Волновое уравнение атома водорода

Так как квантовые числа I, т и не вносят ничего в энергию электронного состояния, то все возможные состояния в данном) радиальном уровне энергетически равны. Это значит, что в спектре будут наблюдаться только единичные линии, такие, как предсказывал Бор. Однако хорошо известно, что в спектре водорода существует тонкая структура, изучение которой было толчком к развитию теории Бора — Зоммерфельда для атома водорода. Очевидно, что простая форма волнового уравнения не вполне адекватно описывает атом водорода, и, таким образом, мы находимся в-положении, лишь немного лучшем того, когда опирались на модель атома Бора. [c.70]

Молекулярные орбитали (МО) образуются из атомных орбиталей (АО). Атомная орбиталь выражается через собственную функцию (волновую функцию) я]) элeкtpoнa в пространстве, т. е. в зависимости от ко-орди[1ат X, у и Z, причем ядро атома находится в начале системы координат. Простейшим примером является атом водорода. Его АО определяются из независимого от времени уравнения Шредингера (1926 г.) [c.53]

Первым химическим объектом приложения уравнения Шредингера был атом водорода. Для того чтобы лучше представить, какой огромный скачок должен был произойти в мышлении химиков, привыкших почти исключительно к качественным представлениям о строении атомов и молекул, мы приведем ниже результаты расчета волновой функции правда — не для атома водорода, а для водородоподобного атома, т. е. атома, содержащего ядро с положительным зарядом Z и один электрон Волновое уравнение в случае водородоподобного атома удобно выражать в сферических координатах, поэтому и волновая функция есть функция сферических координат, а именно произведение трех функций, каждая из которых зависит только от одной координаты, принимаемой в качестве независимой переменной [c.165]

Атом первого элемента в Периодической системе — водорода — обладает наипростейшим строением. Он состоит всего из двух частиц протона и электрона, — между которыми существуют лишь силы притяжения. Не случайно именно для атома водорода оказалась успешно применимой первая квантовая теория — теория Бора, и только для этого атома волновое уравнение Шредингера имеет точное решение. [c.292]

Точный расчет волновых функций многоэлектронных атомов становится затруднительным вследствие большого числа электрон-электрон-ных отталкиваний, которыми мы до сих пор для простоты пренебрегали. В 1927 г. Хартри для разрешения этой проблемы при расчете волновых функций атомов предложил метод, который теперь известен как метод самосогласованного поля (ССП) и который позднее был видоизменен Фоком с учетом принципа Паули. В этом методе предполагается, что каждый электрон движется в сферически-симметричном потенциальном поле, создаваемом ядром и усредненными полями всех других электронов, за исключением рассматриваемого. Расчет начинают с приближенных волновых функций для всех электронов, кроме одного. Определяют средний потенциал, который обусловлен другими электронами, а затем решают уравнение Шредингера для этого одного электрона, используя средний потенциал, обусловленный другими электронами и ядром. С полученной волновой функцией проводят более точный расчет среднего поля и затем из уравнения Шредингера определяют приближенную волновую функцию для второго электрона. Этот процесс продолжают до тех пор, пока набор вычисленных волновых функций будет незначительно отличаться от предыдущего набора. Тогда говорят, что данный набор волновых функций самосогласован. Для расчета волновых функций многоэлектронного атома требуются трудоемкие вычисления. Обсчет какого-либо конкретного атома методом самосогласованного поля дает ряд атомных орбиталей, каждая из которых характеризуется четырьмя квантовыми числами и характеристической энергией. В противоположность атому водорода в этом случае орбитальные энергии зависят как от главного квантового числа п, так и от орбитального квантового числа I. [c.396]

Поскольку вариационный метод весьма важен, целесообразно иллюстрировать его примером. Правда, для выбранного примера волновое уравнение решается точно, и в сущности нет необходимости пользоваться приближенными методами. Рассмотрим атом водорода, гамильтониан которого имеет вид [см. (3.13)] [c.71]

