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< Atomo di Elio e atomi a due elettroni | IntroduzioneFisicaMateria.Indice | Metodo variazionale: caso dell'elio >


Equazione di Schrödinger

Sperimentalmente l'atomo di elio viene completamente ionizzato dall'assorbimento di {$-E_{\rm exp}=78.9\,\mbox{eV}$}

Se per il momento si trascurano del tutto le correzioni relativistiche, l'Hamiltoniana è:

{$$\begin{equation} {\cal H } = \underbrace{\sum _{i=1}^2\left(\frac {\hbar^2} m\frac {-\nabla_i^2} 2 -k_e e^2\frac Z {r_i}\right)}_{{\cal H}_0} + \underbrace{k_e e^2 \frac 1 {r_{12}}}_{{\cal H}_{12}}\end{equation}$$}

in cui l'indice {$i=1,2$} identifica i due elettroni e {${\cal H}_0$} è la somma di due Hamiltoniane di atomi idrogenoidi. Il secondo termine {${\cal H}_{12} $} è la repulsione Coulombiana tra elettroni e {$r_{12}=|\mathbf{r}_1-\mathbf{r}_2|$}. Alcune considerazioni prima di proporne la soluzione in passi di migliore approssimazione successivi:

  1. La soluzione esatta è del tipo {$\Psi(\mathbf{r}_1,\mathbf{r}_2)$}, non necessariamente fattorizzabile in due funzioni dipendenti ciascuna dalla coordinata di un singolo elettrone. Verrà ridotta per approssimazione a termini composti da prodotti di tali funzioni. Come per i problemi a tre corpi della meccanica classica la soluzione esatta non si conosce in forma analitica. La funzione d'onda esatta contiene coerenze (fenomeni di interferenza tra funzioni complesse) che non sono riprodotte da un semplice prodotto di funzioni complesse, le cui fasi possono solo sommarsi. La presenza di termini d'interferenza compare nella trattazione di tutti i problemi a molti corpi, e non ha corrispettivi nel caso classico. Per l'atomo di elio questo non è un effetto importante, ma in sistemi più complessi può diventarlo.
  2. Per la trattazione successiva faremo ricorso a variabili adimensionali con il seguente procedimento: {$\mathbf{r}_i=a_B \mathbf{x}_i$} e {$\boldsymbol{\nabla}_i = a_B^{-1}\boldsymbol{\nabla}_{x_i}$}. Se si tiene conto che {$a_B=\hbar^2/k_e e^2 m$} e che {$R_H=\hbar^2/2m a_B^2= k_e e^2/a_B$}

{$$\begin{equation} {\cal H } = 2 R_H \underbrace{\sum _{i=1}^2\left(\frac {-\nabla_{x_i}^2} 2 -\frac Z {x_i}\right)}_{{\cal H}_0} + \underbrace{\frac 1 {x_{12}}}_{{\cal H}_{12}}\end{equation}$$}

ossia, ritornando a riscrivere per comodità {$r_i$} come variabile adimensionale, al posto di {$x_i$}, in unità di 1 Hartree {$=2R_H = 27.2 \mbox{eV}$}:

{$$\begin{equation} {\cal H } = \underbrace{\sum _{i=1}^2\left(\frac {-\nabla_i^2} 2 -\frac Z {r_i}\right)}_{{\cal H}_0} + \underbrace{\frac 1 {r_{12}}}_{{\cal H}_{12}}\end{equation}$$}

L'autovalore dell'energia {$E$} per l'equazione di Schrödinger agli stati stazionari va confrontato con il valore sperimentale {$E_{\rm exp} = -78.9\,\mbox{eV}=-2.902\, \mbox{Hartree}$}. Ignoriamo in primissima approssimazione la repulsione tra elettroni {${\cal H}_{12}$}. Tutte le funzioni {$\Psi=\Psi(r_1)\Psi(r_2)=|n_1 l_1 m_1\rangle |n_2 l_2 m_2\rangle$} sono autofunzioni di {${\cal H}_0$} di autovalore

{$$\begin{equation}E_{n_1} + E_{n_2}=-\frac{Z^2} 2 \left(\frac 1 {n_1^2} + \frac 1 {n_2^2}\right)\end{equation}$$}.

In particolare lo stato fondamentale è {$|1\, 0\, 0\rangle\, |1\, 0\, 0\rangle$}, con autovalore {$E^{(1)}=2E_1=-Z^2$}, ossia -4 Hartree, pari a -108.8 eV, per l'elio (cfr. E exp). La differenza, pari a 1.1 Hartree è una frazione rilevante del valore trovato.

Per un livello non degenere, come lo stato fondamentale, la correzione a questo valore al prim'ordine nella repulsione {${\cal H}_{12}$} è

{$$\begin{equation} \langle 1\,0\,0|\langle 1\,0\,0| \frac 1 {r_{12}}|1\,0\,0\rangle|1\,0\,0 \rangle = \int d^3 r_1 d^3 r_2 \Psi^*_{1s}(\mathbf{r}_1) \Psi^*_{1s}(\mathbf{r}_2)\frac 1 {r_{12}} \Psi_{1s}(\mathbf{r}_1) \Psi_{1s}(\mathbf{r}_2) \end{equation}$$}

Il calcolo dell'integrale è lungo e viene tratteggiato qui?. Il risultato è {$5Z/8$}. Ovviamente dipende dalle funzioni 1s usate specificamente per lo stato fondamentale. Lo stesso tipo di integrale fornisce un valore diverso per ciascun diverso stato eccitato. Sommando questo valore a quello trovato in precedenza si ottinene

{$$E^{(2)}= -Z^2+\frac 5 8 Z = -2.75\, \mbox{Hartree}$$}

Questo risultato è già abbastanza vicino al valore sperimentale, con una deviazione di 0.15 Hartree, ossia circa 4.1 eV, pari al 5%. Inoltre mostra che la repulsione Coulombiana tra gli elettroni è veramente rilevante e contribuisce circa ll 20% dell'energia. Per affinare ulteriormente questo risultato conviene introdurre un calcolo variazionale che sfrutterà i risultati ottenuti fin qui.


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