Il momento angolare è il filo conduttore di tutto il corso: determina la forma degli
orbitali, la degenerazione dei livelli, le regole di selezione e i termini
spettroscopici. Distinguiamo tre grandezze — orbitale L, spin S,
totale J — e fissiamo la notazione una volta per tutte.
Tre momenti angolari
📘Le tre grandezze
OrbitaleL=r×p: associato al moto spaziale dell’elettrone attorno al nucleo.
SpinS: momento angolare intrinseco, senza classico analogo geometrico. Per l’elettrone s=21.
TotaleJ=L+S: somma vettoriale, è ciò che si conserva quando spin-orbita è rilevante.
Tutti e tre soddisfano le stesse algebre di commutazione, ad esempio
[L^i,L^j]=iℏεijkL^k. Da queste segue che di ciascun
vettore si possono misurare in simultanea solo il modulo al quadrato e una
componente (convenzionalmente z).
Quantizzazione
🔑Spettro comune di $\hat{\mathbf J}^2$ e $\hat J_z$ (vale per L, S, J)
⚠️Attenzione: il vettore L non ha un autovalore (audit A06)
Scrivere "L∣l,m⟩=ℏl(l+1)∣l,m⟩" è improprio:
l’operatore vettore L^ non è diagonalizzabile a un singolo numero.
Ciò che ha autovalore è L^2 (con ℏ2l(l+1)) e L^z
(con ℏm). Il valore ℏl(l+1) è il modulo del vettore
∥⟨L⟩∥, non un’equazione agli autovalori.
💡Perché $\sqrt{l(l+1)}$ e non $l$?
La differenza tra il modulo ℏl(l+1) e la massima proiezione ℏl
riflette il principio di indeterminazione: se potessimo avere ∥L∥=ℏlconLz=ℏl, allora anche Lx,Ly sarebbero determinati (nulli), violando
[Lx,Ly]=0. Il “cono di precessione” quantistico lascia sempre un residuo.
Accoppiamento: da L,S a J
La regola di composizione di due momenti angolari j1 ed j2 dà
j=∣j1−j2∣,∣j1−j2∣+1,…,j1+j2.
Per un elettrone (l ed s=21) ci sono quindi solo due possibilità:
j=l+21 oppure j=l−21 (per l=0 resta solo j=21). Questa
raddoppiatura è all’origine della struttura fine (cap. 02) e della differenza
tra effetti Zeeman ordinario e anomalo (cap. 03).
Regole di selezione (anteprima)
Poiché le transizioni di dipolo (cap. 03) collegano stati di momento angolare, già
ora conviene fissare:
🔑Regole di selezione del dipolo elettrico
Δl=±1,Δml=0,±1,Δs=0
Lo spin non “sente” il dipolo elettrico: Δs=0 è una costante del corso e
spiega perché certi termini spettroscopici siano proibiti.