M´ecanique Quantique II
Cours de troisi`eme ann´ee 1
Ruth Durrer
D´epartement de Physique Th´eorique de l’Universit´e de Gen`eve
Quai E. Ansermet 24, 1211 Gen`eve 4, Suisse
Manuscrit edig´e par Cyril Cartier
2004 – 2005
1Version : 11 novembre 2008
Table des mati`eres
1 Sym´etries, moment cin´etique et spin 4
1.1 Invariance sous rotation et moment cin´etique pour des particules
sans spin (s= 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Les repr´esentations irr´eductibles du groupe des rotations . . . . . 8
1.2.1 Les harmoniques sph´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Automorphismes de Wigner et repr´esentations projectives . . . . 14
1.4 Le groupe SU(2) comme recouvrement universel de SO(3) . . . . 16
1.5 S´erie de Clebsch-Gordan et le caract`ere d’une repr´esentation . . 20
1.5.1 Preuve intuitive du th´eor`eme de Clebsch-Gordan . . . . . 20
1.5.2 Le caract`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 D´ecomposition en repr´esentations irr´eductibles et addi-
tion de moments cin´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6 Particules avec spin, l’´equation de Pauli . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Th´eorie des perturbations 31
2.1 Perturbations stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1 Atome d’h´elium : ´etat fondamental . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 Atome d’hydrog`ene : effet Stark . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3 Atome d’hydrog`ene : couplage spin-orbite et effet Zeemann 39
2.2.4 Para–h´elium et ortho–h´elium . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.5 Atome d’hydrog`ene : structure hyperfine . . . . . . . . . . 48
2.3 Th´eorie des perturbations avec d´ependance temporelle . . . . . . 52
2.3.1 Formalisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.2 Amplitudes de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.3 Perturbations statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.4 L’approximation adiabatique . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.5 Autres ethodes d’approximation . . . . . . . . . . . . . 62
3 Th´eorie de la diffusion 67
3.1 Diffusion stationnaire par un potentiel . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.1 La section efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2 Etats stationnaires de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1 La diffusion d’un ´electron par un atome neutre . . . . . . 72
3.2.2 Le potentiel de Yukawa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Les op´erateurs de Møller ±et la matrice S. . . . . . . . . . . 75
3.3.1 Calcul perturbatif de la matrice S. . . . . . . . . . . . . 79
2
3.3.2 Amplitude de diffusion et section efficace . . . . . . . . . 81
3.3.3 Le th´eor`eme optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.4 Les ´equations de Lippmann et Schwinger (~= 1) . . . . . 84
3.3.5 D´ecomposition partielle de l’onde diffus´ee . . . . . . . . . 88
3.3.6 Le th´eor`eme optique (bis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.7 R´esonances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 La th´eorie de Dirac 94
4.1 Rappel sur le groupe de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2 Le groupe de Lorentz de la ecanique quantique . . . . . . . . . 99
4.3 Les repr´esentations de dimension finie de SL(2,C), le calcul des
spineurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.1 Irr´eductibilit´e et compl´etude des rep. D(n
2,m
2). . . . . . . 108
4.3.2 Repr´esentations de L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4 Champs de spineurs et ´equations de champs covariantes . . . . . 115
4.4.1 Op´erateurs de diff´erentiation . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.2 Equations de champs covariantes . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5 Alg`ebre de Dirac-Clifford, les termes covariants bi-lin´eaires . . . 123
4.5.1 Alg`ebre de Dirac-Clifford . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5.2 Les combinaisons bi-lin´eraires . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.6 L’´equation de Dirac en pr´esence d’un champ ´electromagn´etique . 129
4.6.1 Transformations de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.6.2 Equation de 2`eme ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.7 Limite non-relativiste de l’´equation de Dirac . . . . . . . . . . . . 131
4.7.1 Une ´equation de Schr¨
odinger . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.7.2 Le facteur gyromagn´etique : Ov
c. . . . . . . . . . . . . 132
4.7.3 Le couplage spin-orbite : Ov
c2. . . . . . . . . . . . . . 133
4.8 La structure fine de l’atome d’hydrog`ene . . . . . . . . . . . . . . 136
4.9 Solutions de l’´equation de Dirac libre . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.9.1 Ondes planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.9.2 Ondes sph´eriques de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.10 Le probl`eme des solutions `a ´energie n´egative et la conjugaison de
charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Annexe 149
A.1 Notation spectroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
A.2 Matrices de Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.3 Deux solutions de l’´equation de Schr¨
odinger . . . . . . . . . . . . 151
A.3.1 Les ´etats principaux de l’atome d’hydrog`ene . . . . . . . . 151
A.3.2 L’oscillateur harmonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.4 Matrices de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.4.1 Propri´et´es en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.4.2 Repr´esentation (chirale) de Weyl . . . . . . . . . . . . . . 154
A.4.3 Repr´esentation de Dirac-Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Bibliographie 156
3
Chapitre 1
Sym´etries, moment
cin´etique et spin
Les r´eponses aux questions physiques ne doivent pas d´ependre de l’orien-
tation du syst`eme de coordonn´ees choisie pour les calculer. Cette prescription
d´etermine la transformation des champs classiques et quantiques sous rotation.
