Синглетное состояние
Синглетное состояние или синглет — это система из двух частиц, суммарный спин которых равен 0. Комбинируя пару из частиц, каждая из которых обладает спином 1/2, мы можем получить три собственных состояния с суммарным спином 1 (триплет) и одно состояние с суммарным спином 0, которое называется синглет[1]. В теоретической физике термином синглет обычно обозначают одномерное представление (например, частица с нулевым спином). Также этим термином могут обозначать две и более частицы, полученные в спутанном состоянии, с общим моментом импульса равным нулю. Синглет и подобные ему термины часто встречаются в атомной и ядерной физике для описания суммарного спина некоторого числа частиц.
Спин одиночного электрона равен 1/2. Такая система имеет суммарный спин равный 1/2 и называется дублет. Практически все случаи дублетов в природе возникают из вращательной симметрии: спин 1/2 относится к фундаментальным представлениям группы Ли SU(2) — группы, которая определяет симметрию вращения в трехмерном пространстве[2]. Мы можем найти спин такой системы, используя оператор <math>\vec{S}^2</math>, и как результат всегда получим <math>\hbar^2 \, (1/2) \, (1/2 + 1) = (3/4) \, \hbar^2</math> (или спин 1/2), поскольку разнонаправленные спины являются собственными состояния (собственными функциями) этого оператора с тем же самым собственным значением. Аналогичным образом для системы из двух электронов мы можем посчитать спин используя оператор <math>\left(\vec{S}_1 + \vec{S}_2\right)^2</math>, где <math>\vec{S}_1</math> соответствует первому электрону, а <math>\vec{S}_2</math> второму. Однако, поскольку два электрона возможно скомбинировать четырьмя возможными способами, то в этом случае мы можем получить два возможных спина, представляющих собой два возможных собственные значения полного оператора спина — 0 и 1. Каждое из этих собственных значений соответствует набору собственных состояний или собственных функций. Говоря в терминах квантовой механики, это спиновые функции для двухэлектронной системы, полученные линейной комбинацией спиновых функций электронов α=+1/2ħ и β=—1/2ħ. Так, например, функция
- <math> \chi_3 = \frac{1}{\sqrt{2}}[\alpha(1) \beta(2) + \alpha(2) \beta(1)]</math>
— симметричная спиновая функция, тогда как функция
- <math> \chi_4 = \frac{1}{\sqrt{2}}[\alpha(1) \beta(2) - \alpha(2) \beta(1)]</math>
— антисимметрична[3].
Таким образом можно получить три симметричные функции с полным спиновым квантовым числом S=1 и одну антисимметричную функцию с S=0. Набор со спином равным 0 называется синглет, содержит одно собственное состояние (см. ниже), а спин равный 1, называемый триплет, содержит три возможных собственных состояния. В обозначения Дирака эти собственные состояния записывается как:
- <math>
\left.\begin{array}{ll} |1,1\rangle & =\;\uparrow\uparrow\\ |1,0\rangle & =\;(\uparrow\downarrow + \downarrow\uparrow)/\sqrt2\\ |1,-1\rangle & =\;\downarrow\downarrow \end{array}\right\}\quad s=1\quad\mathrm{(triplet)} </math>
- <math>\left.|0,0\rangle=(\uparrow\downarrow - \downarrow\uparrow)/\sqrt2\;\right\}\quad s=0\quad\mathrm{(singlet)}</math>
Выражаясь более математическим языком, можно сказать, что тензорное произведение двух дублетные представлений может быть разложено в сумму присоединённого представления (триплет) и тривиальное представление (синглет).
Пара электронов, находящаяся в синглетном состоянии, обладает многими любопытными свойствами и играет фундаментальную роль в парадоксе Эйнштейна — Подольского — Розена и квантовой запутанности.
См. также
Напишите отзыв о статье "Синглетное состояние"
Примечания
- ↑ D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics, Prentice Hall, Inc., 1995, pg. 165.
- ↑ J. J. Sakurai, Modern Quantum Mechanics, Addison Wesley, 1985.
- ↑ Хабердитцл, 1974, с. 209.
Литература
- В. Хабердитцл. Строение материи и химическая связь = W. Haberditzl Bausteine der Materie und chemische Bindung / пер. с нем. канд. хим. наук В. В. Дуниной; под ред. доктора хим. наук Н. С. Зефирова. — № 3/7316. — Москва: Мир, 1974. — 296 с.
