• Nie Znaleziono Wyników

Spinory sferyczne to funkcje pojawiające się podczas separacji równania Diraca dla pola cen-tralnego [61–65]. Opisują one część kątową funkcji falowej elektronu w relatywistycznym atomie jednoelektronowym, można je zatem traktować jako odpowiedniki harmonik sferycznych (uzupeł-nienie A.2). Definiujemy je jako dwuskładnikowe funkcje wektora jednostkowego nr, a więc także kątów θ oraz ϕ sferycznego układu współrzędnych:

κµ(nr) =

zaś Ylm(nr) to zespolona harmonika sferyczna, omówiona w poprzednim podrozdziale. Zgodnie z definicją (A.26), w niniejszej pracy spinory sferyczne będziemy indeksować przy pomocy dwóch

21Podrozdział A.3 oparto na pracach [93, 100, 101].

liczb kwantowych: κ oraz µ. Niekiedy wykorzystuje się inny, równoważny sposób oznaczania tych funkcji za pomocą trzech liczb j, l oraz µ, przy czym

j = |κ| − 1

2, (A.28)

liczba l została zdefiniowana wzorem (A.27), natomiast µ przyjmuje wartości wyszczególnione bez-pośrednio po definicji (A.26). Liczbę κ (nazywaną czasem kombinowaną liczbą kwantową operato-rów parzystości i momentu pędu) można określić jednoznacznie, posługując się liczbami j oraz l;

odpowiednia relacja ma postać:

κ = (l − j)(2j + 1). (A.29)

W rozdziale piątym niniejszej rozprawy pojawia się kwestia określenia parzystości wyrażenia lκ+ lκ0 dla dwóch przypadków:

1. gdy κ0 = κ, 2. gdy κ0 = −κ ± 1.

O ile w pierwszym przypadku sprawa jest oczywista (rozpatrywane wyrażenie wynosi 2lκ i jest liczbą parzystą), o tyle druga możliwość wymaga krótkiego komentarza. Mianowicie, korzystając z zależności (A.27), możemy zapisać

l−κ−1=

−κ −1 2

1 2 =

( κ dla κ > 0

−κ − 1 dla κ < 0 (A.30)

oraz

l−κ+1 =

−κ +3 2

1 2 =

( κ − 2 dla κ > 0

−κ + 1 dla κ < 0, (A.31)

przy czym uwzględniono tutaj fakt, iż liczba κ nigdy nie przyjmuje wartości zero. Biorąc pod uwagę równania (A.27), (A.30) oraz (A.31), dostajemy

lκ+ l−κ−1=

( dla κ > 0

−2κ − 2 dla κ < 0 (A.32)

oraz

lκ+ l−κ+1=

( 2κ − 2 dla κ > 0

−2κ dla κ < 0. (A.33)

Z powyższych rozważań wynika, iż dla κ0 = −κ ± 1 suma lκ+ lκ0 będzie liczbą parzystą, niezależnie od tego, czy κ przyjmuje wartości całkowite dodatnie, czy ujemne.

Spinory sferyczne posiadają szereg różnych własności, spełniają ponadto wiele relacji rekuren-cyjnych i różniczkowych [100, 101]. Poniżej zaprezentujemy kilka z nich, szczególnie przydatnych w niniejszej pracy.

Pierwszą ze wspomnianych własności, a zarazem najczęściej wykorzystywaną w tej rozprawie, jest relacja ortonormalności

I

d2nrκµ(nr) Ωκ0µ0(nr) = δκκ0 δµµ0. (A.34) Podczas obliczania całek kątowych w tej pracy wykorzystywane są także relacje rekurencyjne i różniczkowe spełniane przez spinory sferyczne.

Relacje rekurencyjne podzielimy na trzy grupy:

• relacje zawierające iloczyn skalarny jednego z wersorów bazy cyklicznej oraz wektora nr:

e0· nrκµ(nr) = −

2− 1−κµ(nr) + r

κ +122− µ2

|2κ + 1|κ+1,µ(nr)

+ r

κ −122− µ2

|2κ − 1|κ−1,µ(nr), (A.35)

e±1· nrκµ(nr) = ±√ 2

r

κ2µ ± 122

2− 1−κ,µ±1(nr)

+ r

κ ± µ +12 κ ± µ +32

√2(2κ + 1)κ+1,µ±1(nr)

r

κ ∓ µ −12 κ ∓ µ −32

2(2κ − 1)κ−1,µ±1(nr), (A.36)

