Mécanique quantique 2
Claude Aslangul
deboeck
III Développements721
17 Symétrie et lois de conservation
723
17.1 Le principe euclidien de relativité et le rôle de la symétrie en physique723
17.2 Opérateurs unitaires, opérateurs antiunitaires733
17.3 Symétrie spatiale continue : translations et rotations735
17.3.1 Translations736
17.3.2 Rotations748
17.4 Invariance de jauge755
17.5 Symétries discrètes762
17.6 Symétrie et dégénérescence770
17.7 Invariance P T772
17.8 Exercices et problèmes774
17.8.1 Produits scalaire et vectoriel de deux opérateurs vectoriels774
17.8.2 Invariance de [q, p] = (...) par symétrie miroir774
17.8.3 Opérateur de translation774
17.8.4 Transformation de Galilée775
17.8.5 Invariance de Galilée de l'équation de Schrödinger775
17.8.6 Particule sur réseau unidimensionnel776
17.8.7 Particule sur réseau : une autre approche778
17.8.8 Renversement du temps779
17.8.9 Dynamique d'un électron dans une cage atomique779
17.8.10 Groupe des rotations planes781
17.8.11 Dilatations782
17.8.12 Symétrie par rotation autour d'un axe784
17.8.13 Un exemple à propos de l'invariance P T785
18 Théorie du moment cinétique
787
18.1 Importance du moment cinétique787
18.2 Propriétés générales des valeurs et vecteurs propres d'un moment cinétique792
18.3 États propres du moment cinétique orbital797
18.4 Cas particuliers des moments cinétiques (...)813
18.5 Addition de deux moments cinétiques. Coefficients de Clebsch-Gordan819
18.5.1 Comment apparaît la somme des moments cinétiques819
18.5.2 Somme de deux moments cinétiques822
18.5.3 Propriétés des coefficients de Clebsch-Gordan. Principes de leur méthode de calcul829
18.6 Théorème de Wigner-Eckart. Règles de sélection832
18.7 Exercices et problèmes839
18.7.1 Le vecteur (...) en coordonnées sphériques839
18.7.2 Quantification d'une variable angulaire839
18.7.3 Complétude des fonctions propres (...) de (...) Condition de Vitali841
18.7.4 Quelques résultats à propos d'un moment cinétique841
18.7.5 Mesures du spin sur une paire intriquée842
18.7.6 Moment cinétiques (...)843
18.7.7 Collision de deux spins discernables (...)843
18.7.8 Calcul de (...) et démonstration de (...)844
18.7.9 Le théorème de Wigner-Eckart pour les opérateurs vectoriels845
18.7.10 Addition de deux moments cinétiques846
18.7.11 Moment cinétique total de (...) spins (...)846
18.7.12 Oscillateur harmonique à deux dimensions847
18.7.13 Matrices de Pauli et vecteur polarisation848
18.7.14 Dynamique d'un système à deux niveaux. Oscillation de Rabi849
18.7.15 Étude et mesure d'un spin (...)850
18.7.16 À propos des polynômes de Legendre852
19 Potentiel central et atome d'hydrogène
853
19.1 Définition du champ central et exemples853
19.1.1 Hamiltonien du problème central855
19.1.2 Comportements de la fonction radiale867
19.1.3 La particule libre870
19.1.4 Puits « carré » sphérique876
19.2 Atome d'hydrogène885
19.2.1 Résolution de l'équation radiale886
19.2.2 Analyse des états propres896
19.2.3 Symétrie dynamique du potentiel coulombien910
19.3 Exercices et problèmes919
19.3.1 Démonstration de l'égalité (II-19.26)919
19.3.2 Champ central dans le plan919
19.3.3 Difficultés du puits (...) en dimension (...)920
19.3.4 La coquille de Dirac921
19.3.5 Puis « carré » circulaire et limite (...)921
19.3.6 Particule libre en coordonnées sphériques dans (...)3922
19.3.7 Puits sphérique infini dans (...)3922
19.3.8 Piège profond en phase solide923
19.3.9 Désintégration du tritiurn924
19.3.10 États liés sphériques du deutéron925
