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e) Construction des harmoniques sphériques

De la relation de définition :

$\displaystyle L_z\,Y^m_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \frac{\hbar}{i}\,\frac{\partial}{\partial\varphi}\,Y^m_l(\theta,\varphi)
~=~ m\hbar\,Y^m_l(\theta,\varphi)$  

on en déduit immédiatement :

$\displaystyle Y^m_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle f^m_l(\theta)\,e^{im\varphi}$  

d'où en particulier pour $ m=0$ :

$\displaystyle \vec{L}^{\,2}\,Y^0_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \vec{L}^{\,2}\,f_l(\theta) ~=~
\frac{-\hbar^2}{\sin\theta}\,\partial_\theta(\sin\theta\,\partial_\theta)\,f_l(\theta)
~=~ l(l+1)\hbar^2$  

Avec :

$\displaystyle u$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \cos\theta$  
       
$\displaystyle \partial_\theta$ $\displaystyle =$ $\displaystyle -\sin\theta\,\partial_u$  
       
$\displaystyle \partial^2_{\theta^2}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle -\cos\theta\,\partial_u +
\sin^2\theta\,\partial^2_{u^2}$  

et la fonction $ f_l(u)$ est solution de l'équation différentielle :

$\displaystyle \left[ (1-u^2)\, \frac{d^2}{du^2} -2u\,\frac{d}{du} + l(l+1)\right]\,f_l(u)$ $\displaystyle =$ 0  

soit :

$\displaystyle f_l(u)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle Y^0_l(\theta) ~=~
\sqrt{\frac{2l+1}{4\pi}}\,P_l(\cos\theta)$  

$ P_l(\cos\theta)$ désignant le $ \mathrm{i}^\mathrm{\grave{e}me}$ polynôme de Legendre :

$\displaystyle P_0$ $\displaystyle =$ $\displaystyle 1~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~P_1 ~=~ u~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~P_2~=~ \frac{1}{2}\,(3u^2-1)$  


$\displaystyle P_3$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \frac{1}{2}\,(5u^3-3u)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
P_4~=~\frac{1}{8}\,(35u^4-30u^2+3)$  

La fonction harmonique sphérique la plus générale est solution de l'équation aux dérivées partielles suivante :

$\displaystyle \vec{L}^{\,2}\,Y^m_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle -\hbar^2\,\left[ \frac{1}{\sin\theta}\,\partial_\theta\,(\sin\the...
...+ \frac{1}{\sin^2\theta}\,\partial^2_{\varphi^2} \right]\,Y^m_l(\theta,\varphi)$  
       
  $\displaystyle =$ $\displaystyle l(l+1)\,\hbar^2\,Y^m_l(\theta,\varphi)$  

ou encore, tenu compte d'un résultat précédent :

$\displaystyle Y^m_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle f^m_l(u)\,e^{im\varphi}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(u=\cos\theta)$  


$\displaystyle \left[ (1-u^2)\,\frac{d^2}{du^2} -2u\,\frac{d}{du} -\frac{m^2}{1-u^2} + l(l+1)\right]\,f^m_l(u)$ $\displaystyle =$ 0  

Tenu compte des relations d'orthonormalisation et en choisissant les phases de telle manière que les relations habituelles de récurrence :

$\displaystyle L_\pm\,Y^m_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \sqrt{l(l+1)-m(m\pm 1)}~~Y^{m\pm 1}_l$  

soient satisfaites, on obtient les expressions des premières harmoniques sphériques qui sont indiquées dans le tableau ci-après.

On démontre que toutes ces fonctions harmoniques sphériques jouissent des propriétés de symétrie suivantes :

$\displaystyle Y^{m\,*}_l(\theta,\varphi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle (-1)^m\,Y^{-m}_l(\theta,\varphi)$  


$\displaystyle Y^m_l(\pi-\theta,\varphi+\pi)$ $\displaystyle =$ $\displaystyle (-1)^l\,Y^m_l(\theta,\varphi)$  


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Arnaud Balandras 2005-04-02