- 対称性, 保存則および縮退
- 式(4.2)の導出
- 式(4.3)の導出
- 式(4.9)の導出
- 式(4.10)の導出
- 式(4.16)の導出
- 式(4.18)の導出と\(\mathscr{D}(R)\ket{n;j,m}\)が\(2j+1\)個の独立した状態の線形結合であること
- p.343中段:\(H\)と交換可能な\(J_{\pm}\)を\(\ket{n;j,m}\)に作用させて得られる状態が同一エネルギーを持つこと
- 式(4.20)がエルミート的でありハミルトニアンと交換すること
- 式(4.23)の導出
- 式(4.24)の導出
- \((\ast)\)の導出
- (3):\(-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})=\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2\)の導出
- (4):\(\boldsymbol{p}\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}-\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot\boldsymbol{p}=-2i\hbar\frac1r\)の導出
- (5):\(\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}=\frac{2}{r}\boldsymbol{L}^2\)の導出
- 式(4.26)の導出
- \((\ast)\)の導出
- 式(4.27)の導出
- \((\ast)\)の導出
- (I)の導出
- (II)の導出
- 式(4.29b)(4.29c)の導出
- 式(4.34a)(4.34b)(4.34c)の導出
- p.347中段:\(\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}=0,\boldsymbol{I}^2-\boldsymbol{K}^2=0\)になること
- 式(4.35)の導出
- 式(4.36)の導出
- p.348中段:\(R\)が直交性を持つこと
- 式(4.39)の導出(二行目)
現代の量子力学の行間埋め 第4章
式(4.1)のもとラグランジアンが不変であるとき、
\begin{eqnarray}
L(q_i+\delta q_i)-L(q_i)=0
\end{eqnarray}
になるため、
\begin{eqnarray}
\frac{L(q_i+\delta q_i)-L(q_i)}{\delta q_i}&=&0 \\ \\
\Rightarrow
\frac{\partial L(q_i)}{\partial q_i}&=&0 \\ \\
\end{eqnarray}
となる。
式(4.4)より、ラグランジアンを位置の時間変化(\(\dot{q}\))で微分すると運動量が得られるため、ラグランジュの方程式と式(4.2)より
\begin{eqnarray}
&&\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i}-\frac{\partial L}{\partial q_i}&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i}-0&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
\frac{d}{dt}p_i&=&0 \\ \\
\end{eqnarray}
となる。
式(4.8)に式(4.7)を代入し、\(\varepsilon^2\to 0\)の近似をする。
\begin{eqnarray}
\mathscr{S}^{\dagger}H\mathscr{S}
&=&
\left(1-\frac{i\varepsilon}{\hbar}G\right)^{\dagger}H\left(1-\frac{i\varepsilon}{\hbar}G\right) \\ \\
&=&
\left(1-\frac{(-i)\varepsilon}{\hbar}G^{\dagger}\right)\left(H-\frac{i\varepsilon}{\hbar}HG\right) \\ \\
&=&
\left(1+\frac{i\varepsilon}{\hbar}\underbrace{G}_{(1)}\right)\left(H-\frac{i\varepsilon}{\hbar}HG\right)&...&\text{(1)は式(4.7)上よりエルミート的で}G^{\dagger}=G \\ \\
&=&
\left(H-\frac{i\varepsilon}{\hbar}HG\right)+\frac{i\varepsilon}{\hbar}G\left(H-\frac{i\varepsilon}{\hbar}HG\right) \\ \\
&=&
H+\frac{i\varepsilon}{\hbar}[G,H]+\frac{\varepsilon^2}{\hbar^2}GHG \\ \\
&\simeq&
H+\frac{i\varepsilon}{\hbar}[G,H]&...&\varepsilon^2\to 0\text{とした}
\end{eqnarray}
より、式(4.8)が成り立つときは
\begin{eqnarray}
&&\frac{i\varepsilon}{\hbar}[G,H]&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
[G,H]&=&0
\end{eqnarray}
となる。
式(2.93)より
\begin{eqnarray}
\frac{dG}{dt}&=&\frac{1}{i\hbar}[G,H]
\end{eqnarray}
となるため、式(4.9)を代入すると
\begin{eqnarray}
\frac{dG}{dt}&=&0
\end{eqnarray}
が得られる。
「式(3.194)の\(\mathscr{D}(R)\)の導出」で用いた\(\mathscr{D}(R)\)を用いると式(4.15)より
\begin{eqnarray}
[\mathscr{D}(R),H]
&=&
[\exp\left(-\frac{i\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}}}{\hbar}\phi\right),H] \\ \\
&=&
[1+\left(-\frac{i\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}}}{\hbar}\phi\right)+\frac{1}{2!}\left(-\frac{i\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}}}{\hbar}\phi\right)^2+\ldots,H] \\ \\
&=&
[1,H]+[-\frac{i\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}}}{\hbar}\phi,H]+[\frac{1}{2!}\left(-\frac{i\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}}}{\hbar}\phi\right)^2,H]+\ldots \\ \\
&=&
0-\frac{i}{\hbar}\phi\underbrace{[\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}},H]}_{(1)}+\frac{1}{2!}\left(-\frac{i}{\hbar}\phi\right)^2\underbrace{[(\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}})^2,H]}_{(2)}+\ldots \\ \\
\end{eqnarray}
となる。このとき、任意の\(\hat{\boldsymbol{n}}\)に対してこの式が成立するためには\([(\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}})^k,H]=0\)である必要がある。\(\hat{\boldsymbol{n}}=(n_x,n_y,n_z)\)のとき、
\begin{eqnarray}
[\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}},H]
&=&
[J_xn_x+J_yn_y+J_zn_z,H] \\ \\
&=&
n_x[J_x,H]+n_y[J_y,H]+n_z[J_z,H] \\ \\
&=&
0 \\ \\
\Leftrightarrow
\left(
\begin{array}{cccc}
[J_x,H] \\
[J_y,H] \\
[J_z,H]
\end{array}
\right)&=&0&...&(3) \\ \\
\Leftrightarrow
[\boldsymbol{J},H]&=&0
\end{eqnarray}
となる。また、
\begin{eqnarray}
[(\boldsymbol{J}\cdot\hat{\boldsymbol{n}})^2,H]
&=&
[(J_xn_x+J_yn_y+J_zn_z)^2,H] \\ \\
&=&
[J_x^2n_x^2+J_y^2n_y^2+J_z^2n_z^2+J_xJ_yn_xn_y+J_yJ_zn_yn_z+J_zJ_xn_zn_x+J_yJ_xn_yn_x+J_zJ_yn_zn_y+J_xJ_zn_xn_z,H] \\ \\
&=&
n_x^2[J_x^2,H]+n_y^2[J_y^2,H]+n_z^2[J_z^2,H]+n_xn_y[J_xJ_y,H]+n_yn_z[J_yJ_z,H]+n_zn_x[J_zJ_x,H]+n_yn_x[J_yJ_x,H]+n_zn_y[J_zJ_y,H]+n_xn_z[J_xJ_z,H] \\ \\
&=&
n_x^2[J_x^2,H]+n_y^2[J_y^2,H]+n_z^2[J_z^2,H]+0&...&\text{(3)より交換可能であるため} \\ \\
&=&
0 \\ \\
\Rightarrow
[J_x^2,H]+
[J_y^2,H]+
[J_z^2,H]&=&
[J_x^2+J_y^2+J_z^2,H] \\ \\
&=&0 \\ \\
\Leftrightarrow
[\boldsymbol{J}^2,H]&=&0
\end{eqnarray}
と導出できる。
式(3.201)の導出と同様である。
\(m^{\prime}\)は式(3.185)やp.238の中段より\(m^{\prime}\)は\(2j+1\)個の状態をとるため、式(4.18)の右辺は\(2j+1\)個の独立した状態の線形結合である。
\(m^{\prime}\)は式(3.185)やp.238の中段より\(m^{\prime}\)は\(2j+1\)個の状態をとるため、式(4.18)の右辺は\(2j+1\)個の独立した状態の線形結合である。
\(J_{\pm}\ket{n;j,m}\)のエネルギーを求めると、
\begin{eqnarray}
H(J_{\pm}\ket{n;j,m})&=&J_{\pm}H\ket{n;j,m}&...&\text{交換可能なため} \\ \\
&=&
J_{\pm}E_n\ket{n;j,m}&...&\text{p.342下段より}\ket{n}\text{が}E_n\text{の固有値を持つため} \\ \\
&=&
E_n(J_{\pm}\ket{n;j,m}) \\ \\
\end{eqnarray}
となることから、同一エネルギー\(E_n\)であることがわかる。
問題(3.31)に同様の問題がある。
ベクトル解析の公式から、\((A\times B=-B\times A)\)は\(\boldsymbol{A}\)と直交するため、内積は\(0\)になることを用いると
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{M}
&=&
\boldsymbol{L}\cdot\left(\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\right) \\ \\
&=&