• relacje zawierające iloczyn skalarny jednego z wersorów bazy cyklicznej oraz wektora nr× σ:

e0· (nr× σ) Ωκµ(nr) = i 4µκ

2− 1−κµ(nr) + i r

κ +122− µ2

|2κ + 1|κ+1,µ(nr)

−i r

κ −122− µ2

|2κ − 1|κ−1,µ(nr), (A.37)

e±1· (nr× σ) Ωκµ(nr) = ∓i2

r

κ2µ ± 122

2− 1−κ,µ±1(nr)

+i r

κ ± µ +12 κ ± µ +32

2(2κ + 1)κ+1,µ±1(nr)

+i r

κ ∓ µ −12 κ ∓ µ −32

√2(2κ − 1)κ−1,µ±1(nr), (A.38)

• relacja zawierająca iloczyn skalarny wektora nr i wektora σ:

nr· σΩκµ(nr) = −Ω−κµ(nr). (A.39) Podczas separacji części kątowej i radialnej równania Diraca wykorzystuje się następujacą relację różniczkową dla spinorów sferycznych:

σ · ∇ F (r)Ωκµ(nr) = −

 d

dr + κ + 1 r



F (r)Ω−κµ(nr), (A.40)

która po zastosowaniu podstawienia

F (r) = 1

rf (r) (A.41)

przyjmuje postać

σ · ∇

1

rf (r)Ωκµ(nr)



= −1 r

 d dr +κ

r



f (r)Ω−κµ(nr). (A.42) Wektor σ, pojawiający się w większości spośród wymienionych wyżej relacji, to wektor Pauliego, zbudowany w następujący sposób:

σ = [σx, σy, σz] , (A.43)

przy czym σx, σy oraz σz to macierze Pauliego, dane wzorami:

σx = 0 1 1 0

!

, σy = 0 −i i 0

!

, σz = 1 0 0 −1

!

. (A.44)

B Całki kątowe

We wszystkich zagadnieniach omawianych w niniejszej rozprawie mamy do czynienia z całkami po całej przestrzeni trójwymiarowej R3, które podlegają rozseparowaniu na część radialną i kątową.

Powstałe w wyniku tej separacji całki radialne zostaną przedstawione w uzupełnieniu C; w tym miejscu zaś omówimy całki kątowe.

Całki kątowe, pojawiające się w tej pracy, możemy sklasyfikować w następujący sposób:

• zawierające dwa spinory sferyczne i jedną harmonikę sferyczną22: I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr) (B.1)

• zawierające dwa spinory sferyczne oraz iloczyn mieszany trzech wektorów:

I

d2nrκµ(nr) nz· (nr× σ) Ω−κ0m(nr). (B.2) Spełniają one szereg własności, z których najważniejsze z punktu widzenia tej pracy zostaną przed-stawione i udowodnione w niniejszym uzupełnieniu.

Zachodzą następujące relacje:

I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr) = (−)L+lκ+lκ0 I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr), (B.3)

I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr) = I

d2nr−κµ(nr)YLM(nr)Ω−κ0m(nr), (B.4)

I

d2nr−κµ(nr) nz·(nr× σ) Ωκ0m(nr) = − I

d2nrκµ(nr) nz·(nr× σ) Ω−κ0m(nr). (B.5) Dowód własności (B.3) opiera się na wykorzystaniu parzystości harmonik i spinorów sferycz-nych, tj.:

I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr) = I

d2nrκµ(−nr)YLM(−nr)Ωκ0m(−nr)

= I

d2nr

h

(−)lκκµ(nr)i (−)LYLM(nr) (−)lκ0κ0m(nr)

= (−)L+lκ+lκ0 I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr). (B.6) Udowodnienie relacji (B.4) oraz (B.5) opiera się na wykorzystaniu relacji (A.39) oraz na ele-mentarnej algebrze macierzy Pauliego.

22Całki tego typu zostały obliczone przez autorkę tej pracy dwoma różnymi sposobami: Obok przedstawionej w rozprawie metody wykorzystującej jawne postaci harmonik sferycznych oraz relacje rekurencyjne dla spinorów sferycznych, alternatywnym sposobem wyznaczenia tego typu całek jest metoda oparta na teorii współczynników 3-j Wignera [93, 94].

