Chapter7b–!ElectronSpinand!Spin4Orbit!Coupling!scienide2.uwaterloo.ca/~nooijen/Chem356/Chem+356+pdf/Ch_7b.pdf ·...

13
Winter 2013 Chem 356: Introductory Quantum Mechanics 96 Chapter 7b – Electron Spin and SpinOrbit Coupling ................................................................................. 96 Hatom in a Magnetic Field: Electron Spin ............................................................................................ 96 Total Angular Momentum ................................................................................................................... 103 Chapter 7b – Electron Spin and SpinOrbit Coupling Hatom in a Magnetic Field: Electron Spin If electron in orbital has angular momentum ! L , one has a magnetic moment ! m = q 2m ! L e 2m e ! L This magnetic moment can interact with a magnetic field and the interaction energy is given by V = ! m ! B ! B is measured in Tesla 1T = 1 Newton/(ampere meter) If we take ! B to be in z direction then V = B z m z = e 2m e B z L z And the total Hamiltonian would be ˆ H = ˆ H 0 + e 2m e B z L z The wavefunctions we obtained ψ n,l ,m = f n,l ( r ) y l m ( θ ,ϕ ) are also eigenfunctions of ˆ H including the magnetic field E n,l ,m = E n,l (0) + e 2m e B( m!) each level , nl splits in (2 1) l + sublevels This is what would be expected, from classical considerations. This is not what is observed!

Transcript of Chapter7b–!ElectronSpinand!Spin4Orbit!Coupling!scienide2.uwaterloo.ca/~nooijen/Chem356/Chem+356+pdf/Ch_7b.pdf ·...

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

  96    

 Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling  .................................................................................  96  

H-­‐atom  in  a  Magnetic  Field:  Electron  Spin  ............................................................................................  96  

Total  Angular  Momentum  ...................................................................................................................  103  

 

 Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling  

H-­‐atom  in  a  Magnetic  Field:  Electron  Spin    

If  electron  in  orbital  has  angular  momentum   !L ,  one  has  a  magnetic  moment    

            !m = q

2m!L       →  

−e2me

!L  

This  magnetic  moment  can  interact  with  a  magnetic  field  and  the  interaction  energy  is  given  by      

V = − !m ⋅!B  

      !B  is  measured  in  Tesla      1T  =  1  Newton/(ampere  meter)  

  If  we  take   !B  to  be  in   z  direction  then    

          V = −Bzmz =

e2me

Bz Lz  

  And  the  total  Hamiltonian  would  be    

          H = H0 +

e2me

Bz Lz  

  The  wavefunctions  we  obtained   ψ n,l ,m = fn,l (r)yl

m(θ ,ϕ )      are  also  eigenfunctions  of H  

including  the  magnetic  field   En,l ,m = En,l

(0) + e2me

B(m!)    

 each  level   ,n l  splits  in   (2 1)l + sublevels    

               This  is  what  would  be  expected,  from  classical  considerations.  This  is  not  what  is  observed!  

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   97    

 Stern  and  Gerlach  passed  silver  atoms  (with  electron  in  s-­‐orbital)  through  inhomogeneous  magnetic  field.  

                                              1922!        They  found  this  splits  the  beam  into  two.  Classically  one  would  expect   (2 1)l + lines  for  particle  with  

angular  momentum   l .  Here  2 1 2l + =    →    12

l = !!  

This  was  the  first  evidence  that  electrons  need  another  quantum  number:  half-­‐integer  angular  momentum.    Jumping  to  what  we  know  now,  we  introduce  an  intrinsic  angular  momentum  operator  

        Sx , S y , Sz            

S 2 = Sx2 + S y

2 + Sz2  

This  operator  is  postulated  to  have  exactly  the  same  commutation  relations  as   ˆ ˆ ˆ, ,x y zL L L  

      Hence      

Sx , S y⎡⎣ ⎤⎦ = i!Sz  

         

Sz , Sx⎡⎣ ⎤⎦ = i!S y  

         

S y , Sz⎡⎣ ⎤⎦ = i!Sx  

  From  out  general  discussion  we  know  the  possible  eigenstates  as    

        S2 s,ms = !2s(s+1) s,ms  

          Sz s,ms = ms! s,ms  

    Where  I  indicate  the  states  as   s,ms :  Dirac  bracket  notation  (page  159.  MQ)  

 The  splitting  of  silver  atom  beam  indicates  eigenstates  

       1 1,2 2ss m α= = =  

       1 1,2 2ss m β= = − =  

   