\left(\frac{1}{2m}(\boldsymbol{L}\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-\boldsymbol{L}\cdot(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}))-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{x}\right) \\ \\
&=&
-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{x} \\ \\
&\propto&
\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{x} \\ \\
\end{eqnarray}
が得られる。これを計算すると式(3.210)より
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{L}\cdot \boldsymbol{x}
&=&
\left(
\begin{array}{cccc}
yp_z-zp_y \\
zp_x-xp_z \\
xp_y-yp_x
\end{array}
\right)\cdot \boldsymbol{x} \\ \\
&=&
(yp_z-zp_y)x+(zp_x-xp_z)y+(xp_y-yp_x)z \\ \\
&=&
(yp_zx-xp_zy)+(zp_xy-yp_xz)+(xp_yz-zp_yx) \\ \\
&=&
0&...&\text{交換可能であるため}
\end{eqnarray}
と導出できる。同様にして
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{M}\cdot\boldsymbol{L}
&=&
\left(\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\right)\cdot\boldsymbol{L} \\ \\
&=&
\left(\frac{1}{2m}((\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})\cdot\boldsymbol{L}-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot\boldsymbol{L})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{L}\right) \\ \\
&=&
-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{L} \\ \\
&\propto&
\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{L} \\ \\
\end{eqnarray}
が得られる。これを計算すると式(3.210)より
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{L}
&=&
\boldsymbol{x}\cdot\left(
\begin{array}{cccc}
yp_z-zp_y \\
zp_x-xp_z \\
xp_y-yp_x
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
x(yp_z-zp_y)+y(zp_x-xp_z)+z(xp_y-yp_x) \\ \\
&=&
(yxp_z-xyp_z)+(zyp_x-yzp_x)+(xzp_y-zxp_y) \\ \\
&=&
0&...&\text{交換可能であるため}
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
参考
加えて、\([x_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}x_k,[p_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}p_k...(\ast)\)を用いる。
\begin{eqnarray}
[x,L_x]
&=&
[x,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[x,L_y]
&=&
[x,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
[x,zp_x]-[x,xp_z] \\ \\
&=&
z[x,p_x]-0 \\ \\
&=&
zi\hbar \\ \\
[y,L_x]
&=&
[y,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
i\hbar\frac{\partial}{\partial p_y}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
-zi\hbar \\ \\
[y,L_y]
&=&
[y,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[z,L_x]
&=&
[z,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
[z,yp_z]-[z,zp_y] \\ \\
&=&
y[z,p_z]-0 \\ \\
&=&
yi\hbar \\ \\
[z,L_y]
&=&
[z,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
i\hbar\frac{\partial}{\partial p_z}(zp_x-xp_z)\\ \\
&=&
-xi\hbar \\ \\
[z,L_z]
&=&
[z,xp_y-yp_x] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_x,L_x]
&=&
[p_x,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_x,L_y]
&=&
[p_x,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
i\hbar p_z \\ \\
[p_y,L_x]
&=&
[p_y,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial y}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
-i\hbar p_z \\ \\
[p_y,L_y]
&=&
[p_y,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial y}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_z,L_x]
&=&
[p_z,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial z}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
i\hbar p_y \\ \\
[p_z,L_y]
&=&
[p_z,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial z}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
-i\hbar p_x \\ \\
[p_z,L_z]
&=&
[p_z,xp_y-yp_x] \\ \\
&=&
0
\end{eqnarray}
より、以上とp.289下、式(1.232b)をまとめると\([x_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}x_k,[p_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}p_k\)となる。
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}
&=&
\left(
\begin{array}{cccc}
p_x \\
p_y \\
p_z
\end{array}
\right)\times
\left(
\begin{array}{cccc}
L_x \\
L_y \\
L_z
\end{array}
\right)-
\left(
\begin{array}{cccc}
L_x \\
L_y \\
L_z
\end{array}
\right)\times
\left(
\begin{array}{cccc}
p_x \\
p_y \\
p_z
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y \\
p_zL_x-p_xL_z \\
p_xL_y-p_yL_x
\end{array}
\right)-
\left(
\begin{array}{cccc}
L_yp_z-L_zp_y \\
L_zp_x-L_xp_z \\
L_xp_y-L_yp_x
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y \\
p_zL_x-p_xL_z \\
p_xL_y-p_yL_x
\end{array}
\right)-
\left(
\begin{array}{cccc}
(p_zL_y+i\hbar p_x)-(p_yL_z-i\hbar p_x) \\
(p_xL_z+i\hbar p_y)-(p_zL_x-i\hbar p_y) \\
(p_yL_x+i\hbar p_z)-(p_xL_y-i\hbar p_z)
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
2\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x \\
p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y \\
p_xL_y-p_yL_x-i\hbar p_z
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
2\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-2i\hbar\boldsymbol{p} \\ \\
\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}+\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}&=&2i\hbar\boldsymbol{p}
\end{eqnarray}
と式変形できるため、式(4.20)は
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{M}
&=&
\frac{\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}}{2m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x} \\ \\
&=&
\frac{2\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-2i\hbar\boldsymbol{p}}{2m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}& \\ \\
&=&
\frac{\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p}}{m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}&...&(1) \\ \\
&=&
\frac{-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}+i\hbar\boldsymbol{p}}{m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}&...&(2) \\ \\
\end{eqnarray}
と二通りで書ける。これを用いて、
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{M}^2
