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Lezione 0

Momento angolare: orbitale, spin e totale

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Sorgente: PREREQ · Momento angolare (p.7)
aggiornato 2026-06-18

Obiettivo della pagina

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\mathbf L, spin S\mathbf S, totale J\mathbf J — e fissiamo la notazione una volta per tutte.

Tre momenti angolari

Le tre grandezze
  • Orbitale L=r×p\mathbf L=\mathbf r\times\mathbf p: associato al moto spaziale dell’elettrone attorno al nucleo.
  • Spin S\mathbf S: momento angolare intrinseco, senza classico analogo geometrico. Per l’elettrone s=12s=\tfrac12.
  • Totale J=L+S\mathbf J=\mathbf L+\mathbf 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]=iεijkL^k[\hat L_i,\hat L_j]=i\hbar\varepsilon_{ijk}\hat L_k. Da queste segue che di ciascun vettore si possono misurare in simultanea solo il modulo al quadrato e una componente (convenzionalmente zz).

Quantizzazione

Spettro comune di $\hat{\mathbf J}^2$ e $\hat J_z$ (vale per L, S, J)
J^2j,mj=2j(j+1)j,mj,J^zj,mj=mjj,mj\hat{\mathbf J}^2|j,m_j\rangle=\hbar^2 j(j+1)|j,m_j\rangle,\qquad \hat J_z|j,m_j\rangle=\hbar m_j|j,m_j\rangle

con mj=j,j+1,,j1,jm_j=-j,-j{+}1,\dots,j-1,j.

Applicato ai tre casi:

GrandezzaOperatore modulo²J^z\hat J_znumeri quantici
OrbitaleL^2\hat{\mathbf L}^2L^z\hat L_zl=0,1,,n1l=0,1,\dots,n{-}1; ml=l,,lm_l=-l,\dots,l
Spin (elettrone)S^2\hat{\mathbf S}^2S^z\hat S_zs=12s=\tfrac12; ms=±12m_s=\pm\tfrac12
TotaleJ^2\hat{\mathbf J}^2J^z\hat J_z$j=
Attenzione: il vettore L non ha un autovalore (audit A06)

Scrivere "Ll,m=l(l+1)l,m\mathbf L\,|l,m\rangle=\hbar\sqrt{l(l+1)}\,|l,m\rangle" è improprio: l’operatore vettore L^\hat{\mathbf L} non è diagonalizzabile a un singolo numero. Ciò che ha autovalore è L^2\hat{\mathbf L}^2 (con 2l(l+1)\hbar^2 l(l{+}1)) e L^z\hat L_z (con m\hbar m). Il valore l(l+1)\hbar\sqrt{l(l{+}1)} è il modulo del vettore L\|\langle\mathbf L\rangle\|, non un’equazione agli autovalori.

Perché $\sqrt{l(l+1)}$ e non $l$?

La differenza tra il modulo l(l+1)\hbar\sqrt{l(l+1)} e la massima proiezione l\hbar l riflette il principio di indeterminazione: se potessimo avere L=l\|\mathbf L\|=\hbar l con Lz=lL_z=\hbar l, allora anche Lx,LyL_x,L_y sarebbero determinati (nulli), violando [Lx,Ly]0[L_x,L_y]\neq0. Il “cono di precessione” quantistico lascia sempre un residuo.

Accoppiamento: da L,S a J

La regola di composizione di due momenti angolari j1j_1 ed j2j_2

j=j1j2, j1j2+1, , j1+j2.j = |j_1-j_2|,\ |j_1-j_2|+1,\ \dots,\ j_1+j_2.

Per un elettrone (ll ed s=12s=\tfrac12) ci sono quindi solo due possibilità: j=l+12j=l+\tfrac12 oppure j=l12j=l-\tfrac12 (per l=0l=0 resta solo j=12j=\tfrac12). 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\Delta l=\pm1,\qquad \Delta m_l=0,\pm1,\qquad \Delta s=0

Lo spin non “sente” il dipolo elettrico: Δs=0\Delta s=0 è una costante del corso e spiega perché certi termini spettroscopici siano proibiti.

Formule chiave

  • L^2l,ml=2l(l+1)l,ml\hat{\mathbf L}^2|l,m_l\rangle=\hbar^2l(l{+}1)|l,m_l\rangle, L^zl,ml=mll,ml\hat L_z|l,m_l\rangle=\hbar m_l|l,m_l\rangle
  • Spin elettrone: s=12s=\tfrac12, ms=±12m_s=\pm\tfrac12
  • J=L+S\mathbf J=\mathbf L+\mathbf S, j=ls,,l+sj=|l-s|,\dots,l+s
  • Regole dipolo: Δl=±1\Delta l=\pm1, Δml=0,±1\Delta m_l=0,\pm1, Δs=0\Delta s=0