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   98    

             

Everything  we  discussed  on  operators  and  angular  momentum  applies  to  spin,  also  the  states α ,   βare  orthonormal  

        α |α = α *(σ )α (σ )dσ = 1∫  

        β |β = β *(σ )β(σ )dσ = 1∫  

        α |β = α *(σ )β(σ )dσ = 0∫  

 What  are  the  ‘coordinates’  that  we  integrate  over?  We  do  not  have  a  clue!!  But,  also,  we  do  not  need  it:    

 

We  know   α ,   β  are  orthogonal  because  they  are  eigenstates  of  a  Hermitian  operator   ˆzL  

with  different  eigenvalues   ± 1

2! .  Hence  they  must  be  orthogonal!  (See  chapter  4).  

    We  now  have  2  sets  of  angular  momentum  operators  

        ˆ ˆ ˆ, ,x y zL L L     :    orbital  angular  momentum  

        ˆ ˆ ˆ, ,x y zS S S   :    spin  angular  momentum  

        ˆˆ , 0L Sα β⎡ ⎤ =⎣ ⎦  

  The  operators   2 2ˆ ˆˆ ˆ, , ,z zL S L S  all  commute,  and  they  also  commute  with  the  Hamiltonian  

0H T V= + ,  for  the  H-­‐atom  

    Then  we  can  characterize  each  eigenstate  through  

        , , , ,l sn l m S m     5  quantum  numbers  

    Let  us  facilitate  the  notation  somewhat    Note:  Later  on  this  will  require  modification,  as  we  are  neglecting  relativistic  effects,  which  introduce  so-­‐called  spin-­‐orbit  coupling.        

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   99    

  We  can  indicate  the   l -­‐quantum  number  as  s,  p,  d  and  get  functions    

        12P ,   2P0 ,   12P−     1,0, 1lm = −  

    We  could  then  write,  including  spin             12Pα ,   02Pα ,   12P α−  

          12Pβ ,   02P β ,   12P β−  

In  what  follows  we  will  focus  on  one  particular   n  quantum  number,  which  we  can  suppress.  Moreover  I  can  indicate  the  β -­‐spin  function  by  an  overbar.  

    Then  we  get  the  6  p-­‐functions  

          p1 ,   p0 ,   p−1 ,   p1 ,   p0 ,   p−1  

    Or  the  d-­‐functions  

  2d ,   1d ,   0d ,   1d− ,   2d− ,   2d ,   1d ,   0d ,   1d− ,   2d−  

 

This  indicates  the   , , ,s sl m S m  quantum  numbers  

 In  this  way  we  can  label  the  exact  eigenstates  of  the  (non-­‐relativistic)  Hamiltonian.    The  splitting  of  the  lines  in  a  magnetic  field  would  then  be  determined  by  the  Hamiltonian  

H = H0 +

e2me

Bz Lz +ge

2me

BzSz     where   2.0011...g ≈  

This  factor   g  determining  the  ratio  between  spin  and  orbital  interactions  with  the  magnetic  field,  can  

be  calculated  using  relativistic  quantum  field  theory.  (Schwinger,  Tomanaga,  Feynman).  Far  beyond  our  aim.    It  agrees  to  about  10  digits  with  the  experimental  value!  (that  is  like  measuring  the  distance  from  here  to  New  York  up  to  a  millimeter!)  

 

The   p1 ,   p1  functions  are  eigenfunctions  of  this  magnetic  Hamiltonian,  and  we  can  easily  calculate  the  

energy  splitting.    Unfortunately,  this  does  not  give  correct  results!!    The  splitting  due  to  the  magnetic  field  is  very  small.  There  are  other  corrections  to  the  energy  levels  in  Hydrogen  atom  due  to  relativity  (think  Einstein).  They  are  of  at  least  comparable  importance,  and  cannot  be  neglected  when  discussing  magnetic  effects.    The  relativistic  Hydrogen  atom  is  described  by  the  Dirac  equation.  This  is  far  more  complicated  than  we  wish  to  discuss.  

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   100    

 One  can  approximate  effects  by  including  so-­‐called  spin-­‐orbit  interaction  in  the  Hamiltonian.  

          H0( R) = T + V + ξ(r)L ⋅ S  

          L ⋅ S = LxSx + LyS y + LzSz  

      It  is  called   L S⋅  coupling  or  spin-­‐orbit  coupling    Then  the  magnetic  interaction  can  be  included  as  

          ( )0

ˆˆ ˆ2 2

Rz z

e e

e geH H L Sm m

= + +  

 Let  us  first  examine  the  energy  levels  for  the  non-­‐relativistic  Hamiltonian,  i.e.  we  neglect  the  spin-­‐orbit  or   L S⋅  coupling  term.  