&=&
(2)\cdot(1) \\ \\
&=&
\left(\frac{-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}+i\hbar\boldsymbol{p}}{m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\right)\left(\frac{\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p}}{m}-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\right)& \\ \\
&=&
\left(\frac{-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}+i\hbar\boldsymbol{p}}{m}\right)\left(\frac{\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p}}{m}\right) \\
&&-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\frac{\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p}}{m}-\frac{-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}+i\hbar\boldsymbol{p}}{m}\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x} \\
&&+\left(\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}\right)^2& \\ \\
&=&
\frac{1}{m^2}\left((-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})+i\hbar(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})\cdot\boldsymbol{p}-i\hbar\boldsymbol{p}\cdot(-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})+(i\hbar\boldsymbol{p})(-i\hbar\boldsymbol{p})\right) \\
&&-\left(\frac{Ze^2}{m}\right)\left[\frac{\boldsymbol{x}}{r}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p})+(-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}+i\hbar\boldsymbol{p})\frac{\boldsymbol{x}}{r}\right] \\
&&+\frac{Z^2e^4}{r^2}\boldsymbol{x}^2& \\ \\
&=&
\frac{1}{m^2}\left((-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-i\hbar\cdot0+i\hbar\cdot0+\hbar^2\boldsymbol{p}^2\right)&...&\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}\perp\boldsymbol{p}\text{より内積が}0\text{になる} \\
&&-\left(\frac{Ze^2}{m}\right)\left[\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}+i\hbar(\boldsymbol{p}\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}-\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot\boldsymbol{p})\right] \\
&&+\frac{Z^2e^4}{r^2}r^2&...&r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\text{を用いた} \\ \\
&=&
\frac{1}{m^2}\left(\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\boldsymbol{p}^2\right)&...&\text{(3)} \\
&&-\left(\frac{Ze^2}{m}\right)\left[\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}+i\hbar(-2i\hbar\frac{1}{r})\right]&...&\text{(4)} \\
&&+Z^2e^4 \\ \\
&=&
\frac{1}{m^2}\left(\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\boldsymbol{p}^2\right)& \\
&&-\left(\frac{Ze^2}{m}\right)\left[\frac{2}{r}\boldsymbol{L}^2+\frac{2}{r}\hbar^2\right]&...&\text{(5)} \\
&&+Z^2e^4 \\ \\
&=&
\frac{2}{m}\frac{1}{2m}\left(\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\boldsymbol{p}^2\right)
-\frac{2}{m}\left(\frac{Ze^2}{r}\right)\left[\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\right]
+Z^2e^4 \\ \\
&=&
\frac{2}{m}\left[\frac{\boldsymbol{p}^2}{2m}\left(\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\right)
-\left(\frac{Ze^2}{r}\right)\left[\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\right]\right]
+Z^2e^4 \\ \\
&=&
\frac{2}{m}\left[\frac{\boldsymbol{p}^2}{2m}-\left(\frac{Ze^2}{r}\right)\right]\left[\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\right]
+Z^2e^4 \\ \\
&=&
\frac{2}{m}H\left[\boldsymbol{L}^2+\hbar^2\right]+Z^2e^4 \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
\begin{eqnarray}
-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})
&=&
-
\left(
\begin{array}{cccc}
L_yp_z-L_zp_y \\
L_zp_x-L_xp_z \\
L_xp_y-L_zp_y
\end{array}
\right)\cdot
\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y \\
p_zL_x-p_xL_z \\
p_xL_y-p_zL_y
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
-
\left(
\begin{array}{cccc}
p_zL_y+i\hbar p_x-p_yL_z+i\hbar p_x \\
p_xL_z+i\hbar p_y-p_zL_x+i\hbar p_y \\
p_yL_x+i\hbar p_z-p_xL_y+i\hbar p_z
\end{array}
\right)\cdot
\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y \\
p_zL_x-p_xL_z \\
p_xL_y-p_xL_y
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
-
\left[
\left(
\begin{array}{cccc}
p_zL_y -p_yL_z \\
p_xL_z -p_zL_x \\
p_yL_x -p_xL_y
\end{array}
\right)+2i\hbar\boldsymbol{p}
\right]\cdot
\left(
\begin{array}{cccc}
p_yL_z-p_zL_y \\
p_zL_x-p_xL_z \\
p_xL_y-p_yL_x
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
\left[
\left(
\begin{array}{cccc}
p_zL_y -p_yL_z \\
p_xL_z -p_zL_x \\
p_yL_x -p_xL_y
\end{array}
\right)+2i\hbar\boldsymbol{p}
\right]\cdot
\left(
\begin{array}{cccc}
p_zL_y-p_yL_z \\
p_xL_z-p_zL_x \\
p_yL_x-p_xL_y
\end{array}
\right) \\ \\
&=&
(p_zL_y -p_yL_z)(p_zL_y -p_yL_z)+(p_xL_z -p_zL_x)(p_xL_z -p_zL_x)+(p_yL_x -p_xL_y)(p_yL_x -p_xL_y)+2i\hbar\boldsymbol{p}\cdot(-\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}) \\ \\
&=&
(p_zL_yp_zL_y -p_zL_yp_yL_z -p_yL_zp_zL_y+p_yL_zp_yL_z)+(p_xL_zp_xL_z -p_xL_zp_zL_x -p_zL_xp_xL_z+p_zL_xp_zL_x)+(p_yL_xp_yL_x -p_yL_xp_xL_y -p_xL_yp_yL_x+p_xL_yp_xL_y)+2i\hbar0 \\ \\
&=&
(p_zL_yp_zL_y+p_yL_zp_yL_z+p_xL_zp_xL_z+p_zL_xp_zL_x+p_yL_xp_yL_x+p_xL_yp_xL_y )-( p_zL_yp_yL_z +p_yL_zp_zL_y+p_xL_zp_zL_x +p_zL_xp_xL_z+p_yL_xp_xL_y +p_xL_yp_yL_x) \\ \\
&=&
(p_z(p_zL_y+i\hbar p_x)L_y+p_y(p_yL_z-i\hbar p_x)L_z+p_x(p_xL_z+i\hbar p_y)L_z+p_z(p_zL_x-i\hbar p_y)L_x+p_y(p_yL_x+i\hbar p_z)L_x+p_x(p_xL_y-i\hbar p_z)L_y ) \\
&-&
( (L_yp_z-i\hbar p_x)p_yL_z +(L_zp_y+i\hbar p_x)p_zL_y+(L_zp_x-i\hbar p_y)p_zL_x +(L_xp_z+i\hbar p_y)p_xL_z+(L_xp_y-i\hbar p_z)p_xL_y +(L_yp_x+i\hbar p_z)p_yL_x) \\ \\
&=&
(p_zp_zL_yL_y+p_yp_yL_zL_z+p_xp_xL_zL_z+p_zp_zL_xL_x+p_yp_yL_xL_x+p_xp_xL_yL_y ) \\
&-&
( L_yp_zp_yL_z +L_zp_yp_zL_y+L_zp_xp_zL_x +L_xp_zp_xL_z+L_xp_yp_xL_y +L_yp_xp_yL_x) \\
&+&
