Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Вакарчук І.О. Квантова механіка

.pdf
Скачиваний:
330
Добавлен:
14.02.2016
Размер:
5.24 Mб
Скачать

Потенцiальну енерґiю парних взаємодiй мiж частинками

Φ =

Φ(|ri − rj |)

1X

N

i<j

розглядаємо як збурення. Нульове наближення енерґiї основного стану дорiвнює нулевi, оскiльки iмпульси та кiнетичнi енерґiї окремих частинок дорiвнюють нулевi (бозе-конденсат). Перша поправка

E(1) = h0|Φ|0i

ZZ

=. . . ψ0,...,0(r1, . . . , rN )Φψ0,...,0(r1, . . . , rN ) dr1 . . . drN

=

1

 

Z

. . . Z

X

N Φ(|ri − rj |) dr1 . . . drN

V N

 

1 i<j

=

1

 

N(N2− 1)

Z . . . Z Φ(|r1 − r2|) dr1 . . . drN

V N

=

1

 

N(N2− 1)

V N2 Z Z

Φ(|r1 − r2|) dr1dr2

V N

 

N

 

1)

Z

 

 

 

 

=

N( 2V

 

Φ(R) dR.

 

Ми використали тут iз попереднього прикладу вирази для хвильової функцiї основного стану, а останню рiвнiсть отримуємо переходом вiд змiнних r1, r2 до нових змiнних r1, R = r1 − r2 з якобiаном, рiвним одиницi. Остато-

чно

E(1) = N(N − 1) ν0,

2V

де ν0 нульова компонента коефiцiєнта Фур’є енерґiї парної взаємодiї мiж

частинками.

Приклад 3. Збудженi стани рiдкого 4He. Хвильову функцiю нижчого збудженого стану системи N невзаємодiючих бозе-частинок отримуємо iз загальної формули, покладаючи для (N − 1) частинок iмпульси рiвними нулевi, а для однiєї з них iмпульс p 6= 0:

r

 

N!

 

V

 

N1

 

V

 

 

 

ψ =

 

(N −

1)!

 

 

1

 

 

eipr1/~

+ . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

N!

V

N1

V

 

 

 

. . . +

 

 

 

(N − 1)!

 

1

 

 

 

eiprN

/~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

661

або

 

 

 

 

N

 

1

X

ψ = ψ0ρq,

q = p/~, ρq =

N

j=1 eiqrj .

Такий вигляд функцiї можна записати як перше наближення i для системи взаємодiючих бозе-частинок, якщо пiд ψ0 розумiти точну хвильову фун-

кцiю основного стану i врахувати сталу нормування:

p

ψ = ψ0ρq/ Sq,

де структурний фактор Sq = hψ0qρq0i, так що hψ|ψi = 1; для iдеального

бозе-газу Sq = 1.

Обчислимо з цiєю хвильовою функцiєю енерґiю збудженого стану для такої квантової бозе-рiдини як рiдкий 4He. З рiвняння Шрединґера

 

 

N

 

~2

X

2m

j=1 j2 + Φ! ψ = Eψ,

беручи до уваги рiвняння для основного стану з ψ0 i енерґiєю E0, знаходимо:

 

~2

N

 

ψ0 j2ϕ + 2 ( j ϕ) ( j ψ0)

= (E − E00ϕ,

2m

 

 

j=1

 

 

 

X

p

ϕ = ρq/ Sq. Множимо це рiвняння на ψ й iнтеґруємо за всiма координатами частинок. Скористаймось тим, що ψ0, як хвильова функцiя основного стану, є дiйсною величиною, тому ψ0 j ψ0 = j ψ02/2, й iнтеґруванням части-

нами у другому доданку в квадратних дужках перекидаємо дiю оператораj з ψ02 налiво. У результатi отримуємо, що

~2 XN

0| | j ϕ|2 0i = E − E0,

2m j=1

або, пiдставляючи ϕ, одержуємо остаточно для енерґiї Eq = E − E0:

Eq = ~2q2/2mSq.

Цей вираз, який уперше знайшов Р. Фейнман у 1953 роцi, якiсно правильно описує енерґетичний спектр надплинного 4He.

