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Symétrie des opérateurs de l'interaction coulombienne pour les configurations (d + s)n

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: jpa-00206522

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00206522

Submitted on 1 Jan 1967

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Symétrie des opérateurs de l’interaction coulombienne pour les configurations (d + s)n

S. Feneuille

To cite this version:

S. Feneuille. Symétrie des opérateurs de l’interaction coulombienne pour les configurations (d +

s)n. Journal de Physique, 1967, 28 (3-4), pp.315-327. �10.1051/jphys:01967002803-4031500�. �jpa-

00206522�

(2)

SYMÉTRIE

DES

OPÉRATEURS

DE

L’INTERACTION COULOMBIENNE

POUR LES

CONFIGURATIONS (d + s)N

Par S.

FENEUILLE,

Laboratoire Aimé-Cotton, C.N.R.S., Bellevue, Hauts-de-Seine, et Faculté des Sciences, Paris.

Résumé. 2014 L’interaction coulombienne à l’intérieur des

configurations (d

+

s)N

a été

représentée

au moyen de

sept opérateurs ei possédant

des

propriétés

de transformation

simples

dans les

opérations

des groupes

R5

et

R6.

Les coefficients de Clebsch-Gordan nécessaires à leur construction ont été calculés par une méthode utilisant essentiellement les

propriétés

des

opéra-

teurs de Casimir des groupes considérés. Les

propriétés

des

opérateurs ei

ont été examinées

également

dans la

symétrie symplectique (Sp12)

et

l’espace

de

quasi-spin.

Par

application

du

théorème de

Wigner-Eckart,

l’ensemble de ces résultats ont

permis d’exprimer

de

façon simple

la

dépendance

sur N des éléments de matrice de ces

opérateurs

et de nombreuses factorisations ont conduit à

exprimer

tous ces éléments de matrice à

partir

d’un nombre restreint de coefficients

qui

ont été tabulés.

Abstract. 2014 The Coulomb interaction within the

configurations (d +s)N

can be

replaced by

seven

operators ei,

with well-defined transformation

properties

under the

operations

of

the groups

R5

and

R6.

The Clebsch-Gordan coefficients involved in the construction of these

are calculated

by

a

projection

method

using essentially

the

properties

of Casimir’s

operators.

The

properties

of the

operators ei

with

respect

to

symplectic

symmetry

(Sp12)

and

quasi-spin

are examined and

by using

the

Wigner-Eckart

theorem, we can solve the

problem

of the

N-dependence

of their matrix elements. Numerous factorizations allow us to calculate these matrix elements from a small number of coefficients, which are tabulated.

1. Introduction. - Nous avons montre dans un

article ant6rieur

[1]

que 1’ensemble des concepts introduits par l’interm6diaire de la theorie des groupes de

Lie,

dans 1’etude des

configurations

d’electrons

equivalents IN, peuvent

etre

generalises

aux

configu-

rations

m6lang6es (l

-{-

l’)N.

11 est

possible,

en

parti- culier,

de classer les diff6rents 6tats

(S, L)

de ces

configurations

a l’aide des

representations

irr6ductibles des groupes

R2(l +

l’ +

1)

et

R21

+1 X

R21’+

1. L’ étude du groupe

symplectique

en

4(/ + 1’ + 1)

dimensions

nous a

permis

d’introduire le

concept

de

seniorite,

et

la definition d’un

op6rateur quasi-spin generalise

nous

a conduits a

appliquer

une seconde

quantification.

Nous nous proposons, dans le

present article, d’ap- pliquer

1’ensemble de ces résultats au cas

particulier

des

configurations (d

+

s)N,

et d’etudier les

propri6t6s

de

sym6trie,

dans les differents groupes

consid6r6s,

des

op6rateurs

de l’interaction coulombienne a l’int6- rieur de ces

configurations.

Cette etude nous a tout

d’abord conduits a 6tablir une

correspondance

entre

les

op6rateurs w(xk)(la, lb) d6jh

d6finis dans la r6f6-

rence

[1],

et les 6tats

(S, L)

de la

configuration (d

+

s)2.

