STRUKTURA ATOMOV IN MOLEKUL

Σχετικά έγγραφα
Diferencialna enačba, v kateri nastopata neznana funkcija in njen odvod v prvi potenci

Tretja vaja iz matematike 1

Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 5. december Gregor Dolinar Matematika 1

*M * Osnovna in višja raven MATEMATIKA NAVODILA ZA OCENJEVANJE. Sobota, 4. junij 2011 SPOMLADANSKI IZPITNI ROK. Državni izpitni center

matrike A = [a ij ] m,n αa 11 αa 12 αa 1n αa 21 αa 22 αa 2n αa m1 αa m2 αa mn se števanje po komponentah (matriki morata biti enakih dimenzij):

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 21. november Gregor Dolinar Matematika 1

Poglavje 3. Gibanje v treh dimenzijah

antična Grčija - snov zgrajena iz atomov /rezultat razmišljanja/

Funkcijske vrste. Matematika 2. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 2. april Gregor Dolinar Matematika 2

Iterativno reševanje sistemov linearnih enačb. Numerične metode, sistemi linearnih enačb. Numerične metode FE, 2. december 2013

Το άτομο του Υδρογόνου

Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 10. december Gregor Dolinar Matematika 1

e 2 4πε 0 r i r j Ze 2 4πε 0 r i j<i

IZPIT IZ ANALIZE II Maribor,

1. Definicijsko območje, zaloga vrednosti. 2. Naraščanje in padanje, ekstremi. 3. Ukrivljenost. 4. Trend na robu definicijskega območja

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 14. november Gregor Dolinar Matematika 1

m i N 1 F i = j i F ij + F x

!"#$ % &# &%#'()(! $ * +

ΓΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΑΝ. Εικόνα 1. Φωτογραφία του γαλαξία μας (από αρχείο της NASA)

Booleova algebra. Izjave in Booleove spremenljivke

PONOVITEV SNOVI ZA 4. TEST

Kotne in krožne funkcije

Zaporedja. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 22. oktober Gregor Dolinar Matematika 1

Enačba, v kateri poleg neznane funkcije neodvisnih spremenljivk ter konstant nastopajo tudi njeni odvodi, se imenuje diferencialna enačba.


Matematika 2. Diferencialne enačbe drugega reda

5 Modeli atoma. 5.1 Thomsonov model. B. Golli, Izbrana poglavja iz Osnov moderne fizike 5 december 2014, 1

Numerično reševanje. diferencialnih enačb II

Podobnost matrik. Matematika II (FKKT Kemijsko inženirstvo) Diagonalizacija matrik

Elektron u magnetskom polju

SKUPNE PORAZDELITVE VEČ SLUČAJNIH SPREMENLJIVK

Ax = b. 7x = 21. x = 21 7 = 3.

Zadatak 2 Odrediti tačke grananja, Riemann-ovu površ, opisati sve grane funkcije f(z) = z 3 z 4 i objasniti prelazak sa jedne na drugu granu.

Poglavje 10. Molekule Kovalentna vez

VEKTORJI. Operacije z vektorji

A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3

Kvantni delec na potencialnem skoku

APROKSIMACIJA FUNKCIJA

Funkcije več spremenljivk

Atomi, molekule, jedra

Integralni račun. Nedoločeni integral in integracijske metrode. 1. Izračunaj naslednje nedoločene integrale: (a) dx. (b) x 3 +3+x 2 dx, (c) (d)

F (x) = kx. F (x )dx. F = kx. U(x) = U(0) kx2

Estimation of grain boundary segregation enthalpy and its role in stable nanocrystalline alloy design

Atomi, molekule, jedra

())*+,-./0-1+*)*2, *67()(,01-+4(-8 9 0:,*2./0 30 ;+-7 3* *),+*< 7+)0 3* (=24(-) 04(-() 18(4-3-) 3-2(>*+)(3-3*


diferencialne enačbe - nadaljevanje

r r t r r t t r t P s r t r P s r s r r rs tr t r r t s ss r P s s t r t t tr r r t t r t r r t t s r t rr t Ü rs t 3 r r r 3 rträ 3 röÿ r t

Državni izpitni center SPOMLADANSKI IZPITNI ROK *M * NAVODILA ZA OCENJEVANJE. Sreda, 3. junij 2015 SPLOŠNA MATURA


Gimnazija Krˇsko. vektorji - naloge

ZGRADBA ATOMA IN PERIODNI SISTEM

Naloge iz Atomov, molekul, jeder 15 februar 2017, 1. rešitev Schrödingerjeve enačbe za radialni del valovne funkcije. Kolikšna je normalizacijska

ψ (x) = e γ x A 3 x < a b / 2 A 2 cos(kx) B 2 b / 2 < x < b / 2 sin(kx) cosh(γ x) A 1 sin(kx) a b / 2 < x < b / 2 cos(kx) + B 2 e γ x x > a + b / 2

Državni izpitni center SPOMLADANSKI IZPITNI ROK *M * FIZIKA NAVODILA ZA OCENJEVANJE. Petek, 10. junij 2016 SPLOŠNA MATURA

Νόµοςπεριοδικότητας του Moseley:Η χηµική συµπεριφορά (οι ιδιότητες) των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατοµικού τους αριθµού.

Elementi spektralne teorije matrica

Na pregledni skici napišite/označite ustrezne točke in paraboli. A) 12 B) 8 C) 4 D) 4 E) 8 F) 12

C 1 D 1. AB = a, AD = b, AA1 = c. a, b, c : (1) AC 1 ; : (1) AB + BC + CC1, AC 1 = BC = AD, CC1 = AA 1, AC 1 = a + b + c. (2) BD 1 = BD + DD 1,

Αλληλεπίδραση ακτίνων-χ με την ύλη

Kontrolne karte uporabljamo za sprotno spremljanje kakovosti izdelka, ki ga izdelujemo v proizvodnem procesu.

KODE ZA ODKRIVANJE IN ODPRAVLJANJE NAPAK

Definicija. definiramo skalarni produkt. x i y i. in razdaljo. d(x, y) = x y = < x y, x y > = n (x i y i ) 2. i=1. i=1

Analiza 2 Rešitve 14. sklopa nalog


Ó³ Ÿ , º 1(130).. 7Ä ±μ. Ñ Ò É ÉÊÉ Ö ÒÌ ² μ, Ê

ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΙ- ΠΟΛΙΤΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΦΥΛΛΑΔΙΟ 2/2012

Valovna mehanika. Makroskopski hodci

d dx x 2 = 2x d dx x 3 = 3x 2 d dx x n = nx n 1

4. Zapiši Eulerjeve dinamične enačbe za prosto osnosimetrično vrtavko. ω 2

Mehanika. L. D. Landau in E. M. Lifšic Inštitut za fizikalne naloge, Akademija za znanost ZSSR, Moskva Prevod: Rok Žitko, IJS

= k2 x Y = k 2 + kx 2 Y. = k2 y

Splošno o interpolaciji

m 1, m 2 F 12, F 21 F12 = F 21

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ (1) Ηλία Σκαλτσά ΠΕ ο Γυμνάσιο Αγ. Παρασκευής

vezani ekstremi funkcij

1. Trikotniki hitrosti

cos t dt = 0. t cos t 2 dt = 1 8 f(x, y, z) = (2xyz, x 2 z, x 2 y) (2xyz) = (x2 z) (x 2 z) = (x2 y) 1 u du =

Κβαντομηχανική Ι Λύσεις προόδου. Άσκηση 1

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

!!" #7 $39 %" (07) ..,..,.. $ 39. ) :. :, «(», «%», «%», «%» «%». & ,. ). & :..,. '.. ( () #*. );..,..'. + (# ).

