Derivación del operador de momento angular

Estaba leyendo un libro sobre mecánica cuántica teórica y los autores introdujeron el operador de momento angular (orbital) como el operador que genera rotaciones alrededor de un eje (arbitrario). Para ello, primero demostraron que cualquier matriz rotacional correspondiente a una rotación de ángulo theta alrededor de un eje e puede escribirse como:

R ( mi , ϑ ) = Exp [ ϑ Ω mi ] ,

dónde Ω es una matriz sesgada simétrica.

Luego procedieron a examinar cómo un operador unitario correspondiente a una rotación actúa sobre la función de onda y finalmente relacionaron los dos usando la fórmula:

ψ ( mi ϑ Ω mi X ) = ( I ^ ϑ Ω mi X + ϑ 2 2 ! ( Ω mi X ) 2 ) ψ ( X ) + (27.82) = ( mi ϑ ( Ω mi X ) ψ ) ( X ) .

que pidieron al lector que probara. He estado tratando de probar el resultado (simplemente diferenciando el lado izquierdo de la ecuación con respecto a theta) durante bastante tiempo, pero desafortunadamente no estoy llegando a ninguna parte. Tal vez es solo un simple truco que me estoy perdiendo.

De todos modos, estaría agradecido por cualquier sugerencia o pista.

Respuestas (1)

La cuestión es que verificar esto en coordenadas cartesianas a mano puede complicarse muy rápido. Si realmente quiere hacerlo, puede probar las coordenadas esféricas y considerar solo una rotación alrededor del z eje. Entonces la rotación Exp [ ϑ Ω z ] aplicado en X , con ( Ω z ) i j = ε i j 3 y X = r { pecado θ porque ϕ , pecado θ pecado ϕ , porque θ } , simplemente hace ϕ ϕ + ϑ . Entonces su declaración se puede escribir como

ψ ( r , θ , ϕ + ϑ ) = Exp [ ϑ ϕ ] ψ ( r , θ , ϕ ) ,
que es solo una expansión de Taylor.

Entonces puede argumentar que esto cubre el caso general, ya que uno puede usar un sistema de coordenadas adaptado a la rotación de modo que el eje de rotación coincida con el z eje. Esto se basa en el hecho de que cualquier rotación se puede escribir en la parametrización del eje del ángulo.