Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Kuantum Mekaniği I › Üç Boyutta KM · Hidrojen Atomu

Hidrojen Atomu: Dalga Fonksiyonları ve Orbitaller

Coulomb potansiyeli küresel simetrik olduğundan Schrödinger denkleminin çözümleri radyal ve açısal kısımlara ayrılır: $\psi_{n\ell m}(r,\theta,\phi) = R_{n\ell}(r)\,Y_\ell^m(\theta,\phi)$. Enerji yalnızca baş kuantum sayısına bağlıdır:

$$E_n = -\frac{13.6\ \text{eV}}{n^2},\qquad \ell = 0,1,\dots,n-1,\qquad m = -\ell,\dots,\ell$$

Bir kabuktaki uzaysal durum sayısı $n^2$'dir (spin ile $2n^2$). Elektronun çekirdekten $r$ ile $r+dr$ arasında bulunma olasılığı $P(r)\,dr = r^2R_{n\ell}^2\,dr$ ile verilir. $R_{n\ell}$'nin $n-\ell-1$ radyal düğümü, $Y_\ell^m$'nin ise $\ell$ açısal düğümü vardır.

Karmaşık ve gerçel orbitaller

$Y_\ell^m \propto e^{im\phi}$ olduğundan $|\psi_{n\ell m}|^2$ $z$ ekseni etrafında simetriktir. Kimyada kullanılan $p_x,\ p_y,\ d_{xy}\dots$ orbitalleri $m$ ve $-m$ durumlarının gerçel bileşimleridir: $Y \propto \cos m\phi$ veya $\sin m\phi$. Bunlar da aynı enerjiye sahiptir ama $L_z$'nin özdurumu değildir. Gerçel orbital kipinde renk, dalga fonksiyonunun işaretini (fazını) gösterir.

Kuantum sayıları

Baş kuantum sayısı n
Yörünge kuantum sayısı ℓ
Manyetik kuantum sayısı m
Gösterim
Kesit düzlemi
Görünüm

Yoğunluk haritasına tıklayarak o noktadaki $|\psi|^2$ değerini görün. 3B nokta bulutunu fareyle sürükleyerek döndürebilir, tekerlekle yakınlaştırabilirsiniz.

Hesaplama

Bunu dene

1. 1s durumunu ($n=1,\ \ell=0$) seçin. Radyal olasılık $P(r)$ hangi yarıçapta en büyüktür? Ortalama uzaklık $\langle r\rangle$ ile karşılaştırın. Elektronun $r < a_0$ bölgesinde bulunma olasılığı nedir?

Açıklama
En olası yarıçap $r_{\text{eo}} = a_0$ (Bohr yarıçapı), ama $\langle r\rangle = \tfrac{3}{2}a_0$'dır: $P(r)$ asimetrik olup uzun bir kuyruğa sahiptir. Sürgüyü $r_0 = a_0$ yapın: $P(r < a_0) = 1 - 5e^{-2} \approx 0.323$ çıkar.

2. 2s ve 2p durumlarını karşılaştırın. Hangisinin radyal düğümü var, nerede? Hangisinde elektron ortalamada çekirdeğe daha yakındır?

Açıklama
2s'nin bir radyal düğümü vardır ($n-\ell-1 = 1$): $R_{20} \propto (2 - r/a_0)$ olduğundan düğüm $r = 2a_0$'dadır. $\langle r\rangle_{2s} = 6a_0$, $\langle r\rangle_{2p} = 5a_0$. Ancak 2s'nin çekirdeğe çok yakın küçük bir tepesi vardır ("içe sızma"); çok elektronlu atomlarda 2s'nin 2p'den daha bağlı olmasının nedeni budur.

3. $n = 3$ için tüm ($\ell, m$) bileşimlerini sayın. Ardından $3d$, $m=0$ ($d_{z^2}$) durumunu seçin. Açısal dağılım hangi açılarda sıfır olur?

Açıklama
$\ell = 0, 1, 2$ için $1 + 3 + 5 = 9 = n^2$ durum vardır. $Y_2^0 \propto 3\cos^2\theta - 1$ olduğundan açısal düğümler $\cos\theta = \pm 1/\sqrt3$, yani $\theta \approx 54.7^\circ$ ve $125.3^\circ$'deki konilerdir ($\ell = 2$ açısal düğüm). Radyal düğüm sayısı $3-2-1 = 0$'dır.

Kuantum Mekaniği I dersindeki diğer simülasyonlar