- •«Физические основы электронной техники. Квантовая механика»
- •2. Движение микрочастицы в поле центральной
- •2.1. Поле центральной симметрии
- •2. 2. Атом водорода. Радиальная часть волновой функции
- •2.3. Схема уровней энергии и спектр атома водорода
- •2.4. Волновые функции атома водорода и распределение электронной плотности
- •2.5. Изотопический сдвиг и водородоподобные ионы
- •2.6. Энергетический спектр атомов щелочных металлов
2. 2. Атом водорода. Радиальная часть волновой функции
Наиболее простой задачей квантовой механики является задача о движении электрона в кулоновском поле ядра. В атоме водорода, ионах и других многозарядных ионах, которые имеют лишь один электрон, потенциальная энергия электрона в поле ядра имеет вид 2
, (2.37)(2.2.1)
где – заряд ядра.
Подставим (2.37) в (2.26) и получим
. (2.38)
Под понимается приведенная масса электрона
, (2.39)
где – масса ядра, – масса покоя электрона.
Введем атомные единицы длины и энергии
(2.40)
и перейдем к безразмерным величинам
и . (2.41)
Это позволяет представить уравнение (2.38) в удобном для решения виде
. (2.42)
Рассмотрим сначала асимптотические решения (2.42).
При (вблизи ядра) уравнение принимает вид
. (2.43)
Решение ищем в форме . Подставив в (2.43), получим квадратное уравнение , которое имеет два корня и . Второй корень нас не удовлетворяет, поскольку решение будет расходящимся. Таким образом, имеем
. (2.44)
При (на большом расстоянии от ядра) уравнение (2.42) приобретает вид
. (2.45)
Здесь возможные два случая: и . Второй случай приводит к апериодическим орбитам в классической механике (см. раздел 2.1) и нас не интересует. Первый описывает связанные состояния.
Обозначив , получим решение (2.45) в следующем виде
. (2.46)
Поскольку решение должно быть конечным, положим и получим
. (2.47)
Воспользовавшись асимптотическими решениями (2.44) и (2.47), запишем решение, которое будет справедливым для любой области
. (2.48)
Подставляя ряд (2.48) в (2.42) и перегруппируя члены, получим
(2.49)
Приравнивая коэффициенты при одинаковой степени нулю, находим рекуррентные соотношение для неизвестных коэффициентов :
. (2.50)
При коэффициенты ведут себя и сумма ряда . Следовательно, решение для расходящееся. Поэтому необходимо ограничить ряд (2.49). Для этого будем считать, что начиная с некоторого коэффициент , в то время как . При этом условии из (2.50) получим
, (2.51)
где называется радиальным квантовым числом, а – главным квантовым числом, и они могут принимать следующие значения
(2.52)
Воспользовавшись (2.51) и (2.50), найдем коэффициенты многочлена (2.48) через коэффициент , а затем и сам многочлен:
(2.53)
Целесообразно ввести новую переменную:
. (2.54)
Объединяя все постоянные множители в один , мы получим из (2.25) и (2.53) функцию, которая принадлежит квантовым числам и :
, (2.55)
где через обозначен многочлен, который заключен в фигурные скобки в формуле (2.53). Этот многочлен вычисляется с помощью производной от многочлена Лагерра3 , который определяются по формуле
. (2.56)
Тогда под многочленом понимают многочлен
. (2.57)
Нетрудно убедиться, что когда и , мы получим многочлен, который содержится в фигурных скобках выражения (2.53).
Формулы (2.56) и (2.57) позволяют легко вычислять функции . Множитель в (2.55) определяется из условия нормировки (2.10) и равняется
. (2.58)
Иногда полезно знать средние значения некоторых степеней в стационарных состояниях. Например,
(2.59)