P t s st t t t t2 t s st t t rt t t tt s t t ä ör tt r t r 2ö r t ts t t t t t t st t t t s r s s s t är ä t t t 2ö r t ts rt t t 2 r äärä t r s Pr r

Poglavje 7. Poglavje 7. Poglavje 7. Regulacijski sistemi. Regulacijski sistemi. Slika 7. 1: Normirana blokovna shema regulacije EM

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

τροχιακά Η στιβάδα καθορίζεται από τον κύριο κβαντικό αριθµό (n) Η υποστιβάδα καθορίζεται από τους δύο πρώτους κβαντικούς αριθµούς (n, l)

ΝΟΜΟΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟ ΙΚΟΤΗΤΑΣ : Οι ιδιότητες των χηµικών στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατοµικού τους αριθµού.

Reševanje sistema linearnih

9. Osnove kvantne mehanike

SUPPLEMENTAL INFORMATION. Fully Automated Total Metals and Chromium Speciation Single Platform Introduction System for ICP-MS

Review: Molecules = + + = + + Start with the full Hamiltonian. Use the Born-Oppenheimer approximation

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 4 Pisni izpit 22. junij Navodila

Jeux d inondation dans les graphes

cot x ni def. 3 1 KOTNE FUNKCIJE POLJUBNO VELIKEGA KOTA (A) Merske enote stopinja [ ] radian [rad] 1. Izrazi kot v radianih.

Osnove linearne algebre

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 12. november Gregor Dolinar Matematika 1

Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ. Παππάς Χρήστος Επίκουρος Καθηγητής

Če je električni tok konstanten (se ne spreminja s časom), poenostavimo enačbo (1) in dobimo enačbo (2):

Osnove elektrotehnike uvod

Navadne diferencialne enačbe

Osnovni primer. (Z, +,,, 0, 1) je komutativan prsten sa jedinicom: množenje je distributivno prema sabiranju

Transcript:

Vsebina: Osnovni principi kvantne mehanike: Enostavni modeli in aproksimacije: kvantni pojavi, dvojnost valovanje-delec, načelo nedoločenosti, Schrödingerjeva enačba, valovna funkcija, verjetnostna gostota, operatorji, lastne vrednosti in lastne funkcije, načelo superpozicije, pričakovana vrednost prost delec, potencialni lonec, degeneracija in simetrija, nihanje, vrtenje, aproksimacijske tehnike Atomi: Molekule: vodikov atom, orbitale, atomi z več elektroni, spin, skupna vrtilna količina, atom v magnetnem polju teorija valenčne vezi, teorija molekularnih orbital (Učni načrt predmeta na spletni strani www.um.si) Literatura: J. Koller: Struktura atomov in molekul (bolonjski program) [JK] J. Strnad: Fizika, 3. in 4. del [JS3, JS4] P. W. Atkins, J. Paula: ATKINS Physical Chemistry [APC] Internetna stran (http://fizika.fkkt.um.si/) (rezultati pisnih izpitov - u: xxx p: xxx)

MATEMATIČNA ORODJA Vektorski prostor je množica v kateri sta definirana seštevanje in množenje s skalarjem tako, da velja: je Abelova grupa za za seštevanje (komutativna grupa) x=x a (b x)=(a b) x (a+b) x=a x +b x a ( x + y )=a x +a y Skalarni produkt x y priredi dvema vektorjema skalar tako, da velja: x x 0 ; x x =0 x=0 x y = y x x a y =a x y ( a x y =a x y ) x + x y = x y + x y ( x y + y = x y + x y ) Linearni operator: x +b y)=a O x +b O y O(a x=λ o x lastne vrednosti in lastni vektorji O adjungiran, hermitski operator

Standardni model OSNOVNIH DELCEV IN INTERAKCIJ

OSNOVNI POJMI KVANTNE MEHANIKE Sevanje črnega telesa Rayleigh Jeansov zakon klasična slika dj d λ = π c k T λ 4 Planckov zakon (M. Planck, 900) dj d λ = π hc λ 5 e (hc /λ k T ) λ 4 Izvor sevanja so oscilatorji s kvantizirano energijo: E=h h=6.63 0 34 J s Planckova konstanta

Stefan - Boltzmannov zakon P j = = T 4 S 8 =5.67 0 W 4 m K Stefanova konstanta Wienov zakon λ maks. T =k w =.90 0 3 mk sevanje sonca

fotoefekt svetloba odda energijo elektronu v paketu - kvantu E k, max =h ν E 0 energija in gibalna količina fotona E=h E h p= = c0 h=6.63 0 34 J s Planckova konstanta

Comptonovo sipanje E=γ mc p=γ mv E = p c +m c 4 E f =h ν E f = p f c p f = E f c = h ν c E ' f, p' f E ' e =m e c E f, p f E e, p e elektron foton ohranitev energije in gibalne količine E ' e + E ' f =E e + E f p' e + p ' f = p e + p f λ=λ ' + h m e c ( cosϑ)

ATOM Thomsonov model atoma Rutherford-Geigerjev poskus sipanje delcev a florescentni zaslon ne odklonjeni l n delecid l folija j iz zlata odklonjen delec izvor i žarkov r alfal Rutherfordov model atoma pospešen naboj seva in tako izgublja energijo elektroni bi končali v jedru

JEDRO Jedrske reakcije: Razpad a Razpad b Cepitev jeder fisija jedrski reaktor Zlivanje jeder - fuzija

Bohrov model Bohrov model vodikovega atoma: elektron kroži F e =ma r e 0 4 π ϵ 0 r =m e ω r vrtilna količina je kvantizirana Γ=n h π =n ħ r n = n ħ 4π ϵ 0 m e e 0 =n r B energija elektrona Γ n E n = m e r e 0 = ħ n 4 π ϵ 0 r n m e r B n λ =R H ( n ) Balmerjeva serija

e 0=.6 0 9 As Rydbergova konstanta 3 RH= me e m e =9 0 4 0 4 π c( 4 π ϵ0 ) ℏ 7 =,097373568539(55) 0 m 3 Ry h c R H 3,6 ev kg 34 h=6.63 0 Js 8 c=3 0 m / s Rydberg pomožna enota za energijo ev e 0 V,6 0 9 J pri natančnem klasičnem računu upoštevamo, da elektron in jedro krožita okrog skupnega težišča enačbe se spremenijo tako, da se masa elektrona zamenja z reducirano maso: me m j m e m= me + m j

YOUNGOV POSKUS r d r r d r r =d sin vsota delnih valovanj iz obeh rež E r, t = E 0 cos t kr E r, t = E 0 cos t kr =k d sin = d sin E=E E = E 0 cos k r r E= E 0 cos k d sin cos t k r cos t k r r

d sin E 0= E 0 cos = E 0 cos j= c 0 0 E 0 d sin j cos =cos d d sin =k d sin = E0 / E 0 d sin E 0

UKLON NA ŠIROKI REŽI E 0 =r sin E 0 =E m sin E m =r j sin (δ/ ) = sin (π a sinϕ/λ) (δ/ ) (π a sinϕ/λ) a ϕ ϕ asin δ=k asin ϕ= π a sin ϕ λ r r E 0 E m E m