§ 82. Теорiя атома гелiю

Атом гелiю є найпростiшим серед багатоелектронних атомiв, але саме на ньому теорiя Бора не змогла подолати труднощiв iз поясненням спектральних термiв. I лише зi створенням квантової

662

механiки В. Гайзенберґом i Е. Шрединґером вдалося дати чiтке пояснення спостережуваних закономiрностей спектральних лiнiй гелiю й побудувати для них кiлькiсну теорiю. Це фактично зробив Гайзенберґ у своїх перших роботах.

Рис. 64. Система двох електронiв у полi ядра.

Отже, розглянемо систему, яка складається з двох електронiв, що рухаються в полi ядра iз зарядом Z|e| (див. рис. 64). До таких

систем належать атом гелiю, однократно йонiзований атом лiтiю, вiд’ємний йон водню Hта iншi багатократнi йони. Ми знехтуємо

релятивiстськими поправками. Крiм того, будемо вважати ядро нерухомим, беручи до уваги те, що вiдношення маси електрона m до маси ядра M є малою величиною, m/M 1.

Запишемо гамiльтонiан такої системи, помiстивши ядро в початок координат:

ˆ ˆ

ˆ

ˆ

H = H0

(1) + H0

(2) + V ,

де гамiльтонiан першого електрона в полi ядра

ˆ

 

12

Ze2

 

H0

(1) =

 

 

,

2m

r1

663

другого електрона

ˆ

 

22

Ze2

H0

(2) =

2m

r2

та оператор енерґiї мiжелектронної кулонiвської взаємодiї

ˆ

e2

V =

r

,

r1, r2 радiус-вектори електронiв, 1, pˆ2 оператори їхнiх iм-

пульсiв, а r = r1 − r2.

Розгляньмо спочатку основний стан. Якщо припустити, що електрони мiж собою не взаємодiють, то ми маємо водневоподiбну задачу i основний стан обох електронiв задається такими кванто-

вими числами: n1 = 1, l1 = 0, m1 = 0; n2 = 1, l2 = 0, m2 = 0. Тобто обидва електрони перебувають в |1si-станi. Ця електронна

конфiґурацiя зображається як (1s)2. Отже, електрони описуємо

такими координатними хвильовими функцiями:

ϕ1s(r1) = √1 e−r1/a,

πa3

ϕ1s(r2) = √1 e−r2/a,

πa3

де

a = aB/Z.

Електрони є фермi-частинками, i повна хвильова функцiя ψ = ψ(x1, x2) повинна бути антисиметричною:

ψ(x1, x2) = −ψ(x2, x1).

Спiновi та координатнi змiннi роздiляються, отже

ψ(x1, x2) = χ(s1, s2)ϕ(r1, r2).

Оскiльки обидва електрони перебувають у |1si-станi, то з ϕ1s(r1) та ϕ1s(r2) можна утворити лише симетричну координатну хвильо-

ву функцiю:

ϕ = ϕs(r1, r2) = ϕ1s(r11s(r2).

664

Таким чином, спiнова функцiя повинна бути антисиметричною:

1

 

χ(s1, s2) = χa(s1, s2) = √2

(s1(s2) − χ(s1(s2)},

де одноелектроннi спiновi функцiї у власному зображеннi (спiнори), з якими ми познайомились у §35,

χ=

 

1

 

,

 

 

0

 

 

χ=

 

0

.

 

 

1

 

 

Тут за змiнну s слугує проекцiя спiну на видiлену вiсь, яка набуває

двох значень ~/2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

Дослiдимо спiновий стан, який описує функцiя

χ

(s1, s2). Для

цього

подiємо

на

неї

оператором z-компоненти

повного спiну

ˆ

 

 

+ ˆs2, де ˆs1 = ~σˆ 1/2, ˆs2 = ~σˆ 2

/2 оператори спiнiв пер-

S = ˆs1

шого та другого електронiв. Отже,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆz

a

 

 

 

z

 

 

 

z

a

1

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

χ

(s1, s2) = (ˆs1

+ sˆ2

(s1, s2) =

 

 

(s2)ˆs1χ(s1)

2

 

 

 

− χ(s2)ˆs1zχ(s1) + χ(s1)ˆs2zχ(s2) − χ(s1)ˆs2zχ(s2)}

 

 

 

 

1

~

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

χ(s2(s1) −

 

χ(s2(s1)

 

 

 

2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

~

χ(s1(s2) −

~

χ(s1(s2) = 0.