        0ˆˆ ˆ ˆ

2 2z z z ze e

e eH H B L g B Sm m

= + +  

Let  us  denote   !

e2me

Bz

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= γ  and  use   2g = ,  then  

            H = H0 +

γ!

Lz +2γ!

Sz  

 Let  us  consider  the  allowed   2 1p s+  emission  lines:  Normal  Zeeman  effect:    

                                  0H ,  only         include   zL       include   zS  

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   101    

Due  to   ˆzS  all  α -­‐levels  go  up  by  γ  all   β -­‐levels  go  down  by  γ .  Since  transitions  cannot  change  spin,  0smΔ = ,  I  get  same  transitions  as  without  spin!!  

 Our  conclusion  thus  far.  

If  one  does  not  consider  spin  levels  split  in  a  magnetic  field  using   ˆ2 z

e

e Lm

 

      p→  3  equal  spaced  levels  

      d →  5  equal  spaced  levels    If  we  include  spin,  for  single  electron  states  then  all  α -­‐states  shift  up  by  1  unit  of   γ ! ,  all   β -­‐levels  shift  

down  by  1  unit  of   γ ! ,  and  the  transition  energies   'np n sα α→  are  not  affected  by  spin.  Moreover  all  

multiples  are  split  by  the  same  amount  

e2me

!Bz .  We  would  not  see  the  effects  of  spin.  

 This  is  what  was  originally  observed  in  early  experiments.  It  is  called  the  ‘normal  Zeeman  effect’  and  it  was  explained  by  Lorentz  (two  Dutch  physicists).  It  appears  as  if  only  the  Lz  term  is  present.    However  we  do  observe  the  effects  of  spin  in  emission  spectra!  The  story  is  more  complicated.    The  complications  occur  already  for  the  H-­‐atom  without  a  magnetic  field.  There  is  a  substantial  correction  due  to  what  is  called  spin-­‐orbit  interaction.    A  good  way  to  think  about  this  is  as  follows:     We  usually  think  of  the  electron  as  wizzing  around  the  nucleus.  From  the  point  of  view  of  the  electron  we  can  just  as  easily  think  that  the  nucleus  is  wizzing  about  the  electron.  This  moving  nucleus,  with  its  angular  momentum  generates  a  magnetic  field.  This  magnetic  field  interacts  with  the  spin  of  the  electron.  

           Compare  the  electron  with  your  position  on  the  spinning  earth.  The  sun  rises  and  sets  from  our  standing  still  point  of  view,  and  moves  with  incredible  velocities,  in  this  frame.  For  a  charged  particle  the  magnetic  force  would  be  large.         It  is  called  spin-­‐orbit  coupling  

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   102    

2

2 2 3

1 ˆˆ2so

e

eH L Sm e r

= ⋅  

Spin-­‐orbit  coupling  is  usually  said  to  be  a  relativistic  effect.  This  is  because  it  arises  in  a  natural  way  from  the  fully  relativistic  Dirac  equation.  So  does  spin;  it  arises  naturally.  And  so  do  particles  and  antiparticles,  which  also  arise  from  the  Dirac  equation.    Let  me  say  something  more  about  spin.  The  spin  operators  are  best  represented  by  matrices.  

    σ x = !

0 11 0

⎝⎜⎞

⎠⎟,    

σ y = !

0 −ii 0

⎝⎜⎞

⎠⎟,    

σ z = !

1 00 −1

⎝⎜⎞

⎠⎟  

 These  matrices  satisfy  the  commutation  relations  of  angular  momentum  

          σ x ,σ y⎡⎣ ⎤⎦ = i!σ z  

    Moreover  

        Sz

10

⎝⎜⎞

⎠⎟= ! 1 0

0 −1⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟10

⎝⎜⎞

⎠⎟= ! 1

0⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟  

        Sz

01

⎝⎜⎞

⎠⎟= ! 1 0

0 −1⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟01

⎝⎜⎞

⎠⎟= −! 0

1⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟  

      Hence       α = 1

0⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟  

01

β ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

 

  2*2  matrices  have  only  2  eigenvectors.  This  is  why  we  have  only   α ,   β  

 The  Dirac  equation  is  a  4*4  matrix  equation  and  we  get  (2  spin  *  2  mass)  solutions.    The  splitting  due  to  the  magnetic  field  is  very  small.  There  are  other  corrections  to  the  energy  levels  in  Hydrogen  atom  due  to  relativity.  They  are  of  at  least  comparable  importance,  and  cannot  be  neglected  when  discussing  magnetic  effects.    The  relativistic  Hydrogen  atom  is  described  by  the  Dirac  equation.  This  is  far  more  complicated  than  we  wish  to  discuss.    One  can  approximate  the  effects  by  including  spin-­‐orbit  interaction  in  the  Hamiltonian.  

