Odzyskanie urodzonych oppeiimer-Wikipedia

before-content-x4

L ’ Przybliżenie urodzone to otwarte owce Pozwala równaniu Schrödingera na drastyczne uproszczenie [[[ Pierwszy ] W [[[ 2 ] Do obliczenia funkcji fali cząsteczki. Składa się z oddzielenia ruchu elektronów z jąder, ze względu na ich bardzo różne masy. Rzeczywiście, z powodu faktu, że masa nukleonu jest około 2000 (~ 1 836) razy wyższa niż elektron, jądra mają znacznie wolniejsze ruch niż elektron. Możemy zatem wziąć pod uwagę, że elektrony dostosowują się w adiabatyczny sposób do pozycji jąder [[[ 3 ] , oznacza to, że elektrony „poruszają się tak szybko w porównaniu do jąder, że mogą natychmiast przystosować się (od punktu widzenia jąder) do ich ruchu.

Przybliżenie przybliżenia przez narodziny [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Oprócz adiabatycznego charakteru systemu, oryginalny artykuł z 1927 r., Zatytułowany ” O teorii kwantowej cząsteczek » [[[ Pierwszy ] opracowuje przybliżenie jako funkcja parametru

X {DisplayStyle x}

(rzekomo małe) proporcjonalne do czwartego korzenia stosunku mas elektronów i jąder. Zauważamy

Masy i pozycje elektronów i

after-content-x4

Masy i pozycje jądra. Jeśli teraz wprowadzimy średnią wartość

M {DisplayStyle M}

Masy jąder

M L {DisplayStyle M_ {L}}

, w którym gdzie

Następnie możemy napisać masy jąder zgodnie z masą elektronu jako

Potencjalna energia systemu jest pisana naturalnie zgodnie z stopniami systemu systemu

Energia kinetyczna związana z elektronami można wyrazić jako

podczas gdy to związane z jąderami można wyrazić w podobny sposób za pomocą parametru

X {DisplayStyle x}

wcześniej wprowadzone

System Hamiltonian może następnie rozbić jako

Lub

Większość autorów po urodzeniu i oppenheimer jest ograniczona do rozwoju na zamówienie 0 w

X {DisplayStyle x}

. Jest to uzasadnione faktem, że skala czasowa związana z elektronicznymi wzbudzenia, która jest proporcjonalna, w przeciwieństwie do elektronicznej szerokości pasku przejściowego, jest mniejsza niż charakteryzująca jony, to znaczy „częstotliwości odwrotnego fononu. W związku z tym konfiguracja elektroniczna może być uznana za całkowicie zrelaksowaną w swoim podstawowym stanie dla każdej konfiguracji przyjętej przez jony podczas ich ruchu. Ta obserwacja oferuje zatem możliwość oddzielenia ruchów jądrowych i elektronicznych, abyśmy mogli rozważyć oddzielenie zmiennych elektronicznych i jądrowych. Całkowity system systemu można w tym przypadku zapisać jako iloczyn funkcji falowej opisującej jądra

Phi ( R ) {DisplayStyle Phi (r)}

i inna funkcja fali opisująca elektrony

Φ R ( r) {DisplayStyle psi _ {r} ({vec {r}})}

I w zależności od parametrycznego sposobu pozycji jonowych (to znaczy zależy tylko od natychmiastowej pozycji jąder, a nie od ich dynamiki). Dlatego mamy całkowitą funkcję falową opisującą cząsteczkę, która jest zapisana jako

Lub

R {displayStyle {vec {r}}}

jest grą wszystkich współrzędnych nuklearnych i

R {displayStyle {vec {r}}}

jest elektrony zawarte w systemie.