Nous avons ensuite calcule les coefficients de Clebsch-

Gordan,

n6cessaires a la construction des

op6rateurs possedant

des

propri6t6s

de

sym6trie

bien

definies;

ce

calcul a ete

largement

facilite par

1’emploi

des

ope-

rateurs de Casimir des groupes de rotation

R6

et

R..

Afin de

permettre

une

comparaison precise

entre les

résultats d6sormais

classiques

de Racah

[2, 3]

et

notre propre

calcul,

nous avons

exprime

les 6tats

(S, L)

des

configurations (d

+

s)N,

classes a 1’aide de

la theorie des groupes, comme combinaisons li- n6aires des

fonctions I dN vSL dN-1 v’ S’ L,

s,

SL )

et

I

dN-2S2VSL

>.

Enfin,

les nombreuses relations que nous avons

obtenues entre les divers elements de matrice des

op6rateurs

de l’interaction coulombienne nous ont

permis d’exprimer

1’ensemble de ceux-ci a

partir

d’un

nombre restreint de

coefficients,

et par Ih de d6montrer l’intérêt que

peuvent presenter

les résultats obtenus

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002803-4031500

(3)

dans la reference

[1].

LA était notre

but,

et c’est

pourquoi

nous avons choisi ce

problème simple

et

bien connu comme

pr6liminaire

a d’autres

applica-

tions d’un intérêt actuel

plus important,

mais aussi d’une

complexite plus grande.

2.

Opdrateurs.

- L’interaction coulombienne

3fi

entre les differents 6tats des

configurations (d + s)N

peut

etre 6crite a 1’aide des

op6rateurs w(xk)(la’ lb)

définis dans la reference

[1].

Plus

précisément £1 prend

la forme suivante :

ou la somme est faite sur les

electrons,

et ou les para- metres

Fk, Gk

et

Hk

sont ceux d6finis par Racah

[2, 3],

a

partir

des

int6grales

de Slater

correspondantes.

Il

est donc

n6cessaire,

avant d’etudier les

propri6t6s

de

transformation de

.0,

dans les

operations

des groupes

SP12, Rs et R5,

de determiner celles des

op6rateurs

de

base, qui

sont tous de la forme

Les

op6rateurs

infinitesimaux des groupes

R2l + l’

R2l’ + l’ R2(1+1’+,) et SP4(l +l’ + 1),

sont tous de la forme

et il est ais6 de montrer que :

Si maintenant

nous

definissons les fonctions d’onde

ou IlalbSMsLML>

est un 6tat

antisymmétrisé

de

la

configuration (I + l’)2,

il est facile de montrer

que :

(4)

TABLEAU I

La

comparaison

de ces deux

equations

montre

immediatement l’identit6 des coefficients

respectifs

de

gurations (d + s)N,

il suffit donc de classer les 6tats de

(d + S)2

et de les

exprimer

comme combinaisons lin6aires des 6tats des

configurations d2, ds

et s2 pour atteindre les

propri6t6s

de transformation des

op6ra-

teurs

w+ (x k) (la, lb).

Les résultats ont 6t6

portes

dans

le tableau

I, qui

nous

indique

que 1’ensemble des

op6rateurs

de base de

3fi

se transforment comme

[(200) + (000)] de Rs et [(110000) + (000000)]

de

SP12,

Les

produits

scalaires

(wtOk>(la, lb) . wt(ok) (Ic, Id))

se transforment naturellement comme la

représenta-

tion 1S de

SU2

X

R3,

mais ils n’ont pas de

propriétés

de transformation

simples

dans les

operations

des

groupes

R6, R5

et

spl2.

