Citat:
Ursprungligen postat av
nerdnerd
En elektron har spinn upp i z-riktningen, och inga krafter påverkar den. Med en Stern-Gerlach apparat mäter man sen spinnet längs en axel som har vinkeln 30° mot z-axeln. Vad är sannolikheten för att spinnet blir upp? Visa stegen i beräkningen. Svara exakt.
(Hint: Susskind går igenom relevant matte i sin kurs TTM. Rätt svar är lite drygt 93 %, men vad blir det exakt?)
Jag spann vidare på hur G-faktor påverkar istället, vilket blir en otroligt liten siffra. Jag kommer dock inte hela vägen då jag har fastnade innan de riktigt suspekta grejerna där olika energinivåer på spinnriktningen interagerar med andra fält, självinterferens osv. osv.
Men jag blev osäker på om jag använde formlerna rätt, så du som kan, kan kanske kan hjälpa mig?
Innan jag kommer till hur G-faktor påverkar så vill jag för eventuellt intresserades skull bara snabbt redovisa hur man löser sannolikheten från sannolikhetsamplituden på spinnriktningen hos en elektron med Diracnotationer.
Jag kan inte häftiga tecken, vilket är en stor del till varför jag inte använder mig av matte här, utöver det faktum att jag tycker det är bättre att förklara det så enkelt som möjligt. Det finns dessutom mängder med matematisk formalism inom alla möjliga kontexter vilka mycket sällan ger någon intuitiv bild av fenomen som det faktiskt går att få någon intuitiv bild av och ofta är förenklade beräkningsmodeller.
Först:
Det vi vill ha reda på är då S i z-axeln:
|Psi>=1/2|+z>+(i roten ur 3)/2|-z>
Bryter vi ut elementen för att få sannolikhetsamplituden så blir det:
|Psi>=<+z|Psi>|+z>+<-z|Psi>|-z>
Vi behandlar elementen var för sig genom att multiplicera dem med sina komplexkonjugat, elementet i kvadrat, för att den imaginära delen ska bli ett riktigt tal:
<+z|Psi>*<+z|Psi>=(1/2)(1/2)=1/4=25%
Och:
<-z|Psi>*<-z|Psi>=((-i×roten ur 3)/2)((i×roten ur 3/2)=(-(-i)3)/2=3/4=75%
(Det elektriska fältet är en vektor som beskrivs av enhetsvektorer kopplade till fältstyrkan. Koordinaterna är i, j och k vilket är andra bokstäver för x, y och z. Jag kan som sagt inte göra häftiga symboler men jag ska försöka vara tydlig ändå.
"E vektor"=("i enhetsvektor"×"E vektor")×"i enhetsvektor"+("j enhetsvektor"×"E vektor")×"j enhetsvektor"+("k enhetsvektor"×"E vektor")×"k enhetsvektor")
Detta ska inte förväxlas med det magnetiska fältet som ofta beskrivs på annat sätt. Eller snarare, som kan beskrivas på alla möjliga sätt.
Gällande z-axeln 30 grader mot, vi säger detektorn för om vi ska blanda in en Stern-Gerlachapparat så har vi ett magnetfält och det blir mer komplicerat, vilket är vart jag vill komma.
Jag tänker dock inte visa stegen i beräkningen. Jag nöjer mig så här:
Cos(Theta/2)^2
Eller:
Sin(Theta/2)^2
Vilket ger: 93,30127019 %
Men oj vad enkelt vi gjort det för oss då.
Jag försöker utveckla något kring åtminstone någon mer detalj utöver flera så ser vi hur det går.
Dipolmomentet:
M=g((q*h-streck)/(2M))S/h-streck
Den magnetiska energin ges av skalärprodukten av:
-Dipolvektorn och den magnetiska fältvektorn
Energin vid spinn upp är inte densamma som vid spinn ner. Energierna ges av:
Eupp=-gamma, som är rotationsmomentumet kring spinnaxeln((B0 h-streck)/2=|U>
Ener=gamma((B0 h-streck)/2)=|N>
Där (B0 h-streck)/2 är Bohr magnetronen.
Eftersom vi i en Stern-Gerlachapparat utsätter spinnriktningen för ett magnetfält så får vi tidsevolutionen av precessionen av:
a=cos(alfa/2)
b=sin(alfa/2)
Vilket ger:
|Psi(t)>=a|U>e^((-i Eupp t)/h-streck)+b|N>e^((-i Ener t)/h-streck)
Från detta kan vi då komma till "Larmor precession".