W przybliżeniu urodzonego oppenheimera uważamy zatem jądro za nieruchome (stąd

Ti^= 0 {displayStyle {hat {t_ {i}}} = 0}

) i badamy ruch elektronów w sztywnej sieci krystalicznej: jądra są „pozbawione ich statusu dynamicznego” i są zredukowane do dodatnich obciążeń, które stało się „zewnętrzne” dla chmury elektronicznej. Problem w

( N To jest + N I ) {DisplayStyle (no+ni)}

Ciało zostało uproszczone, o ile jedyne rozważane cząstki są teraz negatywnie obciążone elektronami i przechodzące do zewnętrznego potencjału jąder. W ramach tego przybliżenia możemy następnie wziąć pod uwagę, że elektrony można traktować adiabatycznie. Leczenie adiabatyczne polega na zaniedbaniu sprzężonych terminów (

J k {DisplayStyle Jneq k}

) Nieadiabatyczne (interakcja elektron-fonon), która pochodzi z kinetycznego operatora jąder działającego na funkcję fali elektronicznej

Φ R ( r) {DisplayStyle psi _ {r} ({vec {r}})}

. Konsekwencje tego podwójnego uproszczenia można zmierzyć poprzez ocenę ewolucji terminów zawartych w całkowitym Hamiltonianie systemu i nowej Hamiltonian wynikającej z przybliżenia urodzonego oppenheimera:

Termin nuklearna energia kinetyczna, niezależnie od elektronów, jest anulowany (

Ti^ = 0 {displayStyle {hat {t_ {i}}} = 0}

; Niezwykłe części Hamiltonian wynikające z tego podwójnego przybliżenia urodzonego optnheimera i adiabatycznego są zatem energię kinetyczną gazu elektronowego, energia potencjalna spowodowana interakcjami elektronowo-elektronowymi i energią potencjalną elektronów w obecnie zewnętrznym potencjale jąder

Φ To jest L {DisplayStyle psi _ {el}}

Sprawdź równanie

Z

Całkowita energia tego systemu, zwana energią Born-Oppenheimera, jest wówczas sumą energii gazu elektronowego

I To jest L {DisplayStyle e_ {el}}

i energia elektrostatyczna jonów.

Na tym poziomie widzimy, że możliwe jest określenie pozycji jąder odpowiadających fundamentalnym stanowi kryształu: będą to te, które minimalizują

I To jest + I ( R ) {DisplayStyle e_ {e+i} ({vec {r}})}

. Hamiltonian składa się zatem tylko z wkładu elektronicznego (mono

: T ^ W v^To jest I {DisplayStyle -: {ma {t}}, {ma {v}} _ {ei}}

i Belectronics:

v^To jest To jest {displayStyle {hat {v}} _ {ee}}

). Oprócz liczby elektronów specyficznych dla systemu, części te można uznać za uniwersalne. Informacje specyficzne dla systemu – charakter pozycji jąder i atomowych – są zawarte całkowicie w

v^To jest X T v^I I {DisplayStyle {hat {v}} _ {ext} {hat {v}}} _ {2}}

. W większości systemów przybliżenie to odpowiada rozsądnemu uproszczeniu, ponieważ zaniedbane warunki są rzędu stosunku między efektywną masą elektroniczną a masą jonową,

M To jest / M I {DisplayStyle m_ {e}/m_ {i}}

i dlatego są poniżej

dziesięć 4 {DisplayStyle 10^{-4}}

. Ten rząd wielkości jest niższy niż błędy zapełnione na ogół z innych przybliżeń stosowanych do rozwiązania równania Schrödingera. Dlatego skupimy się tylko na ustaleniu

I To jest L {DisplayStyle e_ {el}}

.

Chociaż podwójne przybliżenie Born-Optnheimer umożliwia znaczne zmniejszenie stopnia złożoności związanego z rozdzielczością równania Schrödingera, „równanie elektroniczne”

H^To jest L Φ To jest L ( r) = I To jest L Φ To jest L ( r) {Wyświetlaczyle {hat {h}} _ {el} psi _ {el} ({vec {r}}) = e_ {el} psi _ {el} ({vec {r}}}}}}}}}}}}}

Pozostanie do rozwiązania pozostaje problemem ciała. Nowy całkowity system układu zależy od współrzędnych wszystkich elektronów i nie można go odrzucić w wkładach do pojedynczej cząstki ze względu na ich wzajemną interakcję, aby problem pozostał zbyt złożony, aby można go było rozwiązać w obliczeniach przy użyciu obecnych zasobów IT. Z powodu tej trudności wymagane są dodatkowe przybliżenia, aby skutecznie przeprowadzić rozdzielczość równania Schrödingera dla rzeczywistych materiałów.

