background image

Rotacje bryły sztywnej

=

1
2

2

=

L

2

2I

Energia kinetyczna ruchu 
obrotowego bryły sztywnej dla 
obrotu wokół osi głównej

=

L

2

2I

Stąd operator hamiltona

L

2

=−ℏ

2

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂ 

2

]

H Y  ,=E Y  

−ℏ

2

2I

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂

2

]

 ,=E Y  ,

L

2

2I

 ,=E Y  ,

background image

−ℏ

2

2I

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂

2

]

 ,=E Y  ,

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂ 

2

]

 =

2I

2

 

[

sin  ∂

∂ 

sin  ∂

∂ 

 ∂

2

∂ 

2

]

 ,=−⋅sin

2

 ,

//⋅sin

2

=

2IE

2

 =⋅=

// / 

sin 

∂ 

sin 

∂

∂



1

2

∂ 

2



sin

2

=

0

Szukamy rozwiązania w postaci:

background image

sin 

∂ 

sin 

∂

∂



sin

2

=−

1

2

∂ 

2

1

2

∂ 

2

=

m

2

sin 

∂ 

sin 

∂

∂



sin

2

=

m

2

2

∂ 

2

m

2

=

0

=

expi m 



2 =

expi m =1

m=0,±1,±2,±3,⋯

L=P=constans=m

2

background image

x=cos

x

2

=

cos

2

1−x

2

=

sin

2

dx

=−

sin 



P 

1−x

2

d

2

P

dx

2

2x

dP

dx

[−

m

2

1−x

2

]

P=0

po przekształceniach otrzymujemy

Ponieważ 

jest stałą wyznaczyć ją można dla m=0

Drugie z równań po podstawieniu

background image

szukamy rozwiązania w postaci

 x=

k

a

k

x

k

k=0,1, 2,3,⋯, K

1−x

2

d

2

P

dx

2

2x

dP

dx



P=0

dP  x

dx

=

k

a

k

k x

k−1

d

2

 x

dx

2

=

k

a

k

k−1 x

k−2 

żeby istniało rozwiązanie trywialne x=0

współczynniki przy tej samej potędze 

muszą dać 0

background image

a

k2

k1k2−a

k

k−1−2a

k

k a

k

=

0

a

k2

k1k2=a

k

[

k1−]

a

k2

a

k

=

k

k2

k1k2

żeby szereg był zbieżny

a

k2

a

k

1

a

k2

0

=

k1

=

l1

Zamienimy oznaczenie

=

2IE

2

E=

l1 ℏ

2

2I

background image

 =Y

m

l



=[

2l1

4 

l−∣m∣!

l∣m∣!

]

1
2

P

l

m

cos e

i m 

harmoniki sferyczne

P

l

m

cos=1−cos 

1
2

m

d

m

P

l

cos

cos

2



m

P

l

cos =

1

2

l

l !

d

l

cos

2

−

1

l

cos

l

Stowarzyszona 
funkcja 

Legendre'a

Wielomian 

Legendre'a

Ogólnie rozwiązanie obu równań możemy zapisać w 
postaci

background image

(

)

(

)

00

11

10

1 1

2

20

1

( , )

4

3

3 (

)

( , )

sin exp( )

8

8

3

3

( , )

cos

4

4

3

3 (

)

( , )

sin exp(

)

8

8

5

,

3cos

1

16

Y

x iy

Y

i

r

z

Y

r

x iy

Y

i

r

Y

θ φ

π

θ φ

θ

φ

π

π

θ φ

θ

π

π

θ φ

θ

φ

π

π

θ φ

θ

π

=

+

= −

= −

=

=

=

=

=

Ze względu na występujące we wzorach tych funkicj liczby kwantowe l I m 
możemy te funkcje numerować tymi liczbami kwantowymi.

Przykładowe funkcje falowe dla początkowych liczb kwantowych l i m

background image

Shapes of the spherical harmonics

background image

 

 

Model “planetarny” Bohra atomu wodoru (1913r)

Elektron krąży po orbitach kołowych wokół jądra atomowego. Rolę siły 

dośrodkowej spełnia siła oddziaływania elektrycznego. Stabilne orbity to te, dla 
których moment pędu elektronu jest całkowitą wielokrotnością h/2



mvr=n h

2 

=

e

2

4  

0

r

2

=

2

r

Stąd

r

n

=

4  

0

2

m e

2

n

2

E=E

kin

E

pot

=

m v

2

2



e

2

4  

0

r

E

n

=

e

2

8 

0

r

n

Atom promieniuje energię porcjami ( kwantami)

To wyjaśniało istnienie linii widmowych.

