background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

XI.

XI.1. ATOM WODOROPODOBNY

Atomy wodoropodobne, to pierwiastki posiadające tylko jeden elektron, np. He

+

, Na

++

, itd.

Energię możemy wyrazić z pomocą wzoru:

E

'

E

K

1

E

K

2

V

        (XI.1)

gdzie

E

K

1

– energia kinetyczna elektronu

E

K

1

=

p

1

2

2m

   (XI.1.2a)

m – masa elektronu

p – pęd elektronu    

E

K

2

– energia kinetyczna jadra atomowego

E

K

2

=

p

2

2

2M

   (XI.1.2b)

V – energia potencjalna (potencjał)

V

= −

Ze

2

r

   (XI.1.2c)

Masa jądra atomowego M jest znacznie większa od masy elektronu m.

– 1 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Rys.XI.1.   Schematyczna   ilustracja   atomu   wodoropodobnego   umieszczonego   w   kartezjańskim   układzie 
współrzędnych.

Równanie Schrődingera dla atomu wodoropodobnego znajdujemy posługując się regułami 
Jordana:

E

'

 H

p

 p

1

, p

 p

2

, p

 p

3

=− ℏ

2

2m

1

2

2m

2

Ze

2

r

     (XI.1.3)

x

1

, y

1

, z

1

; x

2

, y

2

, z

2

 = E

'

 x

1

, y

1

, z

1

; x

2

, y

2

, z

2

     (XI.1.4)

x

x

2

− x

1

y

y

2

− y

1

z

z

2

z

1

X

=

m

x

1

 M

x

2

m

 M

Y

=

m

y

1

 M

y

2

m

 M

Z

=

m

z

1

 M

z

2

m

 M

     (XI.1.5)

We wzorze (XI.1.5) współrzędne x, y, z to współrzędne względne (położenie elektronu 
względem jądra lub odwrotnie).

– 2 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

separujemy zmienne:

 x , y , z , X ,Y , Z  =  x , y , z⋅  X ,Y ,Z 

     (XI.1.6)

Ze wzorów (XI.1.3) oraz (XI.1.6) otrzymujemy:

−ℏ

2

m

 M

 X ,Y , Z  = E

'

−  X ,Y , Z 

   (XI.1.7a)

−ℏ

2

2

[

−

Ze

2

r

]

 x , y , z =  x , y , z

   (XI.1.7b)

Równanie (XI.1.7a) opisuje ruch atomu jako całości, z energią kinetyczną równą (E' – E).

Uwaga:

XI.1.7a  = ∂

2

∂ X

2

+ ∂

2

Y

2

+ ∂

2

∂ Z

2

 XI.1.7b = ∂

2

∂ x

2

+ ∂

2

∂ y

2

+ ∂

2

∂ z

2

 =  X ,Y , Z  = exp

[

i

k

x

x

 k

y

y

 k

z

z

]

     (XI.1.8)

Wyrażenie (XI.1.8a) opisuje falę płaską.

ϕ

 – kąt azymutalny

ϑ

 – kąt biegunowy

r , , = Er , ,

     (XI.1.9)

– 3 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

=− ℏ

2

2

[

1

r

2

∂ r

r

2

r

1

r

2

sin

2

2

∂ 

2

1

r

2

sin

∂ 

sin

 ∂

∂ 

]

Ze

2

r

   (XI.1.10)

µ

 jest to tzw. masa zredukowana i jest ona równa:

 =

df

mM

m

 M

Równanie (XI.1.9) rozwiązuje się metodą separacji zmiennych czyli zakładamy, że:

  

r , , = Rr

   (XI.1.11)

R – funkcja radialna

Wykorzystujemy znajomość funkcji własnej 

L

2

(patrz rozdział X.5.)

L

2

~ℏ

2

l

l1

Z równania (XI.1.10) oraz wykorzystując funkcję własną

L

2

 otrzymujemy:

= ℏ

2

2

[

−1

r

2

∂ r

r

2

r

1

r

2

L

2

]

Ze

2

r

   (XI.1.12)

Po podstawieniu do równania (XI.1.12) wartości własnej operatora 

L

2

{

2

2

[

−1

r

2

r

r

2

∂ r

l

1ℏ

2

r

2

]

Ze

2

r

}

r , , = r , ,

      (XI.1.13)

Szukamy rozwiązań postaci:

r , , = Rr ,

   (XI.1.14)

R

 r – część radialna

Y

 , – część kątowa

Z równań (XI.1.13) oraz (XI.1.14) otrzymujemy:

{

2

2

[

−1

r

2

d

d r

r

2

d

d r

l

l1ℏ

2

r

2

]

Ze

2

r

}

R

r = ER

   (XI.1.15)

– 4 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

Równanie (XI.1.15) to równanie Laguerra

a) E ≥ 0, E jest ciągła 
b) E < 0 – elektron związany – tworzy razem z jądrem atom.

{E

n

}: E

n

= −

nZ

2

e

4

2

2

n

r

1

2

= −

nZ

2

e

4

2

2

n

2

   (XI.1.16)

Równanie (XI.1.16) to zbiór rozwiązań równania (XI.1.15) przy warunku b).

Z teorii Bohra – Sommerfelda:

E

~

1

n

2

n – główna liczba kwantowa

l = 0,1,....,n-1 – orbitalna liczba kwantowa

R

ln

r = Cx

+1

e

x

2

L

+ 1

2l +1

 x

   (XI.1.17)

gdzie 

L

+ 1

2l +1

 x

jest wielomianem Lagguera.

x

=

2rZ

na

H

a

H

=

2

ne

2

Elektron 

n

l

L

+1

2l +1

 x

1s

1

0

L

1

 =−1 !

na 1 orbicie

2s

2p

2
2

0
1

L

3

1

= 2x−4

L

3

3

= −3!

3s

3p
3d

3
3
3

0
1
2

L

4

1

= −3x

2

+ 18x

−18

24x

−96

−5 !

Tabela 1. Przykłady postaci wielomianu Laguerra dla kilku wartości n i l.

nlm

r , , = Y

lm

 , R

nl

 = 

m



lm

 R

nl

r

   (XI.1.18)

– 5 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

n

 E

n

 ∃

/ 0

n

−1

2l +1 = n

2

funkcji własnych

   (XI.1.19)

istnieje degeneracja stopnia n

.

Tylko elektronowi w stanie podstawowym (n = 1) odpowiada jedna funkcja własna – stan 
elektronu   jest   niezdegenerowany.   Na   następnych   orbitach   stopień   degeneracji   rośnie. 
Każdy stan atomu wodoropodobnego określony jest przez 3 wartości liczb całkowitych: n, 
l, m.

XI.2. KWANTOWO – MECHANICZNY OBRAZ ATOMU (WG BORNA)

Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w objętości 

dV:

* dV

     (XI.2.1)

Przy czym funkcja 

ψ

 dana jest równaniem     

(XI.1.18)

m

 = Ae

i m

     (XI.2.2)

m'

*

= Ae

i m '

   (XI.2.2a)

0

2

m

'

*

d

 = 

mm'

   (XI.2.2b)

Z wyrażeń (XI.2.2b), (XI.2.2a) oraz (XI.2.2) otrzymujemy:

– 6 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

A

2

0

2

e

i

'

d

 = A

2

Z warunku normalizacji:

   

A

=

1

2

     (XI.2.3)

m

 =

1

2

e

i m

   (XI.2.3a)

lm

 =

2l + 1l−||!

2

+ ||!

sin

m

 P

l

m|

cos

     (XI.2.4)

R

nl

 =

nl−1!

[2+ 1!]

3

a

H

x

2+1

e

x

2

L

n+ 1

2l+ 1

 x

     (XI.2.5)

Znormalizowana funkcja falowa atomu wodoropodobnego wyraża się wzorem:

r ,   =

1

2

e

i m

2l + 1l−||!

2

+ |m|!

sin

m

 P

l

m|

cos ⋅

nl−1!

[2 +1!]

3

a

H

x

2 + 1

e

− x

2

L

+ 1

2l +1

 x

Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w objętości dV:

* dV = 

m

m

*

d



lm

lm

*

sin

 R

nl

R

nl

*

r

2

dr

     (XI.2.6)

Gęstość prawdopodobieństwa:

* = 

m

m

*

lm

lm

*

R

nl

R

nl

*

     (XI.2.7)

A) Zależność 

* od 

m

m

*

=

1

2

=const

Prawdopodobieństwo wszędzie jest stałe – ma charakter izotropowy.

– 7 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

B) Zależność 

* od  

lm

lm

*

=

lm

*

Stan kwantowy dla danej trójki liczb kwantowych nazywa się orbitalem.

n

= 0  = 0, = 0  

00

2

Rys.XI.2. Orbital typu s.

Orbital 1s – dla tych stanów rozkład gęstości jest sferycznie symetryczny.

n

= 1  = 0, 1, = −1, 0, 1

l = 1 – stan “p”

Rys.XI.2. Orbitale typu p.

OP – odcinek łączący początek układu z punktem P pod kątem 

ϑ.

Rozkład gęstości jest typowo anizotropowy.

– 8 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

C) Zależność 

 r

:

 r* r = R

nl

*

nl

R

nl

2

R

nl

– zależność samej funkcji falowej od r

R

nl

2

– gęstość prawdopodobieństwa

a)

b)

c)

d)

Rys.3.   Zależność   funkcji   R   od   r.   Czerwona   linia   –   wykres   gęstości   prawdopodobieństwa,   niebieska   –  
zależność funkcji falowej od r.

Mechanika kwantowa przewiduje możliwość penetracji jądra atomowego przez elektron – 
pewne prawdopodobieństwo, że elektron znajduje się wewnątrz jądra.
Tylko elektrony typu s mają gęstość prawdopodobieństwa różną od zera w obszarze jądra 
atomowego.

Funkcja falowa radialna stanu podstawowego (n = 1, l = 0, m = 0).

– 9 –

background image

K.Czopek, M.Zazulak – Notatki w internecie. Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej. 

100

 = −

1

z

a

H

2
3

e

-

z

a

H

r

     (XI.2.8)

Indeks 100 oznacza trzy liczby kwantowe (n = 1, l = 0, m = 0)

100

100

*

=

100

2

r e

− Z

a

H

2r

     (XI.2.9)

Inną   wielkością,   którą   obrazuje   się   położenie   elektronu   w   atomie   jest   częstość 
przebywania elektronu w powłoce sferycznej o promieniu r i grubości dr (rys.XI.4):

 = 4  r

2

dr R

2

rys.XI.4. Elektron w powłoce sferycznej.

Model orbitalny wprowadzony przez Bohra i Sommerfelda nie znajduje potwierdzenia w 
fizyce kwantowej (kształty orbitali).

– 10 –