Zasada [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Możemy podsumować dwa etapy metody cząsteczki obliczalnej, której jądra, które są uważane za punktualne w odniesieniu do ruchu elektronów, są odległe o długości R.

  1. Najpierw badamy ruch elektronów w Konfiguracja jądrowa Biorąc pod uwagę, gdzie wewnętrzna odległość R jest uważana za ustaloną (równoważne jest stwierdzenie, że dwa jądra są ustalone); Przybliżenie Born-Oppenheimer polega na stwierdzeniu, że ta hipoteza zapewni prawidłowe rozwiązania, chociaż brak ekspozycji. Następnie rozwiązujemy równanie Schrödingera dla elektronów, traktując R jako parametr. Dostajemy zestaw
  2. Następnie badamy ruch dwóch jąder (obrót i wibracja „hantli” utworzone przez dwa jądra), niezależnie od stanu układu elektronicznego. Ważną kwestią jest to, że energie

Aplikacja [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Hamiltonian z cząsteczki krwawej A-B [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Rozważamy cząsteczkę utworzoną przez dwa atomy, A i B, masy

M A {DisplayStyle M_ {A}}

I

M B {DisplayStyle M_ {B}}

, Liczba atomowa

Z A {DisplayStyle Z_ {A}}

I

Z B {DisplayStyle Z_ {B}}

. Te dwa atomy przynoszą sumę elektronów N, każde obciążenie -q, zidentyfikowane przez indeks i. Mamy

N = Z A + Z B {DisplayStyle n = z_ {a}+z_ {b}}

Jeśli cząsteczka jest neutralna elektrycznie. Obliczenia przeprowadzone poniżej są umieszczone w tym przypadku; Na przykład

Z A {DisplayStyle Z_ {A}}

jest również liczbą protonów jądra A jako liczby elektronów.
Hamiltonian musi obejmować energię kinetyczną jąder

T A {DisplayStyle t_ {a}}

I

T B {DisplayStyle T_ {B}}

, energia kinetyczna elektronów

T To jest {DisplayStyle t_ {e}}

, energia potencjalna interakcji elektrostatycznej jąder między nimi

W A B {DisplayStyle v_ {ab}}

, elektrony między nimi

W To jest To jest {DisplayStyle v_ {ee}}

, elektrony i jądra

W To jest A B {DisplayStyle v_ {eab}}

. Więc mamy

lub z

To jest 2 q24πϵ0{DisplayStyle e^{2} Equiv {frac {q^{2}} {4pi epsilon _ {0}}}}

Teraz umieszczamy się w standardzie środka masy G jąder i bierzemy G za pozycje. Zwróć uwagę, że nie jest dokładnie mylony z centrum masy cząsteczki. Energia kinetyczna jąder w laboratoryjnej ramie odniesienia jest, podobnie jak w mechanice klasycznej, sumę energii kinetycznej środka masy w tym repozytorium i energię kinetyczną jąder w ramce centrum masy (RCM). Wiemy (patrz klasyczny kurs mechaniczny), że w RCM badanie ruchu dwóch jąder można zmniejszyć do pozycji fikcyjnego telefonu komórkowego, którego pozycja jest podana

R= RB RA {DisplayStyle {rzecz {r}} = {rzecz {r}} _ {b}-{rzecz {r}} _ {a}}

i którego masa jest

M = mAmBmA+mB{DisplayStyle mu = {frac {m_ {a} m_ {b}} {m_ {a}+m_ {b}}}}}

W laboratorium:

T N O I T A + T B = T G + T ( R) {DisplayStyle t_ {noy} equiv t_ {a}+t_ {b} = t_ {g}+t ({vec {r}})}}

W RCM:

T N O I = T ( R) = 22μD R{DisplayStyle t_ {noy} = t ({vec {r}}) = {frac {-hbar ^{2}} {2mu}} delta _ {vec {r}}}}}}

Pozostałe warunki Hamiltoniana nie są zmodyfikowane w RCM, przypominając jednak, że pozycje są teraz identyfikowane w porównaniu do centrum masy A i B.

Elektroniczne równanie Schrödingera [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Równanie Schrödingera, którego całkowita fala funkcjonuje

Φ ( rI W R ) {DisplayStyle psi ({vec {r}} _ {i}, r)}

cząsteczki jest napisane

Gdzie, zgodnie z BO, ruchy elektroniczne i jądrowe są oddzielone, a w ruchu nuklearnym ruchy obrotu i wibracji są również:

I = I To jest L To jest C T R O N I Q W To jest + I W I B R A T I O N + I R O T A T I O N {DisplayStyle e = e_ {Electronque}+e_ {wibracja}+e_ {rotacja}}

I

Φ ( rI W R ) = Φ To jest L To jest C T R O N I Q W To jest ( rI W R ) × Φ W I B R A T I O N ( R ) × Φ R O T A T I O N ( th W ϕ ) {displayStyle psi ({vec {r}} _ {i}, r) = psi _ {electronque} ({vec {r}} _ {i}, r) Times psi _ {wibracja} (r) Times Psi _ { rotacja} (theta, phi)}

  • Przybliżenie Bo stanowi, że jądra jest ustalone w RCM:

W Hamiltonian istnieje zatem tylko warunki elektroniczne: jest to Hamiltonian, którego rozwiązaniem jest funkcja fali elektronicznej

X P ( rI W R ) {DisplayStyle chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r)}

Opisanie systemu elektronów cząsteczki:

H To jest L To jest C = T To jest + W ( rI W R ) {DisplayStyle H_ {elec} = t_ {e}+v ({vec {r}} _ {i}, r)}

gdzie zebraliśmy potencjalne warunki energii wymienione powyżej w terminie

W ( rI W R ) {DisplayStyle v ({vec {r}} _ {i}, r)}

. Zwróć uwagę, że uwzględniliśmy (z konwencji) termin Coulombian odpychanie jąder między nimi

W A B {DisplayStyle v_ {ab}}

. Nie jest to termin energii elektronicznej, ale jest traktowany jako stała, ponieważ zależy tylko od odległości między jąderkami, która sama jest traktowana jako parametr w przybliżeniu urodzonego oppenheimera.

Więc mamy

H To jest L To jest C X P ( rI W R ) = I P ( R ) X P ( rI W R ) {DisplayStyle H_ {elec} chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r) = e_ {p} (r) chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, R)}

  • Zakłada się, że całkowita funkcja fali cząsteczki rozwija się na podstawie

Wyrażenie, które jest przywrócone w początkowym równaniu Schrödingera, przed hipotezą Bo:

Dlatego przez działanie

H To jest L To jest C {DisplayStyle H_ {elec}}

:

Wyrażenie, które projektujemy na funkcji

X N ( rI W R ) {DisplayStyle chi _ {n} ({vec {r}} _ {i}, r)}

Adiabatic baza danych:

Ponieważ podstawa adiabatyczna jest ortonormalna.

Znamy działanie

T N O I = 22μD R{DisplayStyle t_ {noy} = {frac {-hbar ^{2}} {2MU}} delta _ {vec {r}}}

Dlatego w RCM:

T N O I [[[ Fp( R) χp( riW R ) ] = 22μD R[[[ Fp( R) χp( riW R ) ] {displayStyle t_ {noy} lewy [f_ {p} ({vec {r}}) chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r) right] = {frac {-hbar ^{2 2 }} {2mu}} delta _ {vec {r}} lewy [f_ {p} ({vec {r}}) chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r) prawy]}}}

TJ.

