ) ∇ p ′ × [ 2 E ′ 1 f ∗ ( p ′ ) 2 M e u ˉ ( p ′ ) ( p ′ + p ) u ( p ) ] p ′ = p
其中 E = p 2 + M 2 E = \sqrt{\mathbf{p}^2 + M^2} E = p 2 + M 2 。当 ∇ p ′ \nabla_{\mathbf{p}'} ∇ p ′ 仅作用于 f ∗ ( p ′ ) f^*(\mathbf{p}') f ∗ ( p ′ ) 时,利用 u ˉ ( p ) u ( p ) = 2 M \bar{u}(p)u(p) = 2M u ˉ ( p ) u ( p ) = 2 M ,该项化简为:
i e 2 ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E 1 E f ( p ) ( ∇ p f ∗ ( 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) 2 i e ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p E 1 f ( p ) ( ∇ p f ∗ ( p ) × p )
注意到动量空间的轨道角动量算符为 L = − i p × ∇ p \mathbf{L} = -i \mathbf{p} \times \nabla_{\mathbf{p}} L = − i p × ∇ p ,因此 ∇ p f ∗ × p = − p × ∇ p f ∗ = − i L f ∗ \nabla_{\mathbf{p}} f^* \times \mathbf{p} = - \mathbf{p} \times \nabla_{\mathbf{p}} f^* = -i \mathbf{L} f^* ∇ p f ∗ × p = − p × ∇ p f ∗ = − i L f ∗ 。代入上式并利用 L \mathbf{L} L 的厄米性,可得轨道磁矩的期望值为:
⟨ μ orb ⟩ = ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E f ∗ ( p ) ( e 2 E L ) 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}) ⟨ μ orb ⟩ = ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p f ∗ ( p ) ( 2 E e L ) f ( p )
这表明动量空间中的轨道磁矩算符为 μ orb = e 2 E L \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} = \frac{e}{2E} \mathbf{L} μ orb = 2 E e L 。
2. 计算给定波包的期望值
题目给定的波包形式为:
f ( p ) = N exp ( − a 2 p 2 2 ) Y ℓ m ( p ^ ) f(\mathbf{p}) = N \exp\left(-\frac{a^2 \mathbf{p}^2}{2}\right) Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) f ( p ) = N exp ( − 2 a 2 p 2 ) Y ℓ m ( p ^ )
其中 N N N 为归一化常数。波包的归一化条件为 ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E ∣ f ( p ) ∣ 2 = 1 \int \frac{d^3p}{(2\pi)^3 2E} |f(\mathbf{p})|^2 = 1 ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p ∣ f ( p ) ∣ 2 = 1 。
我们需要计算的期望值为:
⟨ μ orb ⟩ = ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E f ∗ ( p ) e 2 E L f ( p ) ∫ d 3 p ( 2 π ) 3 2 E ∣ 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} ⟨ μ orb ⟩ = ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p ∣ f ( p ) ∣ 2 ∫ ( 2 π ) 3 2 E d 3 p f ∗ ( p ) 2 E e L f ( p )
第一步:处理角向积分
角动量算符 L \mathbf{L} L 仅作用于角向部分 Y ℓ m ( p ^ ) Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) Y ℓ m ( p ^ ) 。在球坐标系下,L \mathbf{L} L 的三个分量在态 ∣ ℓ , m ⟩ |\ell, m\rangle ∣ ℓ , m ⟩ 下的期望值为:
⟨ Y ℓ m ∣ L z ∣ Y ℓ m ⟩ = m \langle Y_{\ell m} | L_z | Y_{\ell m} \rangle = m ⟨ Y ℓ m ∣ L z ∣ Y ℓ m ⟩ = m
⟨ Y ℓ m ∣ L x ∣ Y ℓ m ⟩ = ⟨ Y ℓ m ∣ L y ∣ Y ℓ m ⟩ = 0 \langle Y_{\ell m} | L_x | Y_{\ell m} \rangle = \langle Y_{\ell m} | L_y | Y_{\ell m} \rangle = 0 ⟨ Y ℓ m ∣ L x ∣ Y ℓ m ⟩ = ⟨ Y ℓ m ∣ L y ∣ Y ℓ m ⟩ = 0
因此,角向积分直接给出:
∫ d Ω Y ℓ m ∗ ( p ^ ) L Y ℓ m ( p ^ ) = m z ^ \int d\Omega \, Y_{\ell m}^*(\hat{\mathbf{p}}) \mathbf{L} Y_{\ell m}(\hat{\mathbf{p}}) = m \hat{\mathbf{z}} ∫ d Ω Y ℓ m ∗ ( p ^ ) L Y ℓ m ( p ^ ) = m 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 d 3 p = p 2 d p d Ω d^3p = p^2 dp \, d\Omega d 3 p = p 2 d p d Ω 。常数 N N N 和角向积分 ∫ d Ω ∣ Y ℓ m ∣ 2 = 1 \int d\Omega |Y_{\ell m}|^2 = 1 ∫ d Ω∣ Y ℓ m ∣ 2 = 1 在分子分母中相互抵消,得到纯径向的积分比值:
⟨ μ orb ⟩ = e 2 m z ^ ∫ 0 ∞ p 2 d p ( 2 π ) 3 2 E 1 E exp ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ p 2 d p ( 2 π ) 3 2 E exp ( − a 2 p 2 ) \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)} ⟨ μ orb ⟩ = 2 e m z ^ ∫ 0 ∞ ( 2 π ) 3 2 E p 2 d p e x p ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ ( 2 π ) 3 2 E p 2 d p E 1 e x p ( − a 2 p 2 )
消去公共的常数因子 1 2 ( 2 π ) 3 \frac{1}{2(2\pi)^3} 2 ( 2 π ) 3 1 ,最终表达式化简为:
⟨ μ orb ⟩ = e 2 m z ^ ∫ 0 ∞ d p p 2 E 2 exp ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ d p p 2 E exp ( − a 2 p 2 ) \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)} ⟨ μ orb ⟩ = 2 e m z ^ ∫ 0 ∞ d p E p 2 e x p ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ d p E 2 p 2 e x p ( − a 2 p 2 )
其中 E = p 2 + M 2 E = \sqrt{p^2 + M^2} E = 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 = 0 p=0 p = 0 附近,对应 a M ≫ 1 a M \gg 1 a M ≫ 1 )。此时积分主要由 p → 0 p \to 0 p → 0 贡献,能量可近似为静止质量 E ≈ M E \approx M E ≈ M 。
将 E ≈ M E \approx M E ≈ 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:
⟨ μ orb ⟩ ≈ e 2 M m z ^ \langle \boldsymbol{\mu}_{\text{orb}} \rangle \approx \frac{e}{2M} m \hat{\mathbf{z}} ⟨ μ orb ⟩ ≈ 2 M e m z ^
最终答案
轨道角动量对磁矩的精确贡献(期望值)为:
⟨ μ orb ⟩ = e m z ^ 2 ∫ 0 ∞ d p p 2 p 2 + M 2 exp ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ d p p 2 p 2 + M 2 exp ( − a 2 p 2 ) \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)} } ⟨ μ orb ⟩ = 2 e m z ^ ∫ 0 ∞ d p p 2 + M 2 p 2 exp ( − a 2 p 2 ) ∫ 0 ∞ d p p 2 + M 2 p 2 exp ( − a 2 p 2 )