19.3.11 Oscillateur harmonique à trois dimensions925
19.3.12 Sur l'atome d'hydrogène926
19.3.13 Une curieuse correspondance entre l'atome d'hydrogène et un oscillateur harmonique... qui n'existe pas928
19.3.14 Compléments sur les fonctions radiales hydrogénoïdes929
19.3.15 Méthode de Laplace et fonction hypergéométrique931
19.3.16 À propos du vecteur de Lenz-Runge932
19.3.17 Écart à l'interaction de Coulomb : écrantage en loi-puissance. Suppression de la dégénérescence accidentelle933
19.3.18 Un potentiel très (trop ?) attractif933
20 Le spin
935
20.1 Insuffisances de la description par une seule fonction d'onde935
20.2 Magnétisme atomique : l'atome d'hydrogène949
20.3 Rotation d'un spin953
20.4 Retour sur le renversement du temps957
20.5 Équation de Dirac962
20.5.1 Émergence du spin dans un cadre relativiste962
20.5.2 Construction de l'équation de Dirac964
20.5.3 États stationnaires d'un électron libre974
20.6 Champ central et atome d'hydrogène en théorie de Dirac981
20.7 Limite faiblement relativiste et Hamiltonien de Pauli989
20.8 Exercices et problèmes993
20.8.1 Constantes du mouvement en théorie de Dirac993
20.8.2 Homomorphisme SU(2)(...)SO(3)993
20.8.3 Harmoniques sphériques spinorielles995
20.8.4 Limite faiblement relativiste de la densité et du courant995
20.8.5 Correction de Darwin995
20.8.6 Ordres de grandeur des corrections relativistes996
20.8.7 Mesure de l'anomalie magnétique de l'électron997
20.8.8 Transformation de Foldy-Wouthuysen999
20.8.9 Zitterbewegung1000
20.8.10 Puits carré en théorie de Dirac1001
20.8.11 Paquet d'ondes gaussien de Dirac1003
21 Illustration des postulats de la Mécanique quantique
1005
21.1 L'effet Zénon quantique1005
21.2 Sauts quantiques1024
21.3 Cryptographie quantique1040
21.3.1 Principes de la détection infaillible d'une écoute indésirable1041
21.3.2 Exemples1042
21.3.3 Communication de la clé secrète entre Alice et Bob1047
21.4 Décohérence1052
21.5 Intrication1064
21.6 Exercices et problèmes1069
21.6.1 Traitement phénoménologique d'un atome à trois niveaux1069
21.6.2 Effet Zénon sur un neutron1070
21.6.3 À propos de la fonction de Wigner1071
21.6.4 Disparition de la cohérence spatiale pour une particule libre1072
21.6.5 Évolution de la cohérence quantique d'un atome lors de l'émission spontanée1073
21.6.6 Déviation d'un atome par un champ classique1079
21.6.7 Un exemple d'intrication spin-espace1083
22 Particules identiques
1087
22.1 Indiscernabilité des particules identiques en Mécanique quantique1087
22.2 Le postulat de symétrisation1093
22.3 Permutations. Opérateurs de symétrisation et d'antisymétrisation1102
22.4 États d'un système de particules indépendantes : différence fondamentale entre bosons et fermions1109
22.5 Introduction à la seconde quantification1117
22.6 Exercices et problèmes1128
22.6.1 Retour sur le trou de Fermi1128
22.6.2 États de spin de trois électrons1129
22.6.3 Étude détaillée du groupe des permutations (...)1129
22.6.4 Quatre spins (...)1131
22.6.5 Interaction entre deux spins (...) par l'intermédiaire d'un boson1132
22.6.6 N fermions1134
22.6.7 N fermions libres1135
22.6.8 Correction quantique à la fonction de partition classique d'un gaz parfait1136
22.6.9 Équations du mouvement pour les opérateurs de champ1137
23 Méthodes d'approximation pour les états propres
1139
23.1 Méthode variationnelle1139
23.1.1 Formulation variationnelle de l'équation aux valeurs et vecteurs propres1139
23.1.2 Calcul variationnel des états discrets (états liés)1144
23.1.3 Méthode de Hartree-Fock1148
