• ベストアンサー
※ ChatGPTを利用し、要約された質問です(原文:なぜスピン関数は線形結合をとる必要があるのでしょうか?)

スピン関数の線形結合とは何なのか?なぜ必要なのか?

atomicmoleculeの回答

回答No.1

数学的、そして物理的両方からの説明が可能だと思います。 数学的なところからいうと、単なる積をとるだけでは回転の固有状態になっていないという事です。二つのスピンの合成で全体としてきまった大きさの角運動量の値をつくる必要があるという事です。 ↑↑、↓↓、↑↓+↓↑ の三種類は二つのスピンの合成した値が1の表現になっています。z成分のスピンが1,0、-1と異なっていますが、大きさは1です。そういった観点からこれらは3つは一つのファミリーです。 一方↑↓-↓↑は全体のスピンが0でz方向も当然0の状態です。上のファミリーとは性質が全然異なる状態ものです。 数学的には、最初に挙げた3つの状態は回転によって混ざります。最後の一つは回転しても変わらない、つまり他のものとは混ざらない波動関数です。 物理的な観点からいうと個々の電子のスピン状態よりも合成したスピンが状態が大事で、それによって束縛状態全体としての性質が決まります。つまり束縛状態の中では個々のスピン状態は見えなくて、それらの巧い重ねあわせだけが実現されることになります。 こんなところでなんとなく分ってもらえたでしょうか?

Jaica
質問者

お礼

丁寧な説明ありがとうございます。 少し分かってきました。 しかし、腑に落ちないことがあります。 上の3つの状態は回転によって混ざるか混ざらないかということは どうやれば分かるのでしょうか? 回転というのは角運動量で表される回転のことで良いのですよね? 上の3つの状態は三重項、下の1つの状態は一重項であるそうですが ↑↓+↓↑は三重項の1つでないように思うのですが。 三重項とはスピン2つが反平行に並んだもの(すわわち合成スピン数が1であるもの)であると思うのですが そうではないのでしょうか?

関連するQ&A

  • スピンの平行 反平行について

    電子スピン関数のとことを勉強していると、平行・反平行と言う言葉が出てきたのですが、一体どう違うのでしょうか? 反平行の対になったスピンを一重項といい、平行なスピンが作る状態が三重項のように書いてあったのですが。 自分は、αα、ββのようにひとつのスピン状態の場合を平行と言うのかなと思っていたのですが、これだと2つしかないし、スピン関数の線形結合まで出てきて 混乱してしまいます。 平行と反平行の定義みたいなものはあるのでしょうか? 反平行で対になっているとありますが、反平行だと必ず対になり角運動量が0になるのでしょうか? 時間がありましたら回答お願いします。

  • 量子化学:スピンについて

    当方理系大学生、量子化学初学者です。電子のスピンについてお伺いします。 類家正稔著「詳解量子化学の基礎」(第1版第1刷;p.139)には、電子の波動関数は座標変数rとスピン座標σによってΨ(r,σ)によって表すことができ、更にΨ(r,σ)は、軌道関数φ(r)とスピン関数Г(σ)によって、ψ(r,σ)=φ(r)*Г(σ)のように軌道関数とスピン関数の積として表されると書いてありました。同書で氏が述べるように、σはrとは本質的に異なるものですから、積としてψが得られることは分かります。 さてここからが問題なのですが、このように「rとは本質的に異なるσ」があり、「ψが積としてψが得られる」ということは、(多電子原子において電子間反発を無視すると、波動関数が個々の電子の積で表される、といった例のように、)ハミルトニアンにはσのみに依存する項があるということでしょうか?もしあるとすれば、それはどのような項なのでしょうか?個人的には、古典的ハミルトニアンを立式した後に対応原理によって量子力学的ハミルトニアンを立式するということを考えれば、ハミルトニアンにσに依存する項が現れるのだろうかと思うわけでありますが… 質問をもう一度纏めますと、 「ハミルトニアンにはσのみに依存する項があるか。あるならばそれはどのような項か。」 ということです。回答お待ちしております。

  • 分子軌道の波動関数と線形結合の問題

    2つの水素原子の波動関数をj1、j2とし、分子軌道の波動関数はj1とj2の線形結合と考える。線形結合には次の2種が考えられる。 φb = Nb (φ1 + φ2) φa = Na (φ1 - φ2) ここでNbとNaは係数であり、φbは結合の分子軌道関数である。 φaは反結合の分子軌道関数である。 式(I)の係数NbとNaを求めよ。 考えてもなかなか解決できません。どうかご回答お願いします。

  • フェルミ粒子と波動関数

    フェルミ粒子の波動関数はスレーター行列式で表されますが、これは波動関数の固有状態の積の形の線形結合で表されています。これはフェルミ粒子間の相互作用がない場合にしか成立しないと思うのですが、相互作用がある場合も成立するのでしょうか?