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

Подiємо тепер на функцiю χa(s1, s2) оператором квадрата повного

спiну:

ˆ2

a

(s1, s2) =

 

2

2

 

 

 

a

(s1

, s2)

S

χ

(ˆs1

+ sˆ2

+ 2ˆs1ˆs2

 

 

=

 

3

~2 +

3

~2 +

2ˆs1ˆs2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4

 

665

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

(s1(s2) − χ(s1(s2)] .

 

 

2

 

Нам необхiдно знайти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆs1ˆs2χ(s1(s2) =

 

 

σˆ1χ(s1)σˆ 2χ(s2).

 

 

2

 

 

Для цього обчислимо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σˆ χ= i

 

0

1

 

1

 

+ j

 

 

0 −i

 

1

 

 

 

1

0

 

0

 

 

i

0

 

0

 

+ k

1

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

−1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= i

 

0

 

+ j

 

0

 

+ k

1

,

 

 

 

а також

 

1

 

 

 

 

i

 

 

 

0

 

 

 

 

σˆ χ= i

 

0

1

 

0

 

+ j

 

 

0 −i

0

 

 

1

0

 

1

 

 

i

0

 

1

 

+ k

1

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

−1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= i

 

1

 

+ j

 

−i

+ k

 

0

.

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

−1

 

 

 

Тепер легко показати, що

~2

ˆs1ˆs2χ(s1(s2) = 4 [2χ(s1(s2) − χ(s1(s2)] i аналогiчно

~2

ˆs1ˆs2χ(s1(s2) = 4 [2χ(s1(s2) − χ(s1(s2)].

666

Збираючи отриманi вирази разом, знаходимо

 

 

~2

 

3

3

 

Sˆ2χa(s1, s2) =

 

 

 

χ(s1(s2) −

 

χ(s1(s2)

2

2

2

+

1

 

[2χ(s1(s2) − χ(s1(s2)]

 

 

 

2

 

1

[2χ(s1(s2) − χ(s1(s2)] = 0.

 

 

2

Отже, ми отримали, що

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ2

 

a

(s1, s2) = 0,

 

 

 

 

 

S

χ

 

 

 

 

 

 

ˆz

 

a

(s1, s2) = 0.

 

 

 

 

 

S

χ

 

Це означає, що χa(s1, s2) є власною функцiєю оператора квадра-

та повного спiну i його проекцiї з власними значеннями, рiвними нулевi. Таким чином, повний спiн системи двох електронiв, яку описує антисиметричний спiнор χa(s1, s2), дорiвнює нулевi. У

цьому випадку говорять про систему двох електронiв iз протилежно напрямленими спiнами. Ця хвильова функцiя є прикладом так званого сплутаного стану, коли окремi частинки не мають точного значення проекцiй своїх спiнiв, але сумарний спiн вiдомий i точно дорiвнює нулевi.

Застосуємо для обчислення енерґiї системи теорiю збурень, вибираючи в ролi оператора збурення енерґiю мiжелектронної взаємодiї:

E = E(0) + E(1) + · · · ,

де нульове наближення

E

(0)

ˆ

 

 

ˆ

(2)i

 

 

 

 

 

= hH0(1) + H0

 

 

 

 

 

 

= Z

dr1

Z

dr2

X X

ψ+(x1, x2)[Hˆ0(1) + Hˆ0(2)]ψ(x1, x2)

 

 

 

s1

s2

 

 

 

= 2Z dr1ϕ1s(r1)Hˆ

0(1)ϕ1s(r1) = 2hH0(1)i = 2E1s = 2

Ze2

,

 

 

2a

667

а поправка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E(1) =

hVˆ i = Z

dx1

Z

dx2ψ+(x1, x2)

e2

 

ψ(x1, x2)

r

=

Z

dr1 Z

dr2 ϕ12s(r112s(r2)

 

e2

 

.

|r1 − r2|

Ми скористались тим, що спiнова функцiя нормована:

X X χ+(s1, s2)χ(s1, s2) = 1.

s1 s2

Розкладемо енерґiю кулонiвської взаємодiї мiж електронами в ряд Фур’є:

 

e2

 

 

=

1

eiq(r1−r2)

4πe2

.

r1

 

r2

 

V

 

|

 

|

 

 

X

 

 

 

 

 

 

q

Тепер

E(1) = X 4πe2 1s(q)|2,

q q2V

де коефiцiєнт Фур’є електронної густини

ρ1s(q) =

1

Z

dr e−2r/aeiqr.