23.2 Théorie des perturbations stationnaires1154
23.2.1 Cas d'un niveau non dégénéré1158
23.2.2 Cas d'un niveau dégénéré1167
23.2.3 Développement systématique à l'aide de la résolvante1172
23.2.4 Approximation de l'équation aux valeurs propres sous sa forme intégrale1180
23.3 Exemples d'application : effets Stark et Zeeman pour l'atome d'hydrogène1183
23.3.1 Effet Stark1183
23.3.2 Effet Zeemau1187
23.4 Exercices et problèmes1189
23.4.1 De l'importance des conditions aux limites pour une fonction approchée1189
23.4.2 Méthode variationnelle1191
23.4.3 Champ auto-cohérent à une dimension : deux fermions en interaction de contact1194
23.4.4 La méthode de Brillouin-Wigner1195
23.4.5 Exemples simples de perturbations1196
23.4.6 Deux oscillateurs couplés1196
23.4.7 Effet anharmonique pour un oscillateur1197
23.4.8 Terme de contact pour l'électron dans l'atome d'hydrogène1197
23.4.9 Effet Stark pour l'hydrogène1197
23.4.10 Effet de taille finie du noyau1199
23.4.11 Rôle du continuum pour la correction du second ordre1199
23.4.12 Effet Zeeman en champ assez fort : croisements de niveaux ?1200
23.4.13 Atome d'hydrogène dans deux champs croisés1201
23.4.14 Effet Zeeman sur un atome alcalin1201
23.4.15 Structure hyperfine de l'atome de Lithium1202
23.4.16 Effet Zeeman sur un oscillateur harmonique isotrope : traitements perturbatif et exact1204
23.4.17 Matrice densité de Bloch1206
24 Théorie des perturbations dépendant du temps
1209
24.1 Présentation générale1209
24.2 Calcul systématique de l'opérateur d'évolution et approximations successives1216
24.3 Amplitudes de transition entre états discrets : exemples1222
24.3.1 Perturbation constante1223
24.3.2 Perturbation sinusoïdale1225
24.4 Amplitudes de transition entre un état discret et un continuum d'états finals. Règle d'or de Fermi1227
24.5 Applications exemplaires1234
24.5.1 Interaction d'un atome avec un champ électromagnétique (description semi-classique)1234
24.5.2 Théorie élémentaire de l'effet photoélectrique1238
24.6 Le théorème de Gell-Mann et Low1245
24.7 Exercices et problèmes1249
24.7.1 Excitation coulombienne1249
24.7.2 Collision de deux spins (...)1250
24.7.3 Impureté magnétique en phase solide1250
24.7.4 Transitions à deux photons1252
24.7.5 Retournement d'un spin par un champ magnétique éphémère1253
24.7.6 Perturbation électrique transitoire de l'atome d'hydrogène1253
24.7.7 Retour sur l'oscillation de Rabi 1255
24.7.8 Perturbations constante et gaussienne1255
24.7.9 Perturbation d'un oscillateur isotrope1256
24.7.10 Oscillateur en champ alternatif : traitements approché et exact1256
24.7.11 Deux spins et interaction1258
24.7.12 Réponse linéaire d'un système dans un état pur : susceptibilité1259
24.7.13 Réponse linéaire d'un système dans un état mixte : susceptibilité, fonctions de corrélation et relaxation1259
24.7.14 Illustration du théorème de Gell-Mann et Low1261
25 Introduction à la description purement quantique de l'interaction champ-matière
1265
25.1 Hamiltonien atome + champ1267
25.1.1 Lagrangien d'un champ scalaire classique unidimensionnel1267
25.1.2 Hamiltonien du champ libre1271
25.1.3 Hamiltonien du système couplé charges + champ1281
25.2 Description élémentaire de l'émission spontanée1284
25.3 De Wigner-Weisskopf à Rabi1293
25.4 Description électrodynamique de l'interaction de van der Waals1297
25.5 Exercices et problèmes1306
25.5.1 Quelques propriétés du champ libre1306
25.5.2 Hamiltonien spin-boson1308
25.5.3 États cohérents du champ1310
25.5.4 Calcul explicite de l'amplitude (25.168)1312