  • スピンについての2つの質問

    質問1 少し前に同じような質問があったのですが、私の知りたい回答は出ていなかったので、再度質問させていただきます。 2電子を考えたとき、両電子を合わせたスピン関数は、 電子の入れ替えに対して対称のときS=1、反対称のときS=0 となります(Sは合成スピンの大きさ)。 ここで質問なのですが、S=1、Sz=0という状態では、2つのスピンは、 平行、反平行、どちらでもない  のうち、どの状態になっているのでしょうか? また、スピン関数が対称であることと、スピンが平行であることは、同値なのでしょうか? 質問2 3d軌道に、電子を1つずつ入れていくこと考えます。 例えば、電子が2つのときは、フントの規則により、Sを最大の1にするように電子が入っていくため、2つのスピンは互いに平行になります。 ここで質問なのですが、教科書における3d電子配置の書き方では、スピンは上方向(あるいは下方向)に揃えて、2つの軌道に入っています。 しかし、このような教科書の書き方では、S=1に属する固有状態Sz=1、0、-1のうち、Sz=0は表現できないのではないでしょうか。 それとも、Sz=0は無視してしまっても良いという明快な理由があるのでしょうか?

  • 線形代数 基底

    こんにちは。 線形代数の基底の問題がわからず教えていただきたいです。 問題は、「次の式は、x と y とが一つに結合している。 これを、基底変換をすることで分離した形( X と Y )で表しなさい。 xy=1」という問題なのですが、わかりません。 教えてください。 よろしくお願いします。

  • 運動方程式って線形ですか

    何と言っていいかよくわからないのですが、多自由度系の普通の運動方程式 [M]x" + [C]x' + [K]x = f(t)があります([]はマトリクス)。 自由振動は外力ゼロの状態をいうのでf(t)=0として求めた固有値が固有角振動数及び減衰になります。この固有値が非線形パラメータだと書いてあるサイトがありますが意味が分かりません。 通常こういった形の式は2階線形の微分方程式と言われるので線形だと思っていました。しかし線形の条件はf(x+y)=f(x)+f(y)、c・f(x)=f(c・x)を満たすものとありますが、そうなっているのかどうかよくわかりません。 1.上記の運動方程式って非線形なのでしょうか? 2.上記の運動方程式が線形か非線形は「Cマトリクスがゼロの場合」「MKマトリクスの線形結合で表せる場合」「CマトリクスがMKマトリクスの線形結合で表せない場合」の3ケースで異なるのでしょうか?

  • 分布関数と状態密度関数について質問です。

    分布関数と状態密度関数について質問です。 以前、何かの固体物理学の本(具体的には忘れました。。)で、   d(F(E)D(E))/dE=0・・・(*)(分布関数と状態密度関数の積のエネルギー微分がゼロ) F(E)はフェルミの分布関数 が成り立つことを利用して式変形をしてありました。 その時は「ふーんそうなんだ」としか思っておりませんでしたが、 今になって、実際に、3次元ではD(E)は√Eに比例するとして、計算してみましたが、 (*)式が成り立ちませんでした。 (*)は成立つのでしょうか。成立つならその根拠、理由を教えてください。 また、ある条件下では成立つということも考えられるとおもいますが、そのような条件はありますでしょうか。 よろしくお願いいたします。

  • 混成軌道状態・結合

    sp,sp^2,sp^3という混成軌道状態というのがいまいち理解できません。 イメージとしてはpに何も入っていない状態がsp^1 →s軌道が最外郭 pに1つ入っている(1つスピンしている)状態がsp^2 2つ入っているのがsp^3と捉えているのですがこれであってますか?これだと分からないところが出てくるので違っていると思いますが。 また、σ結合,π結合・非共有電子対というのが、上が分からないので良く分かりません。 アドバイスお待ちしています。

  • 2つの関数の積を数値計算で解く

    時間tで微分すると、共にtの関数であるS(t)、I(t)の積の形で表せる関数F(t)を 数値計算で解きたいのですが、やり方がわかりません。 関数が1つだけの時のやり方はわかるのですが、関数が2つ、しかも積となるとお手上げで…。 式の形は dF(t)/dt=-αS(t)I(t)   (αは係数) となります。このような形の式を数値計算で解くやり方を解説しているページ、 または書籍をご存知の方がいらっしゃいましたらご教授願います。