Kolumnvektorn av |Psi(t)> blir då:
Cos(alfa/2)e^i gamma B0 t/2
Sin(alfa/2)e^-i gamma B0 t/2
Förväntningsvärdet av <Sx>=<Psi(t)|Med Sx som operator|Psi(t)> ger radvektoren som är:
Cos(alfa/2)e^-i gamma B0 t/2 och Sin(alfa/2)e^i gamma B0 t/2
Komplexkonjugaten på radvektorerna*(h-streck/2)(Paulimatrisen för x-spinn)(radvektorerna)
Med matrisen:
0,1
1,0
Då blir det (komplexkonjugaten)(h-streck/2)*matrisordningen som blir:
Cos(alfa/2)e^i gamma B0 t/2, Sin(alfa/2)e^-i gamma B0 t/2
Cos(alfa/2)e^i gamma B0 t/2, Sin(alfa/2)e^-i gamma B0 t/2
Det blir:
(h-streck/2)Cos(alfa/2)Sin(alfa/2)(e^-i gamma B0 t + e^i gamma B0 t)
Vilket blir:
(h-streck/2)Sin(alfa)Cos(gamma B0 t)
Vilket ger oss tidsevolutionen spinnen oscillerar med genom x.
Med Paulimatrisen för spinn i y blir det:
(h-streck/2)Sin(alfa)Sin(gamma B0 t)
Därifrån får vi rotationsfrekvensen omega=(gamma B0), där då gamma(spinnets rörelsemängdsmoment) och beta(magnetfältspotential) med tid ger precessionen, vilket ger rotationen av förväntningsvärdet i x,y-planet.
För z-axeln så får vi från detta energin där vinkeln på z-axeln är en faktor:
<Sz>=(h-streck/2)Cos alfa
I ett icke homogent magnetfält. Magnetfältskraft:
Fvektor=gradientvektorn(skalärprodukten av dipolmomentvektorn och magnetfältsvektorn)
Detta ger inte en kraft utan en potential då Schrödinger inte ger någon kraft.
Potentialen blir då E+/- ger +/-gamma(B0+alfa(som är gradienten))(h-streck/2)
Potentialen med respekt till tiden ges då av:
e^((i E+/- t)/h-streck) och eftersom vi brutit ut den rumsliga skillnaden så får vi:
e^(+/-i gamma t)B0/t
Tiden i magnetfältet med gradienten med respekt till z-axeln blir då:
e^+/-i(alfa gamma t/2)z
Där momentumet på z ges av:
e^+/-i k z
Detta är dock lååångt mycket mer komplicerat, för negativa laddningar påverkas annorlunda än positiva, negativ spinnriktning ger inte detsamma bidraget till energin som den positiva, så det krävs två icke kommutativa symmetrier för att nå den symmetrin, med en rotation och en reflektion men i olika ordning vilket ger olika resultat.
Eftersom det inte är en direkt symmetri mellan spinn upp och spinn ned så krävs att detta normaliseras till 1.
Utöver detta så finns det en massa andra fenomen utöver de jag jag nämnt ovan som påverkar. Vi har "creation and annihilation operatorn" som också ger osymmetriska interaktioner.
Ska vi göra detta relativistiskt så kommer det påverka.
Osv. osv.
Hur vinkeln ändras genom precession får vi då från(bland annat) det magnetiska dipolmomentet:
=-e/(2Me)L
Där L rotationsmomentumet:
=Roten ur(l(l+1)h-streck)
Där l är det azimutala kvanttalet.
Vridmomentet ges då av vektorprodukten av det magnetiska momentumet och magnetfältet.
Vridmomentet vinkelrätt mot rotationsmomentumet som ger precessionen i form av förändringen av vinkeln av z-axeln ges av:
(delta L)/(delta t)
=(L SinTheta Delta Phi(som är vinkeln på precessionen))/Delta t
=|Det magnetiska momentumet B SinTheta|
=e/(2m_e) L B SinTheta
Vinkelhastigheten, så kallad Larmorfrekvensen ges av:
Omega=(d Phi)/(dt)=e/(2m_e)B
Precessionen av spinnet hos en elektron är då vinkelhastigheten som frekvens och "spin transition" vilket ges av:
Omega=gB
Där g är den gyromagnetiska radien.
Vinkelhastigheten(som frekvens) påverkar "spin flip" med energi:
2*Magnetiska momentumet*B
För ett magnetfält med en Teslaenhet så får vi:
Omega_Se_z=(2*Magnetiska momentumet_eB)/h-streck
Vilket med siffror blir
1,76*10^11 s^-1
Det är naturligtvis mycket mer komplicerat och med andra mekanismer att ta hänsyn till.
Rätta gärna då jag inte får ihop detta med en leksaksteori jag pysslar med. Någonting är fel men jag vet inte vad. Jag antar att detta är trivialt för de som kan och förstår kvantmekanik här inne.
Jag önskar fortfarande veta vad det opponeras emot i tidigare inlägg om bland annat spinorer. Det mesta jag skrivit om återfinns i länken jag länkade.