Der Hamiltonianer für das Wasserstoffatom,
Das Wasserstoffatom weist auch eine weitere Entartung auf, da es bei jedem Drehimpuls normalerweise andere gibt l s mit der gleichen Energie. Diese Entartung ist auf die Existenz einer zweiten Bewegungskonstante zurückzuführen, die üblicherweise als Laplace-Runge-Lenz- Vektor bezeichnet wird.
Der Runge-Lenz-Vektor hat auch eine reichhaltige geometrische Interpretation. Bei einer klassischen elliptischen Umlaufbahn zeigt sie vom Fokus zur Periapsis und ihre Größe ist proportional zur Exzentrizität der Umlaufbahn. Bei kreisförmigen Bahnen verschwindet es.
Bildquelle: Wikipedia
Das Wasserstoffatom wird normalerweise in der gemeinsamen Eigenbasis des Hamilton- und des Drehimpulses mit den bekannten und beliebten Quantenzahlen beschrieben | n l m⟩ . Allerdings ist der Runge-Lenz-Vektor EIN ist auch eine Konstante der Bewegung.
Genauer gesagt suche ich nach der räumlichen Struktur der gemeinsamen Eigenfunktionen von H. und mindestens eine Komponente von EIN und möglicherweise auch von EIN 2 (die in Analogie zu den gemeinsamen Eigenfunktionen von H. , L. 2 und L. z ist das Höchste, was man erwarten kann), und wenn dies nicht möglich ist, dann eine Erklärung des Grundes und eine Beschreibung geeigneter dritter Quantenzahlen, um einen CSCO zu vervollständigen. Ich würde gerne wissen, was ihre entsprechenden Eigenwerte sind und wie unsicher die anderen Komponenten sind, ob man dem Orbital eine klassische Exzentrizität zuweisen kann und allgemeiner in Bezug auf die entsprechende klassische Geometrie.
Ihr Kommentar hat mich dazu inspiriert, in Mathematica zu zeichnen :)
Nach der Diskussion in Kapitel 14 von Robert Gilmores "Lie Groups, Physics and Geometry" werden die Eigenzustände durch Zustände angegeben S. U. ( 2 ) × S. U. ( 2 ) Zustände mit Quantenzahlen | j 1 m 1 ;; j 2 m 2 ⟩ mit der weiteren Bedingung j 1 = j 2 . (Beachten Sie, dass der radiale Teil für die Diskussion irrelevant ist). Die Generatoren der beiden S. U. ( 2 ) : s sind gegeben durch J. 1 = 1 2 ( L + A. ' ) und J. 2 = 1 2 ( L - A. ' ) , wo
Es ist einfach, einen solchen Zustand in Eigenzustände der Diagonale zu zerlegen S. U. ( 2 ) Symmetrie entsprechend dem Drehimpuls, wobei die Koeffizienten die Standard- Clebsch-Gordan-Koeffizienten sind . Es ist ziemlich langweilig, dies von Hand zu tun, aber zum Glück kann es mit Mathematica vollständig automatisiert werden. Der folgende Code erstellt den Eigenzustand | J. , M. 1 ;; J. , M. 2 ⟩ in Bezug auf sphärische Harmonische (die Warnung, die es manchmal erzeugt, ist hoffentlich nichts Ernstes).
eigenstate[J_, M1_, M2_] := Sum[ClebschGordan[{J, M1}, {J, M2}, {j, M1 + M2}] SphericalHarmonicY[j, M1 + M2, \[Theta], \[Phi]], {j, 0, 2 J}]
Wir müssen es jetzt nur noch mit dem Code zeichnen
SphericalPlot3D[Abs[eigenstate[1, 1, -1]]^2, {\[Theta], 0, \[Pi]}, {\[Phi], 0, 2 \[Pi]}, PlotRange -> {{-0.25, 0.25}, {-0.25, 0.25}, {-0.7, 0.7}}]
Dies ergibt das folgende Diagramm für die Wahrscheinlichkeitsverteilung im Zustand | 1 , 1 ; 1 , - 1⟩ ::
Hier sind die Staaten | 1/2 , - 1/2 ; 1/2 , 1 / 2⟩ | 1 , 1 ; 1 , 0⟩ , | 1 , 0 ; 1 , 0⟩ und | 1 , 0 ; 1 , 1⟩ ::
Der vierte Zustand ist das Spiegelbild des zweiten. Beachten Sie, dass die Achsen auf der ersten etwas anders sind als auf den anderen drei.
Während es einfach ist, mehr Diagramme zu erstellen, macht es mehr Spaß, in Mathematica mit ihnen herumzuspielen, wo Sie sie drehen und die Details leichter sehen können.
Ich denke, es macht keinen Sinn, nach Eigenfunktionen des Runge-Lenz-Vektors zu fragen. Der Grund ist, dass der Kommutator zweier Komponenten des Runge-Lenz-Vektors, [ A. x A. y ]] ist proportional zu L. z . Das Beste, was man tun kann, ist, dass es eine Eigenfunktion einer der Komponenten ist, sagen wir EIN z zusammen mit den beiden Casimirs J. 2 1 und J. 2 2 . Olofs Antwort oben ist also das Beste, was man tun kann. Es ist eine einfache, möglicherweise mühsame Übung, den Erwartungswert zu berechnen ⟨A. x ⟩ in einem dieser Staaten. Das verallgemeinerte Unsicherheitsprinzip (auch bekannt als Robertson-Schrödinger-Beziehung) kann zur Schätzung verwendet werden Δ A. x Δ A. y in jedem Zustand.
Olof
Emilio Pisanty