26 Introduction à la théorie des collisions (diffusion)
1315
26.1 Présentation1315
26.2 Diffusion par un potentiel1318
26.3 Équation intégrale de la diffusion1323
26.4 Analyse en ondes partielles. Méthode des déphasages1330
26.5 Résonances de diffusion1340
26.6 Exercices et problèmes1345
26.6.1 Équation intégrale de la diffusion dans (...)1345
26.6.2 Absence de diffusion pour le potentiel de Dirac1345
26.6.3 Analyse de l'approximation de Born en fonction de l'énergie1346
26.6.4 Décroissance avec l'énergie de la dérivée logarithmique (...) définie en (26.97)1346
26.6.5 Diffusion de l'onde S par un puits carré1347
26.6.6 Approximation de Born pour le puits carré1348
26.6.7 Miracle de l'approximation de Born pour le potentiel coulombieu nu1348
26.6.8 Approximation de Born pour le potentiel de Yukawa1348
26.6.9 Densité en champ moyen pour un gaz d'électrons1349
IV Applications à basse énergie1351
27 Atomes à plusieurs électrons
1353
27.1 Modèle à électrons indépendants1354
27.2 Termes spectraux1357
27.3 Structure fine. Multiples1359
27.4 Structure hyperfine1362
27.5 Théorème du Viriel1365
27.6 Au-delà de l'approximation à électrons indépendants1367
27.7 L'atome d'hélium1371
27.8 Exercices et problèmes1381
27.8.1 Opérateur effectif spin-spin pour deux électrons1381
27.8.2 L'ion (...) existe-t-il ?1381
27.8.3 Positivité d'une intégrale d'échange1382
27.8.4 États de moments angulaires donnés associés à une configuration électronique1382
27.8.5 Structure fine du carbone. Effets Zeeman et Paschen-Back1383
27.8.6 Étude de l'atome d'azote1383
27.8.7 Interaction de configurations pour l'atome d'hélium1384
27.8.8 Structure hyperfine du fondamental de l'ion (...)1384
27.8.9 Nature de la transition de la raie 21 cm1384
28 Introduction à la physique des molécules
1385
28.1 L'approximation de Born et Oppenheimer1385
28.1.1 Ordres de grandeur1385
28.1.2 Approximation de Born et Oppenheimer1389
28.1.3 Discussion1393
28.2 Structure électronique des molécules. Nature physique de la liaison chimique1397
28.2.1 L'ion moléculaire (...)1398
28.2.2 Méthodologie pour une description approchée1403
28.2.3 La molécule d'hydrogène : la méthode de Heitler-London1408
28.2.4 La molécule de benzène1415
28.2.5 Le polyacétylène1423
28.2.6 Nature physique de la liaison chimique1431
28.3 Mouvement des noyaux. Spectres de vibration et de rotation1434
28.3.1 Molécules diatomiques1435
28.3.2 Effet Raman1444
28.3.3 Molécules polyatomiques1446
28.4 Exercices et problèmes1450
28.4.1 Constantes du mouvement électronique pour une molécule diatomique1450
28.4.2 Méthode LCAO pour l'ion moléculaire H2 +1450
28.4.3 Stabilité comparée des molécules He2 et H21451
28.4.4 La molécule d'hydrogène selon Heitler et London1451
28.4.5 Le polyacétylène : limite N infini et analyse de la corrélation électronique1452
28.4.6 États liés du potentiel de Morse1454
28.4.7 Fonction de partition rotationnelle1455
28.4.8 Modes normaux de vibration de X31455
29 Matière condensée ordonnée
1459
29.1 Préliminaires1459
29.2 Énergie de cohésion des solides ordonnés1463
29.2.1 Présentation1463
29.2.2 Cohésion des solides moléculaires1464
29.2.3 Cohésion des réseaux ioniques1468
29.2.4 Cohésion des métaux1470
29.3 Ordre spatial d'un cristal. Diffraction1474
29.3.1 Réseaux. Structure physique d'un réseau1474
29.3.2 Diffraction par un réseau1477
29.3.3 Facteurs de structure (géométrique et atomique)1486
29.4 Exercices et problèmes1488
29.4.1 Molécule de van der Waals1488
