Кіріспе
Сутек элементінің атомы, сутек атомының физикасы. Сутек атомы – сутек химиялық элементінің атомы. Электрлік бейтарап атомда бір оң зарядты протон және Кулон күшімен ядроға байланысқан бір теріс зарядты электрон бар. Атомдық сутек ғаламның бариондық массасының шамамен 75% құрайды. Жердегі күнделікті өмірде оқшауланған сутек атомдары ("атомдық сутек" деп аталады) өте сирек кездеседі. Керісінше, сутек атомы қосылыстардағы басқа атомдармен немесе тағы бір сутек атомымен бірігіп, қарапайым (диатомдық) сутек газы H2 құрайды. "Атомдық сутек" және "сутек атомы" терминдері ағылшын тілінде мағыналары жақын, бірақ ерекшеленеді. Мысалы, су молекуласында екі сутек атомы бар, бірақ атомдық сутек жоқ (яғни, оқшауланған сутек атомдары туралы сөз болып отыр). Атомдық спектроскопия көрсеткендей, сутек (немесе кез келген) атомының болуы мүмкін дискретті, шексіз күйлер жиынтығы бар, бұл классикалық физиканың болжамдарына қайшы келеді. Сутек атомының күйлерін теориялық тұрғыдан түсінуге жасалған тырастықтар кванттық механика тарихында маңызды рөл атқарды, себебі барлық басқа атомдарды осы ең қарапайым атом құрылымын толық білу арқылы шамамен түсінуге болады.
the physics of the hydrogen atom
A hydrogen atom is an atom of the chemical element hydrogen. The electrically neutral atom contains a single positively charged proton and a single negatively charged electron bound to the nucleus by the Coulomb force. Atomic hydrogen constitutes about 75% of the baryonic mass of the universe. In everyday life on Earth, isolated hydrogen atoms (called "atomic hydrogen") are extremely rare. Instead, a hydrogen atom tends to combine with other atoms in compounds, or with another hydrogen atom to form ordinary (diatomic) hydrogen gas, H2. "Atomic hydrogen" and "hydrogen atom" in ordinary English use have overlapping, yet distinct, meanings. For example, a water molecule contains two hydrogen atoms, but does not contain atomic hydrogen (which would refer to isolated hydrogen atoms). Atomic spectroscopy shows that there is a discrete infinite set of states in which a hydrogen (or any) atom can exist, contrary to the predictions of classical physics. Attempts to develop a theoretical understanding of the states of the hydrogen atom have been important to the history of quantum mechanics, since all other atoms can be roughly understood by knowing in detail about this simplest atomic structure.
Изотоптар
Ең көп таралған изотоп – протий (1H), немесе жеңіл сутек, нейтрондардан тұрмайды, ол тек протон мен электрондан ғана құралған. Протий тұрақты және табиғи сутек атомдарының 99,985% құрайды. Девтерий (2H) ядросында бір нейтрон және бір протон болады. Девтерий де тұрақты және табиғи сутектің 0,0156% құрайды, мұнда Бор радиусы және классикалық электрон радиусы берілген. Егер осылай болса, барлық атомдар дереу құлдырап кетер еді, бірақ атомдар тұрақты болып көрінеді. Бұдан әрі, спираль тәрізді ішке қарай қозғалғанда, орбита кішірейген сайын электромагниттік жиіліктердің таралуы байқалар еді. Алайда, атомдар тек дискретті жиіліктегі сәуле шығаратыны анықталды. Осы мәселенің шешімі кванттық механиканың дамуында жатыр.
where is the Bohr radius and is the classical electron radius. If this were true, all atoms would instantly collapse, however atoms seem to be stable. Furthermore, the spiral inward would release a smear of electromagnetic frequencies as the orbit got smaller. Instead, atoms were observed to only emit discrete frequencies of radiation. The resolution would lie in the development of quantum mechanics.