Prawdziwość wzoru (B.4) pokażemy w następujący sposób:

I

d2nrκµ(nr)YLM(nr)Ωκ0m(nr)

= I

d2nrκµ(nr)(nr· σ)2YLM(nr)Ωκ0m(nr)

= I

d2nr [(nr· σ)Ωκµ(nr)]YLM(nr)(nr· σ)Ωκ0m(nr)

= I

d2nr(−)Ω−κµ(nr)YLM(nr)(−)Ω−κ0m(nr)

= I

d2nr−κµ(nr)YLM(nr)Ω−κ0m(nr).  (B.7) Dowód ostatniej z trzech wymienionych własności, czyli wzoru (B.5), przeprowadzimy w trzech etapach. Zapiszmy najpierw:

I

d2nr−κµ(nr) nz· (nr× σ) Ωκ0m(nr)

= I

d2nr [−(nr· σ)Ωκµ(nr)] nz· (nr× σ) [−(nr· σ)Ω−κ0m(nr)]

= I

d2nrκµ(nr)(nr· σ)nz· (nr× σ) (nr· σ)Ω−κ0m(nr)

= I

d2nrκµ(nr)h(nr· σ) nz· (nr× σ) (nr· σ)i−κ0m(nr). (B.8) Rozważmy teraz część wyrażenia występującego w nawiasie kwadratowym w ostatnim wierszu powyższego wzoru. W oparciu o kilka elementarnych operacji wektorowych oraz trywialne własności macierzy Pauliego, mamy

[nz· (nr× σ)] (nr· σ) = [σ · (nz× nr)] (σ · nr) = [(nz× nr) · nr] I + iσ · [(nz× nr) × nr]

= −iσ · [nr× (nz× nr)] = −iσ · [nz(nr· nr) − nr(nr· nz)]

= −iσ · [nz− nr(nz· nr)] . (B.9)

W związku z powyższym możemy napisać

(nr· σ) [nz· (nr× σ)] (nr· σ) = (nr· σ)n− iσ · [nz− nr(nz· nr)]o

= −i (nr· σ) (σ · nz) + i (nr· σ) (σ · nr) (nz· nr)

= −i [(nr· nz) I + iσ · (nr× nz)] + i (nz· nr) I

= −i (nr· nz) I + σ · (nr× nz) + i (nr· nz) I

= σ · (nr× nz) = nz· (σ × nr) . (B.10) Uwzględniając ostatnią równość we wzorze (B.8), dostajemy ostatecznie

I

d2nr−κµ(nr) nz· (nr× σ) Ωκ0m(nr) = I

d2nrκµ(nr) nz· (σ × nr) Ω−κ0m(nr)

= − I

d2nrκµ(nr) nz· (nr× σ) Ω−κ0m(nr), (B.11) co kończy dowód własności (B.5).

C Całki radialne

Oprócz całek kątowych, omówionych w poprzednim uzupełnieniu, w niniejszej pracy wystąpiły również całki radialne, zawierające radialne funkcje falowe atomu (2.17)–(2.18) oraz radialne funkcje Sturma–Diraca–Coulomba (3.48)–(3.49). Wyznaczenie ich wartości stanowiło znaczną część wszyst-kich rachunków przeprowadzonych w ramach tej rozprawy. Dlatego też, aby zapewnić przejrzystość głównej części pracy, poszczególne etapy tychże rachunków zostały przedstawione w niniejszym uzupełnieniu.

Przypomnijmy tutaj postacie radialnych funkcji atomowych oraz radialnych sturmianów:

• radialne funkcje falowe relatywistycznego atomu jednoelektronowego:

P(0)(r) =

• radialne funkcje Sturma–Diraca–Coulomba dla E = E(0):

Sn(0)0κ0(2λr) =

C.1 Kilka typów całek radialnych

W zależności od relacji pomiędzy liczbami κ oraz κ0, jak również od sposobu zestawienia wyżej wymienionych funkcji w wyrażeniach podcałkowych, całki radialne podzielimy na kilka charakte-rystycznych grup.

Pierwszą grupę stanowią całki pojawiające się przy rozpatrywaniu symetrii κ0= −κ ± 1 układu, posiadające następujące struktury:

przy czym L przyjmuje wartości całkowite, zaś C oznacza dowolną stałą, niezależną od zmiennej całkowania. Mimo iż w rozprawie zostały wykorzystane tylko całki, dla których C = 1 lub C = µ(0)n0κ0, zaś L przyjmuje wartości ze zbioru {+1, ±2}, postaramy się uzyskać jak najogólniejsze wyrażenie.