(+i\hbar p_zp_xL_y-i\hbar p_yp_xL_z+i\hbar p_xp_yL_z-i\hbar p_zp_yL_x+i\hbar p_yp_zL_x-i\hbar p_xp_zL_y-i\hbar p_xp_yL_z+i\hbar p_xp_zL_y-i\hbar p_yp_zL_x+i\hbar p_yp_xL_z-i\hbar p_zp_xL_y+i\hbar p_zp_yL_x) \\ \\
&=&
(p_zp_zL_yL_y+p_yp_yL_zL_z+p_xp_xL_zL_z+p_zp_zL_xL_x+p_yp_yL_xL_x+p_xp_xL_yL_y+{\color{red}p_xp_xL_xL_x+p_yp_yL_yL_y+p_zp_zL_zL_z-(p_xp_xL_xL_x+p_yp_yL_yL_y+p_zp_zL_zL_z)} ) \\
&-&
( L_yp_yp_zL_z +L_zp_zp_yL_y+L_zp_zp_xL_x +L_xp_xp_zL_z+L_xp_xp_yL_y +L_yp_yp_xL_x) \\
&+&
0 \\ \\
&=&
(p_z^2(L_x^2+L_y^2+L_z^2)+p_y^2(L_x^2+L_y^2+L_z^2)+p_x^2(L_x^2+L_y^2+L_z^2)-(p_xL_xp_xL_x+p_yL_yp_yL_y+p_zL_zp_zL_z) ) \\
&-&
( L_yp_yp_zL_z +L_zp_zp_yL_y+L_zp_zp_xL_x +L_xp_xp_zL_z+L_xp_xp_yL_y +L_yp_yp_xL_x) \\ \\
&=&
((p_x^2+p_y^2+p_z^2)(L_x^2+L_y^2+L_z^2) ) \\
&-&
( p_yL_yp_zL_z +p_zL_zp_yL_y+p_zL_zp_xL_x +p_xL_xp_zL_z+p_xL_xp_yL_y +p_yL_yp_xL_x+{\color{red}p_xL_xp_xL_x+p_yL_yp_yL_y+p_zL_zp_zL_z}) \\ \\
&=&
\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2 \\
&-&
((p_xL_x)(p_xL_x+p_yL_y+p_zL_z)+(p_yL_y)(p_xL_x+p_yL_y+p_zL_z)+(p_zL_z)(p_xL_x+p_yL_y+p_zL_z)) \\ \\
&=&
\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2
-
(p_xL_x+p_yL_y+p_zL_z)(p_xL_x+p_yL_y+p_zL_z) \\ \\
&=&
\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2
-
(\boldsymbol{p}\cdot\boldsymbol{L})(\boldsymbol{p}\cdot\boldsymbol{L}) \\ \\
&=&
\boldsymbol{p}^2\boldsymbol{L}^2
\end{eqnarray}
と得られる。
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{p}\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}-\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot\boldsymbol{p} \\ \\
&=&
\displaystyle\sum_i\left(p_i\frac{x_i}{r}-\frac{x_i}{r}p_i\right) \\ \\
&=&
\displaystyle\sum_i[p_i,\frac{x_i}{r}] \\ \\
&=&
\displaystyle\sum_i(-i\hbar\frac{\partial}{\partial x_i}\frac{x_i}{r})&...&\text{式(2.97b)より} \\ \\
&=&
-\displaystyle\sum_ii\hbar\frac{\partial}{\partial x_i}\frac{x_i}{r} \\ \\
&=&
-\displaystyle\sum_ii\hbar\frac{r-x_i\frac{\partial}{\partial x_i}r}{r^2} \\ \\
&=&
-\displaystyle\sum_ii\hbar\frac{r-x_i\frac{x_i}{r}}{r^2}&...&r=\sqrt{x_i^2+x_j^2+x_k^2}\text{を用いた} \\ \\
&=&
-\displaystyle\sum_ii\hbar\frac{r^2-x_i^2}{r^3}&\\ \\
&=&
-i\hbar\frac{r^2-x_i^2}{r^3}-i\hbar\frac{r^2-x_j^2}{r^3}-i\hbar\frac{r^2-x_k^2}{r^3}&\\ \\
&=&
-i\hbar\frac{3r^2-(x_i^2+x_j^2+x_k^2)}{r^3}\\ \\
&=&
-i\hbar\frac{3r^2-r^2}{r^3}\\ \\
&=&
-i\hbar\frac{2}{r}\\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
\begin{eqnarray}
\frac{\boldsymbol{x}}{r}\cdot(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L})-(\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})\cdot\frac{\boldsymbol{x}}{r}
&=&
\frac{x}{r}(p_yL_z-p_zL_y)-(L_yp_z-L_zp_y)\frac{x}{r}+\ldots \\ \\
&=&
\frac{1}{r}(xp_yL_z-xp_zL_y)-(L_y\underbrace{p_z\frac{1}{r}}_{(6)}-L_z\underbrace{p_y\frac{1}{r}}_{(6)})x+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}(xp_yL_z-xp_zL_y)-(L_y\underbrace{(\frac{1}{r}p_z+i\hbar\frac{z}{r^3})}_{(6)}-L_z\underbrace{(\frac{1}{r}p_y+i\hbar\frac{y}{r^3})}_{(6)})x+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}(xp_yL_z-xp_zL_y)-(L_y\frac{1}{r}p_zx+L_yi\hbar\frac{z}{r^3}x-L_z\frac{1}{r}p_yx-L_zi\hbar\frac{y}{r^3}x+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}(xp_yL_z-xp_zL_y)-(\underbrace{\frac{1}{r}L_y}_{(7)}p_zx+i\hbar \underbrace{\frac1rL_y}_{(7)}\frac{zx}{r^2}-\underbrace{\frac{1}{r}L_z}_{(7)}p_yx-i\hbar \underbrace{\frac1rL_z}_{(7)}\frac{xy}{r^2}+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}\left(xp_yL_z-xp_zL_y-L_yp_zx-i\hbar L_y\frac{zx}{r^2}+L_zp_yx+i\hbar L_z\frac{xy}{r^2}\right)+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}\left(xp_yL_z-xp_zL_y-L_y{\color{red}xp_z}-i\hbar L_y\frac{zx}{r^2}+L_z{\color{red}xp_y}+i\hbar L_z\frac{xy}{r^2}\right)+\ldots&\\ \\
&=&
\frac{1}{r}\left(xp_yL_z-xp_zL_y-L_yxp_z-i\hbar L_y\frac{zx}{r^2}+L_zxp_y+i\hbar L_z\frac{xy}{r^2}\right) \\
&+&
\frac{1}{r}\left(yp_zL_x-yp_xL_z-L_zyp_x-i\hbar L_z\frac{xy}{r^2}+L_xyp_z+i\hbar L_x\frac{yz}{r^2}\right) \\
&+&
\frac{1}{r}\left(zp_xL_y-zp_yL_x-L_xzp_y-i\hbar L_x\frac{yz}{r^2}+L_yzp_x+i\hbar L_y\frac{zx}{r^2}\right) &...&x\to y,y\to z,z\to x\text{として式が成立するため}\\ \\
&=&
\frac{1}{r}\left(L_x[yp_z-zp_y]+L_y[zp_x-xp_z]+L_z[xp_y-yp_x]+[yp_z-zp_y]L_x+[zp_x-xp_z]L_y+[xp_y-yp_x]L_z+i\hbar(L_zxy-L_yzx-L_zxy+L_xyz-L_xyz+L_yzx)\frac{1}{r^2}\right) \\ \\
&=&
\frac{1}{r}\left(L_xL_x+L_yL_y+L_zL_z+L_xL_x+L_yL_y+L_zL_z+i\hbar(0)\frac{1}{r^2}\right) \\ \\
&=&
\frac{2}{r}\left(L_x^2+L_y^2+L_z^2\right) \\ \\
&=&
\frac{2}{r}\boldsymbol{L}^2 \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
ここでは\([M_x,L_y]=i\hbar M_z,[M_x,L_x]=0\)を示す。
\([x_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}x_k,[p_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}p_k...(\ast)\)を用いる。
\begin{eqnarray}
[x,L_x]
&=&
[x,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[x,L_y]
&=&
[x,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
[x,zp_x]-[x,xp_z] \\ \\
&=&
z[x,p_x]-0 \\ \\
&=&
zi\hbar \\ \\
[y,L_x]
&=&
[y,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
i\hbar\frac{\partial}{\partial p_y}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
-zi\hbar \\ \\
[y,L_y]
&=&
[y,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[z,L_x]
&=&
[z,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
[z,yp_z]-[z,zp_y] \\ \\
&=&
y[z,p_z]-0 \\ \\
&=&
yi\hbar \\ \\
[z,L_y]
&=&
[z,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
i\hbar\frac{\partial}{\partial p_z}(zp_x-xp_z)\\ \\
&=&
-xi\hbar \\ \\
[z,L_z]
&=&
[z,xp_y-yp_x] \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_x,L_x]
&=&
[p_x,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_x,L_y]
&=&
