この前、軌道角運動量とスピン角運動量の合成方法を復習したね。その時に、合成後の量子数 $n, l, j, m_j$ で指定した固有関数と、元の量子数の組み合わせ $n, l, m, s_z$ の固有関数との関係には触れてなかったね。この関係は、合成後の角運動量 $\hat{\boldsymbol{J}} = \hat{\boldsymbol{L}}+ \hat{\boldsymbol{S}}$ を用いた昇降演算子 $\hat{J}^{\pm} = \hat{J}_x \pm i \hat{J}_y$ を用いて計算することができるよ（クレプシュ―ゴルダン係数）。さらにスピン―軌道相互作用を考慮したエネルギー準位を計算した結果（エネルギーシフト）も列挙するよ（$n=1,2,3$）。
| $n$ | $l$ | $j$ | 記号 | $\Delta E\,[{\rm eV}]$ | $m_j$ | 固有関数 | 空間分布 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $1$ | $0$ | $\frac{1}{2}$ | $^{1}S_{\frac{1}{2}}$ | $0$ | $ -\frac{1}{2}$ | $\varphi_{100\downarrow}$ |  |
| $ \frac{1}{2}$ | $\varphi_{100\uparrow}$ | |
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| $2$ | $ 0$ | $\frac{1}{2}$ | $^{2}S_{\frac{1}{2}}$ | $0$ | $ -\frac{1}{2}$ | $\varphi_{200\downarrow}$ |  |
| $ \frac{1}{2}$ | $\varphi_{200\uparrow}$ | |
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| $ 1$ | $\frac{1}{2}$ | $^{2}P_{\frac{1}{2}}$ | $-9.48388 \times 10^{-5}$ | $ -\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[\sqrt{2}\varphi_{21-1\uparrow} – \varphi_{210\downarrow} \right] $ |  |
|
| $ \frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[\varphi_{210\uparrow} – \sqrt{2} \varphi_{21+1\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{3}{2}$ | $^{2}P_{\frac{3}{2}}$ | $-4.74194 \times 10^{-5}$ | $-\frac{3}{2}$ | $ \varphi_{21-1\downarrow} $ |  |
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| $-\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[ \varphi_{21-1\uparrow} + \sqrt{2}\varphi_{210\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[ \sqrt{2} \varphi_{210\uparrow} + \varphi_{21+1\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{3}{2}$ | $\varphi_{21+1\uparrow}$ |  |
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| $3$ | $ 0$ | $\frac{1}{2}$ | $^{3}S_{\frac{1}{2}}$ | $0$ | $ -\frac{1}{2}$ | $\varphi_{300\downarrow}$ |  |
| $ \frac{1}{2}$ | $\varphi_{300\uparrow}$ | |
|||||
| $ 1$ | $\frac{1}{2}$ | $^{3}P_{\frac{1}{2}}$ | $-2.81004 \times 10^{-5}$ | $ -\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[\sqrt{2}\varphi_{31-1\uparrow} – \varphi_{310\downarrow} \right] $ |  |
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| $ \frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[\varphi_{310\uparrow} – \sqrt{2} \varphi_{31+1\downarrow} \right] $ |  |
|||||
| $\frac{3}{2}$ | $^{3}P_{\frac{3}{2}}$ | $1.40502 \times 10^{-5}$ | $-\frac{3}{2}$ | $ \varphi_{31-1\downarrow} $ |  |
||
| $-\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[ \varphi_{31-1\uparrow} + \sqrt{2}\varphi_{310\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{3}} \left[ \sqrt{2} \varphi_{310\uparrow} + \varphi_{31+1\downarrow} \right] $ |  |
|||||
| $\frac{3}{2}$ | $\varphi_{31+1\uparrow}$ |  |
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| $ 2$ | $\frac{3}{2}$ | $^{3}D_{\frac{3}{2}}$ | $-8.43012 \times 10^{-6}$ | $-\frac{3}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ 2\varphi_{32-2\uparrow} -\varphi_{32-1\downarrow} \right] $ |  |
|
| $-\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \sqrt{3}\varphi_{32-1\uparrow} -\sqrt{2} \varphi_{320\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \sqrt{2}\varphi_{320\uparrow} -\sqrt{3} \varphi_{32+1\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{3}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \varphi_{32+1\uparrow} -2 \varphi_{32+2\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{5}{2}$ | $^{3}D_{\frac{5}{2}}$ | $5.62008 \times 10^{-6}$ | $-\frac{5}{2}$ | $\varphi_{32-2\downarrow}$ |  |
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| $-\frac{3}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \varphi_{32-2\uparrow} + 2 \varphi_{32-1\downarrow} \right] $ |  |
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| $-\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \sqrt{2} \varphi_{32-1\uparrow} + \sqrt{3} \varphi_{320\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{1}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ \sqrt{3} \varphi_{320\uparrow} + \sqrt{2} \varphi_{32+1\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{3}{2}$ | $\frac{1}{\sqrt{5}} \left[ 2 \varphi_{32+1\uparrow} + \varphi_{32+2\downarrow} \right] $ |  |
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| $\frac{5}{2}$ | $\varphi_{32+2\uparrow}$ |  |