          ( )0

ˆˆ ˆ ˆ ˆ( )RH T V r L Sξ= + + ⋅  

          ˆ ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆx x y y z zL S L S L S L S⋅ = + +  

      It  is  called   L S⋅  coupling  or  spin-­‐orbit  coupling       Then  the  magnetic  interaction  can  be  included  as    

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   103    

          ( )0

ˆˆ ˆ2 2

Rz z

e e

e eH H L g Sm m

= + +  

Our  original  spin-­‐orbitals   p1, p0 , p−1, p1, p0 , p−1  are  however  not  eigenstates  of  the  ( )0ˆ RH  including   L S⋅  

coupling      

We  can  classify  the  eigenstates  of   ( )ˆ RH  by  doing  a  little  more  angular  momentum  theory.    Let  me  sketch  the  result,  as  this  is,  finally,  an  accurate  description.    

Total  Angular  Momentum    

We  have     ˆ ˆ ˆ, ,x y zL L L  and   ˆ ˆ ˆ, ,x y zS S S  

      Moreover    

Lα , Sβ⎡⎣ ⎤⎦ = 0   , , ,x y zα β =  

    This  is  because   L  and   S  act  on  different  coordinates    Now  we  define  total  angular  momentum    

ˆˆ ˆx x xJ L S= + ;       ˆˆ ˆ

y y yJ L S= + ;       ˆˆ ˆz z zJ L S= +  

J 2 = Jx

2 + J y2 + Jz

2  

ˆ ˆ,x yJ J  and   ˆzJ satisfy  the  usual  commutation  relations:  

                          ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ, ,x y x x y yJ J L S L S⎡ ⎤⎡ ⎤ = + +⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

        ˆ ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ, , , ,x y x y x y x yL L L S S L S S⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤= + + +⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

        = i!Lz + 0+ 0+ i!Sz  

        = i!J z  

    Moreover  

                        J 2 = Jx

2 + J y2 + Jz

2  

          2 2ˆˆ 2L S L S= + + ⋅                     x x y y z zL S L S L S L S⋅ = + +  

          ( )2 2 212J L S= − −  

    And    

        2 2 2, , , 0x x xJ L L L S L⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + =⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

    Likewise    

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   104    

        2 2 2ˆ ˆˆ , , , 0J S L S S Sα α α⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤= + =⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

    But  then  also  

        [ ]2 2 2ˆˆ ˆ, , 0J J S L J L Sα α⎡ ⎤− − = ⋅ =⎣ ⎦  

      And     2 2 2 2, , 0J L J S⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎣ ⎦ ⎣ ⎦  

 

Hence  we  can  derive  without  too  much  trouble  that  the  operators   2 2 2ˆˆ ˆ, ,J L S and     ˆzJ  all  commute.  

Moreover  these  operators  commute  with   L S⋅ ,  and  also  with   ˆˆ( )r L Sξ ⋅ .  

It  then  follows  that  the  angular  momentum  operators   2 2 2ˆˆ ˆ, ,J L S , ˆzJ  commute  with  the  relativistic  

Hamiltonian   ( )ˆ RH .  And  we  can  classify  the  states  with  quantum  numbers    

, , , , jn l s j m  

 

As  for  the  non-­‐relativistic  case,  the  angular  momentum  problem,  defining   , , , jl s j m is  independent  

from  the  radial  equation,  and  can  be  solved  once  and  for  all.          

2 , , , jL l s j m   = l(l +1)!2 l,s, j,mj  

2ˆ , , , jS l s j m   = s(s+1)!2 l,s, j,mj  

2ˆ , , , jJ l s j m   = j( j +1)!2 l,s, j,mj  

ˆ , , ,z jJ l s j m   = mj!

2 l,s, j,mj  

These  equations  hold  for  the  Hydrogen  atom,  but  later  on  we  will  see  that  they  are  very  similar  for  many-­‐electron  atoms,  which  also  have  spherical  symmetry.            

