量子力学中的氢原子问题

氢原子的动力学对称群

氢原子的哈密顿量可以表示为$H=\frac{p^2}{2\mu}-\frac{k}{r}$。由于Comlomb势的特殊性使得体系具有超出转动对称性的动力学对称性。 1926年Pauli率先从动力学对称性的角度导出了氢原子的能级。氢原子的动力学简并代数由$\lbrace \rm{L,A} \rbrace$生成,为了保证厄密性,经典的Lapalace-Runge-Lenz矢量应改写为:$$A=\frac{1}{2}(p\times L-L\times p)-\mu k \hat{r}$$
不难验证如下对易关系:
$$
[L_i,L_j]=i\hbar \varepsilon_{ijk} L_k\\
[A_i,L_j]=i\hbar \varepsilon_{ijk} A_k\\
[A_i,A_j]=-\frac{2i\hbar}{\mu}H \varepsilon_{ijk} L_k\\
[A,H]=0, A\cdot L=L\cdot A=0, A^2=\frac{2H}{\mu}(L^2+\hbar^2)+k^2
$$
注意到只有在束缚态H为定值时代数才是封闭的。引入如下线性组合:
$$
K^{\pm}=\frac{1}{2}(L\pm\sqrt{-\frac{\mu}{2E}}A)
$$
并且具有如下对易关系:
$$
[K^{\pm}_i,K^{\pm}_j]=i\hbar \varepsilon_{ijk} K^{\pm}_k\\
[K^+,K^-]=0
$$
可以看出$K^+,K^-$各自构成一个$\rm{SU(2)}$代数,总体上构成$\rm{SU(2)}\otimes\rm{SU(2)}\sim\rm{SO(4)}$代数。

氢原子的Yangian对称性

氢原子的$\textbf{Yangian}$为 $\rm{Y(sl(2))}$,其独立生成元由$\lbrace \rm{I,J} \rbrace$生成,他们分别为:
$$
I=L,\ J=\sqrt{-\frac{\mu}{2E}} L \times A + F L
$$
$F$是Casmir算子,即$[F,L]=[F,A]=[F,H]=0$。

经过计算可得: