각운동량 연산자 문서 원본 보기

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[[양자역학]]에서 '''각운동량 연산자'''(角運動量演算子, {{llang|en|angular momentum operator}})는 특정한 [[교환자 (환론)|교환자]] 관계를 만족하는 세 개의 연산자 <math>J_x</math>, <math>J_y</math>, <math>J_z</math>이다. 두 종류의 각운동량 연산자가 있는데, 고전적인 [[각운동량]]을 양자화하여 얻는 각운동량 연산자를 '''궤도 각운동량'''(軌道角運動量, {{lang|en|orbital angular momentum}})이라고 하고, 고전적인 값과 관계없는 양자역학 고유의 각운동량 연산자를 '''[[스핀|스핀 각운동량]]'''({{lang|en|spin angular momentum}})이라고 한다.

== 정의 ==
'''각운동량 연산자''' <math>\mathbf J=(J_x,J_y,J_z)</math>는 다음과 같은 교환 관계를 만족하는 일련의 연산자를 말한다.
:<math>\left[ J_i , J_j \right] = \sum_k i\hbar \epsilon_{ijk} J_k</math>.
여기서 <math>\epsilon_{ijk}</math>는 [[레비치비타 기호]]다. 풀어 쓰면 다음과 같다.
:<math>\left[ J_x , J_y \right] = i\hbar J_z</math>
:<math>\left[ J_y , J_z \right] = i\hbar J_x</math>
:<math>\left[ J_z , J_x \right] = i\hbar J_y</math>.
각운동량 성분 사이에는 [[교환 법칙]]이 성립하지 않으므로, [[불확정성 원리]]에 따라 각운동량의 여러 성분을 동시에 측정할 수 없다.

성분 연산자와 각운동량 연산자의 제곱 사이에는 다음과 같은 교환 관계가 성립한다.
:<math>\left[ J_i , \mathbf J^2 \right] = 0 </math>.
위 둘 사이에서는 교환 법칙이 성립하기 때문에 두 물리량을 동시에 측정할 수 있다. 위 두 교환 관계는 [[수소 원자]]에서 전자가 가질 수 있는 각운동량을 결정짓는 데 매우 큰 역할을 하게 된다. 위 교환 관계에 의하면, 각운동량에 대한 4개의 물리량중 성분 하나와 크기만을 동시에 정확히 알 수 있다. 통상적으로, 정확히 측정되는 성분을 z성분으로 잡는다.

== 각운동량 사다리 연산자 ==
각운동량에 대하여 다음과 같은 [[사다리 연산자]] <math>J_+</math>, <math>J_-</math>를 정의할 수 있다.
:<math>J_\pm = J_x \pm iJ_y</math>.
이 두 연산자들은 [[파동 함수]]의 상태를 다른 상태로 바꾸어 주는 연산자들이다. 순서대로 각운동량 올림 연산자, 각운동량 내림 연산자로 불린다.

각운동량 올림 연산자와 내림 연산자 사이에는 아래와 같은 관계들이 있다.
:<math>J_+ J_- + J_- J_+ = 2 (J_x^2 + J_y^2 ) = 2 (\mathbf J^2 - J_z^2 )</math>
:<math>J_+ J_- = \mathbf J^2 - J_z^2 + \hbar J_z</math>
:<math>J_- J_+ = \mathbf J^2 - J_z^2 - \hbar J_z</math>

이 외에 각운동량 올림 연산자와 내림 연산자에 대한 교환 관계로 아래와 같은 관계가 있다.
:<math>\left[ J_+ , J_- \right] = 2\hbar J_z</math>
:<math>\left[ J_z , J_\pm \right] = \pm \hbar J_\pm</math>
:<math>\left[ \mathbf J^2 , J_\pm \right] = 0</math>

== 각운동량의 고윳값과 고유함수 ==
위의 교환 관계에 따라, 3차원 공간에서 각운동량의 성분 하나와 각운동량의 크기만을 동시에 정확히 측정할 수 있다. 때문에, 각운동량 연산자의 [[고유함수]]는 이 둘을 통해 정의한다. 보통 각운동량 성분 연산자로 <math>J_z</math>를 택한다. 자세한 계산은 생략하고 이에 대한 [[고윳값]] 방정식은 다음과 같다.
:<math>\mathbf J^2 | j, m \rangle = \hbar^2 j (j+1) | j, m \rangle</math>
:<math>\mathbf J_z | j, m \rangle = \hbar m | j, m \rangle</math>.

