Vai al contenuto
Ψ SdM

Lezione 0

Valore medio, operatori diagonali e numeri quantici buoni

content-checked
Sorgente: PREREQ · Valore medio; Operatori Diagonali e Numeri Quantici (p.9–10)
aggiornato 2026-06-18

Obiettivo della pagina

Tutta la spettroscopia si riduce a calcolare elementi di matrice ⟨i∣O^∣j⟩\langle i|\hat O|j\rangle: dicono se una transizione è permessa, quanto vale una correzione energetica, quale stato si mischia con quale. Qui definiamo valore medio e “diagonalità”, gli strumenti per quei conti.

Valore medio (valore atteso)

Valore medio di un'osservabile
⟨A^⟩=⟨ψ∣A^∣ψ⟩\langle\hat A\rangle=\langle\psi|\hat A|\psi\rangle

Rappresenta la media sui molti esiti di misure ripetute su copie identiche preparate nello stato ∣ψ⟩|\psi\rangle.

In rappresentazione di posizione:

⟨A^⟩=∫−∞+∞ψ∗(r) A^ ψ(r) d3r,\langle\hat A\rangle=\int_{-\infty}^{+\infty}\psi^*(\mathbf r)\,\hat A\,\psi(\mathbf r)\,d^3r,

mentre su una base ortonormale discreta {∣i⟩}\{|i\rangle\}:

⟨A^⟩=∑ijci∗ cj ⟨i∣A^∣j⟩,ci=⟨i∣ψ⟩.\langle\hat A\rangle=\sum_{ij}c_i^*\,c_j\,\langle i|\hat A|j\rangle, \qquad c_i=\langle i|\psi\rangle.

Gli Aij≡⟨i∣A^∣j⟩A_{ij}\equiv\langle i|\hat A|j\rangle sono gli elementi di matrice dell’operatore nella base scelta.

Operatore diagonale

Diagonalità rispetto a numeri quantici

O^\hat O è diagonale rispetto a un insieme di numeri quantici (es. n,l,mn,l,m) se

⟨n′,l′,m′∣O^∣n,l,m⟩=0per (n′,l′,m′)≠(n,l,m).\langle n',l',m'|\hat O|n,l,m\rangle=0\quad\text{per }(n',l',m')\neq(n,l,m).

Gli unici elementi non nulli stanno sulla diagonale e coincidono con gli autovalori Onlm=λnlmO_{nlm}=\lambda_{nlm}.

In parole: un operatore diagonale non mischia stati con numeri quantici diversi. Non induce transizioni n→n′n\to n', l→l′l\to l', m→m′m\to m': i numeri rispetto a cui è diagonale restano costanti.

Diagonale vs non diagonale
  • L^z\hat L_z è diagonale in mm: L^z∣l,m⟩=ℏm∣l,m⟩\hat L_z|l,m\rangle=\hbar m|l,m\rangle non cambia mm.
  • L^±\hat L_\pm non è diagonale: L^±∣l,m⟩=ℏl(l+1)−m(m±1) ∣l,m±1⟩\hat L_\pm|l,m\rangle=\hbar\sqrt{l(l{+}1)-m(m{\pm}1)}\,|l,m{\pm}1\rangle cambia mm di ±1\pm1.
Diagonale in una base non significa essere una costante

Un operatore può essere diagonale in una base e non in un’altra. L^z\hat L_z è diagonale in ∣l,m⟩|l,m\rangle ma non in una base di momenti ∣p⟩|p\rangle. La diagonalità è sempre rispetto a una base/CSCO specifica.

Numeri quantici buoni

Un numero quantico è buono per un dato H^\hat H se l’operatore che lo genera commuta con H^\hat H (→ è conservato, → è diagonale nella base degli autostati di H^\hat H). Sapere quali numeri sono buoni semplifica enormemente i conti perché azzera a priori intere sottomatrici.

Mappa del corso

Nell’idrogeno non perturbato: n,l,ml,s,msn,l,m_l,s,m_s sono tutti buoni. Con la spin-orbita: l,ml,s,msl,m_l,s,m_s non lo sono più, ma j,mjj,m_j sì. Con un campo esterno forte: si torna a ml,msm_l,m_s. Sapere in che regime sei ti dice quale base usare.

Formule chiave

  • ⟨A^⟩=⟨ψ∣A^∣ψ⟩=∫ψ∗A^ψ d3r\langle\hat A\rangle=\langle\psi|\hat A|\psi\rangle=\int\psi^*\hat A\psi\,d^3r
  • Aij=⟨i∣A^∣j⟩A_{ij}=\langle i|\hat A|j\rangle elemento di matrice
  • O^\hat O diagonale ⇔Aij=0\Leftrightarrow A_{ij}=0 per i≠ji\neq j
  • Numero “buono” ⇔\Leftrightarrow operatore commuta con H^\hat H