UKLON NA DVEH ŠIROKIH REŽAH j sin ( π d sin φ/ λ) (π a sin φ/ λ) sin (π d sin φ/ λ) sin (π a sin φ/ λ)

Kompleksna števila: lahko zapišemo v obliki a realni del b imaginarni del c=a +b i b i= eksponentni zapis (Eulerjeva formula) c=a +b i=r (cos ϕ+i sin ϕ)=r e i ϕ kompleksno konjugirano število iϕ i ϕ c=a +b i=r e ; c =a b i=r e ℑ a+b i=r e i ϕ r ϕ a ℜ velikost c = a +b = c c=r

Yungov poskus s posameznimi fotoni kompleksni zapis i (ω t k x) E c ( x, t )=E 0 e E ( x,t)=e 0 cos(ω t kx)=r( E 0 e i (ω t k x) ) E c =E c E c =E 0 e i (ω t k x) E 0 e i (ω t k x ) =E 0 j = c ϵ E 0 0 0 E c E c =E 0 e i (ω t k r ), E c =E 0 e i (ω t k r ) j E c + E c =( E c + E c )( E c + E c )= = E c + E c E c + E c E c + E c = =( E 0 + E c E c + E c E c + E 0 )=E 0 (e ik( r r ) ++e ik(r r ) )= = E 0 (e ik ( r r ) +e ik ( r r ) j 4 E 0 cos ( k d sin ϕ ) ) =4 E 0 cos (k (r r ) )

Delci kot valovanje masni valovi de Broglieva valovna dolžina λ= h p žarki X elektroni Če zahtevamo, da elektron pri kroženju okrog jedra opravi pri enem obhodu pot, ki je cel večkratnik valovne dolžine dobimo Bohrov model π r=n λ Γ=r p=r h λ =r h n π r =nħ Heisenbergovo načelo nedoločenosti Δ p x Δ x h 4π = ħ

Porazdelitve (izotermna atmosfera fizika ) hidrostatični tlak idealni plin dp= g dz= m 0 n g dz p=nkt dp=kt dn kt dn= m 0 n g dz dz z dp n n 0 dn n = m g 0 z kt 0 dz ln n = m 0 g n 0 kt z= W p kt n=n 0 e W p kt dn dz dn W p dn dz =S n 0 e kt =S n 0 e m 0 gz kt N =S n 0 0 w z = N e m 0 g kt z dz=s n 0 kt m 0 g dn dz = m g m 0 gz 0 kt e kt dz = z = f = w z dz z w z dz f z w z dz z

Valovna enačba enačba za nihanje strune F y F y =dm a y =dm s t F y F ϕ F dm x x+ dx F F ϕ F y x Newtonov zakon za kratek odsek strune y komponenta F (s' ( x+ dx) s ' ( x))=ρ S dx s F (s' ( x+dx) s' ( x)) dx =ρ S s F y =F tan(ϕ )=F s x ( x+dx ) F y =F tan(ϕ )=F s x ( x) F s ' '=ρ S s s x = s c t s( x, t)= f ( x) g (t ) c f ( x)' ' f ( x) = g (t) g (t) = ω

f ' ' ( x)+( ω c ) f ( x)=0 c f ( x)' ' f ( x) = g (t) g (t) = ω f ( x)=a sin(k x)+b cos(k x) g (t )+ω g(t )=0 g (t )= Acos(ω t +δ) f (0)=0 b=0 ω n = n π c L k n = ω n c = n π L ω 0 = π c L f (L)=0 ω n L c ν 0= c L =n π 0 L s n ( x,t)=a n sin(k n x)cos(ω n t +δ n ) s( x, t )= n= s n ( x, t )= n= a n sin(k n x)cos(ω n t +δ n )

Vektorski prostor je množica v kateri sta definirana seštevanje in množenje s skalarjem tako, da velja: je Abelova grupa za za seštevanje (komutativna grupa) x=x a (b x)=(a b) x (a+b) x=a x +b x a ( x + y )=a x +a y Skalarni produkt x y priredi dvema vektorjema skalar tako, da velja: x x 0 ; x x =0 x=0 x y = y x x a y =a x y ( a x y =a x y ) x + x y = x y + x y ( x y + y = x y + x y ) Linearni operator: x +b y)=a O x +b O y O(a Lastni vektor in lastna vrednost: x=λ o x O

ravni val E c ( x, t )=E 0 e i (k x ω t ) E ( x, t)= E (x,t) x c t valovna enačba za EM valovanje Ψ ( x, t )= A e i ( k x ω t ) =Ae i( p E x t) ℏ ℏ E p = c k = ω c disperzijska relacija prost delec p= i ℏ Ψ ( x, t ) x E=h ν=ℏ ω ω= E ℏ h p p= =ℏ k k = λ ℏ E=i ℏ Ψ ( x, t ) t ℏ Ψ( x,t) Ψ ( x, t )=i ℏ t m x valovna enačba za prost delec p =E m klasična enačba

Schrödingerjeva enačba splošna Schrödingerjeva (ali valovna) enačba Ψ ( r, t ) H Ψ ( r, t )=i ℏ t je operator polne energije sistema in je odvisen Hamiltonov operator H od koordinat in impulzov: p = i ℏ x = x x = p + V ( x )= ℏ + V ( x ) H m m x rešitev iščemo v obliki produkta ψ( r )=i ℏ ψ( r ) Φ (t ) Φ (t ) H ψ( r ) H Φ (t ) =i ℏ =E ψ(r ) Φ(t ) Ψ ( r, t )= ψ( r )Φ ( t ) i ℏ Φ = E Φ i Φ ( t )=C e E t ℏ dφ E = i dt Φ ℏ i ω t =C e

Stacionarna Schrödingerjeva enačba Ĥ ψ( r )=E ψ( r ) ( ħ m x + V ( x)) ψ( x)= E ψ( x) celotna valovna funkcija stacionarnega stanja Ψ ( r, t)=ψ( r ) Φ(t )=ψ( r ) e i ω t linearna kombinacija rešitev valovne funkcije je tudi rešitev Ψ ( r, t)=a Ψ a ( r,t)+b Ψ b ( r,t)

Valovna funkcija vsebuje vso informacijo o dinamiki sistema kvadrat absolutne vrednosti valovne funkcije podaja verjetnostno gostoto (M. Born) ρ( r, t )=Ψ ( r, t ) Ψ ( r, t )= Ψ ( r, t) ρ dx dp=ρ dx ρ( x ) x verjetnostna gostota stacionarnih stanj je neodvisna od časa ρ( r, t )=Ψ ( r, t ) Ψ ( r, t )=ψ ( r )e i ω t ψ( r ) e i ω t =ψ ( r ) ψ( r )=ρ( r ) verjetnost, da najdemo delec na intervalu [ x, x+dx ] je dp=ρ( x) dx verjetnost, da najdemo delec na celotnem področju je P= dp= ρ( x)dx= ψ ψ dx= pravimo, da je valovna funkcija normirana

funkcijo ψ A normiramo tako, da jo pomnožimo s konstanto ψ= A ψ A ( A ψ A) A ψ A dx = A ψ ψ A dx= A =( ψ ψ A dx ) A A lastnosti valovne funkcije: zvezna in zvezno odvedljiva enolična v kvadratu integrabilna (normalizabilna) valovne funkcije tvorijo vektorski prostor s skalarnim produktom ψ i ψ j ψ i ψ j dx i j bra (c) ket

Vektorski prostor je množica v kateri sta definirana seštevanje in množenje s skalarjem tako, da velja: je Abelova grupa za za seštevanje (komutativna grupa) x=x a (b x)=(a b) x (a+b) x=a x +b x a ( x + y )=a x +a y Skalarni produkt x y priredi dvema vektorjema skalar tako, da velja: x x 0 ; x x =0 x=0 x y = y x x a y =a x y ( a x y =a x y ) x + x y = x y + x y ( x y + y = x y + x y ) Linearni operator: x +b y)=a O x +b O y O(a Lastni vektor in lastna vrednost: ^ x=λ o x O

Rezultat meritve: pričakovana vrednost, lastna vrednost fizikalnim količinam iz klasične mehanike ustrezajo v kvantni mehaniki operatorji ( Ω ), ki delujejo na valovno funkcijo lastna funkcija operatorja je tista, za katero velja Ω ψ ω =ω ψ ω pričakovana vrednost operatorja podaja povprečno vrednost velikega števila meritev fizikalne količine identičnih sistemov Ω = ψ Ω ψ = ψ Ω ψ dx rezultat posamične meritve je ena od lastnih vrednosti operatorja ker so pričakovana vrednost in lastne vrednosti rezultat meritev morajo biti realne operatorji fizikalnih količin so hermitski ali sebi adjungirani ψ Ω ψ = Ω ψ ψ = ψ Ω ψ ψ ( Ω ψ)dx=( ψ ( Ω ψ) dx) Ω = Ω x Ô y = O + x y adjungirana operatorja ^O= O ^+ sebi adjungiran operator

lastne vrednosti hermitskega operatorja so realne lastne funkcije, ki pripadajo različnim lastnim vrednostim hermitskega operatorja so ortogonalne iz lastnih funkcij hermitskega operatorja lahko sestavimo ortonormirano bazo prostora ψi =ω i ψi Ω ψ i ψ j =δ ij = ; i= j 0 ; i j valovno funkcijo (stanje sistema) lahko zapišemo kot linearno kombinacijo lastnih funkcij ψ= a i ψi i pričakovana vrednost Ω = a ψ Ω a ψ = a j j i i j a i ψ j Ω ψi = j i i,j = a j a i ω i ψ j ψi = a j a i ω i δ ij = a i ω i i, j i, j i

Komutator načelo nedoločenosti načelo nedoločenosti velja za fizikalne količine katerih operatorji ne komutirajo operatorja komutirata, če velja Ω Ω ψ= Ω Ω ψ Ω Ω ψ Ω Ω ψ=( Ω Ω Ω Ω ) ψ=0 komutator [ Ω, Ω ]= Ω Ω Ω Ω če je komutator operatorjev dveh fizikalnih količin različen od 0, ne moreta biti hkrati natančno določeni [ p x, x ]= i ħ ; (Δ p x Δ x ħ ) če je komutator operatorjev dveh fizikalnih količin enak 0, sta lahko hkrati natančno določeni [ p x, p y ]=0, [ x, ŷ ]=0, [ p x, ŷ]=0

Prost delec prost delec je delec, ki se giblje v konstantnem potencialu ( ħ m d +V )ψ=e ψ d x d ψ d x + m(e V ) ħ ψ=0 E=E k +V E k =E V = p m m( E V )= p =(ħ k) V V ( x ) x d ψ d x +k ψ=0 ψ= A e ikx = Ae i p ħ x delec z gibalno količino p ψ= A e ikx + B e ikx = Ae i p ħ x + B e i p ħ x ρ=ψ ψ= A e ikx Ae ikx = A verjetnostna gostota je konstantna načelo nedoločenosti: če poznamo gibalno količino natančno, ne moremo hkrati poznati lege delca

Gostota toka delcev x j ( x,t)= t ρ( x, t ) j( x) t ρ( x, t)= t (ψ ψ)=ψ t ψ +ψ t ψ dx j( x +dx ) S dn = j ( x) S dt j ( x +dx) S dt d ρ= d ρ dt j ( x) S j( x +dx) S S dx dt j ( x+dx ) j (x) = = dj dx dx ħ m ħ m x ψ=i ħ t ψ x ψ = i ħ t ψ i ħ m ψ x ψ=ψ t ψ i ħ m ψ x ψ =ψ t ψ x [ i ħ m (ψ x ψ ψ x ψ )]= t ρ j= i ħ m ( ψ x ψ ψ x ψ ) prost delec ψ= Ae i(kx ω t) = A e i ( p ħ x E ħ t ) j= i ħ m ( A e i (kx ω t ) i k Ae i (kx ω t ) Ae i (kx ω t ) ( i k) A e i (kx ω t ) )= ħ k m A = p m A

Delec v neskončno globoki potencialni jami valovna funkcija je različna od 0 na intervalu [0,d] ħ m d ψ d x =E ψ d ψ d x +k ψ=0 d ψ d x + me ħ ψ=0 ψ= A e ikx + B e ikx V V = V =0 V = 0 d E k =E= p m me= p =(ħ k) x ψ(0)= A+ B=0 ψ(d)= Ae ikd + B e ikd =0 B= A ψ( x)= Ae ikx A e ikx =ia sin(kx) A e ikd A e ikd =0 sin kd =0 k= n π d ψ n ( x)=a n sin( nπ x d ) rešitve lastna stanja E n = (ħ k) m = h n 8 m d lastne energije

normalizacija d d a nπ x nd ψ ψ dx =a sin ( ) dx = = a = n n n n d d 0 0 nπ x ψn ( x )= sin ( ) d d v jami ψn ( x )=0 izven jame ortogonalnost n m d d π nπ x mπ x ψ ψ dx = sin( ) sin( ) dx = sin (n y) sin( m y) dy= n m π d 0 d d 0 0 π = π (cos((n+ m) y) cos(( n m) y )) dy=δ nm 0 d=0,94 nm (ℏ k ) h n E n= = m 8 m d

Schrödingerjeva enačba v 3D operatorja gibalne količine in lege p=( p x, p y, p z )= i ħ( x, y, z ) = i ħ r = r Ĥ Ψ ( r,t)=i ħ Ψ( r, t ) t Ψ ( r, t)=ψ( r )Φ(t) Φ(t)=C e i E ħ t i ωt =C e Ĥ ψ( r )=E ψ( r ) Hamiltonov operator Ĥ je operator polne energije sistema in je odvisen le od koordinat in impulzov: Ĥ = p p m + V ( r )= ħ m + V ( r )= ħ m ( x + y + z )+ V ( r ) ^H = ħ m + ^V ( r )