Dans le cadre de la physique classique, un champ (qui peut avoir plusieurs
composantes, d´ecrivant un vecteur ou un tenseur `a chaque point) se transforme
sous rotation de telle mani`ere `a former une repr´esentation du groupe des ro-
tations, SO(3). En ecanique quantique, par contre, certains champs se trans-
forment, sous rotation des axes de coordonn´ees, comme les composantes de
spineurs ; ainsi, ils forment des repr´esentations de SU (2) plutˆot que de SO(3).
C’est ce que l’on se propose de montrer, entre autres, dans ce chapitre d’intro-
duction [1,2,3,4,5,6].
Notation :
⋆ GL(n, C) = {M|M= matrices n×ncomplexes avec det (M)6= 0}
(matrices non-singuli`eres complexes).
⋆ GL(n, R) = {M|M= matrices n×neelles avec det (M)6= 0}
(matrices non-singuli`eres r´eelles).
⋆ SL(n, C) = {MGL(n, C)|det (M) = +1}
(matrices unimodulaires complexes).
⋆ SL(n, R) = {MGL(n, R)|det (M) = +1}
(matrices unimodulaires r´eelles).
⋆ O(n) = RGL(n, R)|RTR= 1In
(matrices orthogonales).
⋆ SO(n) = {RO(n)|det (R) = 1}
(rotations en ndimensions).
⋆ U(n) = {SGL(n, C)|SS= 1In}
(matrices unitaires).
⋆ SU(n) = {SU(n)|det (S) = 1}.
Soit MGL(n, C) une matrice non-singuli`ere complexe. Nous enotons
par M1sa matrice inverse, par MTsa matrice transpoee, par ¯
Msa matrice
complexe conjugu´ee et par M=¯
MTsa conjugu´ee hermitienne.
4
Chap. 1 : Sym´etries, moment cin´etique et spin 5
D´efinition 1.0.1 Un groupe de matrices GGL(n, C)qui d´ecrit une surface
polynˆomiale r´eguli`ere dans Cn2est appel´e un groupe de Lie.
Une surface polynˆomiale dans Cmest une surface Squi est donn´ee par un
nombre de conditions polynˆomiales,
S={xCm|P1(x) = P2(x) = ···=Pk(x) = 0}, k < m . (1.1)
La surface Sest r´eguli`ere si les polynˆomes P1(x),···, Pk(x) peuvent ˆetre choisis
tels que le rang de la matrice Pj
xiest maximal pour tout xS. Le nombre
(mk) est la dimension de la surface S. Elle peut ˆetre param´etris´ee localement
par (mk) param`etres ; ceci est une cons´equence du th´eor`eme des fonctions
implicites.
Un exemple d’une condition polynˆomiale est P(M) = det (M)1. Elle est
non-d´eg´en´er´ee si la matrice P (M)
Mij Pij (M)6= 0 pour tout Mavec P(M) = 0.
La d´efinition donn´ee d’un groupe de Lie n’est pas la d´efinition en´erale abs-
traite, mais elle suffit pour les besoins de ce cours. Tous les groupes donn´es en
page 4sont des groupes de Lie.
D´efinition 1.0.2 Soit GGL(n, C)un groupe de Lie. L’alg`ebre de Lie cor-
respondant `a Gest donn´ee par
G={M|matrice n×ntelle que exp (tM)G , tR}.(1.2)
Ici, exp (tM ) est d´efini par
exp (tM ) = 1 + tM +1
2(tM)2+··· 1
n!(tM)n+··· .(1.3)
Il est relativement facile de emontrer que Gest un espace lin´eaire (r´eel) de
la mˆeme dimension que celle du groupe de Lie G, et que pour M, N ∈ G, nous
avons [M, N ]MN N M ∈ G. De plus, si SGet M∈ G, alors SM S1∈ G
(pour plus de etails, voir [7]).
1.1 Invariance sous rotation et moment cin´etique
pour des particules sans spin (s= 0)
Dans l’espace de Hilbert, H=L2(R3), une particule sans spin n’est pas
repr´esent´ee par un unique vecteur complexe Ψ H, mais par un rayon unitaire,
not´e [Ψ] :
[Ψ] = eΨ|αR,.(1.4)
Un ´el´ement Ψ [Ψ] est appel´e une fonction d’onde. Le produit scalaire entre
deux fonctions d’onde Φ,ΨHest d´efini par l’application (·,·) : HC,
,Ψ) :=Zd3x¯
Φ(x)Ψ(x).(1.5)
Evidemment, (Φ,Ψ) = ,Φ). De plus, nous avons les propri´et´es (Φ,Ψ1+ Ψ2) =
,Ψ1) + (Φ,Ψ2) et (Φ1+ Φ2,Ψ) = (Φ1,Ψ) + (Φ2,Ψ). Finalement, si aC,
, aΨ) = a,Ψ) et (aΦ,Ψ) = ¯a,Ψ).
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