Не составляет труда записать волновое уравнение Шрёдингера для атома лития, состоящего из ядра и трех электронов, или атома урана, состоящего из ядра и 92 электронов. Однако, к сожалению, эти дифференциальные уравнения невозможно решить. Нет ничего утешительного в том, что строение атома урана в принципе может быть найдено путем расчетов, если математические (хотя отнюдь не физические) трудности препятствуют получению этого решения. Правда, физики и физикохимики разработали для решения уравнения Шрёдингера множество приближенных методов, основанных на догадках и последовательных приближениях. Проведение последовательных приближений существенно облегчается использованием электронно-вычислительных машин. Однако главное достоинство применения теории Шрёдингера к атому водорода заключается в том, что она позволяет получить ясную качественную картину электронного строения многоэлектронных атомов без проведения дополнительных расчетов. Теория Бора оказалась слишком упрошенной и не смогла дать таких результатов, даже после ее усовершенствования Зом-мерфельдом. [c.374]

Атом водорода. Для основного волнового уравнения двух взаимодействующих частиц было получено точное решение. Для более сложных систем точного решения волновых уравнений не найдено. В этих случаях применяются приближенные математические методы с использованием в качестве модели протона и электрона водородного атома. В основе этих приближенных методов лежит предположение, что решения для более сложных систем похожи на точное решение волнового уравнения для водородного атома. Для наших целей более важен тот факт, что чисто качественное обсуждение электронных взаимодействий в атомах и молекулах может вестись в духе использования водородоподобных функци . [c.108]

Многоэлектронные атомы. Поскольку волновые уравнения многоэлектронных атомов не решены, приходится обратиться к водородному атому, как к модели, чтобы получить приближенно более сложные решения для других систем. Предполагается, что каждый электрон описывается волновой функцией но форме, подобной функции, применимой к атому водорода. Так, два электрона гелия занимают 1х-орбиту, и каждый обладает различной спиновой функцией. [c.109]

Орбитали атома водорода. Теперь рассмотрим некоторые волновые функции, являющиеся решениями уравнения (1.15), в частности первые четырнадцать из них, в порядке возрастания энергии. Эти функции, которые обычно называют орбиталями, описывают пространственное распределение электронной плотности вокруг ядра. Каждая из них однозначно определяется своими квантовыми числами п, / и т. В табл. 1.1 приведены эти орбитали для водородоподобного атома, т. е. для одноэлектронного атома с зарядом ядра Е электронных единиц. Сам атом водорода представляет собой частный случай, когда 2=1 другими водородоподобными атомами являются С , и т. д. В табл. 1.1 приведены также общие обозначения этих орбиталей, каждое из которых состоит из числа [c.26]

Атомы всех элементов, кроме водорода, многоэлектронные. Волновые функции и уровни энергии для них в принципе можно найти, решив уравнение Шредингера. Однако точное решение этого уравнения для многоэлектронных систем невозможно задача усложняется тем, что электрон движется-уже не в поле ядра, а в поле, создаваемом ядром и остальными электронами. Рассмотрим простейший из многоэлектронных атомов — атом гелия, состоящий из ядра (2=2) и [c.34]

Рассмотрим наипростейшую атомную систему — атом водорода, где в данный момент единственный электрон с зарядом —е находится на расстоянии г от ядра с зарядом - -( . Потенциальная энергия системы равна —е /г подстановка ее в уравнение (1.9а) дает волновое уравнение для атома водорода [c.17]

Рассмотрим атом водорода (2=1). У него один электрон, который в основном состоянии займет -орбиталь атома, т. е. электронная конфигурация атома водорода 1 . У гелия (2=2) имеется два электрона. Если они имеют различные спины, их волновые функции можно выразить уравнениями, аналогичными уравнениям (1.37) и (1.38), которые, конечно, неидентичны. Следовательно, оба электрона могут занять 1 -орбиталь атома, давая конфигурацию 1 . [c.27]

О вероятностях. Даже если преподаватель решил не останавливаться на подробном обсуждении волнового уравнения Шрёдингера (как бывает, если решено не делать упор на молекулярные орбитали), можно ввести представление о квантовых числах как индексах атомных орбиталей и продемонстрировать взаимосвязь этих чисел с размерами, формой и ориентацией орбиталей. Если эти соотношения удается сделать понятными применительно к атому водорода, их распространение на многоэлектронные атомы обычно не вызывает затруднений у студентов. [c.574]

В этом уравнении 11) имеет значение комплексной амплитуды фазовой волны. Величина определяет вероятность нахождения электрона на некотором данном участке рассматриваемой системы. Если мы будем иметь дело с простейшей системой, состоящей из двух атомов водорода, то каждому атому, взятому в отдельности, соответствует свое собственное волновое уравнение для одного электрона (с тремя координатами). Общая система обоих атомов водорода может быть описана с помощью общего волнового уравнения для обоих электронов (с шестью координатами) . [c.295]

