球座標系における角運動量演算子
公式
角運動量演算子は球座標系で以下のように表される。
$$ \begin{align*} L_{x} &= \i\hbar \left(\sin\phi\dfrac{\partial }{\partial \theta} + \cos\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) \\ L_{y} &= -\i\hbar \left( \cos\phi \dfrac{\partial }{\partial \theta} - \sin\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) \\ L_{z} &= -\i\hbar \dfrac{\partial }{\partial \phi} \end{align*} $$
導出
角運動量演算子の定義は次のようである。
$$ L = \mathbf{r} \times P = - \i\hbar (\mathbf{r} \times \nabla) $$
この時、$\mathbf{r} = (X, Y, Z)$は位置演算子、$P$は運動量演算子、$\nabla$はデル演算子である。球座標系でのデル演算子は次のようである。
$$ \nabla = \widehat{\mathbf{r}}\dfrac{\partial}{\partial r} + \widehat{\boldsymbol{\theta}}\dfrac{1}{r}\dfrac{\partial}{\partial \theta} + \widehat{\boldsymbol{\phi}}\dfrac{1}{r\sin\theta}\dfrac{\partial}{\partial \phi} $$
$\mathbf{r} = r \widehat{\mathbf{r}}$であるため、$L$は以下のようである。
$$ \begin{align*} L &= -\i\hbar (r \widehat{\mathbf{r}} \times \nabla) \\ &= -\i\hbar \left( \widehat{\mathbf{r}} \times \widehat{\mathbf{r}} r \dfrac{\partial}{\partial r} + \widehat{\mathbf{r}} \times \widehat{\boldsymbol{\theta}}\dfrac{\partial}{\partial \theta} + \widehat{\mathbf{r}} \times \widehat{\boldsymbol{\phi}} \dfrac{1}{\sin\theta}\dfrac{\partial}{\partial \phi} \right) \\ &= -\i\hbar \left( \widehat{\boldsymbol{\phi}} \dfrac{\partial}{\partial \theta} - \widehat{\boldsymbol{\theta}} \dfrac{1}{\sin\theta}\dfrac{\partial}{\partial \phi} \right) \\ \end{align*} $$
この時、二つの単位ベクトルは直交座標系の単位ベクトルで次のように表せる。
$$ \begin{align*} \widehat{\boldsymbol{\theta}} &= \cos\phi \cos\theta \widehat{\mathbf{x}} + \sin\phi \cos\theta \widehat{\mathbf{y}} - \sin\theta\widehat{\mathbf{z}} \\ \widehat{\boldsymbol{\phi}} &= -\sin\phi \widehat{\mathbf{x}} + \cos\phi \widehat{\mathbf{y}} \end{align*} $$
したがって、$L$は以下のようである。
$$ \begin{align*} L &= -\i\hbar \left[ \left( -\sin\phi \widehat{\mathbf{x}} + \cos\phi \widehat{\mathbf{y}} \right) \dfrac{\partial}{\partial \theta} - \left( \cos\phi \cos\theta \widehat{\mathbf{x}} + \sin\phi \cos\theta \widehat{\mathbf{y}} - \sin\theta\widehat{\mathbf{z}} \right) \dfrac{1}{\sin\theta}\dfrac{\partial}{\partial \phi} \right] \\ &= -\i\hbar \left[ \widehat{\mathbf{x}}\left(-\sin\phi\dfrac{\partial }{\partial \theta} - \cos\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) + \widehat{\mathbf{y}}\left( \cos\phi \dfrac{\partial }{\partial \theta} - \sin\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) + \widehat{\mathbf{z}}\left( \dfrac{\partial }{\partial \phi} \right) \right]\\ \end{align*} $$
したがって、各成分は次のようである。
$$ \begin{align*} L_{x} &= \i\hbar \left(\sin\phi\dfrac{\partial }{\partial \theta} + \cos\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) \\ L_{y} &= -\i\hbar \left( \cos\phi \dfrac{\partial }{\partial \theta} - \sin\phi \cot\theta \dfrac{\partial }{\partial \phi}\right) \\ L_{z} &= -\i\hbar \dfrac{\partial }{\partial \phi} \end{align*} $$
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