3D neskončna potencialna jama (x[0,a], y[0,b], z[0,c]) ℏ ( + + ) ψ ( x, y, z )= E ψ( x, y, z), ψ( x, y, z)= X ( x)y ( y) Z ( z) m x y z d d d me Y Z X + X Z Y + X Y Z = X Y Z = k X Y Z dx dy dz ℏ d d d X + Y + Z + k =0, k =k + k + k x y z X dx Y dy Z dz d X + k x X =0 dx nx π x X n ( x)= sin( ) a a x lastna stanja ψn x, ny d Y + k y Y =0 dy ny π y Y n ( y )= sin( ) b b y ( x, y, z)=,n a z lastne energije En x, ny,n = z n x n y b d Z + k z Z =0 dz nz π z Z n ( x )= sin( ) c c z nx π x ny π y nz π z sin ( ) sin( ) sin( ) c a b c n z h ( + + ) 8m a b c

potencialni skok p E=E k +V E k = E V = m m( E V )= p =(ℏ k) ℏ d ( + V ) ψ= E ψ m d x d ψ m( E V ) + ψ=0 dx ℏ d ψ + k ψ=0 dx p ikx ψ= A e + B e ψ = A e ik x ψ = A e ik x ikx =Ae + B e ik x + B e ik x ψ (0)=ψ (0) i ℏ k = x + Be i m( E V ) p x ℏ ℏ k = 0 x j d k A T= = j d k A j l B R= = j d A ℏ odbojnost k A k ) A = k A k + k k A 4 k k T ( E >V )= = k A ( k +k ) A + B = A ψ ' (0)= ψ ' (0) A ( k k ) R( E>V )= = A ( k + k ) B k k = A k +k A k i κ R( E<V )= = = A k +i κ prepustnost (k k ) A +( k + k ) B =0 k A k B =k A V =V k V =V k m ( E V ) ℏk j= A m A =(+ V k = m (V E) =i κ ℏ

Tunelski pojav valovna funkcija je različna od 0 na intervalu [0,d] V ( ħ m d +V )ψ=e ψ d x d ψ m( E V ) + ψ=0 d x ħ d ψ d x +k ψ=0 ψ= A e ikx + B e ikx = Ae i ψ = A e ikx + B e ikx ψ = A e ik ' x + B e ik ' x ψ 3 = A 3 e ikx + B 3 e ikx p ħ x + B e i p ħ x T ( E>V 0 )= E=E k +V E k = E V = p m m( E V )= p =(ħ k) k '= m(e V 0 ) ħ T = j 3d j d = A 3 A prepustnost + 4 ( k ' k k k ' ) sin (k ' d ) k= me ħ = m(v 0 E) =i κ ħ R= j l j d = B A odbojnost = + sin (k ' d) 4 ϵ(ϵ ) V =0 V =V 0 V =0 0 d ϵ= E V 0 x ψ (0)=ψ (0) ψ ' (0)=ψ ' (0) ψ (d )=ψ 3 (d) ψ ' (d)=ψ 3 ' (d) T ( E<V 0 )= + 4 ( κ k + k = κ sinh ) (κ d ) T ( E<V 0 ) 6 k κ (k +κ ) e κ d =6 ϵ( ϵ)e κ d, κd + sinh (κ d) 4 ϵ( ϵ)

A e k ' A e ik ' d ik ' d ik ' d = A3 e ik ' d =k A 3 e + B e k ' B e ikd ikd A + B = A + B k A k B =k ' A k ' B A = k ' + k ikd ik ' d k ' k ikd ik ' d e e A3, B = e e A3 k' k' k A=( k + k ' ) A +( k k ' ) B ikd e k A = [( k + k ' ) e ik ' d ( k k ' ) e ik ' d ] A3 k' A e ikd = [( k + k ' ) e ik ' d (k k ' ) e ik ' d ] A3 4 k k ' A e ikd = [( k +k ' )( e ik ' d e ik ' d )+ k k ' (e ik ' d +e ik ' d )] A3 4 k k ' A e ikd = [ 4 kk ' cos( k ' d ) i ( k + k ' ) sin( k ' d )] A3 4 k k ' A k k' =e ikd [ cos ( k ' d ) i ( + ) sin (k ' d )] A3 k' k A k k' k k' =cos (k ' d )+ ( + ) sin (k ' d )=cos (k ' d )+ [( ) + 4] sin ( k ' d ) A3 k 4 k' k 4 k' A k k' =+ ( ) sin ( k ' d ) A3 4 k' k

Harmonični oscilator ( ħ m d d x + K x ) ψ=e ψ K m klasično nihalo ω = K m V K x V ( x) ψ' ' m K x ħ ψ' ' m ω x ħ ψ+ m E ħ ψ=0 ψ+ m E ħ ψ=0 ψ' ' u ψ+ϵ ψ=0, ϵ= E ħ ω f ' ' u f ' +(ϵ ) f ; f = C j u j j=0 j=0 j ( j )C j u j j=0 ϵ=n+= E n ħ ω E n=(n+ )ħ ω u= m ω ħ x, d dx = du dx d du = m ω ħ ψ(u)=e u jc j u j +(ϵ ) C j u j =0 j =0 ( j +)( j+)c j + j C j +(ϵ )C j =0 ( j+) ϵ C j+ = ( j +)( j +) C j d u d = dx dx d du +( du dx ) d du = m ω ħ lastne vrednosti energije rešitev za e= ψ(u)= f (u) e u d du d du za velike j: C j+ j C j f k =0 C k u k = k! (u ) k =e u vsota se mora končati pri nekem j=n, da je funkcija integrabilna x

H 0 (u )=, H (u)=u, H (u )=4 u, H 3(u)=8 u3 u... n d u H n (u)=( ) e e n du n ψ n ( x )=( 4 mω ) ( n )e πℏ n! u mωx ℏ H n( mω x) ℏ lastne funkcije

Operator vrtilne količine klasična vrtilna količina l =m r v= r p=( y p z z p y, z p x x p z, x p y y p x ) operator vrtilne količine l = r p= i ħ( y z z y, z x x z, x y y x )=( l x, l y, l z ) l x = i ħ( y z z y ) l y = i ħ (z x x z ) l z = i ħ( x y y x ) velikost vrtilne količine l l = l = l x + l y + l z l z = ħ ( x y y x )( x y y x )= = ħ ( x y x x x y y x y y y x x y + y x )

komponente vrtilne količine med seboj ne komutirajo [ l x, l y ]= l x l y l y l x = ℏ [( y z )( z x ) ( z x )( y z )]= z y x z x z z y = ℏ [ y + y z y x z + z x ]+ x z x x y y z z + ℏ [ z y + z + x y x x z ]= x z y x y z y z =i ℏ [ i ℏ ( x y )]=i ℏ l z y x [ l x, l y ]=i ℏ l z, [ l y, l z ]=i ℏ l x, [ l z, l x ]=i ℏ l y komponente komutirajo z velikostjo vrtilne količine (kvadratom velikosti) [ l, l z ]=[ l x + l y + l z, l z ]=[ l x, l z ]+[ l y, l z ]+[ l z, l z ]= l x l z l z l x + l y l z l z l y = = l x l x l z l x l z l x + l x l z l x l z l x l x + l y l y l z l y l z l y + l y l z l y l z l y l y = = l x ( l x l z l z l x )+( l x l z l z l x ) l x + l y ( l y l z l z l y )+( l y l z l z l y ) l y = = l x ( i ℏ l y )+( i ℏ l y ) l x + l y ( i ℏ l x )+(i ℏ l x ) l y =0

