Varyasyon İlkesi
Normlanabilir herhangi bir deneme fonksiyonu $\psi$ için Hamiltonyenin beklenen değeri taban durum enerjisinden küçük olamaz:
$$E[\psi] = \frac{\langle\psi|H|\psi\rangle}{\langle\psi|\psi\rangle} \;\ge\; E_0$$Bir parametre ailesi $\psi_\alpha$ seçip $E(\alpha)$'yı en küçük yapan $\alpha$ bulunursa, $E_0$ için en iyi üst sınır elde edilir. Sonucun kalitesi ailenin seçimine bağlıdır: deneme fonksiyonundaki birinci dereceden hata, enerjide ancak ikinci dereceden hataya yol açar. Bu yüzden enerji, dalga fonksiyonundan çok daha iyi tahmin edilir.
Birimler (1B): $\hbar = m = 1$, $H = -\tfrac12\frac{d^2}{dx^2} + V(x)$. Kinetik enerji $\langle T\rangle = \tfrac12\int|\psi'|^2dx \big/ \int|\psi|^2dx$ biçiminde hesaplanır; böylece kırıklı (türevi süreksiz) deneme fonksiyonları da kullanılabilir. "Tam" $E_0$ sonlu farklarla sayısal olarak bulunur.
Helyum atomu
Atomik birimlerde ($1\ \text{Ha} = 27.211$ eV) $H = -\tfrac12\nabla_1^2 - \tfrac12\nabla_2^2 - \tfrac{2}{r_1} - \tfrac{2}{r_2} + \tfrac{1}{r_{12}}$. Deneme fonksiyonu olarak etkin yük $Z$ içeren iki hidrojenimsi 1s orbitalinin çarpımı alınırsa $\langle T\rangle = Z^2$, $\langle V_{ne}\rangle = -4Z$, $\langle V_{ee}\rangle = \tfrac58Z$ ve $E(Z) = Z^2 - 4Z + \tfrac58 Z$ (Ha) olur. Minimum $Z = 27/16$'da: her elektron, diğerinin çekirdeği kısmen perdelemesi nedeniyle $2$'den küçük bir etkin yük görür.
Parametreler
Üst grafikte E(α) eğrisine tıklayarak da parametreyi seçebilirsiniz. Kırmızı çizginin altı, varyasyon ilkesine göre ulaşılamayan bölgedir.
Hesaplama
Bunu dene
1. Harmonik potansiyelde önce Gauss, sonra $e^{-\alpha|x|}$ deneme fonksiyonunu seçip "En iyi parametreyi bul"a basın. Hangi aile tam sonucu verir? Diğerinin enerjisi yüzde kaç yüksek?
Açıklama
2. $V = x^4$ için Gauss deneme fonksiyonuyla en iyi enerjiyi bulun ve sayısal tam sonuçla karşılaştırın. Ardından iki parametreli $e^{-\alpha x^2}(1+\beta x^2)$ ailesini deneyin.
Açıklama
3. Helyum modunda $E(Z)$'nin minimumunu bulun. $Z = 2$ (perdeleme yok) ile karşılaştırın ve iyonlaşma enerjisini hesaplayın ($\text{He}^+$ enerjisi $-2$ Ha $= -54.4$ eV).