Le

premier problème

est donc

de trouver

des

combinaisons lin6aires de ces

ope-

rateurs

qui

se transforment comme une

repr6senta-

tion 11/ donnee de

R6

et une

représentation

Y’ don-

n6e de

R,,,

Le cas de la

symétrie symplectique

sera étudié

plus

loin. Les

representations

11/ et

Y’ qui

inter-

viennent effectivement dans cette classification sont

celles

qui, parfaitement sym6triques, apparaissent

dans la reduction des divers

produits

de Kronecker

[(000) (00) + (200) (00), (10), (20)]2,

et contiennent

une

représentation S

dans la reduction a

R3

du groupe

consid6r6, c’est-a-dire, 2(000) (00), 2(200) (00),

etre mis sous la forme suivante :

ou les

op6rateurs

a deux electrons eo, e1, e2, e., e4, e5

et e6

se transforment

respectivement

comme

(000) (00), (000) (00), (200) (00), (200) (00), (220) (22), (400) (00)

et

(400) (30),

et ou

Eo, El, E2, E3, E4, E5

et

E6

sont

des

param6tres,

combinaisons linéaires des

int6grales Fk, Gk

et

Hk

introduites

précédemment.

Le calcul des formes

explicites

des

opérateurs 8

necessite celui des coefficients de Clebsch-Gordan :

Il est

possible

de factoriser ces coefficients de la

façon

suivante

[4] :

et les conditions d’orthonormalisation conduisent aux

relations :

Ces differents coefficients ont ete calcul6s par une m6thode

analogue

a celle utilis6e par Nutter et Niel-

son

[5]

pour les coeflicients de

parent6

fractionnelle.

Cette m6thode utilise essentiellement les

propriétés

des

op6rateurs

de Casimir

[6]

des groupes consid6r6s :

Les valeurs propres

respectives

de ces

op6rateurs,

pour des

representations

irr6ductibles if/’ de

R6

et

Yl’ de

R5, s’expriment

tres

simplement

en fonction du

poids

maximum

(’11 ’12 ’13)

et

(001 (02)

de ces

repre-

sentations

[7] :

(5)

En

posant,

nous avons obtenu finalement :

et

et en

consequence :

et

3.

Symétrie symplectique

et

quasi-spin.

- Les

op6rateurs

de base a

partir desquels

nous avons

construit les

opérateurs e

ne forment pas une

repr6sen-

tation

complete

du groupe

SP12 et, a priori,

les

op6ra-

teurs e ne

possèdent

pas de

propri6t6s

de transformation

simple

dans la

sym6trie symplectique. Cependant,

si

nous avions

adjoint

aux

op6rateurs

de base

precedents

w(li)

(d, d), W(13)(d, d)

et

W(12) (d, s)

-

W(12) (s, d),

nous

aurions pu construire des

op6rateurs,

combinaisons lin6aires de

produits

scalaires des

précédents,

se trans-

formant comme une

representation

donnée OJ! de

SP12,

if/’ de

Rs

et 1/ de

R5.

Les

representations

intervenant r6ellement dans ce calcul sont celles

qui apparaissent

dans la

decomposition

des divers

produits

de Kro-

necker

[(000000)

+

(110000)]2

et contiennent une

representation

1S dans la reduction a

SU2

X

R3.

Nous les avons

port6es

dans le tableau II. Or il

apparait

que la

representation 1 (400)

de

SU2

X

R6

se

trouve

uniquement

dans la

decomposition

de la

repre-

sentation

(220000)

de

SPI2;

nous pouvons donc affir-

mer que les

opérateurs e5 et e6

se transforment comme cette

representation.

D’autre

part, l’operateur e2

est

le seul

qui, parfaitement sym6trique, corresponde

au

produit

de Kronecker

(000000)

X

(110000),

il se

transforme donc comme

(110000).

11 est

possible,

de

la meme

manière,

de montrer que

1’operateur eo

se

transforme comme

(000000); l’op6rateur el

ne

poss6de

pas de

propri6t6s

de transformation

simples

dans la

sym6trie symplectique,

mais nous verrons que ceci ne constitue pas une difficult6 dans le calcul de ses

elements de matrice. Les

op6rateurs

e3

et e4

ne se transforment pas comme des

representations

bien defi-

nies de

spl2,

mais il est

possible

de montrer que les

op6rateurs

e3 +

Qi (Ql = 4G(Rs)

-

9/2G(R5))

et

(6)

TABLEAU II

e4 +

Q2 (Q2

= -

9G(R5)

+

L2), qui

dans les groupes

Rs

et

R5

ont les memes

propri6t6s

de transformation que e3 et e4, se transforment

respectivement

comme

(110000)

et

(111100).

D’apr6s

ce

qui

a ete vu dans le

paragraphe pr6- c6dent,

les elements de matrice de

Ql

et

Q2, qui

se

transforment tous deux comme

(220000),

peuvent etre calcul6s tres facilement et, par

conséquent, l’étude

des

op6rateurs

e3 +

Ql et e4 + Q2, qui

permet d’uti- liser les

propri6t6s

de la

sym6trie symplectique,

conduira sans difficult6 aux résultats cherch6s pour e3

et e4.

Il a ete montre dans la reference

[1]

que tous les 6tats

de(toutes

les

configurations (d

-)-

s)N forment,

pour

N pair,

la

representation

irr6ductible

(1/2, 1/2,

...,

1/2, 1/2)

et, pour N

impair,

la

repre-

sentation

(1/2, 112,

...,

1/2, - 1/2)

de

R24. Judd [8]

a montre en outre que

Pour obtenir la relation entre le

quasi-spin

et la

sym6trie symplectique,

il suffira donc d’étudier la

decomposition

des

representations apparaissant

dans

la

partie

droite de

1’6quation ci-dessus,

dans la r6duc- tion

SU2

X

spl2.

En outre,

puisque

nous nous int6-

ressons a des

operateurs

a deux

electrons,

nous pour-

rons nous limiter aux

representations (11

... 10 ...

0)

de

R24

pour

lesquelles

le nombre de

symboles

1 est

inferieur ou

6gal

a 4

[8].

Les résultats ont ete

portes

dans le tableau III. 11

apparait qu’h

une

representation

donnée OJ! de

Spl2

ne

correspond

pas en

general

une

valeur d6termin6e du

quasi-spin; cependant,

a la

representation (111100)

est associ6e une valeur

unique

de

quasi-spin 6gale

a

2,

nous pouvons donc afbrmer

que

l’opérateur e4

+

Q2 poss6de

un rang 2 relative-

ment au

quasi-spin.

Les

opérateurs es et e6

sont,

quant

a eux,

parfaitement

scalaires dans cet espace

puisque

a la

representation (220000) correspond

une

valeur nulle du

quasi-spin.

Nous montrerons

plus

loin

toute

l’importance

de ces résultats.

TABLEAU III

4.

Éléments

de matrice. -

L’application

des pro-

pri6t6s

de transformation des

op6rateurs,

dans les

differents groupes

consid6r6s,

au calcul de leurs élé-

ments de matrice reside essentiellement dans

1’emploi

du th6or6me de

Wigner-Eckart.

L’utilisation de ce

dernier necessite la connaissance des coefficients

c(Wl W2 W),

nombre de fois

qu’apparait

la

repre-

sentation irr6ductible W d’un groupe donne dans le

produit

direct

W,

X

W2

de deux

representations

irr6ductibles

Wl

et

W2

du meme groupe. Nous avons

calcule ces coefficients

(tableaux IV, V, VI, VII, VIII)

par diverses m6thodes

propos6es

par

Weyl [10].

Afin de

pouvoir

comparer nos résultats a ceux obtenus a 1’aide des m6thodes

classiques,

et de

pr6ciser

la

phase

des élé-

ments de matrice non

diagonaux,

nous avons

exprime

nos

états (d

-)-

s)N v, if/, 1/, SL)

comme combinai-

sons linéaires des

6tats dN vSL), I dN-l v’ SL’,

s,

SL) et I dN-2S2VSL) (tableaux IX, X, XI, XII).

TABLEAU IV TABLEAU V

(7)
(8)
(9)

TABLEAU XII

a) OPÉRATEURS eo

ET

el(OOO) (00).

- 11 est

clair que les differents coefficients

c(’II’Yl-’(00)), c(1r1r’ (000))

et

c(qvqv’ (000000))

sont

respecti-

vement

égaux

a

&(V, V’), &(7Xg iI/’)

et

ö(OJI, &’).