[p_x,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
i\hbar p_z \\ \\
[p_y,L_x]
&=&
[p_y,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial y}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
-i\hbar p_z \\ \\
[p_y,L_y]
&=&
[p_y,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial y}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
0 \\ \\
[p_z,L_x]
&=&
[p_z,yp_z-zp_y] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial z}(yp_z-zp_y) \\ \\
&=&
i\hbar p_y \\ \\
[p_z,L_y]
&=&
[p_z,zp_x-xp_z] \\ \\
&=&
-i\hbar\frac{\partial}{\partial z}(zp_x-xp_z) \\ \\
&=&
-i\hbar p_x \\ \\
[p_z,L_z]
&=&
[p_z,xp_y-yp_x] \\ \\
&=&
0
\end{eqnarray}
より、以上とp.289下、式(1.232b)をまとめると\([x_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}x_k,[p_i,L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}p_k\)となる。
はじめに\([M_x,L_y]\)を計算すると
\begin{eqnarray}
[M_x,L_y]
&=&
[|\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_x,L_y]&...&\text{式(4.20)より} \\ \\
&=&
[\frac{1}{2m}(p_yL_z-p_zL_y-(L_yp_z-L_zp_y))-\frac{Ze^2}{r}x,L_y]\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left([p_yL_z,L_y]-[p_zL_y,L_y]-[L_yp_z,L_y]+[L_zp_y,L_y]\right)-Ze^2[\frac{x}{r},L_y]\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left(\underbrace{p_y[L_z,L_y]}_{(1)}-\underbrace{[p_z,L_y]L_y}_{(1)}-\underbrace{L_y[p_z,L_y]}_{(1)}+\underbrace{[L_z,L_y]p_y}_{(1)}\right)\underbrace{+Ze^2[L_y,\frac{x}{r}]}_{(2)}&...&\text{(1)}[p_y,L_y]=0\text{より}p_y,L_y\text{は}L_y\text{と交換するため}(2)\text{式(1.232b)}\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left(\underbrace{p_y(-i\hbar L_x)}_{(3)}-\underbrace{(-i\hbar p_x)L_y}_{(4)}-\underbrace{L_y(-i\hbar p_x)}_{(4)}\underbrace{+(-i\hbar L_x)p_y}_{(3)}\right)+Ze^2\underbrace{([L_y,x]\frac{1}{r}+x[L_y,\frac{1}{r}])}_{(5)}&...&\text{(3)式(3.211),(4)式}(\ast)\text{(5)式(1.232e)}\\ \\
&=&
i\hbar\frac{1}{2m}\left(-p_yL_x+p_xL_y+L_yp_x-L_xp_y\right)+Ze^2(\underbrace{-[x,L_y]}_{(2)}\frac{1}{r}+\underbrace{xz[p_x,\frac{1}{r}]-xx[p_z,\frac{1}{r}]}_{(5)})&...&\text{(5)}x_i,r\text{は交換するため}\\ \\
&=&
i\hbar\frac{1}{2m}\left((p_xL_y-p_yL_x)-(L_xp_y-L_yp_x)\right)+Ze^2(\underbrace{-i\hbar z}_{(4)}\frac{1}{r}+\underbrace{xz(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial x}\frac{1}{r}-xx(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial z}\frac{1}{r}}_{(6)})&...&\text{式(2.97b)}\\ \\
&=&
i\hbar\frac{1}{2m}\left(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}|_{z}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}|_{z}\right)+Ze^2(\underbrace{-i\hbar z}_{(1)}\frac{1}{r}+xz(-i\hbar)\frac{-x}{r^3}-xx(-i\hbar)\frac{-z}{r^3})&...&r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\text{を用いた}\\ \\
&=&
i\hbar\frac{1}{2m}\left(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}|_{z}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}|_{z}\right)-Ze^2(i\hbar\frac{z}{r})&\\ \\
&=&
i\hbar\frac{1}{2m}\left(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}|_{z}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}|_{z}-\frac{Ze^2}{r}z\right)&\\ \\
&=&
i\hbar\boldsymbol{M}_z&\\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。次に\([M_x,L_x]=0\)を示す。
\begin{eqnarray}
[M_x,L_x]
&=&
[|\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_x,L_x]&\\ \\
&=&
[\frac{1}{2m}(p_yL_z-p_zL_y-(L_yp_z-L_zp_y))-\frac{Ze^2}{r}x,L_x]\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left([p_yL_z,L_x]-[p_zL_y,L_x]-[L_yp_z,L_x]+[L_zp_y,L_x]\right)-Ze^2[\frac{x}{r},L_x]\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left(-[L_x,p_yL_z]+[L_x,p_zL_y]+[L_x,L_yp_z]-[L_x,L_zp_y]\right)+Ze^2([L_x,\frac{1}{r}]x+\frac{1}{r}[L_x,x])\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left(-[L_x,p_y]L_z-p_y[L_x,L_z]+[L_x,p_z]L_y+p_z[L_x,L_y]+[L_x,L_y]p_z+L_y[L_x,p_z]-[L_x,L_z]p_y-L_z[L_x,p_y]\right)+Ze^2([yp_z-zp_y,\frac{1}{r}]x+\frac{1}{r}0)\\ \\
&=&
\frac{1}{2m}\left([p_y,L_x]L_z-p_y(-i\hbar L_y)-[p_z,L_x]L_y+p_z(i\hbar)L_z+(i\hbar L_z)p_z-L_y[p_z,L_x]-(-i\hbar L_y)p_y+L_z[p_y,L_x]\right)+Ze^2(y[p_z,\frac{1}{r}]x-z[p_y,\frac{1}{r}]x)\\ \\
&=&
\frac{\color{red}i\hbar}{2m}\left(-p_zL_z+p_y L_y-p_yL_y+p_zL_z+ L_zp_z-L_yp_y+ L_yp_y+L_z(-p_z)\right)+Ze^2(y\frac{-z}{r^3}x-z\frac{-y}{r^3}x)\\ \\
&=&
\frac{i\hbar}{2m}\left(0\right)+Ze^2\cdot 0\\ \\
&=&
0
\end{eqnarray}
が導ける。他の項も同様にして示すことができる。
-
ここでは\([M_x,M_y]=-i\hbar \frac{2}{m}HL_z,[M_x,M_x]=0\)を示す。
\([L_i,\frac{1}{r}]=0...(\ast)\)つまり\(L_i,\frac{1}{r}\)は交換可能であることを用いる。
\begin{eqnarray}
[L_x,\frac{1}{r}]
&=&
[yp_z-zp_y,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
[yp_z,\frac{1}{r}]-[zp_y,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
y[p_z,\frac{1}{r}]-z[p_y,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
y(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial z}\frac{1}{r}-z(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial y}\frac{1}{r} \\ \\
&=&
y(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial z}-z(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial y} \\ \\
&=&
y(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{z}{r}-z(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{y}{r}&...&r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\text{を用いた} \\ \\
&=&
0& \\ \\ \\
[L_y,\frac{1}{r}]
&=&
[zp_x-xp_z,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
[zp_x,\frac{1}{r}]-[xp_z,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
z[p_x,\frac{1}{r}]-x[p_z,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
z(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial x}\frac{1}{r}-x(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial z}\frac{1}{r} \\ \\
&=&
z(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial x}-x(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial z} \\ \\
&=&
z(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{x}{r}-x(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{z}{r}&...&r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\text{を用いた} \\ \\
&=&
0& \\ \\ \\
[L_z,\frac{1}{r}]
&=&
[xp_y-yp_x,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
[xp_y,\frac{1}{r}]-[yp_x,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
x[p_y,\frac{1}{r}]-y[p_x,\frac{1}{r}] \\ \\
&=&
x(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial y}\frac{1}{r}-y(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial x}\frac{1}{r} \\ \\
&=&
x(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial y}-y(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{\partial r}{\partial x} \\ \\
&=&
x(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{y}{r}-y(-i\hbar)\frac{-1}{r^2}\frac{x}{r}&...&r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\text{を用いた} \\ \\
&=&
0& \\ \\ \\
\end{eqnarray}
と示される。
はじめに\([M_x,M_y]\)を計算する。このとき、「式(4.24)の導出」でもちいた\(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p}=2\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-2i\hbar \boldsymbol{p}...(\ast\ast)\)と変形すると \begin{eqnarray} [M_x,M_y] &=& [|\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_x,|\frac{1}{2m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}\times\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_y]&...&\text{式(4.20)より} \\ \\ &=& [|\frac{1}{2m}(2\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-2i\hbar\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_x,|\frac{1}{2m}(2\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-2i\hbar\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_y]&...&\text{式}(\ast\ast)\text{より} \\ \\ &=& [|\frac{1}{m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_x,|\frac{1}{m}(\boldsymbol{p}\times\boldsymbol{L}-i\hbar\boldsymbol{p})-\frac{Ze^2}{r}\boldsymbol{x}|_y]&\\ \\ &=& [\frac{1}{m}(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x)-\frac{Ze^2}{r}x,\frac{1}{m}(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y)-\frac{Ze^2}{r}y]&\\ \\ &=& [\frac{1}{m}(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{1}{m}(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y)]-[\frac{1}{m}(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{Ze^2}{r}y]-[\frac{Ze^2}{r}x,\frac{1}{m}(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y)]+[-\frac{Ze^2}{r}x,-\frac{Ze^2}{r}y]&\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}[(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y)]-\frac{Ze^2}{m}[(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{y}{r}]-\frac{Ze^2}{m}[\frac{x}{r},(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y)]+0&...&r\text{四項目は}x,y,z\text{のみの関数であるため交換可能}\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}\left(\underbrace{[(p_yL_z-p_zL_y),(p_zL_x-p_xL_z)]}_{\text{(I)}}+[(-i\hbar p_x),(p_zL_x-p_xL_z)]+[(p_yL_z-p_zL_y),(-i\hbar p_y)]+\underbrace{[(-i\hbar p_x),(-i\hbar p_y)]}_{(1)}\right)-\frac{Ze^2}{m}[(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{y}{r}]-\frac{Ze^2}{m}\left(-[(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y),\frac{x}{r}]\right)\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}\left(\underbrace{-i\hbar(p_x^2+p_y^2+ 2p_z^2)L_z}_{\text{(I)}}+(-i\hbar)[p_x,(p_zL_x-p_xL_z)]+(-i\hbar)[(p_yL_z-p_zL_y),p_y]+\underbrace{0}_{(1)}\right)-\frac{Ze^2}{m}\left\{\underbrace{[(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{y}{r}]-[(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y),\frac{x}{r}]}_{(II)}\right\}&...&\text{(1)式(1.224)}\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}\left(-i\hbar\boldsymbol{p}^2L_z+(-i\hbar)(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial x}(p_z(yp_z-zp_y)-p_x(xp_y-yp_x))-(-i\hbar)(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial y}(p_y(xp_y-yp_x)-p_z(zp_x-xp_z))\right)-\frac{Ze^2}{m}[-2i\hbar\frac{1}{r}L_z]...\text{(1)式(1.224)}\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}\left(-i\hbar\boldsymbol{p}^2L_z-\hbar^2(-p_xp_y)+\hbar^2(p_y(-p_x))\right)-\frac{Ze^2}{m}[-2i\hbar\frac{1}{r}L_z]\\ \\ &=& \frac{1}{m^2}\left(-i\hbar\boldsymbol{p}^2L_z+0\right)-\frac{Ze^2}{m}[-2i\hbar\frac{1}{r}L_z]\\ \\ &=& -i\hbar\frac{2}{m}\left(\frac{1}{2m}\boldsymbol{p}^2L_z-\frac{Ze^2}{r}L_z\right)\\ \\ &=& -i\hbar\frac{2}{m}\left(\frac{1}{2m}\boldsymbol{p}^2-\frac{Ze^2}{r}\right)L_z\\ \\ &=& -i\hbar\frac{2}{m}HL_z\\ \\ \end{eqnarray} と導出できる。
\begin{eqnarray}
[(p_yL_z-p_zL_y),(p_zL_x-p_xL_z)]
&=&
[p_yL_z,p_zL_x]-[p_yL_z,p_xL_z]-[p_zL_y,p_zL_x]+[p_zL_y,p_xL_z] \\ \\
&=&
\underbrace{p_z[p_yL_z,L_x]}_{(1)}-\underbrace{([p_yL_z,p_x]L_z+p_x[p_yL_z,L_z])}_{(2)}-\underbrace{([p_zL_y,p_z]L_x+p_z[p_zL_y,L_x])}_{(2)}+\underbrace{p_z[L_y,p_xL_z]}_{(1)}&...&(1)p_z\text{と}p_i,L_z\text{は交換するため}(2)\text{式(1.232e)より} \\ \\
&=&
-p_z[L_x,p_yL_z]-(-p_y[p_x,L_z]L_z+\underbrace{p_x[p_y,L_z]L_z}_{(3)})-(\underbrace{p_z[L_y,p_z]L_x}_{(3)}{\color{red}-}p_z[L_x,p_zL_y])+\underbrace{p_z([L_y,p_x]L_z+p_x[L_y,L_z])}_{(2)}&...&(3)p_z,L_z\text{同士は交換するため} \\ \\
&=&
-p_z([L_x,p_y]L_z+p_y[L_x,L_z])-(-p_y(-i\hbar p_y)L_z+\underbrace{p_x(i\hbar p_x)L_z}_{(3)})-(\underbrace{-p_z[p_z,L_y]L_x}_{(3)}-p_z([L_x,p_z]L_y+p_z[L_x,L_y]))+p_z(-[p_x,L_y]L_z+p_xi\hbar L_x)&...&\\ \\
&=&
-p_z(-[p_y,L_x]L_z+p_y(-i\hbar L_y))-(i\hbar p_y^2L_z+i\hbar p_x^2L_z)-(-p_z(-i\hbar p_x)L_x-p_z((-i\hbar p_y)L_y+p_zi\hbar L_z))+p_z(-i\hbar p_zL_z+p_xi\hbar L_x)&...&\\ \\
&=&
