BÖLÜM 24 PAULI SPİN MATRİSLERİ

Benzer belgeler
BÖLÜM 25 HELYUM ATOMU

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 26 İKİ ELEKTRON: UYARILMIŞ DÜZEYLER

Kuantum Mekaniğinin Varsayımları

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 17 RİJİT ROTOR

8.04 Kuantum Fiziği Ders X. Schrödinger denk. bir V(x) potansiyeli içinde bir boyutta bir parçacığın hareketini inceler.

Bu durumu, konum bazında bileşenlerini, yani dalga fonksiyonunu, vererek tanımlıyoruz : ) 1. (ikx x2. (d)

BÖLÜM MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ 1.KISIM

BÖLÜM 31 HÜCKEL MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ

8.04 Kuantum Fiziği Ders XII

BÖLÜM HARMONİK OSİLATÖR

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 27 ÇOK ELEKTRONLU ATOMLAR

Bir özvektörün sıfırdan farklı herhangi bri sabitle çarpımı yine bir özvektördür.

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

Özdeğer ve Özvektörler

Geçen Derste. ρ için sınır şartları serinin bir yerde sona ermesini gerektirir Kuantum Fiziği Ders XXIII

BÖLÜM 34 SPEKTROSKOPİ: IŞIĞIN YER ALDIĞI MOLEKÜLER PROBLAR

13. Karakteristik kökler ve özvektörler

Ayrık Fourier Dönüşümü

Cebir 1. MIT Açık Ders Malzemeleri

ÖABT Lineer Cebir KONU TESTİ Matris Cebiri

8.04 Kuantum Fiziği Ders IV. Kırınım olayı olarak Heisenberg belirsizlik ilkesi. ise, parçacığın dalga fonksiyonu,

BÖLÜM 16 KUANTUM : AYRILABİLEN SİSTEMLER

Kübik Spline lar/cubic Splines

H(t) + O(ɛ 2 ) var. Yukarıda U(t + ɛ, t) için elde ettiğimiz sonucumuzu bu ifadede yerine koyunca her iki tarafı. = H(t)U(t, t 0 )

Lineer Dönüşümler ÜNİTE. Amaçlar. İçindekiler. Yazar Öğr. Grv.Dr. Nevin ORHUN

Özet: Açısal momentumun türetimi. Açısal momentum değiştirme bağıntıları. Artırıcı ve Eksiltici İşlemciler Kuantum Fiziği Ders XXI

BÖLÜM 36 NÜKLEER MANYETİK REZONANS

Kuantum mekaniğinde uzay ve zamandaki dönüşümler sisteme ait Hilbert uzayında üniter

Cebir 1. MIT Açık Ders Malzemeleri

6. Ders. Mahir Bilen Can. Mayıs 16, 2016

BÖLÜM 30 MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ 2.KISIM

Ders 9: Bézout teoremi

1 Vektör Uzayları 2. Lineer Cebir. David Pierce. Matematik Bölümü, MSGSÜ mat.msgsu.edu.tr/~dpierce/

Matris Cebiriyle Çoklu Regresyon Modeli

8.04 Kuantum Fiziği Ders XX

Lineer Denklem Sistemleri

Zaman Domeninde Modelleme Transfer Fonksiyonu Durum Uzay Dönüşümü Durum Uzay Transfer Fonksiyonu DönüşümÜ

8.04 Kuantum Fiziği DersXIX

Geçiş olasılığımız (pertürbasyon teorisinde birinci mertebeden) c 1

İleri Diferansiyel Denklemler

A B = A. = P q c A( X(t))

ÖZDEĞERLER- ÖZVEKTÖRLER

8.Konu Vektör uzayları, Alt Uzaylar

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

x 0 = A(t)x + B(t) (2.1.2)

Cebir 1. MIT Açık Ders Malzemeleri

2.3. MATRİSLER Matris Tanımlama

Bölüm 1: Lagrange Kuramı... 1

Lineer Cebir. Doç. Dr. Niyazi ŞAHİN TOBB. İçerik: 1.1. Lineer Denklemlerin Tanımı 1.2. Lineer Denklem Sistemleri 1.3. Matrisler

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

Değişken içeren ve değişkenlerin belli değerleri için doğru olan cebirsel eşitliklere denklem denir.

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ EET305 OTOMATİK KONTROL I Dr. Uğur HASIRCI

ii) S 2LW 2WH 2LW 2WH S 2WH 2LW S 3( x 1) 5( x 2) 5 3x 3 5x x Maliye Bölümü EKON 103 Matematik I / Mart 2018 Proje 2 CEVAPLAR C.1) C.

TİTREŞİM VE DALGALAR BÖLÜM PERİYODİK HAREKET

MIT OpenCourseWare Ekonomide İstatistiksel Yöntemlere Giriş Bahar 2009

Bugün için Okuma: Bölüm 1.5 (3. Baskıda 1.3), Bölüm 1.6 (3. Baskıda 1.4 )

Nokta uzayda bir konumu belirtir. Noktanın 0 boyutlu olduğu kabul edilir. Herhangi bir büyüklüğü yoktur.

MIT OpenCourseWare Ekonomide İstatistiksel Yöntemlere Giriş Bahar 2009

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

VEKTÖR UZAYLARI 1.GİRİŞ

Magnetic Materials. 7. Ders: Ferromanyetizma. Numan Akdoğan.

FİZİK 4. Ders 10: Bir Boyutlu Schrödinger Denklemi

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

8. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

8.04 Kuantum Fiziği Ders V ( ) 2. = dk φ k

A. Seçilmiş bağıntılar Zamana bağlı Schrödinger denklemi: Zamandan bağımsız Schrödinger denklemi: Hamilton işlemcisinin konum temsili

T I M U R K A R A Ç AY - H AY D A R E Ş C A L C U L U S S E Ç K I N YAY I N C I L I K A N K A R A

İleri Diferansiyel Denklemler

Newton un F = ma eşitliğini SD den türete bilir miyiz?

Tanım 2.1. Bir kare matrisin determinantı, o matrisi bir sayıya eşleyen fonksiyondur.

FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

sonlu altörtüsü varsa bu topolojik uzaya tıkız diyoruz.

Zaman Domeninde Modelleme Transfer Fonksiyonu Durum Uzay Dönüşümü Durum Uzay Transfer Fonksiyonu Dönüşümü Durum Uzayında Doğrusallaştırma

3. Ders. Mahir Bilen Can. Mayıs 11, Önceki Dersteki Sorular ile İlgili Açıklamalar

Boole Cebri. (Boolean Algebra)

7. BÖLÜM İÇ ÇARPIM UZAYLARI İÇ ÇARPIM UZAYLARI İÇ ÇARPIM UZAYLARI İÇ ÇARPIM UZAYLARI .= Genel: Vektörler bölümünde vektörel iç çarpım;

DENKLEM DÜZENEKLERI 1

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

SCHRÖDİNGER: Elektronun yeri (yörüngesi ve orbitali) birer dalga fonksiyonu olan n, l, m l olarak ifade edilen kuantum sayıları ile belirlenir.

Matematik I: Analiz und Lineer Cebir I Sömestr Ders Saati D 2 U 2 L 1 AKTS 6 Lisans/ Yüksek Lisans Lisans Dersin Kodu MAT 106 Sömestr 2

x 2i + A)( 1 yj 2 + B) u (v + B), y 1

Genel Graf Üzerinde Mutlak 1-merkez

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

FEM ile, Hapsolmuş Kuantum Mekaniksel Sistemlerin Çözümü

A (B C) = {4, 5, 6} {2, 3, 4, 6, 7} = {4, 6} ; ve (A B) (A C) = {4, 6} {6} = {4, 6}. 6. Dağıtıcı yasayı Venn şeması yoluyla doğrulayınız.

Ders: MAT261 Konu: Matrisler, Denklem Sistemleri matrisi bulunuz. olmak üzere X = AX + B olacak şekilde bir X 1.

AccTR Virtual Institute of Accelerator Physics. The Physics of Particle Accelerators An Introduction. Chapter : 3.12, 3.13

28/04/2014 tarihli LYS-1 Matematik-Geometri Testi konu analizi SORU NO LYS 1 MATEMATİK TESTİ KAZANIM NO KAZANIMLAR 1 / 31

İki Boyutlu Yapılar için Doğrudan Rijitlik Metodu (Direct Stiffness Method) (İleri Yapı Statiği II. Kısım)

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ Bölüm 1 KÜMELER Bölüm 2 SAYILAR

. [ ] vektörünü S deki vektörlerin bir lineer

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Projenin Adı: Metalik Oranlar ve Karmaşık Sayı Uygulamaları

BÖLÜM 35 TİTREŞİM SPEKTROSKOPİSİ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Transkript:

BÖLÜM 24 PAULI SPİN MATRİSLERİ Elektron spini için dalga fonksiyonlarını tanımlamak biraz kullanışsız görünüyor. Çünkü elektron, 3B uzayda dönmek yerine sadece kendi berlirlediği bir rotada dönüyor. Elektron spininin muhtemel iki hareketini göstermek üzere ve kısa hâllerini kullanıyoruz. Ancak, spin için klasik bir benzeri olmadığından ve dalga fonksiyonları diyemiyoruz. Kimyada bu duruma sıkça rastlanır. Biz daha çok, her biri ayrı çekirdeğe ve elektronlara sahip çok atomlu büyük moleküllerle ilgileniyoruz. Tabii ki bir kerede bu parçacıkların hepsini tanımlayan dalga fonksiyonunu ortaya koymanın imkânsız olduğu aşikârdır. Tek parçacık için bile yeterince zordur! Böyle durumlarda, dalga fonksiyonu veya operatörün gerçek uzayda nasıl göründüğüne açıkça bakmaksızın operatör ve dalga fonksiyonlarının birlikte kullanıldığı kısa bir ifade kullanmak en kullanışlısıdır. Bunun için kullanılan en mükemmel araç, Matris Mekaniği (şimdiye kadar kullanılan dalga mekaniğinin aksine) olarak adlandırılır. Matris mekaniğinin nasıl işlediğini göstermek için spine ait basit bir örneği kullanalım. Basit fikir şudur: Herhangi bir elektron spin hâlini, ve gibi iki hâlin doğrusal kombinasyonu şeklinde yazabiliriz: Şimdilik, elektron dalga fonksiyonunun (örneğin; nin açısal ve radyal kısımları) uzaysal kısmını ihmal ettiğimizi belirtelim. Her hâlin hep aynı şekilde yazılacağından nasıl emin olacağımızı sorabilirsiniz. Kendinizi ikna etmek için bunun sadece bu hâl için doğru olduğunu düşünün. Spini yukarı ( aşağı ) yönlenmiş bir elektronun bulunma olasılığı c 2 ( c 2 ) dir. Bu şekilde yazılamayan bir hâl söz konusu ise bu hâlin şeklinde başka bir spin hâline ( ) karşılık geldiği düşünülmelidir. Ancak bu durumda, spini olan bir elektronun gözlenme olasılığı c 2 olacaktır. Fakat elektronun, gözlemlenen sadece iki tane spin hâli bulunduğundan bu durumun deneysel olarak imkânsız olduğunu bilebiliriz. Matris mekaniğinde temel fikir, dalga fonksiyonunun bir vektörle değiştirilmesidir: 1

