HAL Id: jpa-00206522
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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�
SYMÉTRIE
DESOPÉRATEURS
DEL’INTERACTION COULOMBIENNE
POUR LESCONFIGURATIONS (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 étéreprésentée
au moyen desept opérateurs ei possédant
despropriétés
de transformationsimples
dans les
opérations
des groupesR5
etR6.
Les coefficients de Clebsch-Gordan nécessaires à leur construction ont été calculés par une méthode utilisant essentiellement lespropriétés
desopéra-
teurs de Casimir des groupes considérés. Les
propriétés
desopérateurs ei
ont été examinéeségalement
dans lasymétrie symplectique (Sp12)
etl’espace
dequasi-spin.
Parapplication
duthéorème de
Wigner-Eckart,
l’ensemble de ces résultats ontpermis d’exprimer
defaçon simple
la
dépendance
sur N des éléments de matrice de cesopérateurs
et de nombreuses factorisations ont conduit àexprimer
tous ces éléments de matrice àpartir
d’un nombre restreint de coefficientsqui
ont été tabulés.Abstract. 2014 The Coulomb interaction within the
configurations (d +s)N
can bereplaced by
sevenoperators ei,
with well-defined transformationproperties
under theoperations
ofthe groups
R5
andR6.
The Clebsch-Gordan coefficients involved in the construction of theseare calculated
by
aprojection
methodusing essentially
theproperties
of Casimir’soperators.
The
properties
of theoperators ei
withrespect
tosymplectic
symmetry(Sp12)
andquasi-spin
are examined and
by using
theWigner-Eckart
theorem, we can solve theproblem
of theN-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 deLie,
dans 1’etude desconfigurations
d’electronsequivalents IN, peuvent
etregeneralises
auxconfigu-
rations
m6lang6es (l
-{-l’)N.
11 estpossible,
enparti- culier,
de classer les diff6rents 6tats(S, L)
de cesconfigurations
a l’aide desrepresentations
irr6ductibles des groupesR2(l +
l’ +1)
etR21
+1 XR21’+
1. L’ étude du groupesymplectique
en4(/ + 1’ + 1)
dimensionsnous a
permis
d’introduire leconcept
deseniorite,
etla definition d’un
op6rateur quasi-spin generalise
nousa conduits a
appliquer
une secondequantification.
Nous nous proposons, dans le
present article, d’ap- pliquer
1’ensemble de ces résultats au casparticulier
des
configurations (d
+s)N,
et d’etudier lespropri6t6s
de
sym6trie,
dans les differents groupesconsid6r6s,
des
op6rateurs
de l’interaction coulombienne a l’int6- rieur de cesconfigurations.
Cette etude nous a toutd’abord conduits a 6tablir une
correspondance
entreles
op6rateurs w(xk)(la, lb) d6jh
d6finis dans la r6f6-rence
[1],
et les 6tats(S, L)
de laconfiguration (d
+s)2.
Nous avons ensuite calcule les coefficients de Clebsch-
Gordan,
n6cessaires a la construction desop6rateurs possedant
despropri6t6s
desym6trie
biendefinies;
cecalcul a ete
largement
facilite par1’emploi
desope-
rateurs de Casimir des groupes de rotation
R6
etR..
Afin de
permettre
unecomparaison precise
entre lesrésultats d6sormais
classiques
de Racah[2, 3]
etnotre propre
calcul,
nous avonsexprime
les 6tats(S, L)
desconfigurations (d
+s)N,
classes a 1’aide dela 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 avonsobtenues entre les divers elements de matrice des
op6rateurs
de l’interaction coulombienne nous ontpermis d’exprimer
1’ensemble de ceux-ci apartir
d’unnombre restreint de
coefficients,
et par Ih de d6montrer l’intérêt quepeuvent presenter
les résultats obtenusArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002803-4031500
dans la reference
[1].
LA était notrebut,
et c’estpourquoi
nous avons choisi ceproblème simple
etbien connu comme
pr6liminaire
a d’autresapplica-
tions d’un intérêt actuel
plus important,
mais aussi d’unecomplexite plus grande.
2.
Opdrateurs.
- L’interaction coulombienne3fi
entre les differents 6tats des
configurations (d + s)N
peut
etre 6crite a 1’aide desop6rateurs w(xk)(la’ lb)
définis dans la reference
[1].
Plusprécisément £1 prend
la forme suivante :ou la somme est faite sur les
electrons,
et ou les para- metresFk, Gk
etHk
sont ceux d6finis par Racah[2, 3],
a
partir
desint6grales
de Slatercorrespondantes.
Ilest donc
n6cessaire,
avant d’etudier lespropri6t6s
detransformation de
.0,
dans lesoperations
des groupesSP12, Rs et R5,
de determiner celles desop6rateurs
debase, qui
sont tous de la formeLes
op6rateurs
infinitesimaux des groupesR2l + l’
R2l’ + l’ R2(1+1’+,) et SP4(l +l’ + 1),
sont tous de la formeet il est ais6 de montrer que :
Si maintenant
nous
definissons les fonctions d’ondeou IlalbSMsLML>
est un 6tatantisymmétrisé
dela
configuration (I + l’)2,
il est facile de montrerque :
TABLEAU I
La
comparaison
de ces deuxequations
montreimmediatement l’identit6 des coefficients
respectifs
degurations (d + s)N,
il suffit donc de classer les 6tats de(d + S)2
et de lesexprimer
comme combinaisons lin6aires des 6tats desconfigurations d2, ds
et s2 pour atteindre lespropri6t6s
de transformation desop6ra-
teurs
w+ (x k) (la, lb).
Les résultats ont 6t6portes
dansle tableau
I, qui
nousindique
que 1’ensemble desop6rateurs
de base de3fi
se transforment comme[(200) + (000)] de Rs et [(110000) + (000000)]
deSP12,
Lesproduits
scalaires(wtOk>(la, lb) . wt(ok) (Ic, Id))
se transforment naturellement comme la
représenta-
tion 1S de
SU2
XR3,
mais ils n’ont pas depropriétés
de transformation
simples
dans lesoperations
desgroupes
R6, R5
etspl2.
Lepremier problème
est doncde trouver
des
combinaisons lin6aires de cesope-
rateurs
qui
se transforment comme unerepr6senta-
tion 11/ donnee de
R6
et unereprésentation
Y’ don-n6e de
R,,,
Le cas de la
symétrie symplectique
sera étudiéplus
loin. Lesrepresentations
11/ etY’ 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 contiennentune
représentation S
dans la reduction aR3
du groupeconsid6r6, 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, e5et e6
se transforment
respectivement
comme(000) (00), (000) (00), (200) (00), (200) (00), (220) (22), (400) (00)
et
(400) (30),
et ouEo, El, E2, E3, E4, E5
etE6
sontdes
param6tres,
combinaisons linéaires desint6grales Fk, Gk
etHk
introduitesprécédemment.
Le calcul des formes
explicites
desopérateurs 8
necessite celui des coefficients de Clebsch-Gordan :
Il est
possible
de factoriser ces coefficients de lafaçon
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 deparent6
fractionnelle.Cette m6thode utilise essentiellement les
propriétés
des
op6rateurs
de Casimir[6]
des groupes consid6r6s :Les valeurs propres
respectives
de cesop6rateurs,
pour des
representations
irr6ductibles if/’ deR6
etYl’ de
R5, s’expriment
tressimplement
en fonction dupoids
maximum(’11 ’12 ’13)
et(001 (02)
de cesrepre-
sentations
[7] :
En
posant,
nous avons obtenu finalement :
et
et en
consequence :
et
3.
Symétrie symplectique
etquasi-spin.
- Lesop6rateurs
de base apartir desquels
nous avonsconstruit les
opérateurs e
ne forment pas unerepr6sen-
tation
complete
du groupeSP12 et, a priori,
lesop6ra-
teurs e ne
possèdent
pas depropri6t6s
de transformationsimple
dans lasym6trie symplectique. Cependant,
sinous avions
adjoint
auxop6rateurs
de baseprecedents
w(li)
(d, d), W(13)(d, d)
etW(12) (d, s)
-W(12) (s, d),
nousaurions pu construire des
op6rateurs,
combinaisons lin6aires deproduits
scalaires desprécédents,
se trans-formant comme une
representation
donnée OJ! deSP12,
if/’ de
Rs
et 1/ deR5.
Lesrepresentations
intervenant r6ellement dans ce calcul sont cellesqui apparaissent
dans la
decomposition
des diversproduits
de Kro-necker
[(000000)
+(110000)]2
et contiennent unerepresentation
1S dans la reduction aSU2
XR3.
Nous les avons
port6es
dans le tableau II. Or ilapparait
que larepresentation 1 (400)
deSU2
XR6
setrouve
uniquement
dans ladecomposition
de larepre-
sentation
(220000)
deSPI2;
nous pouvons donc affir-mer que les
opérateurs e5 et e6
se transforment comme cetterepresentation.
D’autrepart, l’operateur e2
estle seul
qui, parfaitement sym6trique, corresponde
auproduit
de Kronecker(000000)
X(110000),
il setransforme donc comme
(110000).
11 estpossible,
dela meme
manière,
de montrer que1’operateur eo
setransforme comme
(000000); l’op6rateur el
neposs6de
pas de
propri6t6s
de transformationsimples
dans lasym6trie symplectique,
mais nous verrons que ceci ne constitue pas une difficult6 dans le calcul de seselements de matrice. Les
op6rateurs
e3et e4
ne se transforment pas comme desrepresentations
bien defi-nies de
spl2,
mais il estpossible
de montrer que lesop6rateurs
e3 +Qi (Ql = 4G(Rs)
-9/2G(R5))
etTABLEAU II
e4 +
Q2 (Q2
= -9G(R5)
+L2), qui
dans les groupesRs
etR5
ont les memespropri6t6s
de transformation que e3 et e4, se transformentrespectivement
comme(110000)
et(111100).
D’apr6s
cequi
a ete vu dans leparagraphe pr6- c6dent,
les elements de matrice deQl
etQ2, qui
setransforment tous deux comme
(220000),
peuvent etre calcul6s tres facilement et, parconséquent, l’étude
des
op6rateurs
e3 +Ql et e4 + Q2, qui
permet d’uti- liser lespropri6t6s
de lasym6trie symplectique,
conduira sans difficult6 aux résultats cherch6s pour e3
et e4.
Il a ete montre dans la reference
[1]
que tous les 6tatsde(toutes
lesconfigurations (d
-)-s)N forment,
pourN pair,
larepresentation
irr6ductible(1/2, 1/2,
...,1/2, 1/2)
et, pour Nimpair,
larepre-
sentation
(1/2, 112,
...,1/2, - 1/2)
deR24. Judd [8]
a montre en outre que
Pour obtenir la relation entre le
quasi-spin
et lasym6trie symplectique,
il suffira donc d’étudier ladecomposition
desrepresentations apparaissant
dansla
partie
droite de1’6quation ci-dessus,
dans la r6duc- tionSU2
Xspl2.
En outre,puisque
nous nous int6-ressons a des
operateurs
a deuxelectrons,
nous pour-rons nous limiter aux
representations (11
... 10 ...0)
de
R24
pourlesquelles
le nombre desymboles
1 estinferieur ou
6gal
a 4[8].
Les résultats ont eteportes
dans le tableau III. 11
apparait qu’h
unerepresentation
donnée OJ! de
Spl2
necorrespond
pas engeneral
unevaleur d6termin6e du
quasi-spin; cependant,
a larepresentation (111100)
est associ6e une valeurunique
de
quasi-spin 6gale
a2,
nous pouvons donc afbrmerque
l’opérateur e4
+Q2 poss6de
un rang 2 relative-ment au
quasi-spin.
Lesopérateurs es et e6
sont,quant
a eux,parfaitement
scalaires dans cet espacepuisque
a larepresentation (220000) correspond
unevaleur nulle du
quasi-spin.
Nous montreronsplus
lointoute
l’importance
de ces résultats.TABLEAU III
4.
Éléments
de matrice. -L’application
des pro-pri6t6s
de transformation desop6rateurs,
dans lesdifferents groupes
consid6r6s,
au calcul de leurs élé-ments de matrice reside essentiellement dans
1’emploi
du th6or6me de
Wigner-Eckart.
L’utilisation de cedernier necessite la connaissance des coefficients
c(Wl W2 W),
nombre de foisqu’apparait
larepre-
sentation irr6ductible W d’un groupe donne dans le
produit
directW,
XW2
de deuxrepresentations
irr6ductibles
Wl
etW2
du meme groupe. Nous avonscalcule ces coefficients
(tableaux IV, V, VI, VII, VIII)
par diverses m6thodes
propos6es
parWeyl [10].
Afin depouvoir
comparer nos résultats a ceux obtenus a 1’aide des m6thodesclassiques,
et depr6ciser
laphase
des élé-ments de matrice non
diagonaux,
nous avonsexprime
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
TABLEAU XII
a) OPÉRATEURS eo
ETel(OOO) (00).
- 11 estclair que les differents coefficients
c(’II’Yl-’(00)), c(1r1r’ (000))
etc(qvqv’ (000000))
sontrespecti-
vement
égaux
a&(V, V’), &(7Xg iI/’)
etö(OJI, &’).
Il en r6sulte que les matrices
de eo et e1
sontparfai-
tement
diagonales,
et que leurs elementsdiagonaux
sont
independants
deL,
de © et de if’: En outre,ceux
de eo
sont nécessairementindependants
de S etde v. Plus
pr6cis6ment,
il estpossible
de montrer queCe dernier r6sultat a 6t6 obtenu a 1’aide d’une m6thode utilisant essentiellement les
propri6t6s
del’op6rateur
de Casimir pour le groupe
SU6 :
b) OPÉRATEURS e2
ETe3(200) (00).
- Cesop6ra-
teurs 6tant
parfaitement
scalaires dans un espace àcinq dimensions,
leurs matrices sontdiagonales
rela-tivement a
ny,
et leurs elements sontindependants
de L. Le tableau VI nous
indique,
parapplication
du th6or6me de
Wigner-Eckart,
que ladependance
en ny des elements
diagonaux
estidentique
a celledes elements de matrice de
Ql,
si Fenexcepte
tou-tefois’’le :cas
1Y =-(210).
Suivant les résultats obte-nus dans le
§ 2,
ces derniersprennent
la forme suivante :L’operateur e2
se transforme comme(110000)
de
SP12;
les coefficientsc(vlv2(110000))
6tant auplus égaux
a1,
et vérifiant lar6gle
de selection Av =0 :I: 2,
nous avons pu r6aliser les factorisations suivantes :
Le calcul montre que les coefficients
oc(NSa)
etp(NSV)
sontindépendants
de S etprennent
la formesuivante :
Tous les elements de matrice
de e2 peuvent
donc etre obtenus apartir
desseuls ( (d + s) v
vFI 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. Lespropri6t6s
deI’ opé-
rateur e3
+ 01
dans lasym6trie symplectique
nousont
permis
de montrer la relation suivante :Tous les elements de matrice de e3
peuvent
doncetre obtenus a
partir
de ceuxde el
et deQl,
si l’onconnait les coefficients
b(N, S, v, v’) ;
ceux-ci ont 6t6portes
dans le tableauXIV,
pour des valeurs de N inferieures ou6gales A
6.C)
OPERATEURe4(220) (22).
- Nous avons montredans le
paragraphe precedent qu’il
était int6ressant d’6tudier non pas e4lmais e4
+°2’ puisque
ce dernierop6rateur poss6de
despropri6t6s
bien définies relati-vement a la
sym6trie symplectique
et auquasi-spin.
Lesrésultats obtenus dans
le §
4 de la reference[1]
per-mettent de trouver imm6diatement la
dependance
sur Ndes 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 formulesexplicites
des sym- boles3 - j
donn6es par Edmonds[11]
conduisentaux relations suivantes :
TABLEAU XIII
i
TABLEAU XIII
(suite)
TABLEAU XIV
Le tableau IV montre, par
application
du th6or6mede
Wigner-Eckart,
que si l’onexcepte
le cas Y,’ -=(22)
la
dependance
sur L des elementsdiagonaux
estidentique
a celle des elements de matrice deQ2’
Ceux-ci, d’apres
les résultats obtenus dansle § 2,
sont égaux à :
- * o 0oTABLEAU 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
nepeuvent
pas etre obtenus a 1’aide des relationspr6c6dentes.
sont en outre au
plus égaux
a 1(tableau VIII)
comme d’ailleurs les coefficients
c(rr’(30)) (ta-
bleau
V).
11 s’ensuitimmédiatement,
d’unepart,
que la matricede e.
estdiagonale
et que ses elementssont
independants
deL,
d’autrepart, qu’il
estpossible
de r6aliser les factorisations suivantes
[4] :
Nous avons vu
pr6c6demment
que lesoperateurs e5 et es
sontparfaitement
scalaires relativement auquasi-spin
et enconsequence
lescoefficients P
et y sontindependants
deN ;
onpeut
montrer en outrequ’ils
nepeuvent prendre
que deux valeursoppos6es
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
TABLEAU XVIII
TABLEAU XIX
En dehors de l’intérêt
theorique
evident quepr6-
sentent les résultats
precedents,
ilspermettent
une verificationprecise
des résultats obtenus a 1’aide des m6thodesclassiques,
enparticulier
de ceux concernantles interactions
dN-1 S - dN
et dN-1 s -dN-2 S2,
cal-cul6s par Racah
[3].
Eneffet,
nous avons montreque
l’op6rateur
e6,qui repr6sente
les effets de cesinteractions,
se transforme(220000) (400) (30),
etqu’il
estparfaitement
scalaire dans1’espace
dequasi- spin.
Cespropri6t6s permettent
de trouver imm6dia-tement un
grand
nombre de relations entre les divers elements de matrice de cetop6rateur.
Considérons parexemple
1’element de matrice suivant :le th6or6me de
Wigner-Eckart
nousindique qu’il
estnul
puisque
le coefficientc( (100) (210) (400))
est lui-meme
6gal
a zero(tableau VIII). Or,
le tableau Xmontre 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].
Lesexemples pourraient
etremultiplies,
mais dans tousles cas ils conduisent a des calculs aussi
simples
que lesprecedents,
et nous pensons avoir suffisamment montre la facilited’emploi
de nos résultats.5. Conclusion. -
L’application
de la theorie des groupes de Lie a la classification desop6rateurs
del’interaction coulombienne a l’int6rieur des
configu-
rations
(d + S)N
nous apermis
derepresenter
celles-ciau moyen de
sept
termesEiei oii Ei
sont des para- mètreset ei
desop6rateurs
a deux electronsposs6dant
des
propri6t6s
de transformationsimples
dans lesoperations
des groupesR5, Rs
et pour certains d’entreeux
spl2.
Ladependance
sur N de leurs elements dematrice a pu etre
exprim6e
defaçon
tr6ssimple, principalement
par utilisation despropri6t6s
duquasi-spin,
et nous avons pu r6aliser de nombreusesfactorisations, qui permettent d’exprimer
tous ceselements de matrice a
partir
d’un nombre restreint de coefficients. Nousesp6rons
avoir ainsi montre toutl’intérêt de la theorie des groupes continus dans 1’etude de tels
problemes;
les avantagesqui peuvent
en etre retires sont voisins de ceuxd6jA
obtenus dans le casparticulier
desconfigurations lN,
et l’on peut penserqu’il
serait souhaitabled’appliquer
les résultatsg6n6-
raux de la reference
[1]
a d’autresproblèmes phy- siques plus complexes,
interaction deconfigurations lointaines,
parexemple.
Manuscrit reçu le 10
septembre
1966.BIBLIOGRAPHIE
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