-p_z(-(-i\hbar)p_zL_z-i\hbar p_yL_y)-(i\hbar p_y^2L_z+i\hbar p_x^2L_z)-(i\hbar p_z p_xL_x+i\hbar p_z p_yL_y-p_z^2i\hbar L_z)+p_z(-i\hbar p_zL_z+i\hbar p_x L_x)&...&\\ \\
&=&
-i\hbar(p_x^2+p_y^2+ p_z^2)L_z\\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
\begin{eqnarray}
&&[(p_yL_z-p_zL_y-i\hbar p_x),\frac{y}{r}]-[(p_zL_x-p_xL_z-i\hbar p_y),\frac{x}{r}] \\ \\
&=&
[p_yL_z-p_zL_y,\frac{y}{r}]-i\hbar[ p_x,\frac{y}{r}]-[p_zL_x-p_xL_z,\frac{x}{r}]+i\hbar[ p_y,\frac{x}{r}] \\ \\
&=&
[p_yL_z-p_zL_y,\frac{1}{r}y]-i\hbar(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial x}\frac{y}{r}-[p_zL_x-p_xL_z,\frac{1}{r}x]+i\hbar(-i\hbar)\frac{\partial}{\partial y}\frac{x}{r} \\ \\
&=&
[p_yL_z-p_zL_y,\frac{1}{r}]y+\frac{1}{r}[p_yL_z-p_zL_y,y]-i\hbar(-i\hbar)\frac{y(-x)}{r^3}-[p_zL_x-p_xL_z,\frac{1}{r}]x-\frac{1}{r}[p_zL_x-p_xL_z,x]+i\hbar(-i\hbar)\frac{x(-y)}{r^3} \\ \\
&=&
([p_yL_z,\frac{1}{r}]-[p_zL_y,\frac{1}{r}])y+\frac{1}{r}(-[y,p_yL_z-p_zL_y])-([p_zL_x,\frac{1}{r}]-[p_xL_z,\frac{1}{r}])x-\frac{1}{r}(-[x,p_zL_x-p_xL_z])-\hbar^2\frac{xy}{r^3}+\hbar^2\frac{yx}{r^3} \\ \\
&=&
([p_y,\frac{1}{r}]L_z-[p_z,\frac{1}{r}]L_y)y+\frac{1}{r}(-i\hbar\frac{\partial}{\partial p_y}(p_yL_z-p_zL_y))-([p_z,\frac{1}{r}]L_x-[p_x,\frac{1}{r}]L_z)x-\frac{1}{r}(-(i\hbar)\frac{\partial}{\partial p_x}(p_zL_x-p_xL_z)) \\ \\
&=&
((-i\hbar)(\frac{\partial}{\partial y}\frac{1}{r})L_z-(-i\hbar)(\frac{\partial}{\partial z}\frac{1}{r})L_y)y+\frac{1}{r}(-i\hbar\frac{\partial}{\partial p_y}(p_y(xp_y-yp_x)-p_zL_y))-((-i\hbar)(\frac{\partial}{\partial z}\frac{1}{r})L_x-(-i\hbar)(\frac{\partial}{\partial x}\frac{1}{r})L_z)x-\frac{1}{r}(-(i\hbar)\frac{\partial}{\partial p_x}(p_zL_x-p_x(xp_y-yp_x))) \\ \\
&=&
((-i\hbar)(\frac{-y}{r^3})L_z-(-i\hbar)(\frac{-z}{r^3})L_y)y+\frac{1}{r}(-i\hbar(p_yx+(xp_y-yp_x)))-((-i\hbar)(\frac{-z}{r^3})L_x-(-i\hbar)(\frac{-x}{r^3})L_z)x-\frac{1}{r}(-(i\hbar)(-(xp_y-yp_x)-p_x(-y))) \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{y}{r^3}L_zy-\frac{z}{r^3}L_yy-\frac{1}{r}(p_yx+xp_y-yp_x)-\frac{z}{r^3}L_xx+\frac{x}{r^3}L_zx+\frac{1}{r}(-xp_y+yp_x+p_xy)\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{y}{r^3}(yL_z-i\hbar x)-\frac{z}{r^3}{\color{red}yL_y}-\frac{1}{r}(2xp_y-yp_x)-\frac{z}{r^3}{\color{red}xL_x}+\frac{x}{r^3}(xL_z+i\hbar y)+\frac{1}{r}(-xp_y+2yp_x)\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{y^2}{r^3}L_z-i\hbar\frac{yx}{r^3}-\frac{yz}{r^3}(zp_x-xp_z)-\frac{xz}{r^3}(yp_z-zp_y)+\frac{x^2}{r^3}L_z+i\hbar\frac{xy}{r^3}+\frac{1}{r}(3(yp_x-xp_y))\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{x^2+y^2}{r^3}L_z-\frac{yz^2}{r^3}p_x+\frac{yz}{r^3}(xp_z)-\frac{xz}{r^3}yp_z+\frac{xz}{r^3}zp_y+i\hbar\frac{xy-yx}{r^3}-\frac{1}{r}(3(xp_y-yp_x))\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{x^2+y^2}{r^3}L_z+\frac{z^2}{r^3}(xp_y-yp_x)+\frac{xyz}{r^3}p_z-\frac{xyz}{r^3}p_z-\frac{3}{r}L_z\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{x^2+y^2}{r^3}L_z+\frac{z^2}{r^3}L_z-\frac{3}{r}L_z\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{x^2+y^2+z^2}{r^3}L_z-\frac{3}{r}L_z\right] \\ \\
&=&
i\hbar\left[\frac{r^2}{r^3}L_z-\frac{3}{r}L_z\right] \\ \\
&=&
-2i\hbar\frac{1}{r}L_z \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
また、同一項であるため\([M_x,M_x]=0\)になる。
-
式(4.26)に式(4.28)を用いる。
\begin{eqnarray}
&&[M_i,L_j]&=&i\hbar\varepsilon_{ijk}M_k \\ \\
&\Leftrightarrow&
[\frac{1}{\left(-\frac{m}{2E}\right)^{1/2}}N_i,L_j]&=&i\hbar\varepsilon_{ijk}\frac{1}{\left(-\frac{m}{2E}\right)^{1/2}}N_k \\ \\
&\Leftrightarrow&
[N_i,L_j]&=&i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。同様に式(4.27)とp.345下段より\(H=-E\)を用いると
\begin{eqnarray}
&&[M_i,M_j]&=&-i\hbar\varepsilon_{ijk}\frac{2}{m}HL_k \\ \\
&\Leftrightarrow&
\frac{1}{\left(-\frac{m}{2E}\right)}[N_i,N_j]&=&-i\hbar\varepsilon_{ijk}\frac{2}{m}(-E)L_k \\ \\
&\Leftrightarrow&
[N_i,N_j]&=&i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
\begin{eqnarray}
[(L_i\pm N_i)/2,(L_j\pm N_j)/2]
&=&
\frac{1}{4}[L_i\pm N_i,L_j\pm N_j]&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}([L_i,L_j\pm N_j]\pm[N_i,L_j\pm N_j])&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}([L_i,L_j]\pm[L_i,N_j]\pm[N_i,L_j]+[N_i,N_j])&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(\underbrace{i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k}_{\text{式(4.29a)}}\pm(-[N_j,L_i])\pm\underbrace{(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k)}_{\text{式(4.29b)}}+\underbrace{i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k}_{\text{式(4.29c)}})&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k\pm\underbrace{({\color{red}-}i\hbar \varepsilon_{jik}N_k)}_{\text{式(4.29b)}}\pm(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k)+i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k)&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(2i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k\pm\underbrace{(i\hbar \varepsilon_{ {\color{red}ij }k}N_k)}_{(1)}\pm(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k))&...&\text{(1)}\varepsilon_{ijk}=-\varepsilon_{jik}\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(2i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k\pm 2i\hbar \varepsilon_{ijk}N_k)&\\ \\
&=&
i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}(L_k\pm N_k)\\ \\
\end{eqnarray}
が得られる。この式から
\begin{eqnarray}
&&[(L_i\pm N_i)/2,(L_j\pm N_j)/2]&=&i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}(L_k\pm N_k) \\ \\
&\Leftrightarrow&
\begin{cases}
[(L_i+ N_i)/2,(L_j+ N_j)/2]&=&i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}(L_k+ N_k) \\