<math>m</math>은 <math> -j, -j +1 , -j +2 , \cdots , j-1, j</math> 중 하나의 수를 갖는다. 궤도 각운동량의 경우, <math>j</math> (통상적으로 <math>l</math>로 표기)는 음이 아닌 정수(<math>0,1,2,\dots</math>)이다. 스핀 각운동량이나 궤도 및 스핀 각운동량의 합의 경우에는 <math>j</math>는 음이 아닌 정수 또는 반정수({lang|half-integer}) <math>j=0,1/2,1,3/2,2,\dotsc</math>이다.

고유함수에 각운동량 올림 연산자 또는 내림 연산자를 작용시키면, 다음과 같이 고유함수의 <math>m</math>값이 변하게 된다.
:<math>J_+ | j, m \rangle = \hbar \sqrt{(j-m)(j+m+1)} | j, m+1 \rangle</math>
:<math>J_- | j, m \rangle = \hbar \sqrt{(j+m)(j-m+1)} | j, m-1 \rangle</math>

== 궤도 각운동량 ==
'''궤도 각운동량''' 연산자는 고전역학의 각운동량 <math>\mathbf L=\mathbf r\times\mathbf p</math>를 양자화한 연산자로, 다음과 같다.
:<math>\mathbf{L} = \mathbf{r} \times \mathbf{p}</math>.
여기서,
:<math>\mathbf{L}</math>: 궤도 각운동량 연산자
:<math>\mathbf{r}</math>: 위치 연산자
:<math>\mathbf{p}=-i\hbar\nabla</math>: 운동량 연산자
이다. 공식은 고전적인 경우와 보기에 같지만 이 공식은 더 이상 고전적인 값이 아니라 [[파동 함수]]에 작용하는 에르미트 연산자이다.

위치로 식은 표현할 땐, 운동량 연산자가 <math>\textstyle \mathbf{p} = {h \over i } \nabla </math>가 되므로 궤도 각운동량은 다음과 같이 쓸 수도 있다.
:<math>\mathbf{L} = {h \over i} \mathbf{r} \times \nabla </math>

정의는 위와 같지만, 계산의 불편 때문에 각운동량 연산자의 제곱 <math>\mathbf{L}^2</math>과 [[데카르트 좌표계]]에서의 성분에 대한 연산자 <math>L_x</math> , <math>L_y</math> , <math>L_z</math>가 더 자주 쓰인다.
:<math>L_x = -i\hbar (y {\partial\over \partial z} - z {\partial\over \partial y})</math>
:<math>L_y = -i\hbar (z {\partial\over \partial x} - x {\partial\over \partial z})</math>
:<math>L_z = -i\hbar (x {\partial\over \partial y} - y {\partial\over \partial x})</math>
:<math>\mathbf{L}^2 = L_x^2 + L_y^2 + L_z^2</math>.

이를 대입하면 궤도 각운동량 연산자가 각운동량 교환 관계를 만족한다는 사실을 확인할 수 있다.

== 스핀 각운동량 ==
{{본문|스핀 (물리학)}}

== 참고 문헌 ==
* Griffiths, David J. (2004), ''Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed. ed.)'', Prentice Hall, {{ISBN|0-13-805326-X}}
* Liboff, Richard L. (2002), ''Introductory Quantum Mechanics'', Addison-Wesley, {{ISBN|0-8053-8714-5}}

== 같이 보기 ==
* [[각운동량]]
* [[구면 조화 함수]]
* [[라플라스-룽게-렌츠 벡터]]
* [[클렙슈-고르단 계수]]
* [[퍼지 구]]

{{전거 통제}}

[[분류:양자역학]]
[[분류:회전대칭성]]
[[분류:각운동량]]