T N O I [[[ Fp( R) χp( riW R ) ] = 22μ[[[ Fp( R) ΔRχp( riW R ) + 2 RFp( R) Rχp( riW R ) + χp( riW R ) ΔRFp( R) ] {DisplayStyle t_ {noy} lewy [f_ {p} ({rzecz {r}}) chi _ {p} ({rzecz {r}} _ {i}, r) right] = {frac {-hBar {2} } {2MU}} po lewej [f_ {p} ({rzecz {r}}) delta _ {rzecz {r}} chi _ {p} ({Ring {r}} _ {i}, r) +2 {r r {r r) +2 {r r) ) +2 {{rzecz {nabla}} _ _ {rzecz {r}} f_ {p} ({rzecz {r}}) {Thing {Charge} _ _ {rzecz {r} chi _ {p} ({rzecz {r}} _ {i}, r

Przybliżenie adiabatyczne oznacza stwierdzenie, że zmiany funkcji fali elektronicznej

X P ( rI W R ) {DisplayStyle chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r)}

podczas niewielkiej odmiany

R{displayStyle {vec {r}}}

są nieistotne przed współczynnikami

F P ( R) {DisplayStyle f_ {p} ({vec {r}})}

. Zatem pierwsze dwa warunki powyższej sumy są zaniedbywane:

T N O I [[[ Fp( R) χp( riW R ) ] = 22μ[[[ χp( riW R ) ΔRFp( R) ] {displayStyle t_ {noy} lewy [f_ {p} ({vec {r}}) chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r) right] = {frac {-hbar ^{2 2 }} {2mu}} po lewej [chi _ {p} ({vec {r}} _ {i}, r) delta _ {vec {r}} f_ {p} ({vec {r}}) prawy]}}}}

  • Następnie przepiszmy wyrażenie uzyskane po projekcji

A ponieważ podstawa adiabatyczna jest ortonormalna:

D 3 R Pierwszy . . . D 3 R N X N ( rI W R ) X P ( rI W R ) = D N P {DisplayStyle int d^{3} r_ {1} … d^{3} r_ {n} chi _ {n}^{*} ({vec {r}} _ {i}, r) chi _ { p} ({vec {r}} _ {i}, r) = delta _ {np}}

, WIĘC :

że można przepisać w następujący sposób:

który pojawia się jako równanie Schrödingera, którego

Φ ( rI W R ) = F N ( R) X N ( rI W R ) {DisplayStyle psi ({vec {r}} _ {i}, r) = f_ {n} ({vec {r}}) chi _ {n} ({vec {r}} _ {i}, r)}}}}}}

jest rozwiązaniem, w ramach hipotezy adiabatycznej (w której w której

X N ( rI W R ) {DisplayStyle chi _ {n} ({vec {r}} _ {i}, r)}

zachowuje się jak wielokrotny skalar

F N ( R) {DisplayStyle f_ {n} ({vec {r}})}

, pod działaniem Laplaciana. Dlatego możemy wymienić

F N ( R) {DisplayStyle f_ {n} ({vec {r}})}

o

Φ ( rI W R ) = F N ( R) X N ( rI W R ) {DisplayStyle psi ({vec {r}} _ {i}, r) = f_ {n} ({vec {r}}) chi _ {n} ({vec {r}} _ {i}, r)}}}}}}

).

Zatem przybliżenie adiabatyczne umożliwiło przywrócenie stanu cząsteczki, początkowo opisanego jako superpozycja funkcji podstawy adiabatycznej, tylko do jednej z tych funkcji.