πa3

Iнтеґрал у виразi для ρ1s(q) легко обчислити:

 

 

 

 

 

1

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ1s(q) =

 

Z0

Z0

 

sin θ dθ Z0

r2e−2r/aeiqr cos θdr

 

 

 

πa3

= πa3

Z0

 

q

e−2r/a sin qr dr = qa3 Im Z0

reiqr−2r/a dr

 

1

 

 

 

 

4πr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

q4

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

Im

 

 

 

 

 

=

 

 

 

0

 

 

,

 

 

 

qa

3

 

(iq

 

 

2

 

(q

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

− 2/a)

 

 

+ q0)

 

 

 

 

 

 

668

де q0 = 2/a. Отже, пiсля переходу вiд пiдсумовування за q до iнтеґрування енерґiя

 

 

 

 

 

 

 

 

πe2

 

V

 

 

1

 

 

 

 

29e2

 

 

 

 

 

 

E(1) =

4

 

 

 

 

 

 

Z dq

 

1s(q)|2

=

 

 

 

I,

 

 

 

 

 

V

(2π)3

q2

πa8

 

 

 

де

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dq

 

 

 

1

 

 

dq

 

 

1

 

 

d

 

3

dq

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =

Z0

 

 

 

 

=

 

 

Z−∞

 

= −

 

 

 

Z−∞

 

(q2 + q02)4

2

(q2 + ξ)4

12

 

q2 + ξ

 

 

1

 

 

d

3 π

 

 

 

 

5πa7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

=

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

212

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тут уведено промiжне позначення ξ = q02. Таким чином, поправка

E(1) = 5 e2 .

8 a

Повна енерґiя основного стану

E = −2Z2e2 + 5 Ze2 .

2aB 8 aB

Знайдемо енерґiю йонiзацiї

J = E1s − E,

яку вимiрюють експериментально. В атомних одиницях

J = J

e2

 

Z2

−Z2 +

5

 

=

Z2

5

 

 

= −

 

 

Z

 

 

Z.

aB

2

8

2

8

Таким чином, розраховане значення енерґiї йонiзацiї

J = 34,

а експериментально вимiряне значення

Jexp 0.9.

Абсолютне значення поправки E(1) не є малою величиною в

порiвняннi з нульовим наближенням енерґiї. Це означає, що вiд стандартної теорiї збурень не можна очiкувати кiлькiсних результатiв. Тому доцiльно застосувати до нашої задачi варiацiйний

669

принцип. У ролi одноелектронної функцiї вiзьмемо хвильову функцiю основного стану з водневої задачi, але з деяким ефективним зарядом ядра Z :

 

 

 

1

 

e−r/a,

 

 

 

 

 

aB

 

ϕ1s(r) =

 

 

 

 

 

a =

 

 

.

 

 

 

Z

 

πa3

 

Величину Z знайдемо з умови мiнiмуму енерґiї

 

 

ˆ

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

E = hHi

= hH0(1)i + hH0

(2)i + hV i.

 

Середнє значення

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

hH0(1)i = −

 

 

 

12 − Z

 

 

 

 

 

 

 

2m

r

 

 

 

 

 

розрахуємо, використовуючи результати Прикладу 1 до §41:

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

~2

 

 

 

 

− Z

e2

 

 

 

 

 

 

 

hH0(1)i

=

2ma2

a

.

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

Середнє значення енерґiї

Очевидно також, що hH0(2)i

= hH0(1)i.

мiжелектронної взаємодiї ми щойно обчислили:

 

 

 

 

 

 

DVˆ E =

5 e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепер повна енерґiя, як функцiя варiацiйного параметра Z ,

 

~2

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

5 e2

e2

5

 

 

E = E(Z ) = 2

 

− Z

 

+

 

 

 

 

=

 

Z 2 − 2ZZ +

 

Z

.

2ma2

a

8

a

aB

8

З умови dE(Z )/dZ = 0 знаходимо ефективний заряд ядра

 

 

 

 

 

Z

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Z −

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Друга похiдна d2E(Z )/dZ 2 є додатною, тому це значення Z

приносить мiнiмум енерґiї.

Отже, ефективний заряд є меншим, нiж справжнiй. Це означає, що один електрон екранує заряд ядра для другого, зменшуючи його на 5/16. Тепер повна енерґiя

E = − e2 Z 2 aB

670