Атом водорода. Первым успехом волновой механики явилась последовательная теория атома водорода, основанная на решении уравнения Шредингера с потенциальной энергией, равной — е /г. Как ни удивительно, Шредингер знал ответ. Дело в том, что Нильс Бор, исходя из законов классической механики и навязав ей, казалось бы, незаконные требования, нашел дискретные электронные энергетические уровни в атоме водорода, а предположив, что излучение и поглош,ение световых квантов есть результат перехода электрона с уровня на уровень, получил правильную картину спектра. Не придерживаясь исторической последовательности событий, заметим как оказалось в дальнейшем, подход Бора совпадает с квазиклассическим приближением, справедливым в случае, когда действие велико по сравнению с Н. (Действие — механическая характеристика движения той же размерности, что и постоянная Планка [эрг -с]). Несомненной удачей и Бора, и Шредингера было то, что задача об атоме водорода принадлежит к редкому классу задач, в которых решение, полученное в квазиклассическом приближении, совпадает с точным (по крайней мере для уровней энергии электрона). [c.192]

Рассмотрим сначала простейшую молекулу — ион Щ. Молекулярный ион водорода играет такую же роль в теории молекул, как атом водорода — в теории атома, так как для иона HJ в приближении Борна — Оппенгеймера электронное волновое уравнение может быть решено точно. Однако мы не будем сейчас останавливаться на точном решении, а построим МО для иона HJ в приближении ЛКАО, которые послужат нам основой для рассмотрения двухатомных гомоядерных молекул. [c.187]

Для простейшей электронной системы, какой является атом водорода, решение уравнения в полярных координатах дает волновую функцию общего вида [c.33]

Теперь очередь дошла и до Эрвина Шредингера, который занимался математической физикой и мог за завтраком на салфетке записать и решить волновое уравнение для осциллятора. Он сопоставил уже известные факты — то, что атом водорода дает линейчатый спектр (подобно колеблющейся струне) и что электрон способен к дифракции, подобно волне (это было предсказано де Бройлем). Дважды два — четыре,—сказал Шредингер,—а линейчатый спектр атома водорода показывает, что уравнение движения электрона в атоме должно быть уравнением волнового типа с граничными условиями, определяющими возможные значения энергии . Это смелое решение и было рождением квантовой механики. [c.29]

Волновое уравнение Шредингера для атома водорода описывает электрон как волну в трех измерениях. Совершенно естественно поэтому, что для]полной характеристики каждого такого состояния энергии атома водорода необходим набор из трех целых чисел. Эти величины называются квантовыми числами. Каждый набор квантовых чисел соответствует одной из возможных энергий атома, а также картине распределения вероятности, по которой можно судить о положении электрона. На рис. 1.11 и 1.12 изображен атом в низшем энергетическом состоянии. Более высоколежащие уровни энергии соответствуют более сложному пространственному распределению. Пространственные распределения в случае атома соответствуют орбитальным траекториям, которые описывают классическое движение планет в солнечной системе. Если бы можно было сжимать солнечную систему до любого размера, то, когда Солнце достигло бы массы протона, орбитальная траектория превратилась бы в квантовомеханическое распределение вероятности и выражалась бы через Поэтому такую картину распределения вероятности ученые также называют орбиталью. Однако следует помнить, что под орбиталью теперь подразумевается картина, аналогичная рис. 1.11, а представления о траектории термин орбиталь уже не содержит. [c.36]

Электроны можно взвесить и измерить их энергию, но движение их нельзя описать точно. Это ограничение есть следствие так называемого принципа неопределенности, который утверждает в математическом выражении, что нельзя одновременно знать положение электрона и его анергию. Вследствие малой величины массы электрона акт измерения нарушает нормальное его поведение. Принципы классической механики неприменимы к электрону. Его поведение описывается уравнениями волновой механики. Это описание принимает в расчет те свойства электрона, которые похожи на свойства светового луча. Уравнения волновой механики с успехом объясняют многие факты, связанные с поведением,электронов, такие, как тенденцию электронов образовывать пары, зависимость их энергии от относительного положения в атоме и молекуле. Только атом водорода полно и точно описан математически. Для исследования более сложных структур могут быть применены или приближенные математические методы, или чисто качественные соображения, основанные на аналогии с математическими приемами. Эти качественные приближения полезны для понимания строения и реакционной способности органических молекул. [c.100]