29.4.2 Gaz d'électrons dans le modèle du jellium1490
29.4.3 Le jellium : influence de la densité et de la portée des interactions sur les propriétés magnétiques de l'état fondamental1493
29.4.4 Diffusion de neutrons par un gaz diatomique1494
30 Électrons dans un cristal
1495
30.1 Préliminaires1495
30.2 Théorème de Bloch1498
30.3 Premières conséquences du théorème de Bloch1507
30.3.1 Équation pour la fonction (...)1507
30.3.2 Impulsion de l'électron dans le cristal1508
30.3.3 Vitesse d'un électron de Bloch1509
30.3.4 Symétrie de la fonction (...)1509
30.3.5 Surface de Fermi1511
30.4 Applications choisies du théorème de Bloch1512
30.4.1 L'approximation des électrons presque libres1514
30.4.2 L'approximation des liaisons fortes1527
30.5 Conducteurs, semi-conducteurs, isolants1535
30.6 Les magnons : un exemple de l'ordre magnétique d'un solide1545
30.6.1 Définition des magnons (ferromagnétiques)1547
30.6.2 États liés de deux magnons1551
30.7 Exercices et problèmes1560
30.7.1 Modification de la sphère de Fermi pour un alcalin1560
30.7.2 Modification de l'énergie de site pour un réseau en liaisons fortes1563
30.7.3 Règle de sélection pour un cristal parfait1565
30.7.4 Un modèle pour le graphite1566
30.7.5 États d'un électron presque libre sur un réseau hexagonal bidimensionnel1569
30.7.6 États localisés dus à une impureté1571
30.7.7 Variation en température de la chaleur spécifique d'un solide possédant des excitations sans gap1573
30.7.8 Magnétisme localisé : le modèle d'Anderson1573
30.7.9 Tour d'horizon des propriétés magnétiques des solides1575
30.7.10 Magnons et états liés de magnons dans le modèle de Heisenberg1580
30.7.11 Excitations d'un réseau de spins1584
30.7.12 Boîte quantique sous champ magnétique1587
30.7.13 Oscillations de Bloch pour un atome1591
30.7.14 Atomes dans un réseau optique1594
30.7.15 Compétition entre confinement magnétique et interactions dans un réseau de plaquettes1600
31 Vibrations d'un solide ordonné
1611
31.1 L'approximation harmonique1612
31.2 Modes normaux d'un réseau unidimensionnel1615
31.3 Modes normaux d'un réseau unidimensionnel à deux atomes par maille1625
31.4 Modes normaux d'un réseau tridimensionnel1631
31.4.1 Réseau sans base1631
31.4.2 Réseau avec base1633
31.5 Quantification des vibrations de réseau1633
31.6 Contribution des phonons à la chaleur spécifique1634
31.7 Manifestation des phonons dans les spectres de diffraction1638
31.8 Mesure des relations de dispersion des phonons : diffusion inélastique des neutrons1644
3.19 Exercices et problèmes1645
31.9.1 Vibration d'une chaîne monoatomique 1D1645
31.9.2 Vibration d'un réseau unidimensionnel de dimères1647
31.9.3 Vibration d'un réseau avec des couplages harmoniques à longue portée1648
31.9.4 Instabilité de Peierls1649
31.9.5 Identité de Bloch1652
32 Notions de transport dans les solides
1653
32.1 Généralités1653
32.2 Le modèle semi-classique1657
32.3 Conséquences du modèle semi-classique1660
32.3.1 Mouvement dans un champ électrique constant dans le temps1660
32.3.2 Mouvement dans un champ magnétique constant1663
32.4 Conductivité statique d'un métal1665
32.5 Introduction à la supraconductivité1672
32.5.1 Manifestations expérimentales de l'état supraconducteur1672
32.5.2 La théorie BCS1673
32.6 Exercices et problèmes1686
32.6.1 Orbites semi-classiques d'un électron dans un métal1686
32.6.2 Variation et température du gap supraconducteur (couplage faible)1687
32.6.3 Grandeurs thermodynamiques dans les phases normale et supra-conductrice1688
Bibliographie1691
Index1713