Krogelne koordinate zapis komponent vrtilne količine l z i ħ = x y y x = = x( r y = xy r yx r r + r + ϑ y xyz l z = i ħ ( x y y x )= i ħ ϕ l x = i ħ ( y z z )= i ħ ( sin ϕ ctg ϑ cos ϕ y ϑ ϕ ) l y = i ħ (z x x )= i ħ (cos ϕ ctg ϑ sinϕ z ϑ ϕ ) ϑ + ϕ y r x + y r yxz r x + y ϑ + ϑ + r ) y( ϕ x x x + y y x + y ϕ r + ϑ x ϕ = ϕ ϑ + ϕ x lastne funkcije z komponente vrtilne količine l z Φ(ϕ)= i ħ Φ(ϕ) ϕ =l z Φ(ϕ) d Φ Φ =i l z ħ d ϕ d Φ Φ =i l z ħ d ϕ ln Φ=i l z ħ ϕ+c Φ m (ϕ)= Ae i l z ħ ϕ = π ei l z ħ ϕ = lastne funkcije Φ(ϕ)=Φ(ϕ+ π) e i π ei m ϕ, l z =mħ l z ħ ϕ =e i l z ħ lastne vrednosti (ϕ+ π) ϕ )= ϕ x = y x + y ϕ=atg y x ϑ x = xz r x + y r x = x r ϑ=atg x + y z r = x + y +z ϕ y = x x + y ϑ y = yz r x + y r y = y r vrtilna količina je kvantizirana =e i l z ħ π l z ħ =m Z x=r sinϑ cos ϕ y=r sin ϑ sin ϕ z=r cos ϑ ϕ z =0 ϑ z = x + y r r z = z r

velikost vrtilne količine l = ℏ ( (sin ϑ )+ )= ℏ ( + ctg ϑ + ) ϑ sin ϑ ϕ ϑ sin ϑ ϕ sin ϑ ϑ ϑ l Y (ϑ, ϕ)= ℏ d d d (sin ϑ (sin ϑ )+ )Y (ϑ,ϕ)=λ ' Y (ϑ, ϕ) dϑ d ϑ d ϕ sin ϑ lastne funkcije d d d λ' Φ (sin ϑ (sin ϑ ))Θ+Θ Φ= Θ Φ sin ϑ= λ Θ Φ sin ϑ dϑ dϑ dϕ ℏ d d d (sin ϑ (sin ϑ )) Θ+ λ sin ϑ= Φ Φ = m Θ dϑ dϑ d ϕ (sin ϑ d d (sin ϑ ))Θ+(λ sin ϑ m )Θ=0 du du Φ= A e i m ϕ + B e i m ϕ Φ m= d d (sin ϑ ))Θ+(λ sin ϑ m )Θ=0 dϑ dϑ (sin ϑ d Φ+ m Φ=0 dϕ u=cos ϑ, e i m ϕ, m ℤ π d du d d = = sin ϑ dϑ dϑ du du d d m [( u ) Θ]+( λ )Θ=0 du du u

rešitev za m=0 d d [( u ) Θ]+ λ Θ=0, u [,] du du Θ= C j u j j=0 Θ ' ' u Θ ' ' u Θ ' + λ Θ=0 j ( j ) C j u j j=0 j ( j )C j u j C j u +λ C j u j =0 j j=0 j =0 j j =0 ( j +)( j +) C j + j ( j )C j j C j + λ C j =0 C j + = j ( j +) λ C =0 ( j +)( j +) j l (l +) λ=0 λ=l (l +) polinom stopnje ℓ l d l P l (u)= l [(u ) ] l l! du Legendrovi polinomi rešitev za m 0 λ=l (l + ), ml [ l, l +,..., l, l ] d d m [( u ) Θ]+( λ ) Θ=0 du du u m dm P l, m (u)=( ) ( u ) P l (u) m du m pridruženi Legendrovi polinomi

P n (u)= n n! d n du n [(u ) n ]

krogelne funkcije so lastne funkcije operatorja vrtilne količine Y l,m (ϑ,ϕ)= A l, m P l, m (cos ϑ)e i mϕ Y 0,0 (ϑ, ϕ)= 4 π λ=l (l +), m l [ l, l +,..., l, l ] l Y l, m (ϑ, ϕ)=l (l +)ħ Y l, m (ϑ, ϕ) l z Y l, m (ϑ, ϕ)=m l ħ Y l, m (ϑ,ϕ) Y,0 (ϑ,ϕ)= 3 4π cos ϑ Y,± (ϑ,ϕ)= 3 8π sinϑ e±iϕ Y,0 (ϑ, ϕ)= 5 8 π (3cos ϑ ) Y,± (ϑ, ϕ)= 5 sin ϑcos ϑ e±iϕ 8 π Y,± (ϑ, ϕ)= 5 3π sin ϑ e ±i ϕ energija vrtenja rotatorja E k = Δ E k = ħ J l J, E l (l +)ħ k, l = J ħ [ l (l +) (l )l ]= J l razlika med vzbujenimi stanji narašča z l primer: dvoatomne molekule HCl, H

Atom z enim elektronom Z e 0 zapis operatorja kinetične energije v 3D r e r j Ê k = p p ħ = m m enačba gibanja za atom = ħ m = ħ m ( x + y + z ) r J r T r e e 0 ħ m J ψ A ħ J m e ψ A e zamenjava spremenljivk x J = x T x J x e = x T x e + x x T x J + x x T x e x = m J m x = m e m Ze 0 4 π ϵ 0 r e r J ψ A=E A ψ A r J, r e x T x, x T + x, z r T, r J = m J m e = m e m T T + ħ m T ψ A ħ μ ψ A Ze 0 4 π ϵ 0 r ψ A=E A ψ A ψ ħ T m T ψ T ψ ħ μ ψ Ze 0 4π ϵ 0 r = E A r T = m J r J +m e r e m=m e +m J m r = r e r J μ = + = m e+m J m J m e m J m e relativna lega reducirana masa m J = m J J m T + m T + m J m e = m e e m T+ m T + m e m J + J m e = e m T + μ ψ A ( r J, r e )=ψ A ( r T, r )=ψ T ( r T ) ψ( r ) E T E ħ m ψ T =E T ψ T gibanje težišča μ ψ Ze 0 4 π ϵ 0 r ψ=e ψ ħ relativno gibanje elektrona glede na jedro

enačba relativnega gibanja elektrona Ze 0 ℏ ψ ψ= E ψ μ 4 π ϵ0 r zapis v krogelnih koordinatah ℏ E k = [ (r )+ ( (sin ϑ )+ )] ϑ sin ϑ ϕ μ r r r r sin ϑ ϑ ℏ l E k = (r )+ μ r r r μ r Ze 0 ℏ l (r ) ψ ψ+ ψ= E ψ μ r r r 4 π ϵ0 r μ r ψ( r, ϑ, ϕ)= R( r ) Y l, m (ϑ, ϕ) μ e 0 = r B 4 π ϵ0 ℏ Z μ e0 l ( l +) μ E d d Y (r ) R+ Y R Y R+ Y R=0 d r d r r 4 π ϵ0 ℏ r r ℏ R' '+ a= Z a l ( l +) μ E R ' +( + ) R=0 r r r ℏ μ E r, R' ' + R= R ' ' ϵ R=0 ℏ R = A e ϵr +Be ϵ r ϵ= μ e 0 4 π ϵ0 ℏ = Z rb μ E vezana stanja imajo negativno energijo ℏ