Квантовомеханическая теория атома и молекулы сводится к нахождению удовлетворяющих уравнению Шрёдингера волновых функций гр и значений энергий Е. Рассмотрим решение уравнения Шрёдингера для электрона в потенциальном поле ядра. Примерами такой системы являются атом водорода и водородоподобные атомы, т. е. одноэлектронные ионы с зарядом ге ядра. [c.14]

Атом водорода состоит из электрона и гораздо большего по массе протона, поэтому для упрощ,ения задачи целесообразно считать протон неподвижным. Электрическое взаимодействие между электроном и протоном описывается законом Кулона, из которого следует, что потенциальная энергия этой системы равна V = —(е 1г), где г — расстояние между двумя частицами. Именно эту потенциальную энергию необходимо подставить в уравнение (П1.2). Для поля со сферической симметрией, как это имеет место в данном случае, уравнение Шрёдингера проще решать в сферических, а не в декартовых координатах X, у, г. Сферические координаты г, ф показаны на рис. И1.1. С их использованием волновая функция записывается в виде произведения трех функций, каждая из которых зависит только от одного переменного [c.164]

Шрёдингера для простой молекулярной системы Эта одноэлектронная молекула играет ту же роль при расчетах молекулярных волновых функций, что и атом водорода при расчетах атомных волновых функций. Электронное уравнение Шрёдингера для системы Н можно решить точно, причем волновые функции обладают определенными характерными особенностями, присущими орбиталям и других двухатомных молекул, а во многих важных аспектах и орбиталям многоатомных молекул. [c.74]

Атом водорода трехмерен, ноэтом уравнегше Шредингера должно включать кинетическую энергию во всех трех измерениях и будет иметь несколько более сложный вид, чем представленное в разделе 1.1 этой главы уравнение для одномерного движения. При его решении с наложершем граничных условии, которые вытекают из вероятностной интерпретации волновой функции, бьши получены следуюшде выводы. [c.10]

При этом атомные волновые функции считаются известными и соответствующими невозбужденному атому водорода Затем про изводят уточнения Но уже в нулевом приближении квантово химически обосновывается существование ковалентной связи Поскольку общее решение уравнения Шредингера как дифференциального уравнения второго порядка должно содержать две произвольные постоянные Гайтлер и Лондон составили это решение в виде линеиной комбинации частных решений [c.29]

В отличие от одномерной струны атом имеет три измерения. Решения уравнения Шрёдингера для атома водорода характеризуются тремя целочисленными квантовыми числами п, I и т. Они возникают в ходе решения уравнения для волновой функции у] , аналогичной функции А (х) в задаче [c.363]

Волновое уравнение Шредингера представляет собой дифференциальное уравнение 2-го порядка с частными производными. Волновая функция должна удовлетворять следующим условиям. Она должна быть однозначной и конечной во всем пространстве, быть непрерывной и иметь непрерывную производную, а также удовлетворять определенным граничным условиям. Решения волнового уравнения, отвечающие этим условиям, существуют лишь при некоторых определенных значениях соответствующего параметра уравнения, которым для наших задач служит полная энергия Е. Такие значения параметров называют собственными значениями El, Ei, Ез,. .. а отвечающие им значения волновой функции tlJi, фг, ips, . — собственными функциями, причем совокупность таких значений энергии называют энергетическим спектром. Можно показать (см. ниже), что условием существования дискретного спектра служит ограниченность пространства, в котором находится частица. В противном случае энергетический спектр является непрерывным. Так, рассматривая атом водорода, можно убедиться, что уравнение (XVni, 1) имеет непрерывные, всюду конечные и однозначные решения только при определенных значениях полной энергии Е. Причем эти значения одинаковы со значениями энергии соответствующих стационарных состояний атома водорода по теории Бора. Таким образом, волновое уравнение (XVIH, 1) приводит [c.702]

Главные и побочные квантовые числа в волновой механике. Значения е, получающиеся из уравнения (32) или (33), являются собственными зна->чениями уравнения Шредингера в применении к атому водорода. С каждым из этих собственных значений, характеризующихся главным квантовым числом га, связано несколько собственных функций. Эти функции отли- [c.121]