Nuklearne równanie Schrödingera [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Tutaj rozpoczynamy badanie obrotu i wibracji cząsteczki obręcznej. Podejmimy ostatnie powyższe równanie. Możemy interpretować to jako równanie jądrowego Schrödingera, w którym termin energia kinetyczna jest energią fikcyjnego mobilnego odpowiadającego względnemu ruchowi jąder (jest to całkowita energia kinetyczna jąder w ramach centrum masy) i gdzie własna wartość

I n( R ) {DisplayStyle e_ {n} (r)}

Elektroniczny Hamiltonian odgrywa rolę energii potencjalnej w tym nuklearnym Hamiltonian.

  • Energia ta jest funkcją promieniową, a wyniki związane z ruchem w potencjalnym centralnym potencjale, tradycyjnie uzyskane w badaniu kwantowym atomu wodoru: możemy się rozwinąć

Funkcjonować

W ( th W ϕ ) {DisplayStyle {Mathcal {u}} (theta, phi)}

opisuje obrót cząsteczki. Funkcjonować

VN ( R ) {DisplayStyle {Mathcal {v}} _ {n} (r)}

opisuje wibracje cząsteczki. Przekładając wyrażenie

F N ( R) {DisplayStyle f_ {n} ({vec {r}})}

W równaniu Schrödingera i pisząc działanie Laplacian (częściowo rozbita część promieniowa i kątowa), uzyskuje się równanie promieniowe

F N ( R) {DisplayStyle f_ {n} ({vec {r}})}

jest rozwiązaniem, które zapewnia poziomy energii wibracji, a równanie kątowe

W ( th W ϕ ) {DisplayStyle {Mathcal {u}} (theta, phi)}

jest rozwiązaniem, które zapewnia poziomy energii rotacji. Wyniki uzyskane dla obrotu i wibracji oparte są na wyborze potencjału elektronicznego

I n( R ) {DisplayStyle e_ {n} (r)}

.

Wniosek [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Pojawia się całkowita energia cząsteczki w ramach środka masy ostatecznie Podobnie jak suma energii elektronicznej, energia obrotu „hantli” utworzona przez jądra ( Rotator sztywny ) i energia wibracji jąder (odpowiadającym obrazie jest „masą punktualnych połączonych sprężyną”. Uważaj, w fizyce jądrowej mówimy również o rotacji i energii wibracji jąder, w kontekście modelu tak zwanego tak kolektyw ; Jądro jest uważane za obiekt nieinukcyjny). Więc odcięliśmy obrót jąder, wibracji jąder i ruch elektronów. Ten prosty i ważny wynik jest konsekwencją aproksymacji narodziny-oppenheimera. Ten elementarny model ulega ulepszaniu, biorąc pod uwagę na przykład sprzężenie obrotu i wibracji jako zaburzenia z idealnym oddzielonym ruchem (zniekształcenie odśrodkowe).

  1. A et b (z) Max Born Et Robert Oppenheimer, O teorii kwantowej cząsteczek » W Annals of Physics , Wiley, N O 20, W P. 457-484 ( Czytaj online , skonsultuałem się z ) .
  2. (W) John C. Tully, Rachunki chemii teoretycznej ( Czytaj online ) , Rozdział: Perspektywa „O kwantowej teorii cząsteczek” str. 173-176
  3. Hipoteza adiabatyczna SAT przedstawia przypuszczenie, że elektrony, bardzo mobilne w porównaniu do jąder, znacznie bardziej masywne z bezwładnego punktu widzenia, natychmiast dostosowują swój stan do zmian stanu jąder.

Bibliografia [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

  • Cohen, Tannoudji, mówi et Laloë, Mechanika kwantowa , tomy 1 i 2, Hermann
  • Cagnac, Tchang-Brillet i Pebay-Peyroula, Fizyka atomowa , Tom 2, druga edycja, Dunod
  • (W) Karplus i zużycie, Atomy i cząsteczki: wprowadzenie dla studentów chemii fizycznej , Cummings Publishing Company
  • (W) Bransden et Joacain, Fizyka atomów i cząsteczek , Prentice-Hall

Powiązane artykuły [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

Linki zewnętrzne [[[ modyfikator |. Modyfikator i kod ]

after-content-x4