Отрывок, характеризующий Синглетное состояние
Офицер поехал за цепь к Ечкину. Издалека еще, подъезжая к дому, он услыхал дружные, веселые звуки плясовой солдатской песни.«Во олузя а ах… во олузях!..» – с присвистом и с торбаном слышалось ему, изредка заглушаемое криком голосов. Офицеру и весело стало на душе от этих звуков, но вместе с тем и страшно за то, что он виноват, так долго не передав важного, порученного ему приказания. Был уже девятый час. Он слез с лошади и вошел на крыльцо и в переднюю большого, сохранившегося в целости помещичьего дома, находившегося между русских и французов. В буфетной и в передней суетились лакеи с винами и яствами. Под окнами стояли песенники. Офицера ввели в дверь, и он увидал вдруг всех вместе важнейших генералов армии, в том числе и большую, заметную фигуру Ермолова. Все генералы были в расстегнутых сюртуках, с красными, оживленными лицами и громко смеялись, стоя полукругом. В середине залы красивый невысокий генерал с красным лицом бойко и ловко выделывал трепака.
– Ха, ха, ха! Ай да Николай Иванович! ха, ха, ха!..
Офицер чувствовал, что, входя в эту минуту с важным приказанием, он делается вдвойне виноват, и он хотел подождать; но один из генералов увидал его и, узнав, зачем он, сказал Ермолову. Ермолов с нахмуренным лицом вышел к офицеру и, выслушав, взял от него бумагу, ничего не сказав ему.
– Ты думаешь, это нечаянно он уехал? – сказал в этот вечер штабный товарищ кавалергардскому офицеру про Ермолова. – Это штуки, это все нарочно. Коновницына подкатить. Посмотри, завтра каша какая будет!
На другой день, рано утром, дряхлый Кутузов встал, помолился богу, оделся и с неприятным сознанием того, что он должен руководить сражением, которого он не одобрял, сел в коляску и выехал из Леташевки, в пяти верстах позади Тарутина, к тому месту, где должны были быть собраны наступающие колонны. Кутузов ехал, засыпая и просыпаясь и прислушиваясь, нет ли справа выстрелов, не начиналось ли дело? Но все еще было тихо. Только начинался рассвет сырого и пасмурного осеннего дня. Подъезжая к Тарутину, Кутузов заметил кавалеристов, ведших на водопой лошадей через дорогу, по которой ехала коляска. Кутузов присмотрелся к ним, остановил коляску и спросил, какого полка? Кавалеристы были из той колонны, которая должна была быть уже далеко впереди в засаде. «Ошибка, может быть», – подумал старый главнокомандующий. Но, проехав еще дальше, Кутузов увидал пехотные полки, ружья в козлах, солдат за кашей и с дровами, в подштанниках. Позвали офицера. Офицер доложил, что никакого приказания о выступлении не было.
– Как не бы… – начал Кутузов, но тотчас же замолчал и приказал позвать к себе старшего офицера. Вылезши из коляски, опустив голову и тяжело дыша, молча ожидая, ходил он взад и вперед. Когда явился потребованный офицер генерального штаба Эйхен, Кутузов побагровел не оттого, что этот офицер был виною ошибки, но оттого, что он был достойный предмет для выражения гнева. И, трясясь, задыхаясь, старый человек, придя в то состояние бешенства, в которое он в состоянии был приходить, когда валялся по земле от гнева, он напустился на Эйхена, угрожая руками, крича и ругаясь площадными словами. Другой подвернувшийся, капитан Брозин, ни в чем не виноватый, потерпел ту же участь.
– Это что за каналья еще? Расстрелять мерзавцев! – хрипло кричал он, махая руками и шатаясь. Он испытывал физическое страдание. Он, главнокомандующий, светлейший, которого все уверяют, что никто никогда не имел в России такой власти, как он, он поставлен в это положение – поднят на смех перед всей армией. «Напрасно так хлопотал молиться об нынешнем дне, напрасно не спал ночь и все обдумывал! – думал он о самом себе. – Когда был мальчишкой офицером, никто бы не смел так надсмеяться надо мной… А теперь!» Он испытывал физическое страдание, как от телесного наказания, и не мог не выражать его гневными и страдальческими криками; но скоро силы его ослабели, и он, оглядываясь, чувствуя, что он много наговорил нехорошего, сел в коляску и молча уехал назад.