W tym celu do wzorów (C.5) i (C.6) wstawiamy wyrażenia (C.1)–(C.4), a następnie atomowe wielomiany Laguerre’a23rozwijamy w bazie jednomianów (D.5). Otrzymane w ten sposób wyrażenia całkujemy według przepisu (D.18) i dostajemy:

I1(L, C) = A0 sαZ

N

 1

L+1 Γ(n + 2γκ) (|n0| − 1)!(Nn0κ0+ κ0)

×

n

X

k=0

(−)k k!

Γ(γκ+ γκ0+ L + k + 1)Γ(|n0| + γκ0− γκ− L − k − 1) Γ(n − k + 1)Γ(k + 2γκ+ 1)Γ(γκ0− γκ− L − k)

× (

(C + 1)h(n − k)(Nn0κ0+ κ0) + (κ − N)(|n0| + γκ0− γκ− L − k − 1)i

−(C − 1)h(κ − N)(Nn0κ0+ κ0) + (n − k)(|n0| + γκ0 − γκ− L − k − 1)i )

(C.7) oraz

I2(L, C) = A0 s

N αZ

 1

L+1 Γ(n + 2γκ) (|n0| − 1)!(Nn0κ0 + κ0)

×

n

X

k=0

(−)k k!

Γ(γκ+ γκ0 + L + k + 1)Γ(|n0| + γκ0 − γκ− L − k − 1) Γ(n − k + 1)Γ(k + 2γκ+ 1)Γ(γκ0 − γκ− L − k)

× (

(C + 1)h(Nn0κ0+ κ0)(n − k) + (κ − N)

−(|n0| + γκ0 − γκ− L − k − 1)(κ − N) + (n − k)i +(C − 1)h(Nn0κ0 + κ0)(κ − N) + (n − k)

−(|n0| + γκ0 − γκ− L − k − 1)(n − k) + (κ − N)i )

, (C.8)

gdzie wprowadzono oznaczenie

A0=

s αλ(n + 2γκ)n!(|n0| + 2γκ0)|n0|!

4N(N− κ)Nn0κ0(Nn0κ0 − κ0)Γ(n + 2γκ)Γ(|n0| + 2γκ0). (C.9) Przy wyprowadzaniu wzorów (C.7)–(C.8) skorzystano z zależności (4.41).

Podczas rozważania symetrii κ0 = κ pojawia się znacznie więcej rodzajów całek radialnych.

Wyróżnijmy najpierw następującą klasę całek:

J1(L, C) = Z

0

dr rLhCQ(0)(r)Sn(0)0κ(2λr) + P(0)(r)Tn(0)0κ(2λr)i, (C.10)

23Określenie atomowe odnosi się do tych uogólnionych wielomianów Laguerre’a, które występują w definicjach (C.1)–(C.2).

J2(L, C) = Z

0

dr rLhCP(0)(r)Sn(0)0κ(2λr) + Q(0)(r)Tn(0)0κ(2λr)i, (C.11) gdzie L jest liczbą całkowitą, natomiast C to pewna stała, niezależna od zmiennej całkowania.

Z punktu widzenia niniejszej rozprawy interesują nas przypadki, dla których C = µ(0)n0κ lub C = 1, natomiast L przyjmuje wartości ze zbioru {1, 2}. Wyprowadzenie wzorów dla tych szczególnych całek wiąże się ze żmudnymi rachunkami, zatem ograniczymy się tutaj do podania ostatecznych wyrażeń, wspominając po drodze o sposobie ich liczenia. I tak: w równaniach (C.10)–(C.11) wy-korzystujemy wzory (C.1)–(C.2) oraz (C.3)–(C.4), pamiętając, by w tych drugich dokonać podsta-wienia κ0 = κ. W kolejnym kroku stosujemy relacje (D.10) i (D.19) dla wielomianów Laguerre’a i dochodzimy do następujących wyników:

J1(1, 1) = 2A1 sαZ

N

 1

2 Γ(n + 2γκ) n!(|n0| + 2γκ)