f ' ' ϵ f ' + f (r )= C j r j ϵr nastavek R(r )= f (r ) e ϵr R ' =( f ' ϵ f ) e l ( l +) a ϵ f f '+ f =0 r r r R ' '=( f ' ' ϵ f ' + ϵ f ) e rešitev v obliki vrste ϵ r j= 0 j ( j ) C j r j j=0 ϵ jc j r j j= 0 + jc j r j j=0 +( a ϵ) C j r l (l +) C j r j j =0 j =0 j=0 ( j +) jc j+ ϵ jc j +( j +)C j + +(a ϵ) C j l (l +)C j + =0 [( j +) j +( j +) l ( l +)] C j + [ ϵ j (a ϵ)] C j =0 [( j +)( j +) l (l +)] C j + = [ ϵ( j +) a ] C j C j + = [ ϵ( j +) a ] C ( j +)( j +) l (l +) j potenca začne pri ℓ ϵ( j +) a=0 ϵ n = potenca konča pri n- a, n= j + n l [ 0, n ] μ E ℏ μ e 0 Z a= Z = rb 4 π ϵ0 ℏ ϵ= 4 μ e0 ϵn ℏ a ℏ Z ℏ Z Z ℏ E n = = = = = μ n μ n μ r B n 3 π ϵ0 ℏ n μ r B lastne energije ϵ r R n, l ( r)= An, l f (r ) e radialne funkcije n j ϵ r = An, l C j r e j=l n j = An,l C j r e Z r n rb r B= 4 π ϵ0 ℏ μ e0 j=l

nekaj prvih radialnih funkcij Z 3 R,0 ( r )= ( ) e rb Zr rb Zr Z 3 Z r r R,0 (r )=( ) ( )e rb rb R, ( r )= 3 Z Zr ( ) e 3 rb rb B Zr rb Z r rb Z 3 Zr Zr 3 R 3,0 (r )=( ) ( + ( ))e 3 rb 3 r B 7 r B

atomske orbitale so eno elektronske valovne funkcije atoma lupine združujejo vse orbitale z istim glavnim kvantnim številom n (K, L, M, N ) pod lupine označujejo kvantno število vrtilne količine l (s, p, d, f, g, h, i...)(?) nekaj prvih vodikovih orbital: ψ n, l, m (r,ϑ, ϕ)= A n, l, m R n, l (r ) Y l, m (ϑ,ϕ)= A n, l,m R n, l (r) P l, m (cos ϑ) e i m ϕ ψ,0,0 (r,ϑ, ϕ)= π ( Z 3 ) r B e Z r r B ψ,0,0 (r, ϑ,ϕ)= 4 π ( Z 3 ) r B ψ,,0 (r,ϑ, ϕ)= 4 π ( Z 3 ) Z r r B r B ψ,,± (r, ϑ, ϕ)= 8 π ( Z 3 ) Z r r B r B ( Z r r B ) e e e Z r r B Z r r B cos ϑ Z r r B sin ϑ e ±i ϕ ψ,,z = ψ,,0 ψ,, x = (ψ,,+ ψ,, ) ψ,, y = i (ψ,, ψ,, )

Atom z dvema elektronoma (He) e 0 ( ħ m ħ e m Ze 0 Ze 0 e 4 π ϵ 0 r 4 π ϵ 0 r + e 0 4 π ϵ 0 r ) ψ=e ψ r r r e 0 ( Z Z + )ψ=e ψ r r r brez dimenzijski zapis v atomskih enotah zanemarimo interakcijo med elektronoma Ĥ 0 = Z r Z ψ=φ Φ r koordinate obeh elektronov lahko ločimo Φ ( Z )Φ r + Φ ( Z )Φ r =E= E + E za vsak elektron dobimo enoelektronsko enačbo ^H '= r valovna funkcija je produkt enodelčnih vodikovih funkcij Z e 0 r r = r r atomske enote m e =0.909 0 30 kg masa elektrona e 0 =.60 0 9 As osnovni naboj r B = 4π ϵ 0 ħ =0.59 0 0 m m e e 0 Bohrov radij a.e.= e 0 = ħ =7. ev 4 π ϵ 0 r B m e r B atomska enota (hartree) E n = Z n E ion = E vez = Z

Metode za približno računanje variacijska metoda Ĥ ψ 0 = E 0 ψ 0 osnovno stanje E= ψ Ĥ ψ dv ψ ψ dv E 0 poljubna valovna funkcija ψ 0 Ĥ ψ 0 dv E 0 = ψ 0 ψ 0 dv energija osnovnega stanja pričakovana vrednost energije E je funkcional vsaki funkciji priredi skalar iščemo tako funkcijo ψ za katero je E minimalen variacijski račun izberemo poskusno funkcijo s prostimi parametri ψ(a, b,c) E(a, b,c) E a = E b = E c =0 linearna variacijska metoda, poskusna funkcija je linearna kombinacija baznih funkcij odvisnost od parametrov je linearna n ψ= i= c i Φ i poskusna funkcija

linearna variacijska teorija poskusna funkcija je linearna kombinacija baznih funkcij ψ=c Φ +c Φ ; c i,φ i ℝ ψ= c i Φ i (c Φ +c Φ ) dv (c Φ +c Φ ) H E= (c Φ +c Φ) ( c Φ + c Φ) dv Φ dv +c Φ H Φ dv + c c Φ H Φ dv E (c Φ dv +c Φ dv + c c Φ Φ dv )=c Φ H E (c S +c S + c c S )=c H + c H + c c H E E = =0 c c E (c S + c S + c c S )+ E ( c S + c S )= c H + c H c E (c S + c S + c c S )+ E ( c S + c S )= c H + c H c ( H E S ) c +( H E S ) c =0 homogen sistem linearnih enačb Φ j dv H ij = H ji = Φ i H matrični element netrivialna rešitev samo če je determinanta 0 (sekularna enačba sistema) ( H E S )( H E S ) ( H E S ) =0 prekrivalni integral ( H E S ) ( H E S ) =0 ( H E S ) ( H E S ) ( H E S ) c +( H E S ) c =0 karakteristična enačba S ij = S ji = Φ i Φ j dv E, ψ ' =c Φ +c Φ E, ψ ' =c Φ + c Φ

metoda motenj = H 0 + H ' H motnja () () ψ n =ψ(0) + ψ + ψ n n n +... osnovnim rešitvam dodamo popravke višjih redov (0) (0) H 0 ψ(0) = E n n ψn osnovni Hamiltonov operator in njegove lastne funkcije () ( ) E n = E (0) + E + E n n n +... enako tudi lastnim vrednostim () (0) () (0) () ' )( ψ(0) ( H 0 + H n + ψ n )=( E n + E n )( ψ n + ψ n ) popravek prvega reda (0) () (0) (0) (0) () () (0) () () () H 0 ψ(0) n + H 0 ψn + H ' ψ n + H ' ψ n = E n ψn + E n ψ n + E n ψn + E n ψn () (0) () ψ() n = c jn ψ j = c jn j (0) (0) () () (0) H 0 ψ() n + H ' ψn = E n ψ n + E n ψn j j (0) () () H 0 c() jn j + H ' n = E n c jn j + E n n j j () () E (0)j c ()jn j + H ' n = E (0) n c jn j + E n n j k j () (0) () () k E (0) j c jn j + k H ' n = k E n c jn j + k E n n j j () () E (0)j c ()jn k j + k H ' n = E (0) n c jn k j + E n k n j j () (0) () () E (0) k c kn + k H ' n = E n c kn + E n k n