Can  we  deduce  what  the  eigenstates  of   2J  and   ˆzJ  might  be?  

  First  we  note  that  eigenfunctions  of   zJ  are  easy.  

        J z l,s,ml ,mj = ml + ms( )! l,s,ml ,mj  

      Eg.   J z p1 = 1+ 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟!p1  

J z p0 = 0− 1

2⎛⎝⎜

⎞⎠⎟!p0  

We  also  know  that  acting  with   J+  on   ,j j  should  give  0:  the  highest   jm  value  in  the  multiplet.  

 It  is  easy  to  find  the  highest  function:   lm l= ,   sm s=    

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   105    

Hence  in  the  p-­‐manifold       p1 = p1α   mj =

32,  

32

j =  is  the  highest   jm  function.  

In  the  d-­‐manifold  it  is   2 2d d α=    with      1 522 2jm = + =  

 

Acting  with   J−  we  can  get  the  other  function  in  the  multiplet.  

             

We  get   (2 1)j =  in  32 1 42⋅ + =  functions                    

 

We  are  left  with  2  functions  in  the  p-­‐manifold  (6  spin-­‐orbital  in  total).  This  creates  a  12

j =  multiplet.  

       1 1,2 2

,  

12

,− 12

 2  functions.  

 

How  does  this  work,  for  the  d-­‐  functions?   2l =  highest   ml .  

       

         

        =      6  functions    

In  total  we  have  10  functions    other  multiplet  has  4  functions  

           

 For  the  Hydrogen  atom  we  can  construct  always  

           

1 522 2j j jm l s= + = + = 5

2j→ =

5 3 1 1 3 5, , , , ,2 2 2 2 2 2jm = − − −

( )2 1J +→

→ 12

j l= − 1 322 2

= − =

12

j l⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠12 1 2 22

l l⎛ ⎞+ + = +⎜ ⎟⎝ ⎠

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   106    

           

             

 is  the  total  number  of  spin-­‐orbitals  of  angular  momentum   .  

 

We  label  the  final  eigenstates  as   2S+1 LJ    

   

The  j-­‐multiplet  have  slightly  different  energies  due  to  the    coupling,  which  for  

equal    is  seen  to  depend  on  the   quantum  number.  

       Finally,  we  are  ready  to  discuss  how  these  relativistic  levels  split  in  a  magnetic  field;           Within  a  multiplet   the  levels  split  in   equally  spaced  levels  due  to  a  magnetic  field      

  The  splitting  depends  on    

      Allowed  transitions:   ,   ,  

 

12

j l⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠12 1 22

l l⎛ ⎞− + =⎜ ⎟⎝ ⎠( )2 2 1l⋅ +

( )2 2 1l⋅ + l

( )2 2 22L S J L S⋅ = − −

,L S J

J 2 1J +

( ), ,n l j

1lΔ = ± 0sΔ = 0, 1JmΔ = ±

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   107    

All  different  energies.  Tiny  splitting,  but  this  is  how  we  can  experimentally  access  degeneracies  of  energy  levels.    The  splitting  of  energy  levels  in  a  magnetic  field  is  a  complicated  subject,  because  relativistic  effects  have  to  be  considered  at  the  same  time.    Magnetic  transitions  using  nuclei  as  in  NMR  are  much  simpler  as  we  only  need  to  consider  angular  momentum  theory  itself.    Better  picture  of  transitions  including  spin-­‐orbit:  

              10  different  transitions,  10  different  frequencies    

Selection  rules        

,       ,     ,    

        No        transitions      

     

2 2 p32

→2 2s12

(mj =12

)       3  transitions      

     

2 2 p12

→2 2s12

(mj =12

)       2  transitions  

     

2 2 p32

→2 2s12

(mj = − 12

)     3  transitions  

0B =

1lΔ = ± 0sΔ = 0, 1jΔ = ± 0, 1jmΔ = ±0 0J J= → =

0, 1jmΔ = ±

Winter  2013   Chem  356:  Introductory  Quantum  Mechanics    

Chapter  7b  –  Electron  Spin  and  Spin-­‐Orbit  Coupling   108    

     

2 2 p12

→2 2s12

(mj = − 12

)     2  transitions  

                                                                                                                                                                                                                                           10  transitions  in  total    

To  good  approximation  one  can  evaluate  the  shifts  in  magnetic  field  from    

           

  Neglecting  spin-­‐orbit  coupling.    

2 ˆˆ2 2z z

e e

e eL Sm m

+