Шредингер теңдеуінің нәтижелері
Шредингер теңдеуінің (толқын теңдеуі) сутек атомы үшін шешімі ядрода туындайтын Кулон потенциалының изотроптық (кеңістікте радиалды симметриялы және тек ядроға дейінгі қашықтыққа ғана тәуелді) екенін пайдаланады. Нәтижесінде алынған энергияның өзіндік функциялары (орбитальдар) міндетті түрде изотроптық болмаса да, олардың бұрыштық координаталарға тәуелділігі толығымен негізгі потенциалдың осы изотропиясынан туындайды: Гамильтон операторының өзіндік күйлері (яғни, энергияның өзіндік күйлері) бұрыштық импульс операторының бір уақыттағы өзіндік күйлері ретінде таңдалуы мүмкін. Бұл электронның ядроны айнала қозғалысында бұрыштық импульс сақталуымен сәйкес келеді. Сондықтан энергияның өзіндік күйлерін екі бұрыштық импульс кванттық санымен жіктеуге болады, және (екеуі де бүтін сандар). Бұрыштық импульс кванттық саны бұрыштық импульстің шамасын анықтайды. Магниттік кванттық сан бұрыштық импульстің (кез келген) оське проекциясын анықтайды. Толқындық функциялардың жалпы бұрыштық импульсі мен бұрыштық импульс проекциясы үшін математикалық өрнектерге қоса, толқындық функциялардың радиалдық тәуелділігін сипаттайтын өрнекті табу қажет. Дәл осы жерде Кулон потенциалының егжей-тегжейлі сипаттамасы қолданылады (Лагерр полиномдарына алып келеді). Бұл үшінші кванттық санға, яғни, бас кванттық санға алып келеді. Сутектегі бас кванттық сан атомның жалпы энергиясымен байланысты. Бұрыштық импульс кванттық санының максималды мәні бас кванттық санымен шектеледі: ол тек дейін жете алады, яғни . Бұрыштық импульс сақталуына байланысты, бірдей бірақ әртүрлі күйлердің энергиясы бірдей болады (бұл айналмалы симметрияға ие барлық мәселелерге қатысты). Сонымен қатар, сутек атомы үшін бірдей бірақ әртүрлі күйлер де дегенерацияланған (яғни, олардың энергиясы бірдей). Алайда, бұл сутекке тән ерекше қасиет, және (тиімді) потенциалы формасынан өзгеше болатын күрделі атомдар үшін бұдан былай дұрыс емес (ядролық потенциалды қорғайтын ішкі электрондардың болуына байланысты). Электронның спинін ескере отырып, соңғы кванттық сан қосылады, ол электронның спиндік бұрыштық импульсінің осіне проекциясы, ол екі мәнді қабылдауы мүмкін. Сондықтан сутек атомындағы электронның кез келген өзіндік күйі төрт кванттық санмен толық сипатталады. Кванттық механиканың қалыпты ережелеріне сәйкес, электронның нақты күйі осы күйлердің кез келген суперпозициясы болуы мүмкін. Бұл сондай-ақ бұрыштық импульс векторының бағытты кванттау үшін осьтің таңдалуының маңызды еместігін түсіндіреді: берілген және алынған орбиталь басқа басымдық берілген ось үшін әрқашан әртүрлі (бірақ бірдей ) алынған әртүрлі күйлердің қолайлы суперпозициясы ретінде көрсетілуі мүмкін.
Due to angular momentum conservation, states of the same but different have the same energy (this holds for all problems with rotational symmetry). In addition, for the hydrogen atom, states of the same but different are also degenerate (i. e., they have the same energy). However, this is a specific property of hydrogen and is no longer true for more complicated atoms which have an (effective) potential differing from the form (due to the presence of the inner electrons shielding the nucleus potential). Taking into account the spin of the electron adds a last quantum number, the projection of the electron's spin angular momentum along the axis, which can take on two values. Therefore, any eigenstate of the electron in the hydrogen atom is described fully by four quantum numbers. According to the usual rules of quantum mechanics, the actual state of the electron may be any superposition of these states. This explains also why the choice of axis for the directional quantization of the angular momentum vector is immaterial: an orbital of given and obtained for another preferred axis can always be represented as a suitable superposition of the various states of different (but same ) that have been obtained for .
Сутек атомының өзіндік күйлерінің математикалық қорытуы
1928 жылы Пол Дирак арнайы салыстырмалылық теориясымен толық үйлесімді теңдеу тапты, және (соның салдарынан) толқындық функцияны 4 компонентті "Дирак спиноры" етіп жасады, оның құрамында "жоғары" және "төмен" спин компоненттері, сондай-ақ оң және "теріс" энергия (немесе материя және антиматерия) болды. Осы теңдеудің шешімі Шредингер шешімінен дәлірек келесі нәтижелерді көрсетті.