(0) () ' n = E (n0) c(kn) + E () E k c kn + k H n k n k=n (0) () ( ) () ' n = E (0) E n c nn + n H c + E n nn n n n () ' n E n = n H k n (0) () ( ) () ' n = E (0) E k c kn + k H c + E n kn n k n (0) (0) () ' n ( E n E k ) c kn = k H ' n k H c = (0) ( E n E(k0)) () kn ' n H k ' n + E n= E + n H +... ( 0) (0) k n E n E k ( 0) n ( 0) n ψ n =ψ + k n ' n ( 0) k H ψk +... (0) ( 0) En Ek ( 0) ' n E (0) k H n Ek

uporabimo metodo motenj za atom z dvema elektronoma 0 = Z Z H r r (0) ' n E n E n + n H '= H r 3 3 Z Z r Z r ψ(0)=s() s()= π e e, E (0)= Z ' s()s () E ()= s() s( ) H e 0 ℏ a.e.= = =7. ev 4 π ϵ0 r B me r B 6 Z Z r Z r 5 e e dv dv = Z r 8 π (0) () 5 E E + E = Z + Z 8 Z Z 5 5 E vez= E E ( e)= Z + Z + = + Z 8 8 Z 5 E ion= E vez = ( E E( e) )= Z 8 E kor = E ion (eksp) E ion 3 Z Z r s(r )= A e = π e Z Z ℏ E n= = a.u. n me rb n Z r B B osnovno stanje H0 E ()= Zr Z r ψ,0,0 (r, ϑ, ϕ)=s (r )= π ( ) e r atomski sistem Z E0ion Eion Eion Ekor H- 0.5-0.5 0.06* 0.5 He 0.750 0.904 0.54 Li+ 3 4.5.65.780 0.55 Be+ 4 8 5.500 5.655 0.55 B3+ 5.5 9.375 9.53 0.56 N5+ 7 4.5 0.5 0.88 0.63 F7+ 9 40.5 34.875 35.053 0.78 (eksp)

uporabimo variacijsko metodo za atom z dvema elektronoma (He) Z ' 3 Z ' r Z ' r ψ ' ( Z ' )= π e e ^ = Z Z + H r r r E ( Z ' )= ψ ' ( Z' E= Z ' + π 6 poskusna valovna funkcija z efektivnim nabojem jedra Z' Z Z ' Z ' Z Z ' + ) ψ dv dv r r r r r Z Z ' + )dv dv r r 5 5 E= Z ' ( Z Z ' ) Z ' + Z ' = Z ' Z Z ' + Z ' 8 8 e Z ' r e Z ' r ( Z r Z ' E 5 5 = Z ' Z + =0 Z ' = Z Z' 8 6 E= Z + 5 5 Z ( ) 8 6 Z 5 5 E vez = E E ( e)= + Z ( ) 8 6 Z 5 5 E ion = E vez = Z +( ) 8 6 Z 5 E ion = Z 8 atomski sistem Z H- He E0ion E kor = E ion (eksp) E ion Eion Eion Ekor 0.5-0.5 (eksp) 0.06* 0.5 0.750 0.904 0.54 Li+ 3 4.5.65.780 0.55 Be+ 4 8 5.500 5.655 0.55 B3+ 5.5 9.375 9.53 0.56 N5+ 7 4.5 0.5 0.88 0.63 F7+ 9 40.5 34.875 35.053 0.78 metoda motenj. reda

PREHODI MED STANJI časovno odvisna teorija motenj Ĥ (t )= H 0 + Ĥ ' (t) motnja deluje kratek čas, naraste do končne vrednosti ali niha verjetnost za prehod med dvema stanjema zaradi motnje je sorazmerna s kvadratom matričnega elementa w končno( final ) Ĥ ' začetno(initial ) če je matrični element enak 0, je prehod prepovedan izbirna pravila pri prehodih z izsevanjem ali absorpcijo fotona je to matrični element električnega dipolnega momenta μ= q d r, H ' (t)= μ E(t ), μ fi = ψ f μ ψ i =q ψ f r ψ i dv μ x, fi = ψ f μ x ψ i =q ψ f x ψ i dv μ y, fi = ψ f μ y ψ i =q ψ f y ψ i dv μ z, fi = ψ f μ z ψ i =q ψ f z ψ i dv ψ n, l, m (r,ϑ, ϕ)= A n, l, m R n, l (r ) Y l, m (ϑ, ϕ)= A n, l, m R n, l (r) P l, m (cos ϑ) e i m ϕ prehodi so dovoljeni med stanji Δ l=±, Δ m l =0,± in Δ n poljuben

TIRNI MAGNETNI MOMENT p m =S I =S e 0 =S e ω 0 t 0 π p m = π r e 0 ω π m e m e = e 0 m e l p T = e 0 m e l p m m e =9, 0 3 kg e 0 =,6 0 9 As h=6,63 0 34 Js v l z =m l ħ m l = l, l +..., 0,... l, l p B = e 0 ħ m e =9.7 0 4 Am Bohrov magneton p T, z = m l p B

Stern-Gerlachov poskus atomi srebra imajo vrtilno količino ½ Ag= [Kr] 4d 0 5s SPINSKI MAGNETNI MOMENT p s = e m S m s =, S z =m s ħ p S, z =± p B S p S

OPERATOR SPINA ker ni klasične analogije, lastnosti operatorja spina skonstruiramo po zgledu operatorja za vrtilno količino S=( Ŝ x, Ŝ y, Ŝ z), S =Ŝ x+ŝ y+ Ŝ z komutatorji operatorjev spina [ Ŝ x, Ŝ y ]=i ħ Ŝ z, [ Ŝ y, Ŝ z ]=i ħ Ŝ x, [ Ŝ z, Ŝ x ]=i ħ Ŝ y [ Ŝ, Ŝ x ]=0, [ Ŝ, Ŝ y ]=0, [ Ŝ, Ŝ z ]=0 spin elektrona je ½ in ima samo dve lastni stanji m S =+½,-½ Ŝ α=s(s+)ħ α= 3 4 ħ α, Ŝ z α= ħ α Ŝ β=s(s+)ħ β= 3 4 ħ β, Ŝ z β= ħ β α α =, β β =, α β =0

Spinski del valovne funkcije (He) Ĥ 0 = Z r Z Ĥ '= r brez dimenzijski zapis v atomskih enotah zanemarimo interakcijo med elektronoma osnovno stanje ψ He (,)=s()s() [ α()β() β()α()] prvo vzbujeno stanje ψ=φ Φ ψ (,)= [s()s()+s()s()] [α()β() β()α()] ψ (,)= r [s()s() s()s()] α()α() ψ 3 (,)= [s()s() s()s()] [α()β()+β()α()] ψ 4 (,)= [s()s() s()s()]β()β() r Z e 0 e 0 r r r r = r r e 0 spinski singlet parahelij spinski triplet ortohelij

energija vzbujenega stanja singlet E () S = ψ S H ' ψ S E n =E (0) n + n H ' n +... '= H r () ' ψ S (,) dv dv = [s() s()+s()s()] dv dv E S = ψ S (,) H r E S = s () s () () dv dv + s() s() s()s() dv dv r r E () S =J + K dv dv r K = s() s( ) s() s( ) dv dv r J = s () s ( ) J atomski coulombski integral K atomski izmenjalni integral E S = E (0) + J + K triplet () T E =J K E T =E (0) + J K +J E (0) +K K ES ET

Hartree-Fockova metoda atom z N elektroni Hartreejeva metoda ne upošteva neločljivosti elektronov N ψ(,,, N )=φ ()φ () φ N ( N )= φ i (i), φ i (i) φ i (i) = i= N Ĥ (0) = ( i= i + Z ), Ