Srednicki §64 电子的磁矩

26 年 9 月 14 日 星期一
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上一节求出的F2(0)=α/(2π)+O(α2)F_2(0)=\alpha/(2\pi)+O(\alpha^2)会改变电子在弱磁场中的能量。求出能量对磁场的一次响应,就能把这个顶角系数转化为磁矩。计算中既要保留顶角的新泡利项,也要保留原来最小耦合的贡献。后者虽然没有显式写出自旋矩阵,却会通过动量旋量的变化产生磁矩。

从形状因子写出磁场耦合

沿用q=ppq=p'-p及本书的(+++)(-+++)度规,上一节的在壳顶角为

uˉVμ(p,p)u=euˉ[F1(q2)γμimF2(q2)Sμνqν]u,Sμν=i4[γμ,γν].(64.1)\begin{gathered} \bar u'V^\mu(p',p)u =e\bar u'\left[F_1(q^2)\gamma^\mu -\frac{i}{m}F_2(q^2)S^{\mu\nu}q_\nu\right]u,\\ S^{\mu\nu}=\frac i4[\gamma^\mu,\gamma^\nu]. \end{gathered} \tag{64.1}

我们关心的是匀强磁场的响应,所需转移动量趋于零。因此这里只用到

F1(0)=1,F2(0)=α2π+O(α2),α=e24π.(64.2)F_1(0)=1,\qquad F_2(0)=\frac{\alpha}{2\pi}+O(\alpha^2),\qquad \alpha=\frac{e^2}{4\pi}. \tag{64.2}

第一式是物理电荷的归一条件,第二式才是圈计算给出的结果。为把这两个系数用于经典外场,可像第21节那样,用量子作用量的相应项来表示完整顶角。在含一对电子场和一个外光子的部分,选择

Γint(1A)=d4x[eF1(0)ΨˉγμAμΨ+eF2(0)2mFμνΨˉSμνΨ]+高阶转移项.(64.3)\Gamma_{\rm int}^{(1A)} =\int d^4x\left[ eF_1(0)\bar\Psi\gamma^\mu A_\mu\Psi +\frac{eF_2(0)}{2m} F_{\mu\nu}\bar\Psi S^{\mu\nu}\Psi \right]+\text{高阶转移项}. \tag{64.3}

这是在壳矩阵元的低转移匹配,乘外电子运动方程后消失的项不影响它。第63节先保持正的红外调节质量,使转移展开可以在零点进行。磁矩所需的系数由F1(0)F_1(0)和有限的F2(0)F_2(0)给出,求出后再去掉调节质量。

第二项的系数可直接核对。对入射光子的一个平面波分量,取 Aμ=εμeiqxA_\mu=\varepsilon_\mu^*e^{iqx},于是

Fμν=i(qμενqνεμ)eiqx,eF2(0)2mFμνSμν=ieF2(0)mqμSμνενeiqx=ieF2(0)mSμνqνεμeiqx.(64.4)\begin{aligned} F_{\mu\nu} &=i(q_\mu\varepsilon_\nu^*-q_\nu\varepsilon_\mu^*)e^{iqx},\\ \frac{eF_2(0)}{2m}F_{\mu\nu}S^{\mu\nu} &=\frac{ieF_2(0)}m q_\mu S^{\mu\nu}\varepsilon_\nu^*e^{iqx}\\ &=-\frac{ieF_2(0)}m S^{\mu\nu}q_\nu\varepsilon_\mu^*e^{iqx}. \end{aligned} \tag{64.4}

第一步用Sμν=SνμS^{\mu\nu}=-S^{\nu\mu}把两项合并,消去1/21/2;第二步交换哑指标,再使用反对称性,得到顶角中的负号。作用量在振幅中还要乘ii,所以从这里读取的是VμV^\mu,相应顶角因子仍为iVμiV^\mu

现在取沿第三轴的匀强磁场,选择规范势

A0=0,A=(0,Bx,0),F12=F21=B,A~2(q)=iB(2π)4δ(q0)q1δ3(q),F~12(q)=B(2π)4δ(q0)δ3(q),q2A~2(q)=0.(64.5)\begin{gathered} A_0=0,\qquad \mathbf A=(0,Bx,0),\qquad F_{12}=-F_{21}=B,\\ \widetilde A_2(q)=iB(2\pi)^4\delta(q^0)\, \partial_{q_1}\delta^3(\mathbf q),\\ \widetilde F_{12}(q)=B(2\pi)^4\delta(q^0)\delta^3(\mathbf q), \qquad q^2\widetilde A_2(q)=0. \end{gathered} \tag{64.5}

这里x=x1x=x^1,傅里叶变换采用Aμ(x)=d4qeiqxA~μ(q)/(2π)4A_\mu(x)=\int d^4q\,e^{iqx}\widetilde A_\mu(q)/(2\pi)^4。把xx变成对q1q_1的导数便得到第二行,再用q1q1δ3=δ3q_1\partial_{q_1}\delta^3=-\delta^3得到场强的第三行。q2q^2乘这个δ函数导数时,其零点值和一次导数都为零,故乘积为零;固定调节下含额外q2q^2的形状因子项因此不贡献匀强磁场响应。同时FμνSμν=2BS12F_{\mu\nu}S^{\mu\nu}=2BS^{12},其它场强分量均不参与。

归一化波包与磁矩的定义

为了得到有限范数的静止电子态,先按第38节不附加转动的推动约定选定s=+s=+的旋量,再把动量集中在p=0\mathbf p=0附近。记

e=dp~f(p)b+(p)0,dp~=d3p(2π)32ωp,ωp=m2+p2,{b+(p),b+(p)}=(2π)32ωpδ3(pp),ee=dp~dp~f(p)f(p)(2π)32ωpδ3(pp)=dp~f(p)2=1.(64.6)\begin{aligned} |e\rangle &=\int d\widetilde p\,f(\mathbf p)b_+^\dagger(\mathbf p)|0\rangle,\\ d\widetilde p&=\frac{d^3p}{(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf p}}, \qquad\omega_{\mathbf p}=\sqrt{m^2+\mathbf p^2},\\ \{b_+(\mathbf p'),b_+^\dagger(\mathbf p)\} &=(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf p} \delta^3(\mathbf p'-\mathbf p),\\ \langle e|e\rangle &=\int d\widetilde p'\,d\widetilde p\, f^*(\mathbf p')f(\mathbf p)(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf p} \delta^3(\mathbf p'-\mathbf p)\\ &=\int d\widetilde p\,|f(\mathbf p)|^2=1. \end{aligned} \tag{64.6}

δ函数消去一个动量积分时,其2ω2\omega恰好与该积分的测度相消。选择径向函数f(p)=f(p)f(\mathbf p)=f(|\mathbf p|),轨道生成元ip×p-i\mathbf p\times\nabla_{\mathbf p}作用于包函数便为零;沿第三轴的角动量由所选自旋给出。

具体选择高斯波包。把归一常数记为Na\mathcal N_a,有

fa(p)=Naea2p2/2,Na2=d3p(2π)32ωpea2p2=π3/2(2π)32ma3[134a2m2+O((am)4)],Δpm1am1,am1.(64.7)\begin{aligned} f_a(\mathbf p)&=\mathcal N_a e^{-a^2\mathbf p^2/2},\\ \mathcal N_a^{-2} &=\int\frac{d^3p}{(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf p}}e^{-a^2\mathbf p^2}\\ &=\frac{\pi^{3/2}}{(2\pi)^3\,2ma^3} \left[1-\frac{3}{4a^2m^2}+O((am)^{-4})\right],\\ \frac{\Delta p}{m}&\sim\frac1{am}\ll1,\qquad am\gg1. \end{aligned} \tag{64.7}

这个展开用1/ω=m1[1p2/(2m2)+]1/\omega=m^{-1}[1-\mathbf p^2/(2m^2)+\cdots],再用 d3pea2p2=π3/2/a3\int d^3p\,e^{-a^2p^2}=\pi^{3/2}/a^3及其对a2a^2的导数。对x0x\ge0,泰勒余项满足0(1+x)1/21+x/23x2/80\le(1+x)^{-1/2}-1+x/2\le3x^2/8;取x=p2/m2x=\mathbf p^2/m^2后由下一高斯矩控制误差,因而大动量尾部不妨碍所写渐近阶次。 动量分布的宽度与aa成反比,因此窄动量包要求a1/ma\gg1/m

静磁场的两项耦合都不含新的费米场时间导数,所以线性相互作用哈密顿量由Lint-\mathcal L_{\rm int}得到:

H1=eBd3xΨˉ[xγ2+F2(0)mS12]Ψ.(64.8)H_1=-eB\int d^3x\, \bar\Psi\left[x\gamma^2+\frac{F_2(0)}mS^{12}\right]\Psi. \tag{64.8}

δE\delta E表示相对于真空的单电子能移。磁矩就是这个能移对磁场的一次响应:

δE=eH1e=μzB,μz=δEBB=0.(64.9)\delta E=\langle e|H_1|e\rangle=-\mu_z B,\qquad \mu_z=-\left.\frac{\partial\,\delta E}{\partial B}\right|_{B=0}. \tag{64.9}

我们先对固定有限aa的波包取这个导数,再取amam\to\infty的静止极限。若把BB看作小而有限的数,eBa21|eB|a^2\ll1是一组足够的弱场条件:在波包尺度上,磁场改变的动量eBa|eB|a小于原来的动量宽度1/a1/a。计算只保留关于BB的一次项、非相对论展开的首项,以及形状因子的一圈修正。

空间坐标怎样变为旋量的动量导数

下面在t=0t=0计算这个期望值。将自由场的平面波展开用于有效哈密顿量的树级矩阵元;圈修正已经包含在F2F_2中。取相对于真空正规序的局部双线性,电子的两个外算符分别与其中的b,bb^\dagger,b相配,得到

0b+(p):Ψˉα(x)Ψβ(x):b+(p)0=uˉ+(p)αu+(p)βei(pp)x.(64.10)\begin{aligned} &\langle0|b_+(\mathbf p'):\bar\Psi_\alpha(x)\Psi_\beta(x): b_+^\dagger(\mathbf p)|0\rangle\\ &\qquad=\bar u_+(\mathbf p')_\alpha u_+(\mathbf p)_\beta e^{i(p-p')x}. \end{aligned} \tag{64.10}

每次收缩都给(2π)32ωδ3(2\pi)^3\,2\omega\,\delta^3,与相应场展开的测度相消,所以右边没有额外的2ω2\omega。电子部分的算符次序是b(p)b(k)b(k)b(p)b(\mathbf p')b^\dagger(\mathbf k')b(\mathbf k)b^\dagger(\mathbf p),两次收缩均取正号。正规序去掉真空收缩,留下这个连通单粒子矩阵元。

用两个包函数组合平面波态,就有

δE=eBdp~dp~d3xei(pp)xf(p)uˉ+(p)×[xγ2+F2(0)mS12]u+(p)f(p).(64.11)\begin{aligned} \delta E=-eB\int d\widetilde p\,d\widetilde p'\,d^3x\, &e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x} f^*(\mathbf p')\bar u_+(\mathbf p')\\ &\times\left[x\gamma^2+\frac{F_2(0)}mS^{12}\right] u_+(\mathbf p)f(\mathbf p). \end{aligned} \tag{64.11}

泡利项不显含坐标,空间积分直接给δ函数。最小耦合项多一个xx,可先写成动量导数:

xei(pp)x=ip1ei(pp)x.(64.12)x\,e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x} =-i\partial_{p_1}e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x}. \tag{64.12}

这个形式使用t=0t=0;在一般时间,四维相位中的ωpt\omega_{\mathbf p}t也参与求导。选定零时刻的波包使所需的静磁响应计算最为直接。

分部积分时,导数不仅作用于u+fu_+f,还要作用于dp~d\widetilde p中的1/(2ω)1/(2\omega)。将p\mathbf p积分暂时写为普通勒贝格测度,便有

id3p(2π)3u+f2ωp1ei(pp)x=id3p(2π)3ei(pp)xp1(u+f2ω),p1(u+f2ω)=12ω(p1p1ω2)(u+f).(64.13)\begin{aligned} &-i\int\frac{d^3p}{(2\pi)^3}\, \frac{u_+f}{2\omega}\,\partial_{p_1} e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x}\\ &\qquad=i\int\frac{d^3p}{(2\pi)^3}\, e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x} \partial_{p_1}\left(\frac{u_+f}{2\omega}\right),\\ \partial_{p_1}\left(\frac{u_+f}{2\omega}\right) &=\frac1{2\omega} \left(\partial_{p_1}-\frac{p_1}{\omega^2}\right)(u_+f). \end{aligned} \tag{64.13}

高斯衰减使无穷远表面项为零。最后一行用了p1ω=p1/ω\partial_{p_1}\omega=p_1/\omega,因而p1ln(1/2ω)=p1/ω2\partial_{p_1}\ln(1/2\omega)=-p_1/\omega^2

接着做空间积分,再用(2π)3δ3(pp)(2\pi)^3\delta^3(\mathbf p-\mathbf p')消去pp'。这一次δ函数来自傅里叶积分,前面没有收缩产生的2ω2\omega',所以pp'测度中的1/(2ω)1/(2\omega')会留下来。完整的一动量式为

δE=eBdp~2ωfuˉ+[iγ2(p1p1ω2)+F2(0)mS12](u+f).(64.14)\delta E=-eB\int\frac{d\widetilde p}{2\omega}\, f^*\bar u_+ \left[i\gamma^2\left(\partial_{p_1}-\frac{p_1}{\omega^2}\right) +\frac{F_2(0)}mS^{12}\right](u_+f). \tag{64.14}

其中的测度导数项来自协变归一。对本节的径向波包,该项的积分恰好为零。利用uˉ+γ2u+=2p2\bar u_+\gamma^2u_+=2p_2,两个不对旋量求导的贡献分别正比于

dp~2ω2ip2fp1f=0,dp~2ω(2ip1p2ω2)f2=0.(64.15)\begin{aligned} \int\frac{d\widetilde p}{2\omega}\, 2ip_2 f^*\partial_{p_1}f&=0,\\ \int\frac{d\widetilde p}{2\omega}\, \left(-\frac{2ip_1p_2}{\omega^2}\right)|f|^2&=0. \end{aligned} \tag{64.15}

径向ff的导数带p1p_1,其余系数只依赖p2p^2;两行在反射p1p1p_1\to-p_1p2p2p_2\to-p_2时都变号。因此余下的最小耦合贡献来自p1u+\partial_{p_1}u_+,这正是自旋磁矩从狄拉克耦合中出现的位置。

静止旋量的变化给出狄拉克磁矩

第38节已用不附加转动的推动构造了动量旋量。现在只需这个推动在原点的一阶展开:

us(p)=exp(iηp^K)us(0),Kj=Sj0=i2γjγ0,η=arsinh(p/m),ηp^j=pjm+O(p3/m3),us(p)=[1+impjKj+O(p2/m2)]us(0).(64.16)\begin{aligned} u_s(\mathbf p)&=\exp(i\eta\hat{\mathbf p}\cdot\mathbf K)\,u_s(0),\\ K^j&=S^{j0}=\frac i2\gamma^j\gamma^0,\qquad \eta=\operatorname{arsinh}(|\mathbf p|/m),\\ \eta\hat p_j&=\frac{p_j}{m}+O(|\mathbf p|^3/m^3),\\ u_s(\mathbf p) &=\left[1+\frac{i}{m}p_jK^j+O(\mathbf p^2/m^2)\right]u_s(0). \end{aligned} \tag{64.16}

虽然p^\hat{\mathbf p}在原点没有确定方向,乘积ηp^\eta\hat{\mathbf p}在原点却有平滑的一阶展开,因而动量导数存在。对p1p_1求导,并用静止正能旋量的γ0us(0)=us(0)\gamma^0u_s(0)=u_s(0),得到

p1u+(p)p=0=imK1u+(0)=12mγ1γ0u+(0)=12mγ1u+(0).(64.17)\left.\partial_{p_1}u_+(\mathbf p)\right|_{\mathbf p=0} =\frac{i}{m}K^1u_+(0) =-\frac1{2m}\gamma^1\gamma^0u_+(0) =-\frac1{2m}\gamma^1u_+(0). \tag{64.17}

代入最小耦合项,两个空间伽马的反对易关系给

uˉ+iγ2p1u+p=0=i2muˉ+(0)γ2γ1u+(0)=i2muˉ+(0)γ1γ2u+(0)=1muˉ+(0)S12u+(0).(64.18)\begin{aligned} \left.\bar u_+i\gamma^2\partial_{p_1}u_+\right|_{\mathbf p=0} &=-\frac{i}{2m}\bar u_+(0)\gamma^2\gamma^1u_+(0)\\ &=\frac{i}{2m}\bar u_+(0)\gamma^1\gamma^2u_+(0)\\ &=\frac1m\bar u_+(0)S^{12}u_+(0). \end{aligned} \tag{64.18}

所以狄拉克项与泡利项现在具有相同的自旋矩阵结构。前者的系数为1,后者的系数为F2(0)F_2(0);它们会相加。

对径向窄包,线性于p\mathbf p的修正角积分为零,首个相对修正为p2/m2=O((am)2)\langle\mathbf p^2\rangle/m^2=O((am)^{-2})。同时,

dp~2ωfa2=12m[1+O((am)2)],δE=eB2m2[1+F2(0)]uˉ+(0)S12u+(0)+O(eBm(am)2).(64.19)\begin{aligned} \int\frac{d\widetilde p}{2\omega}|f_a|^2 &=\frac1{2m}\left[1+O((am)^{-2})\right],\\ \delta E &=-\frac{eB}{2m^2}[1+F_2(0)] \bar u_+(0)S^{12}u_+(0) +O\left(\frac{|eB|}{m(am)^2}\right). \end{aligned} \tag{64.19}

第一行保留原有的相对论归一dp~fa2=1\int d\widetilde p\,|f_a|^2=1,只对额外留下的1/(2ω)1/(2\omega)作展开。这个额外因子使第二行的分母成为2m22m^2;该行按静止近似理解。

最后使用自旋本征值和旋量范数,

S12u±(0)=±12u±(0),uˉ±(0)u±(0)=2m,uˉ+(0)S12u+(0)=m,δE=eB2m[1+α2π+O(α2)+O((am)2)].(64.20)\begin{aligned} S^{12}u_\pm(0)&=\pm\frac12u_\pm(0),\qquad \bar u_\pm(0)u_\pm(0)=2m,\\ \bar u_+(0)S^{12}u_+(0)&=m,\\ \delta E &=-\frac{eB}{2m}\left[1+\frac{\alpha}{2\pi} +O(\alpha^2)+O((am)^{-2})\right]. \end{aligned} \tag{64.20}

依磁矩定义,并取静止极限,便得

μ=ge2mS,μz=ge2m12,g=2[1+F2(0)]=2[1+α2π+O(α2)],ae:=g22=F2(0).(64.21)\begin{aligned} \boldsymbol\mu&=g\,\frac e{2m}\,\mathbf S,\qquad \mu_z=g\,\frac e{2m}\,\frac12,\\ g&=2[1+F_2(0)] =2\left[1+\frac{\alpha}{2\pi}+O(\alpha^2)\right],\\ a_e:=\frac{g-2}{2}&=F_2(0). \end{aligned} \tag{64.21}

这里aea_e称反常磁矩的无量纲系数,区别于波包的长度aa。最小狄拉克耦合给g=2g=2,一圈泡利项给第一个偏离2的修正。由于e<0e<0,自旋向上态的μz\mu_z为负,磁矩与自旋反向;沿正第三轴加磁场时,该态的能量升高。这里的e/(2m)e/(2m)带电荷符号;用作正单位的玻尔磁子大小为μB=e/(2m)\mu_B=|e|/(2m)

还可用经典带电旋转小球来比较这个结果。若电荷密度和质量密度处处成同一比例ρe=(e/m)ρm\rho_e=(e/m)\rho_m,并且两者具有同一个速度场v\mathbf v,则

μcl=12d3xr×(ρev)=e2md3xr×(ρmv)=e2mL.(64.22)\boldsymbol\mu_{\rm cl} =\frac12\int d^3x\,\mathbf r\times(\rho_e\mathbf v) =\frac e{2m}\int d^3x\,\mathbf r\times(\rho_m\mathbf v) =\frac e{2m}\mathbf L. \tag{64.22}

经典轨道运动的系数因而对应gL=1g_L=1。电子自旋的狄拉克值是它的两倍,这个差别由式(64.18)的旋量计算得出。下文给波包加上球谐角向依赖,直接从同一个哈密顿量求出轨道磁矩与自旋磁矩的和。

有限宽度波包的静止极限

还可以在式(64.8)所取的两项中保留全部波包动量,检查前面的非相对论近似怎样成立。为方便写分量,暂把第38节的外尔矩阵作一个常数酉变换:

T=12(I2I2I2I2),uD=TuW,γDμ=TγWμT.(64.23)T=\frac1{\sqrt2}\begin{pmatrix}I_2&I_2\\-I_2&I_2\end{pmatrix}, \qquad u_D=Tu_W,\qquad \gamma_D^\mu=T\gamma_W^\mu T^\dagger. \tag{64.23}

于是γD0=diag(I2,I2)\gamma_D^0=\operatorname{diag}(I_2,-I_2)γDi=(0σiσi0)\gamma_D^i=\left(\begin{smallmatrix}0&\sigma_i\\-\sigma_i&0\end{smallmatrix}\right)。 这是同一克利福德代数的另一组矩阵;所有双线性都保持原值,以下略去下标DD。 对χ=(1,0)T\chi=(1,0)^T,式(64.16)的完整推动可写为

u+(p)=ω+m(χσpω+mχ),S12=12(σ300σ3).(64.24)u_+(\mathbf p)=\sqrt{\omega+m} \begin{pmatrix}\chi\\ \dfrac{\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p}{\omega+m}\chi\end{pmatrix}, \qquad S^{12}=\frac12\begin{pmatrix}\sigma_3&0\\0&\sigma_3\end{pmatrix}. \tag{64.24}

这由cosh(η/2)=(ω+m)/(2m)\cosh(\eta/2)=\sqrt{(\omega+m)/(2m)}sinh(η/2)=p/2m(ω+m)\sinh(\eta/2)=|\mathbf p|/\sqrt{2m(\omega+m)}代入推动矩阵得到。泡利项的双线性为

uˉ+S12u+=ω+m2[1χ(σp)σ3(σp)χ(ω+m)2]=ω+m22p32p22(ω+m)=ωp32ω+m.(64.25)\begin{aligned} \bar u_+S^{12}u_+ &=\frac{\omega+m}{2} \left[1-\frac{\chi^\dagger(\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p) \sigma_3(\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p)\chi} {(\omega+m)^2}\right]\\ &=\frac{\omega+m}{2} -\frac{2p_3^2-\mathbf p^2}{2(\omega+m)} =\omega-\frac{p_3^2}{\omega+m}. \end{aligned} \tag{64.25}

第二行用(σp)σ3(σp)=2p3(σp)p2σ3(\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p)\sigma_3 (\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p) =2p_3(\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p)-\mathbf p^2\sigma_3, 并代入χσχ=(0,0,1)\chi^\dagger\boldsymbol\sigma\chi=(0,0,1)

最小耦合项中的导数也可直接求出。记n=ω+mn=\sqrt{\omega+m}R=σp/(ω+m)R=\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p/(\omega+m),则 1n=p1/(2ωn)\partial_1n=p_1/(2\omega n)1R=σ1/(ω+m)p1σp/[ω(ω+m)2]\partial_1R=\sigma_1/(\omega+m) -p_1\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p/[\omega(\omega+m)^2]。 按上下两个块相乘,有

uˉ+iγ2p1u+=n(1n)χ(iσ2R+Riσ2)χ+n2χiσ2(1R)χ=ip1p2ω(ω+m)+1p1(p1+ip2)ω(ω+m)=1p12ω(ω+m).(64.26)\begin{aligned} \bar u_+i\gamma^2\partial_{p_1}u_+ &=n(\partial_1n)\chi^\dagger(i\sigma_2R+Ri\sigma_2)\chi\\ &\quad+n^2\chi^\dagger i\sigma_2(\partial_1R)\chi\\ &=\frac{ip_1p_2}{\omega(\omega+m)} +1-\frac{p_1(p_1+ip_2)}{\omega(\omega+m)}\\ &=1-\frac{p_1^2}{\omega(\omega+m)}. \end{aligned} \tag{64.26}

这里{σ2,σp}=2p2I\{\sigma_2,\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p\}=2p_2Iχiσ2σ1χ=1\chi^\dagger i\sigma_2\sigma_1\chi=1, 而χiσ2(σp)χ=p1+ip2\chi^\dagger i\sigma_2(\boldsymbol\sigma\cdot\mathbf p)\chi=p_1+ip_2。 虚部在两种导数之间消去,静止点的值正好为1。

定义径向包的平均h(ω)f=dp~f2h(ω)\langle h(\omega)\rangle_f=\int d\widetilde p\,|f|^2h(\omega)。 对球面作角平均时p12p_1^2p32p_3^2均变成p2/3\mathbf p^2/3, 再用p2/(ω+m)=ωm\mathbf p^2/(\omega+m)=\omega-m。式(64.14)于是给

μz(f)=e2m[m(2ω+m)3ω2f+F2(0)2ω+m3ωf].(64.27)\mu_z(f)=\frac e{2m}\left[ \left\langle\frac{m(2\omega+m)}{3\omega^2}\right\rangle_f +F_2(0)\left\langle\frac{2\omega+m}{3\omega}\right\rangle_f \right]. \tag{64.27}

两个平均在静止极限都趋于1。展开ω/m=1+p2/m2\omega/m=\sqrt{1+\mathbf p^2/m^2},得到

μz(f)e/(2m)=1+F2(0)[23+F2(0)6]p2fm2+O(p4f/m4),p2fam2=32(am)2+O((am)4),μz(fa)e/(2m)=1+F2(0)1+F2(0)/4(am)2+O((am)4).(64.28)\begin{aligned} \frac{\mu_z(f)}{e/(2m)} &=1+F_2(0) -\left[\frac23+\frac{F_2(0)}6\right] \frac{\langle\mathbf p^2\rangle_f}{m^2} +O(\langle\mathbf p^4\rangle_f/m^4),\\ \frac{\langle\mathbf p^2\rangle_{f_a}}{m^2} &=\frac{3}{2(am)^2}+O((am)^{-4}),\\ \frac{\mu_z(f_a)}{e/(2m)} &=1+F_2(0)-\frac{1+F_2(0)/4}{(am)^2}+O((am)^{-4}). \end{aligned} \tag{64.28}

最后两行在同一个相对论归一中取高斯平均,故归一常数的修正也已经包含。这个例子把式(64.19)的误差阶具体算出;先前抽取的静止磁矩与波包长度无关。

顶角计算给出了自旋能级劈裂的量子修正。实验从磁场中的能级差测定同一个gg因子,便可检验F2(0)F_2(0)的圈展开。

球谐波包的轨道磁矩

前面选择没有轨道角动量的径向波包, 用来分离电子自旋的磁矩;现在给同一波包乘上球谐函数, 考察由角向相位产生的额外响应。质量仍记为mm, 球谐函数的磁量子数改记为mm_\ell,避免两个mm混用。

球谐波包的归一

取静止自旋标签s=+s=+的单电子态,并以任意动量的无转动推动旋量构造波包。记 Ep=m2+p2E_{\mathbf p}=\sqrt{m^2+\mathbf p^2},则

Φ=dp~f(p)b+(p)0,dp~=d3p(2π)32Ep,p,sp,s=(2π)32Epδ3(pp)δss,1=dp~f(p)2.(64.29)\begin{aligned} |\Phi\rangle &=\int d\widetilde p\,f(\mathbf p)b_+^\dagger(\mathbf p)|0\rangle,\\ d\widetilde p&=\frac{d^3p}{(2\pi)^3\,2E_{\mathbf p}},\\ \langle\mathbf p',s'|\mathbf p,s\rangle &=(2\pi)^3\,2E_{\mathbf p}\, \delta^3(\mathbf p'-\mathbf p)\delta_{s's},\\ 1&=\int d\widetilde p\,|f(\mathbf p)|^2. \end{aligned} \tag{64.29}

态内积中的δ函数消去一重动量积分,正好给出最后的归一条件。 这个波包和球谐函数的归一取为

f(p)=Nea2r2/2Ym(θ,ϕ),r=p,dΩYm2=1.(64.30)f(\mathbf p)=\mathcal N e^{-a^2r^2/2}Y_{\ell m_\ell}(\theta,\phi), \qquad r=|\mathbf p|,\qquad \int d\Omega\,|Y_{\ell m_\ell}|^2=1. \tag{64.30}

这里\ell为非负整数,m-\ell\le m_\ell\le\ell。 径向分布的动量宽度为1/a1/a,所以前面要求的窄动量包应满足 am1am\gg1,并以δ=(am)1\delta=(am)^{-1}作为非相对论展开参数。

角积分已经归一,故N\mathcal N由一个径向积分固定:

N2=1(2π)30r2ea2r22m2+r2dr.(64.31)|\mathcal N|^{-2} =\frac1{(2\pi)^3}\int_0^\infty \frac{r^2e^{-a^2r^2}}{2\sqrt{m^2+r^2}}\,dr. \tag{64.31}

这个式子保留完整的协变测度。为把它评价到这次计算所需的精度, 对0ea2r2dr=π/(2a)\int_0^\infty e^{-a^2r^2}dr=\sqrt\pi/(2a)a2a^2求导, 得到下面两个高斯矩;再展开1/Ep1/E_{\mathbf p}

0r2ea2r2dr=π4a3,0r4ea2r2dr=3π8a5,0r2ea2r22Epdr=π8ma3[134δ2+O(δ4)],N2=8ma3(2π)3π[1+34δ2+O(δ4)].(64.32)\begin{aligned} \int_0^\infty r^2e^{-a^2r^2}dr&=\frac{\sqrt\pi}{4a^3},& \int_0^\infty r^4e^{-a^2r^2}dr&=\frac{3\sqrt\pi}{8a^5},\\ \int_0^\infty\frac{r^2e^{-a^2r^2}}{2E_{\mathbf p}}dr &=\frac{\sqrt\pi}{8ma^3} \left[1-\frac34\delta^2+O(\delta^4)\right],\\ |\mathcal N|^2 &=\frac{8ma^3(2\pi)^3}{\sqrt\pi} \left[1+\frac34\delta^2+O(\delta^4)\right]. \end{aligned} \tag{64.32}

于是ff的质量维数为1-1,与dp~d\widetilde p的维数2相配。 下面先保持式(64.31)的精确归一, 最后才对磁矩作非相对论展开。

zz轴旋转时,动量测度中的EpE_{\mathbf p}不变。 将f(Rz1p)f(R_z^{-1}\mathbf p)对旋转角展开,便得到作用在标量包络上的 轨道角动量算符

Lz=i(p1p2p2p1)=iϕ,Lzf=mf,Lz=m.(64.33)L_z=-i\left(p_1\partial_{p_2}-p_2\partial_{p_1}\right) =-i\partial_\phi,\qquad L_zf=m_\ell f,\qquad \langle L_z\rangle=m_\ell. \tag{64.33}

径向测度不随ϕ\phi变化,所以这里的LzL_z与通常的平直动量测度有同一形式。 最后一个等式使用了波包归一。

包络角向导数的贡献

选择A2=BxA_2=Bx、其余分量为零。只取能量对BB的一次响应, 并以相同真空的能量为基准,含泡利形状因子的相互作用哈密顿量为

H1=eBd3xΨˉ[xγ2+F2(0)mS12]Ψ,ΔE=H1,μz=ΔEB.(64.34)\begin{aligned} H_1&=-eB\int d^3x\, \bar\Psi\left[x\gamma^2+\frac{F_2(0)}mS^{12}\right]\Psi, \\ \Delta E&=\langle H_1\rangle,\qquad \mu_z=-\frac{\Delta E}{B}. \end{aligned} \tag{64.34}

这里F1(0)=1F_1(0)=1已经固定电荷归一,e<0e<0。 按前面使用单电子连通矩阵元,选t=0t=0作为波包的参考时刻, xγ2x\gamma^2项给出

ΔEmin=eBdp~dp~d3xei(pp)x×f(p)uˉ+(p)xγ2u+(p)f(p).(64.35)\begin{aligned} \Delta E_{\rm min} ={}&-eB\int d\widetilde p\,d\widetilde p'\,d^3x\, e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x}\\ &\hspace{1em}\times f^*(\mathbf p')\bar u_+(\mathbf p')\, x\gamma^2u_+(\mathbf p)f(\mathbf p). \end{aligned} \tag{64.35}

在这个积分中,包络的角向依赖将产生新的贡献。 用xei(pp)x=ip1ei(pp)xx e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x} =-i\partial_{p_1}e^{i(\mathbf p-\mathbf p')\cdot\mathbf x}分部积分时, 导数也必须作用在dp~d\widetilde p1/(2Ep)1/(2E_{\mathbf p})上。 若将这个权重记为w(p)=1/[(2π)32Ep]w(\mathbf p)=1/[(2\pi)^3\,2E_{\mathbf p}], 则完整的导数为

p1logw=p1Ep2,D1(uf):=w1p1(wuf)=p1(uf)p1Ep2uf.(64.36)\begin{aligned} \partial_{p_1}\log w&=-\frac{p_1}{E_{\mathbf p}^2},\\ D_1(uf) &:=w^{-1}\partial_{p_1}(wuf) =\partial_{p_1}(uf)-\frac{p_1}{E_{\mathbf p}^2}uf. \end{aligned} \tag{64.36}

分部积分给出的系数是+iD1+iD_1。随后空间积分产生 (2π)3δ3(pp)(2\pi)^3\delta^3(\mathbf p'-\mathbf p),而对dp~d\widetilde p'积分还留下 1/(2Ep)1/(2E_{\mathbf p}),所以含泡利项的完整结果为

ΔE=eBdp~2Epfuˉ+[iγ2D1(u+f)+F2(0)mS12u+f].(64.37)\Delta E=-eB\int\frac{d\widetilde p}{2E_{\mathbf p}}\, f^*\bar u_+ \left[i\gamma^2D_1(u_+f) +\frac{F_2(0)}mS^{12}u_+f\right]. \tag{64.37}

这里的D1D_1只作用在括号内的u+fu_+f上。 下面将分别计算旋量导数、包络导数和测度导数,说明最后一项在这个波包中的积分为何恰好为零。

高斯因子使无穷远的表面项消失。对于>0\ell>0Ym(p^)Y_{\ell m_\ell}(\widehat{\mathbf p})p=0\mathbf p=0可能没有方向无关的极限, 但这不妨碍上述一次分部积分:先挖去半径η\eta的小球, 其表面项因f,u+,wf,u_+,w有界而为O(η2)O(\eta^2);角向导数至多为O(1/r)O(1/r), 在三维中局部可积,且 r<ηd3pf2=O(η)\int_{r<\eta}d^3p\,|\nabla f|^2=O(\eta)。 令η0\eta\to0,便得到同一弱导数公式。单点处给ff选择什么值不影响积分。

D1(u+f)D_1(u_+f)拆成旋量导数和包络导数。后者连同测度导数定义这次计算的轨道贡献。 使用同动量旋量恒等式uˉ+γ2u+=2p2\bar u_+\gamma^2u_+=2p_2,得到

ΔEorb=eBdp~ip2Epfp1f+ieBdp~p1p2Ep3f2.(64.38)\begin{aligned} \Delta E_{\rm orb} ={}&-eB\int d\widetilde p\, \frac{ip_2}{E_{\mathbf p}}f^*\partial_{p_1}f\\ &+ieB\int d\widetilde p\, \frac{p_1p_2}{E_{\mathbf p}^3}|f|^2. \end{aligned} \tag{64.38}

对这个球谐函数,Ym2|Y_{\ell m_\ell}|^2与方位角ϕ\phi无关。 第二行的p1p2=r2sin2θcosϕsinϕp_1p_2=r^2\sin^2\theta\cos\phi\sin\phiϕ\phi上积分为零; 测度导数项在方位角积分后消失。

朗道规范中的轨道磁矩

剩下的第一行表面上只含p2p1p_2\partial_{p_1},并非完整的LzL_z。 这个差别来自A2=BxA_2=Bx所选的朗道规范。写 Ym=Θm(θ)eimϕY_{\ell m_\ell}=\Theta_{\ell m_\ell}(\theta)e^{im_\ell\phi}, 其中Θm\Theta_{\ell m_\ell}可取实函数,动量导数为

p1=sinθcosϕr+cosθcosϕrθsinϕrsinθϕ.(64.39)\partial_{p_1} =\sin\theta\cos\phi\,\partial_r +\frac{\cos\theta\cos\phi}{r}\partial_\theta -\frac{\sin\phi}{r\sin\theta}\partial_\phi. \tag{64.39}

前两项乘上ip2fip_2 f^*后均带sinϕcosϕ\sin\phi\cos\phi,方位角积分为零。 最后一项作用在eimϕe^{im_\ell\phi}上,给 ip2[imsinϕ/(rsinθ)]f2=msin2ϕf2ip_2[-im_\ell\sin\phi/(r\sin\theta)]|f|^2 =m_\ell\sin^2\phi\,|f|^2。 因sin2ϕ\sin^2\phi的方位角平均为1/21/2,便有

dp~ip2Epfp1f=m2dp~f2Ep=12LzEp.(64.40)\begin{aligned} \int d\widetilde p\,\frac{ip_2}{E_{\mathbf p}} f^*\partial_{p_1}f &=\frac{m_\ell}{2}\int d\widetilde p\, \frac{|f|^2}{E_{\mathbf p}} \\&=\frac12\left\langle\frac{L_z}{E_{\mathbf p}}\right\rangle . \end{aligned} \tag{64.40}