Il en r6sulte que les matrices

de eo et e1

sont

parfai-

tement

diagonales,

et que leurs elements

diagonaux

sont

independants

de

L,

de © et de if’: En outre,

ceux

de eo

sont nécessairement

independants

de S et

de v. Plus

pr6cis6ment,

il est

possible

de montrer que

Ce dernier r6sultat a 6t6 obtenu a 1’aide d’une m6thode utilisant essentiellement les

propri6t6s

de

l’op6rateur

de Casimir pour le groupe

SU6 :

b) OPÉRATEURS e2

ET

e3(200) (00).

- Ces

op6ra-

teurs 6tant

parfaitement

scalaires dans un espace à

cinq dimensions,

leurs matrices sont

diagonales

rela-

tivement a

ny,

et leurs elements sont

independants

de L. Le tableau VI nous

indique,

par

application

du th6or6me de

Wigner-Eckart,

que la

dependance

en ny des elements

diagonaux

est

identique

a celle

des elements de matrice de

Ql,

si Fen

excepte

tou-

tefois’’le :cas

1Y =-

(210).

Suivant les résultats obte-

nus dans le

§ 2,

ces derniers

prennent

la forme suivante :

L’operateur e2

se transforme comme

(110000)

de

SP12;

les coefficients

c(vlv2(110000))

6tant au

plus égaux

a

1,

et vérifiant la

r6gle

de selection Av =

0 :I: 2,

nous avons pu r6aliser les factorisations suivantes :

(10)

Le calcul montre que les coefficients

oc(NSa)

et

p(NSV)

sont

indépendants

de S et

prennent

la forme

suivante :

Tous les elements de matrice

de e2 peuvent

donc etre obtenus a

partir

des

seuls ( (d + s) v

vF

I e2 (d + s) v v’Y’ ) et ( (d

+

s)v vT I e21 (d + s)v v - 2T’ >,

que nous avons tabul6s dans le tableau XIII. Les

propri6t6s

de

I’ opé-

rateur e3

+ 01

dans la

sym6trie symplectique

nous

ont

permis

de montrer la relation suivante :

Tous les elements de matrice de e3

peuvent

donc

etre obtenus a

partir

de ceux

de el

et de

Ql,

si l’on

connait les coefficients

b(N, S, v, v’) ;

ceux-ci ont 6t6

portes

dans le tableau

XIV,

pour des valeurs de N inferieures ou

6gales A

6.

C)

OPERATEUR

e4(220) (22).

- Nous avons montre

dans le

paragraphe precedent qu’il

était int6ressant d’6tudier non pas e4l

mais e4

+

°2’ puisque

ce dernier

op6rateur poss6de

des

propri6t6s

bien définies relati-

vement a la

sym6trie symplectique

et au

quasi-spin.

Les

résultats obtenus dans

le §

4 de la reference

[1]

per-

mettent de trouver imm6diatement la

dependance

sur N

des elements de matrice de

l’opérateur e4

+

Q2, qui

suit d’ailleurs la

r6gle

de selection Av =

0, ::t: 2, ::t:

4.

Plus

precisement,

les formules

explicites

des sym- boles

3 - j

donn6es par Edmonds

[11]

conduisent

aux relations suivantes :

TABLEAU XIII

(11)

i

TABLEAU XIII

(suite)

TABLEAU XIV

Le tableau IV montre, par

application

du th6or6me

de

Wigner-Eckart,

que si l’on

excepte

le cas Y,’ -=

(22)

la

dependance

sur L des elements

diagonaux

est

identique

a celle des elements de matrice de

Q2’

Ceux-ci, d’apres

les résultats obtenus dans

le § 2,

sont égaux à :

- * o 0o

(12)
(13)

TABLEAU XV

(suite)

TABLEAU XVI

Le calcul montre, dans tous les cas, que l’on

peut

r6aliser la factorisation suivante :

Nous avons

port6

dans les tableaux XV et XVI les coefficients O.!f et

(I cp(L) [) qui

ne

peuvent

pas etre obtenus a 1’aide des relations

pr6c6dentes.

sont en outre au

plus égaux

a 1

(tableau VIII)

comme d’ailleurs les coefficients

c(rr’(30)) (ta-

bleau

V).

11 s’ensuit

immédiatement,

d’une

part,

que la matrice

de e.

est

diagonale

et que ses elements

sont

independants

de

L,

d’autre

part, qu’il

est

possible

de r6aliser les factorisations suivantes

[4] :

Nous avons vu

pr6c6demment

que les

operateurs e5 et es

sont

parfaitement

scalaires relativement au

quasi-spin

et en

consequence

les

coefficients P

et y sont

independants

de

N ;

on

peut

montrer en outre

qu’ils

ne

peuvent prendre

que deux valeurs

oppos6es

suivant que 2S + 1 + vest inferieur ou

sup6rieur

a 8.

Nous avons choisi

et tabul6 les diff6rents coefficients

g(O, nf/), xCfI/)

et

x(L) (tableaux XVII, XVIII, XIX).

TABLEAU XVII

(14)

TABLEAU XVIII

TABLEAU XIX

En dehors de l’intérêt

theorique

evident que

pr6-

sentent les résultats

precedents,

ils

permettent

une verification

precise

des résultats obtenus a 1’aide des m6thodes

classiques,

en

particulier

de ceux concernant

les interactions

dN-1 S - dN

et dN-1 s -

dN-2 S2,

cal-

cul6s par Racah

[3].

En

effet,

nous avons montre

que

l’op6rateur

e6,

qui repr6sente

les effets de ces

interactions,

se transforme

(220000) (400) (30),

et

qu’il

est

parfaitement

scalaire dans

1’espace

de

quasi- spin.

Ces

propri6t6s permettent

de trouver imm6dia-

tement un

grand

nombre de relations entre les divers elements de matrice de cet

op6rateur.

Considérons par

exemple

1’element de matrice suivant :

le th6or6me de

Wigner-Eckart

nous

indique qu’il

est

nul

puisque

le coefficient

c( (100) (210) (400))

est lui-

meme

6gal

a zero

(tableau VIII). Or,

le tableau X

montre imm6diatement que cet element peut etre mis sous la forme suivante :

et suivant un r6sultat

classique

de Racah

[3],

par

consequent,

r6sultat en accord avec celui de Racah

[3].

Les

exemples pourraient

etre

multiplies,

mais dans tous

les cas ils conduisent a des calculs aussi

simples

que les

precedents,

et nous pensons avoir suffisamment montre la facilite

d’emploi

de nos résultats.

5. Conclusion. -

L’application

de la theorie des groupes de Lie a la classification des

op6rateurs

de

l’interaction coulombienne a l’int6rieur des

configu-

rations

(d + S)N

nous a

permis

de

representer

celles-ci

au moyen de

sept

termes

Eiei oii Ei

sont des para- mètres

et ei

des

op6rateurs

a deux electrons

poss6dant

des

propri6t6s

de transformation

simples

dans les

operations

des groupes

R5, Rs

et pour certains d’entre

eux

spl2.

La

dependance

sur N de leurs elements de

matrice a pu etre

exprim6e

de

façon

tr6s

simple, principalement

par utilisation des

propri6t6s

du

quasi-spin,

et nous avons pu r6aliser de nombreuses

factorisations, qui permettent d’exprimer

tous ces

elements de matrice a

partir

d’un nombre restreint de coefficients. Nous

esp6rons

avoir ainsi montre tout

l’intérêt de la theorie des groupes continus dans 1’etude de tels

problemes;

les avantages

qui peuvent

en etre retires sont voisins de ceux

d6jA

obtenus dans le cas

particulier

des

configurations lN,

et l’on peut penser

qu’il

serait souhaitable

d’appliquer

les résultats

g6n6-

raux de la reference

[1]

a d’autres

problèmes phy- siques plus complexes,

interaction de

configurations lointaines,

par

exemple.

Manuscrit reçu le 10

septembre

1966.

BIBLIOGRAPHIE

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