Der Drehimpuls hat in der Physik die gleiche fundamentale Bedeutung wie der lineare Impuls und die Energie. Ebenso wie jene Größen ist er bereits in der klassischen Mechanik durch einen Erhaltungssatz ausgezeichnet, und zwar dann, wenn das entsprechende physikalische Problem rotationssymmetrisch ist. Für den atomaren Bereich gilt das gleiche. Jedoch müssen wir den Drehimpuls mit quantenmechanischen Methoden behandeln. Wir unterscheiden hierbei zwischen dem Bahndrehimpuls, der die Bahnbewegung eines Teilchens um eine feste Achse beschreibt, und einem inneren Drehimpuls, den viele Teilchen besitzen und den man Spin nennt. Der Spin eines Teilchens läßt sich von der Vorstellung her als eine Art Eigenrotation des Teilchens deuten. Es ist jedoch nicht möglich, ihn mit klassischen Methoden zu beschreiben, wie etwa die Eigenrotation der Erde. Im Rahmen der nichtrelativistischen Quantenmechanik muß er zusätzlich eingeführt werden, wie in den nachfolgenden Abschnitten gezeigt wird. Erst in der relativistischen Quantenmechanik folgt er zwanglos aus deren Formalismus. Wir werden in Kap.5 sehen, daß der Spin des Elektrons für die Erklärung einer ganzen Reihe von Erscheinungen beim Wasserstoffatom eine entscheidende Roll spielt. Dasselbe gilt für die Mehrelektronenatome in Kap. 6.
In der klassischen Mechanik folgt nach dem Noether-Theorem aus der Invarianz eines physikalischen Systems gegenüber einer Gruppe von Symmetrietransformationen der Erhaltungssatz einer physikalischen Observablen. So ergibt sich z.B. aus der Invarianz gegenüber Zeit Schiebungen der Energieerhaltungssatz, aus der Invarianz gegenüber Ortsschiebungen der Impulserhaltungssatz, aus der Invarianz gegenüber Drehungen der Drehimpulserhaltungssatz und aus der Invarianz gegenüber der Galilei-Transformation der Schwerpunktsatz. Dieser Zusammenhang zwischen Symmetrien und Erhaltungsgrößen tritt durch das Korrespondenzprinzip und die Ehrenfest-Gleichungen in Abschn. 1.4.2 auch in der Quantenmechanik auf. Zudem ist die in Abschn. 2.3.4 erwähnte Erhaltung des Runge-Lenz-Vektors beim Wasserstoffatom mit der Entartung der Energieeigenwerte verknüpft und im Kap. 4 wurde aus der Invarianz der Observablen gegenüber Vertauschungen identischer Teilchen auf das Pauli-Prinzip geschlossen. Außerdem läßt sich nach Abschn. 3.5.2 die Form der Dirac-Gleichung eines geladenen Massenpunktes im elektromagnetischen Feld aus der Invarianz gegenüber Eichtransformationen herleiten und schließlich hängen nach Abschn. 10.3.3 die Auswahlregeln für Strahlungsübergänge mit der Kugelsymmetrie des Atompotentials zusammen. Die Symmetriebedingungen eines quantenmechanischen Systems ermöglichen qualitative Aussagen über Eigenwerte und Eigenfunktionen von Observablen und die Verletzung von Symmetrien in der Theorie führt im allgemeinen zu fehlerhaften Ergebnissen.
In der Physik werden die Eigenschaften der zu untersuchenden Objekte durch Experimente bestimmt. Eines der interessantesten physikalischen Objekte mit den überraschendsten Eigenschaften ist das Licht. Mit dem Licht sind viele Experimente ausführbar. Analysiert man alle und ordnet sie, so kann man zwei Gruppen bilden. Die eine Gruppe ist nur zu verstehen und zu erklären, wenn Licht als aus elementaren, mit Masse behafteten Teilchen, den Lichtquanten oder Photonen, bestehend angenommen wird. Die andere Gruppe wird verständlich, wenn dem Licht eine Welleneigenschaft zugesprochen wird. Zu diesen beiden Gruppen gehören die folgenden Vorgänge.
Die Konstruktion vollständig symmetrischer bzw. vollständig antisymmetrischer Zustände durch Superposition von Viel-Teilchen-Zuständen, bei denen formal zwischen — an sich ununterscheidbaren — identischen Teilchen unterschieden wird, ist einerseits konzeptionell unbefriedigend und andererseits auch umständlich. Es gibt jedoch auch eine Darstellung ohne dieses Manko. Bei dieser wird das System identischer Teilchen nicht mehr durch Permutationen konkreter, aus Ein-Teilchen-Zuständen aufgebauter Viel-Teilchen-Zustände beschrieben, sondern es wird nur noch angegeben, mit wievielen Teilchen jeder mögliche Ein-Teilchen-Zustand besetzt ist. Es wird sich zeigen, daß die derart charakterisierten Zustände durch die sukzessive Einwirkung von Erzeugungs-operatoren auf einen Vakuumzustand erzeugt werden können. Wir beschränken unsere Beschäftigung mit dieser Darstellung zunächst auf den Fall, daß die Ein-Teilchen-Zustände der betrachteten identischen Teilchen vollständig durch die Eigenzustände eines Operators mit diskretem Spektrum beschrieben werden können. Wie die dabei erzielten Ergebnisse auf den Fall eines kontinuierlichen Spektrums übertragen werden können, ist evident und wird bei der Einführung von Feldoperatoren demonstriert.
Wir ziehen ein System in Betracht, das aus einer sehr großen Anzahl gleicher Teilchen besteht, wie dies z. B. bei einem homogenen Gas der Fall ist, und wollen dieses System zunächst auf Grund der im Kapitel II ausgearbeiteten allgemeinen quantenmechanischen Theorie behandeln. Die Voraussetzungen für das folgende sind, daß die Teilchen vollkommen gleich, also voneinander nicht unterscheidbar sind, weiterhin daß die Wechselwirkung zwischen den Teilchen klein ist und vernachlässigt werden kann. Der Zustand des Gesamtsystems läßt sich dann durch den Zustand der einzelnen Teilchen beschreiben. Die Eigenfunktionen mit Berücksichtigung des Spins und die entsprechenden Energieeigenwerte der Einteilchenzustände bezeichnen wir mit φ k 1 , φ k 2 ,…bzw. E k 1 , E k 2 … ]] <![CDATA[
φk1,φk2,…bzw.Ek1,Ek2… die Anzahl der Teilchen sei N. Wie wir im § 9 gesehen haben, gehören zum Energieeigenwert E k = E k 1 + E k 2 +…+ E k N ]] <![CDATA[
Ek=Ek1+Ek2+…+EkN des Gesamtsystems die folgenden Eigenfunktionen x k ( i )= φ k 1 ( i 1 ) φ k 2 ( i 2 )… φ k N ( i N ) ]] <![CDATA[
xk(i)=φk1(i1)φk2(i2)…φkN(iN) des Gesamtsystems, wo i 1, i 2,..., i N eine Permutation (i) der Zahlen 1, 2,..., N bedeutet. Die Anzahl der voneinander linear unabhängigen Eigenfunktionen x k (i) beträgt, falls die Einteilcheneigenfunktionen φ k i ]] <![CDATA[
φki alle voneinander verschieden sind, N!; falls sich unter den φ k i ]] <![CDATA[
φki auch gleiche befinden, so wird ihre Anzahl reduziert, denn es sind dann diejenigen Permutationen, welche nur die Argumente gleicher φ k i ]] <![CDATA[
φki vertauschen, unwirksam und daher auszuschließen.