До сих пор рассматривались атомные орбитали только атома водорода, для которых возможно точное решение волнового уравнения. Если имеется несколько электронов, положение становится более сложным, так как каждый электрон отталкивается от остальных электронов в соответствии с законом Кулона и, таким образом, все волновые функции взаимозависимы. В этих условиях волновое уравнение становится слишком сложным для решения и поэтому необходимы некоторые допущения. Одним из наиболее обычных является метод последовательных приближений, разработанный Хартрн. Рассмотрим атом с п электронами. Имея опыт, обычно можно предположить приемлемые волновые функции для этих электронов. Выбирают один электрон и принимают, что он движется в усредненном сферически симметричном поле остальных электронов. В этом случае можно записать и решить волновое уравнение для выбранного электрона, получив таким образом первую улучшенную волновую функцию. Затем эту функцию используют для вычисления первой улучшенной функции для второго электрона и операцию повторяют п раз, пока не получат полный набор первых улучшенных волновых функций. Повторяя весь процесс, вычисляют набор вторых улучшенных волновых функций. Дальнейшее повторение проводят до тех пор, пока не исчезнет разница 1между последовательными улучшенными функциями. В этом случае говорят, что волновые функции или орбиты являются самосогласованными. Этим методом можно получить приближенную волновую функцию для любого п-электронного атома в виде ироизведения п волновых функций отдельных электронов, подобных волновым функциям для атома водорода. Таким образом, можно считать, что электроны больших атомов занимают атомные орбитали, аналогичные орбиталям атома водорода, однако с оговоркой, что энергии этих орбиталей могут значительно отличаться от энергий, наблюдаемых в простейшем случае. Это обусловлено двумя главными факторами [c.25]

Как указано выше, атом водорода — единственный атом, для которого волновое уравнение Шрёдингера решено точно. Решение волнового уравнения возможно и для одноэлектронных ионов, т. е. ионов, изоэлектронных водороду, таких, как Не+, Li + и Ве +. Атом следующего за водородом элемента — гелия состоит из ядра и двух электронов, между которыми проявляются следующие взаимодействия притяжение первого электрона ядром, притяжение второго электрона ядром и отталкивание между электронами. Математическое описание взаимодействия ядра и электронов в атоме гелия — это пример проблемы взаимодействия трех тел в классической физике, которая не имеет точного решения. [c.33]

В следующей главе будет приведен общий метод расчета волновых функций и энергий молекулярных орбиталей. В данном разделе будет лишь кратко обсуждено решение уравнения Шрёдингера для простой молекулярной системы Нг. Эта одноэлектронная молекула играет ту же роль при расчетах молекулярных волновых функций, что и атом водорода при расчетах атомных волновых функций. Электронное уравнение Шрёдингера для системы Н можно решить точно, причем волновые функции обладают определенными характерными особенностями, присущими орбиталям и других двухатомных молекул, а во многих важных аспектах и орбиталям многоатомных молекул. [c.74]

Строение атома водорода с точки зрения волновой механики. Предположим, что атом водорода состоит из ядра с зарядом Е и электрона с зарядом —е. Как и на стр. 97, вначале не будем обращать внимрния иа то, что в этом случае Е = е, поскольку по.пученные. результаты можно будет тогда распространить на атомы с более высокими зарядами ядер. Если электрон находится па расстоянии г от ядра, то, как ранее было показано, его потенциальная энергия равна Вцот = — —. Подставив эту величину в уравнение (31), получим [c.108]

Главные и побочные квантовые числа в волновой механике. Значения 8, нолучаюш иеся из уравнения (32) или (33), являются собственными значениями уравнения Шредингера в примеиенни к атому водорода. С каждым из этих собственных значений, характеризующихся главным квантовым числом п, связано несколько собственных функций. Эти функции отличаются еще двумя квантовыми числами I и т, которые также являются целыми и называются побочными квантовыми числами. [c.109]

На основании квантовой теории в 1926 г. Шрёдингер вывел свое знаменитое волновое уравнение. Теоретически решение этого уравнения позволяет рассчитать поведение атомов и молекул, не прибегая к эксперименту. К сожалению, уравнение может быть точно решено лишь для одноэлектронной системы, такой, как атом водорода или ион молекулярного водорода Н . Для многоэлектронных систем математические трудности, связанные прежде всего с взаимодействиями электрон - электрон, в настоящее время еще непреодолимы. [c.139]