× (

− nh(n − 1)(n + 2γκ− 1) − (κ − N)(κ − Nn0κ)iδ|n0|,n−1

+hn(n + 2γκ)(2n + 2γκ− 1) − (κ−N)(κ−Nn0κ)(2n + 2γκ+ 1)iδ|n0|,n

−(n + 2γκ+ 1)hn(n + 2γκ) − (κ − N)(κ − Nn0κ)iδ|n0|,n+1 )

, (C.12)

J2(2, 1) = 2A1 s

N αZ

 1

3 Γ(n + 2γκ) n!(|n0| + 2γκ)

(

n(n − 1)(n − 2)(κ − Nn0κ|n0|,n−3

+n(n−1) (n−2)(n + 2γκ− 2) + (κ−Nn0κ)[κ−N− 4(n + γκ− 1)]

!

δ|n0|,n−2

−n 2(κ − Nn0κ)[(n + γκ)(3+ 2κ − 2Nn0κ) − (3n2+ 6nγκ+ 2γκ2+ 1)]

+(n − 1)(n + 2γκ− 1)[4(n + γκ− 1) + (κ − N)]

!

δ|n0|,n−1

−2(N− κ) 2(n + γκ)(N+ κ)(2κ − N− Nn0κ)

+3(n + γκ)(2κ+N−Nn0κ) − (N+Nn0κ)(3n2+ 6nγκ+ 2γκ2+ 1)

! δ|n0|,n

+(n + 2γκ+ 1)(κ − N) 2(n + γκ)(3+ N+ Nn0κ)

+2(3n2+ 6nγκ+ 2γκ2+ 1) − (κ − Nn0κ)[(N+ κ) + 4]

!

δ|n0|,n+1

−(n + 2γκ+ 1)(n + 2γκ+ 2)(κ−N) [4(n + γκ+ 1)+N+Nn0κ] δ|n0|,n+2

+(n + 2γκ+ 1)(n + 2γκ+ 2)(n + 2γκ+ 3)(κ−N|n0|,n+3

)

, (C.13)

J1(1, µ(0)n0κ) = A1

przy czym parametr  został zdefiniowany poprzez (2.20), wartość własną µ(0)n0κ określa wzór (4.33), natomiast stałą A1 otrzymujemy, kładąc w wyrażeniu (C.9) κ0= κ:

A1=

s αλ(n + 2γκ)n!(|n0| + 2γκ)|n0|!

4N(N− κ)Nn0κ(Nn0κ− κ)Γ(n + 2γκ)Γ(|n0| + 2γκ). (C.15) Kolejną rozpatrywaną grupę stanowią całki zawierające radialne funkcje falowe (C.1)–(C.2) oraz wyraz rk, gdzie k ∈ {+1, ±2}. Naszym najbliższym zadaniem będzie wyznaczenie wartości następujących wyrażeń: Aby obliczyć wartości powyższych całek, do wzorów (C.16)–(C.19) wstawiamy wyrażenia (C.1)–

(C.2), po czym dokonujemy transformacji zmiennej całkowania: x = 2λr. Na tym etapie otrzymu-jemy wyrażenia

R=− (n + 2γκ)n! Dalszy tok rozumowania będzie uzależniony od tego, czy parametr δ (obecny w podcałkowych czynnikach xκ) jest dodatni, czy ujemny. W związku z tym, całki R+, R oraz ˜R+1 będziemy obliczać “zbiorowo”, zaś ˜R−2 wyznaczymy dalej innym sposobem.

A zatem, we wzorach (C.20)–(C.22) podnosimy rząd wielomianów Laguerre’a, korzystając przy tym z relacji (D.10) jedno- lub dwukrotnie, po czym wykonujemy całkowanie, uwzględniając jed-nocześnie relację ortogonalności (D.19). Na koniec wstawiamy wyrażenia na parametry  oraz λ, czyli wzory (3.45) i (2.20), i po dość żmudnym porządkowaniu dostajemy ostatecznie

R+= a20 W celu wyznaczenia całki ˜R−2 przepiszemy ją w postaci:

R˜−2 = αZ3 gdzie I(n − 1, n − 1) oraz I(n, n) to całki zdefiniowane za pomocą (D.26). Wykorzystując następnie ich wartości określone wzorem (D.27), otrzymujemy w rezultacie:

R˜−2= αZ3 a20

2κ(n + γκ) − N

N4 γκ(4γκ2− 1) . (C.28)

Powiązane dokumenty