这就是所需的二分之一。若改用对称规范 A=(By/2,Bx/2,0)\mathbf A=(-By/2,Bx/2,0),两项分别给 ip2p1ip_2\partial_{p_1}ip1p2-ip_1\partial_{p_2},在哈密顿量中直接合成Lz/2L_z/2; 这次计算的轴对称波包使两种写法的能量期望一致。

于是轨道磁矩在尚未作窄包展开时为

ΔEorb=eBm2Ep1,μorb,z=em2Ep1.(64.41)\begin{aligned} \Delta E_{\rm orb} &=-\frac{eB\,m_\ell}{2}\left\langle E_{\mathbf p}^{-1}\right\rangle,\\ \mu_{{\rm orb},z} &=\frac{e\,m_\ell}{2}\left\langle E_{\mathbf p}^{-1}\right\rangle. \end{aligned} \tag{64.41}

这里的轨道部分是相对于本书固定静止自旋基的包络角动量而言; 旋量随动量变化所给的部分仍保留在式 (64.37)中。 归一常数在这个径向期望中抵消,因而可直接评价为

Ep1=0r2ea2r22(m2+r2)dr0r2ea2r22m2+r2dr=1m132δ2+O(δ4)134δ2+O(δ4)=1m[134δ2+O(δ4)].(64.42)\begin{aligned} \left\langle E_{\mathbf p}^{-1}\right\rangle &=\frac{\displaystyle\int_0^\infty \frac{r^2e^{-a^2r^2}}{2(m^2+r^2)}\,dr} {\displaystyle\int_0^\infty \frac{r^2e^{-a^2r^2}}{2\sqrt{m^2+r^2}}\,dr}\\ &=\frac1m \frac{1-\frac32\delta^2+O(\delta^4)} {1-\frac34\delta^2+O(\delta^4)} =\frac1m\left[1-\frac34\delta^2+O(\delta^4)\right]. \end{aligned} \tag{64.42}

分子使用1/E2=m2(1r2/m2+)1/E^2=m^{-2}(1-r^2/m^2+\cdots), 分母已在式(64.32)中评价。 泰勒余项在x0x\ge0时满足 0(1+x)1/21+x/23x2/80\le(1+x)^{-1/2}-1+x/2\le3x^2/80(1+x)11+xx20\le(1+x)^{-1}-1+x\le x^2。 令x=r2/m2x=r^2/m^2,下一阶高斯矩便控制了上式的O(δ4)O(\delta^4)误差。 这里保持,m\ell,m_\ell固定,归一角积分不随aa改变。 最终得到

μorb,z=em2m[134(am)2+O((am)4)],μorb=e2mL在非相对论主阶.(64.43)\begin{aligned} \mu_{{\rm orb},z} &=\frac{e\,m_\ell}{2m} \left[1-\frac{3}{4(am)^2}+O((am)^{-4})\right],\\ \boldsymbol\mu_{\rm orb} &=\frac{e}{2m}\langle\mathbf L\rangle \qquad\text{在非相对论主阶}. \end{aligned} \tag{64.43}

球谐态有Lx=Ly=0\langle L_x\rangle=\langle L_y\rangle=0, 所以第二行在这次计算中只含zz分量。 当m=0m_\ell=0时,轨道项已由式(64.41)精确为零。 由于e<0e<0,正的轨道角动量投影对应负的磁矩投影, 其能量在B>0B>0时增加。

最后把轨道结果与前面的自旋部分放在一起。 在p=0\mathbf p=0处,本书固定相位的旋量满足

p1u+(p)0=12mγ1u+(0),uˉ+iγ2p1u+0=1muˉ+(0)S12u+(0)=1,uˉ+(0)S12u+(0)=m.(64.44)\begin{aligned} \left.\partial_{p_1}u_+(\mathbf p)\right|_0 &=-\frac1{2m}\gamma^1u_+(0),\\ \left.\bar u_+i\gamma^2\partial_{p_1}u_+\right|_0 &=\frac1m\bar u_+(0)S^{12}u_+(0)=1,\\ \bar u_+(0)S^{12}u_+(0)&=m. \end{aligned} \tag{64.44}

第二行由S12u+(0)=u+(0)/2S^{12}u_+(0)=u_+(0)/2uˉ+(0)u+(0)=2m\bar u_+(0)u_+(0)=2m得到。 因此式(64.37)中的旋量导数与泡利项, 在非相对论主阶分别给e/(2m)e/(2m)eF2(0)/(2m)eF_2(0)/(2m)。 归一角密度不改变这两个静止值,故

μz=e2m[m+1+F2(0)]+O ⁣(em(am)2)=e2m[m+1+α2π+O(α2)]+O ⁣(em(am)2).(64.45)\begin{aligned} \mu_z &=\frac{e}{2m}\left[m_\ell+1+F_2(0)\right] +O\!\left(\frac{|e|}{m}(am)^{-2}\right)\\ &=\frac{e}{2m} \left[m_\ell+1+\frac{\alpha}{2\pi}+O(\alpha^2)\right] +O\!\left(\frac{|e|}{m}(am)^{-2}\right). \end{aligned} \tag{64.45}

此处宽度误差按固定,m\ell,m_\ell计,自旋部分尚未展开到该阶; 式(64.43)中额外给出的宽度修正只属于轨道项。 用角动量系数表示,轨道因子为gL=1g_L=1,而自旋因子为 gs=2[1+F2(0)]g_s=2[1+F_2(0)]Sz=1/2\langle S_z\rangle=1/2。 轨道响应的主阶系数由物理电荷归一F1(0)=1F_1(0)=1固定, 反常磁矩则出现在自旋的系数中。


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文章标题:Srednicki §64 电子的磁矩

文章作者:Whitney

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