Bu, fiziksel (x,y,z) uzayda bir vektör olmayıp sadece yi tanımlayan katsayıları düzenlemek için uygun bir yöntemdir. Özellikle, bilgisayarlar vektörler konusunda çok usta olduklarından bir bilgisayara dalga fonksiyonu koymak için güzel bir yöntemdir. Şimdi amacımız, dalga fonksiyonu ile yapmak istediğimiz bir şeyi, vektörüyle yapabileceğimiz hâle getirmek için herşeyi uygun hâle çevirmektir. Bunu adım adım yaparken birkaç kurala da değineceğiz. İntegraller, nokta çarpımlarla değiştirilir. Herhangi iki dalga fonksiyonu arasındaki örtüşmenin, vektörler arasında, değiştirilmiş bir nokta çarpımı şeklinde yazılabildiğini ifade edelim. Örneğin; ise yazılır. Son satırda, bir vektörün eşleniği tanımlandı: Böylece dalga fonksiyonunun karmaşık bir konjügasyonu, bir vektörün eşleniği ile değiştirilmiştir. Çapraz vektör almamız gerektiğini ve onun karmaşık konjügatı olmaması gerektiğini belirtelim. Aksi takdirde bir örtüşme olduğunda, (sütun) x (sütun) değeri elde edilecek ve satır sayısı ile sütunlar eşleşmeyecektir. Bu kurallar, dalga fonksiyonlarının normalizasyon ve ortogonalliğinin doğal tanımını vektörler cinsinden yapmamızı sağlar: ve 2

Son olarak, ortalama değerleri hesaplayacak, özdeğer denklemlerini çözecek, v.b. şekilde, operatörleri matris mekaniğindeki hâller üzerinde kullanmak istiyoruz. Operatörleri nasıl göstermek gerektiğini kavramak için dalga mekaniği operatörlerini bir dalga fonksiyonundan diğer dalga fonksiyonuna aktaralım. Örneğin, momentum operatörü, bir dalga fonksiyonunu dikkate alır ve orijinal dalga fonksiyonunun türevi olan yeni bir dalga fonksiyonuna dönüştürür: Böylece operatörlerin, matris mekaniğinde benzer etkiyi yapmaları için operatörleri bir vektörden diğer vektöre çevirmeliyiz. Sonuçlarına bakılırsa bu, bir matrisi tanımlayan en temel özelliktir: vektörleri vektörlere dönüştürür. Böylece son kuralımıza da ulaştık: Operatörler, matrislerle gösterilir. Örnek olarak, operatörü, spin uzayında 2x2 matrisle ifade edilecektir: Bu matrisin elemanlarını (yani soru işaretlerini) henüz tanımlamadık ancak bu matrisin gereken bütün özelliklere sahip olduğunu görebiliriz: vektörler, vektörlere ayrılmış ve ortalama değerler numaralara ayrılmıştır. Bir sorun şudur: Hangi matrisin verilen operatöre ait olduğunu tanımlamaktır. Bir başka deyişle, yukarıda soru işaretli verilen yerleri doldurmamız gerekmektedir. Bir alıştırma olması bakımından, ve matris gösterimlerini kullanarak bunun nasıl yapıldığını göstereceğiz: ile başlayalım. nin, ve dalga fonksiyonları üzerinde nasıl etkisi olduğunu biliyoruz. 3

Şimdi yi, elemanları bilinmeyen bir matris olarak gösterelim. Dalga mekaniğinde, nin üzerine etkisi, özdeğeri verir, çünkü, nin özfonksiyonudur (özdeğeri olan). Bu ifade, matris mekaniğine çevrilerek, vektörü, matrisiyle çarpıldığında ( ), aynı özdeğer değerini bulmalıyız: Bu şekilde özfonksiyonları konuşmak yerine matris mekaniğinde özvektörlerden bahsediyoruz ve, nin bir özvektörüdür diyoruz. Bu bilgi, matrisinde bilinmeyen sabitleri elde etmek için kullanılabilir: üzerinde işlem yaparak ifadesi elde edilir. Böylece, için aşağıdaki ifadeye ulaşırız: sonucu elde edilir. 4

