7.5.3 Die Quantisierung von L

L^2Y=ℏ2l(l+1)Y

→|L|=ℓ(ℓ+1)ℏ

Wir werden noch sehen, dass m≤ℓ sein muss.

Lz,max=ℓℏ<|L|=ℓ(ℓ+1)ℏ

Kann L→ genau in z-Richtung zeigen?

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Welcher ist der kleinste mögliche Winkel, den Drehimpulsvektor für ℓ=3 mit z−Achse einschließen kann

ℓ=3⇒|L|=12ℏLz,max=3ℏcos⁡(ϑ)=Lz|L|=3ℏ12ℏ⇒ϑ=30∘

Bestimmung von Winkelwellenfunktion Θ(ϑ):

sin⁡(ϑ)∂∂ϑ(sin⁡(ϑ)∂Θ(ϑ)∂ϑ)+[ℓ(ℓ+1)sin2⁡(ϑ)−m2]Θ(ϑ)=0

Lösung: Zugeordnete Legendre-Funktionen (analog zu Multipolentwicklung)

Θ(ϑ)=APℓm(cos⁡(ϑ))Pℓm(x)≡(1−x2)|m|2(ddx)|m|Pℓ(x)

ℓ-te Legendre-Polynom definiert durch Rodriguez-Formel

Pℓ(x)≡12ℓℓ!(ddx)ℓ(x2−1)ℓBeispiele: P0(x)=1P1(x)=12ddx(x2−1)=xP2(x)=14⋅2(ddx)2(x2−1)2=12(3x2−1)

Pℓ(x) ist Polynom vom Grad ℓ

wenn ℓ gerade: Pℓ(x)=Pℓ(−x)

sonst: Pℓ(x)=−Pℓ(−x)

Pℓm(x) für m ungerade ⇒ Faktor 1−x2 in Funktion ⇒ kein Polynom

mit x=cos(θ) ⇒ Faktor 1−cos2⁡θ=sin⁡θ

Bsp.:

P0=1P1=xP2=12(3x2−1)P00(cos⁡(ϑ))=1P11(cos⁡(ϑ))=sin⁡(ϑ)P10(cos⁡(ϑ))=cos⁡(ϑ)P22(cos⁡(ϑ))=3sin3⁡(ϑ)P21(cos⁡(ϑ))=3sin⁡(ϑ)cos⁡(ϑ)P20(cos⁡(ϑ))=12(3cos2⁡(ϑ)−1)

ℓ muss nicht negativ und ganzzahlig sein wegen Ableitung in Rodriguez-Formel

Pℓm(x)=0 für |m|>ℓ,  m=−ℓ,−ℓ+1,...ℓ−1,ℓ

Da m-te Ableitung von ℓ-te Ordnung Polynom null ist wenn |m|>ℓ.

Normierung:

d3r=r2sin⁡(ϑ)drdϑdφ∫|Ψ(r,ϑ,φ)|2r2sin⁡(ϑ)drdϑdφ=∫|R(r)|2r2dr∫|Y(ϑ,φ)|2sin⁡(ϑ)dϑdφ=1∫0∞|R(r)|2r2dr=1∫02πdφ∫0πdϑ|Y(ϑ,φ)|2sin⁡(ϑ)=1

→ Normierungskonstante

⇒ Endergebnis: Normierte Kugelflächenfunktion

Yℓm(ϑ,φ)=(−1)m(2ℓ+1)4π(ℓ−|m|)!(ℓ+|m|)!⋅eimφPℓm(cos⁡(ϑ))

Orthogonal

∫02πdφ∫0πdϑ sin⁡(θ)Yℓm∗(ϑ,φ)Yℓ′m′(ϑ,φ)=δℓ,ℓ′δm,m′

es gilt außerdem:

Ylm=(−1)m(Ylm)∗

Beispiele:

Y00=(14π)12Y10=(34π)12cos⁡(ϑ)Y1±1=∓(38π)12sin⁡(ϑ)e±iφY20=(516π)12(3cos2⁡(ϑ)−1)Y2±1=∓(158π)12sin⁡(ϑ)cos⁡(ϑ)e±iφY2±2=(1532π)12sin2⁡ϑe±2iφ

 

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https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_harmonics#/media/File:Spherical_Harmonics.png

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