[(L_i- N_i)/2,(L_j- N_j)/2]&=&i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}(L_k- N_k) \\
\end{cases} \\ \\
&\Leftrightarrow&
\begin{cases}
[I_i,I_j]&=&i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}I_k \\
[K_i,K_j]&=&i\hbar \varepsilon_{ijk}\frac{1}{2}K_k \\
\end{cases} \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。また、
\begin{eqnarray}
[I_i,K_j]
&=&
[(L_i+ N_i)/2,(L_j- N_j)/2]
&=&
\frac{1}{4}[L_i+ N_i,L_j- N_j]&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}([L_i,L_j- N_j]+[N_i,L_j- N_j])&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}([L_i,L_j]-[L_i,N_j]+[N_i,L_j]-[N_i,N_j])&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(\underbrace{i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k}_{\text{式(4.29a)} }-(-[N_j,L_i])+\underbrace{(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k)}_{\text{式(4.29b)} }-\underbrace{i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k}_{\text{式(4.29c)} })&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k-\underbrace{({\color{red}-}i\hbar \varepsilon_{jik}N_k)}_{\text{式(4.29b)}}+(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k)-i\hbar\varepsilon_{ijk}L_k)&\\ \\
&=&
\frac{1}{4}(-\underbrace{(i\hbar \varepsilon_{ {\color{red}ij }k }N_k)}_{(1)}+(i\hbar\varepsilon_{ijk}N_k))&...&\text{(1)}\varepsilon_{ijk}=-\varepsilon_{jik}\\ \\
&=&
0
\end{eqnarray}
が導出できる。
-
式(4.23)に式(4.28)を代入すると
\begin{eqnarray}
&&\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{M}&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
\boldsymbol{L}\cdot(\frac{1}{\left(-\frac{m}{2E}\right)^{1/2}}\boldsymbol{N})&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}&=&0&...&(1) \\ \\ \\
&&\boldsymbol{M}\cdot\boldsymbol{L}&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
(\frac{1}{\left(-\frac{m}{2E}\right)^{1/2}}\boldsymbol{N})\cdot\boldsymbol{L}&=&0 \\ \\
&\Leftrightarrow&
\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}&=&0&...&(2) \\ \\ \\
\end{eqnarray}
が得られる。これを用いると
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{I}^2-\boldsymbol{K}^2
&=&
\left(\frac{\boldsymbol{L}+\boldsymbol{N}}{2}\right)^2-\left(\frac{\boldsymbol{L}-\boldsymbol{N}}{2}\right)^2 \\ \\
&=&
\frac{1}{4}\left(\boldsymbol{L}^2+\boldsymbol{N}^2+\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}+\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}-\boldsymbol{L}^2-\boldsymbol{N}^2+\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}+\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}\right) \\ \\
&=&
\frac{1}{4}\left(2\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}+2\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}\right) \\ \\
&=&
0&...&(1)(2)\text{より}\\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
\begin{eqnarray}
\boldsymbol{I}^2+\boldsymbol{K}^2
&=&
\left(\frac{\boldsymbol{L}+\boldsymbol{N}}{2}\right)^2+\left(\frac{\boldsymbol{L}-\boldsymbol{N}}{2}\right)^2&...&\text{式(4.32)(4.33)} \\ \\
&=&
\frac{1}{4}\left(\boldsymbol{L}^2+\boldsymbol{N}^2+\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}+\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}+\boldsymbol{L}^2+\boldsymbol{N}^2-\boldsymbol{L}\cdot\boldsymbol{N}-\boldsymbol{N}\cdot\boldsymbol{L}\right) \\ \\
&=&
\frac{1}{4}\left(2\boldsymbol{L}^2+2\boldsymbol{N}^2\right) \\ \\
&=&
\frac{1}{2}\left(\boldsymbol{L}^2+\boldsymbol{N}^2\right) \\ \\
&=&
\frac{1}{2}\left(\boldsymbol{L}^2+\left(-\frac{m}{2E}\right)\boldsymbol{M}^2\right)&...&\text{式(4.28)} \\ \\
&=&
\frac{1}{2}\left(\boldsymbol{L}^2-\frac{m}{2E}\boldsymbol{M}^2\right)
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
式(4.35)より
\begin{eqnarray}
&&\boldsymbol{I}^2+\boldsymbol{K}^2&=&\frac{1}{2}(\boldsymbol{L}^2-\frac{m}{2E}\boldsymbol{M}^2) \\ \\
&\Leftrightarrow&
\underbrace{i(i+1)\hbar^2+k(k+1)\hbar^2}_{\text{p.347中段}}&=&\frac{1}{2}(\boldsymbol{L}^2-\frac{m}{2E}\underbrace{(\frac{2}{m}H(\boldsymbol{L}^2+\hbar^2)+Z^2e^4)}_{\text{式(4.24)}}) \\ \\
&\Leftrightarrow&
\underbrace{k(k+1)}_{\text{p.347中段}}\hbar^2+k(k+1)\hbar^2&=&\frac{1}{2}(\boldsymbol{L}^2-\frac{m}{2E}(\frac{2}{m}{\color{red}E}(\boldsymbol{L}^2+\hbar^2)+Z^2e^4))&...&\text{p.345下より}H=E \\ \\
&\Leftrightarrow&
2k(k+1)\hbar^2&=&\frac{1}{2}(-\hbar^2-\frac{m}{2E}Z^2e^4) \\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
直交性を持つため\(RR^{\text{T}}=1\)になることを示す。
\begin{eqnarray}
RR^{\text{T}}
&=&
\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^q\right)\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^q\right)^{\text{T}} \\ \\
&=&
\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^q\right)\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^{q\text{T}}\right) &...&\text{行列にかかわる要素は}\tau^q\text{であるため}\\ \\
&=&
\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^q\right)\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q(-\tau^{q})\right) &...&\text{p.348中段より}\tau^q\text{は反対称であるため}\\ \\
&=&
\exp\left(i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^q\right)\exp\left(-i\displaystyle\sum_q^{n(n-1)/2}\phi^q\tau^{q}\right) &\\ \\
&=&
1 &\\ \\
\end{eqnarray}
と導出できる。
-
\begin{eqnarray}
&&(1+i\phi^p\tau^p)(1+i\phi^q\tau^q)-(1+i\phi^q\tau^q)(1+i\phi^p\tau^p) \\ \\
&=&
(1+i\phi^p\tau^p+i\phi^q\tau^q+i^2\phi^p\tau^p\phi^q\tau^q)-(1+i\phi^q\tau^q+i\phi^p\tau^p+i^2\phi^q\tau^q\phi^p\tau^p) \\ \\
&=&
-\phi^p\tau^p\phi^q\tau^q-(-\phi^q\tau^q\phi^p\tau^p) \\ \\
&=&
-\phi^p\tau^p\phi^q\tau^q+\phi^q\tau^q\phi^p\tau^p \\ \\
&=&
-(\phi^p\tau^p\phi^q\tau^q-\phi^q\tau^q\phi^p\tau^p) \\ \\
&=&
-\phi^p\phi^q(\tau^p\tau^q-\tau^q\tau^p)&...&\text{回転角は定数であるため交換可能} \\ \\
&=&
-\phi^p\phi^q[\tau^p,\tau^q]
\end{eqnarray}
と導出できる。