de benzer şekilde türetilebilir. Böylece matris, nin özdeğerlerinin olduğunu biliyoruz. ifadesini sağlamalıdır. Sonuçta olur. üzerinde benzer işlemler yapıldığında sonuçları elde edilir. Bu sonuçlar toparlandığında matris gösterimine ulaşmış oluruz. Şimdi, biraz daha hüner gerektiren ve yi elde etmemiz gerekir. Açısal momentuma ait operatör türetmesinden hatırladığımız kadarıyla, ve yi artan ve azaltan operatörler cinsinden tekrar yazabiliriz: Bu ifadeden, ve olduğunu biliyoruz. Burada c+ ve c- tayin edilmesi gereken sabitlerdir. Bu sebeple artırma operatörü için 5

ve azaltma operatörü için ifadelerine ulaşırız. Böylece Böylece ve için aşağıdaki ifadeleri buluruz: olur. Sadece c+ ve c- sabitlerini tayin etmemiz gerekir. Bunu çok az bilgi kullanarak yapabiliriz. Önce, ve nin gözlemlenebilir yani Hermit olması gerektiğini not edelim. Böylece ifadesi elde edilir. Bu sonuç, çabalarımızı, aşağıda belirtilenler cinsinden bir sabiti (c+) bulmaya indirger. ve nin, eşleniklerine eşit değerde ilginç özellikleri bulunduğunu belirtelim: Bu özellik, genel olarak doğrudur: Hermit operatörleri, kendi eşleniklerine eşit matrislerle gösterilirler. Kendi kendine eşit matrisler, bu sebeple Hermit matrisleri olarak adlandırılır ve eşlenik işlem, bazen Hermit konjügasyonu olarak adlandırılır. Kalan sabitleri bulmak için olgusunu kullanırız. Bu bilgi,,, ve için matris gösterimlerinde yer aldığında 6

ifadesini elde ederiz. Son satırda, c+ nin işaretinde keyfî bir seçim yaptık. Böylece ve için son ifadelere ulaşmış olduk: Özet olarak, spin operatörleri için matris gösterimleri:, ve gösterimlerini kullanarak, bazı lineer cebir ifadelerindeki gibi herhangi bir özelliği hesaplayabiliriz. Örneğin; ve nin komutatörlerini hesaplayabiliriz: Açısal momentum operatörlerini gösteren matrislerin, açısal momentuma ait komutasyon bağıntılarına uyduğunu görmek rahatlatıcıdır. Benzer şekilde,, ve özdeğerlerini hesaplayarak ve özdeğerlerini hesaplamak mümkündür. Ortalama değerler, (satır)* (matris) (sütun) çarpımlarından elde edilebilir. Böylece, bu operatörlerle ne 7

istersek hesaplayabilecek bir konumdayız. Sonuçlarına bakıldığında, 2 2 lik bir matriste herhangi bir operatör,, ve nin doğrusal kombinasyonu şeklinde yazılabilir. Yani, bir anlamda biz, spin sistemleri hakkında muhtemel istenebilecek bütün bilgilere sahibiz. Pauli nin onuruna,,, nin boyutsuz biçimi (yani ħ/2 öncü terimi olmaksızın), geleneksel olarak Pauli spin matrisleri şeklinde tanımlanmıştır: Pauli spin matrislerinin (veya eşdeğer, ve matris gösterimleri) kullanışlı olmasının sebeplerinden biri, matris mekaniğini kullanmadaki becerimizi denemek için mevcut en basit durumda olmasıdır. İleride görebileceğimiz gibi, daha karmaşık sistemler de matrisvektör işlemleriyle tanımlanabilmektedir. Ancak bu tür durumlarda matrisler, pek çok elemana, bazen sonsuz sayıda elemana sahip olmaktadır! Bundan dolayı, daha karmaşık durumlara geçmeden önce basit 2 2 lik matrislerle alıştırma yapmak en doğrusudur. 8