=E

n

E

n '

=

Rc  1

n '

2

1

n

2

background image

 

 

Atom wodoru

2

0

( )

4

Ze

V r

r

πε

= −

r

+Ze

-e

background image

 

 

E

total

=

p

1

2

2m

1

p

2

2

2m

2

 r

1

r

2

Równanie Schrodingera dla atomu wodoru

p

1

2

=

p

1x

2

p

1y

2

p

1z

2

p

2

2

=

p

2x

2

p

2y

2

p

2z

2

H

=

−ℏ

2

2m

1

2

x

1

2

2

y

1

2

2

z

1

2

−

2

2m

2

2

x

2

2

2

y

2

2

2

z

2

2



V

 

r

1,

r

2

=

[

1

m

1

2

x

1

2

2

y

1

2

2

z

1

2



1

m

2

2

x

2

2

2

y

2

2

2

z

2

2

]

2

2

E 

r

1

r

2

=

0

Wprowadzamy współrzędne środka masy: X, Y, Z i współrzędne względne: x, y, z

X

=

m

1

x

1

m

2

x

2

m

1

m

2

Y

=

...

Z

=

...

x

=

x

2−

x

1

y

=

...

z

=

...

r

2

=

x

2

y

2

z

2

1

=

1

m

1

1

m

2

Masa zredukowana

background image

 

 

[

1

m

1

m

2

2

X

2

2

Y

2

2

Z

2



1

2

x

2

2

y

2

2

z

2

]

2

2

E 

r

1

r

2

=

0

 r

1

r

2

=

V

z

X ,Y ,Z V

w

x , y , z

  

r

1

r

2

=

1

X ,Y , Z⋅ x , y ,z

1

m

1

m

2

1

1

2

X

2

2

Y

2

2

Z

2



1

2

2

V

z

X ,Y , Z =

=−

1

1

2

x

2

2

y

2

2

z

2

−

2

2

EV

w



L

=

P

=

const.

=

A

A

=

2

2

E '

E

E '

=

Pierwszym równaniem nie będziemy się teraz zajmowac, gdyż opisuje oddziaływanie atomu z polem 
zewnetrznym. Drugie opisuje oddziaływanie pomiędzy składnikami atomu – oddziawływania 

wewnętrzne.

background image

1

1

2

x

2

2

y

2

2

z

2

 

2

2

−

V

w

=

0

Przechodzimy do współrzędnych sferycznych

2

x

2

2

y

2

2

z

2

1

r

2

r

r

2

r



1

r

2

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

r

2

sin

2

2

∂ 

2

[

1

r

2

r

r

2

r



1

r

2

sin

∂ 

sin ∂

∂ 



1

r

2

sin

2

2

∂ 

2

]

2

2

−

V

w

=

0

Rozdzielamy zmienne



r , ,=R ,

1

R

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

=−

1

Y

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂ 

2

]

Y

L=P=const.=

'

=−

i

2

background image

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

R= R

i

2

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂ 

2

]=

Ostatnie równanie jest równaniem własnym dla kwadratu momentu pędu

L

2

=L

2

Y

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

R= R

i

2

[

1

sin 

∂ 

sin  ∂

∂ 



1

sin

2

2

∂ 

2

]

Y=' Y

1

R

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

==

l1

background image

1

R

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

==

l1

1

r

2

r

r

2

r

R

2 r

2

2

−

V

w

R

l1

r

2

R=0

Istnieje rozwiązanie tego równania dla 

 < 0

takiego, że

n

=−

k

Z

2

e

4

2 ℏ

2

n

2

k=

1

4 

0

background image

r

nl

=

A

nl

e

/2

r

l

L

2l1

n1

r

A

nl

=[

2Z

na

0

3

nl−1!

2n [nl!]

3

]

1/2

n = 1,2,3,4, ...

l= 0, 1, 2, … , n-1

L

p

k

=

d

p

L

k

r

dr

p

Wielomian Laguerre'a stopnia k

L

k

=e

r

d

k

r

k

e

r

dr

k

Stowarzyszony wielomian Laguerre'a

background image
background image

Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w odległości r od jądra atomowego

dp

dr

=

4 r

2

r∣

2

- rozkład radialny gęstości prawdopodobieństwa

background image

l = 1 orbital typu p ( 3 różne dla m = -1, 0 , 1) ozn. Px, py, pz

l = 0 orbital typu s

background image
background image
background image
background image
background image

Poziomy energetyczne w atomie wodoru

background image
background image
background image

Groups and 

Periods

• Groups:

Vertical columns.

Same number of 
electrons in an ℓ 
orbit.

Can form similar 
chemical bonds.

• Periods:

Horizontal rows.

Correspond to filling 
of the subshells.

background image

The Periodic 

Table

• Inert Gases:
• Last group of the periodic table
• Closed p subshell except helium
• Zero net spin and large ionization energy
• Their atoms interact weakly with each other

• Alkalis:
• Single s electron outside an inner core
• Easily form positive ions with a charge +1e
• Lowest ionization energies
• Electrical conductivity is relatively good

• Alkaline Earths:
• Two s electrons in outer subshell
• Largest atomic radii
• High electrical conductivity

background image

The 

Periodic 

Table

• Lanthanides (rare earths):
• Have the outside 6s

2

 subshell 

completed

• As occurs in the 3d subshell, the 

electrons in the 4f subshell have 
unpaired electrons that align 
themselves

• The large orbital angular 

momentum contributes to the large 
ferromagnetic effects

• Actinides:
• Inner subshells are being filled 

while the 7s

2

 subshell is complete

• Difficult to obtain chemical data 

because they are all radioactive

• Have longer half-lives


Document Outline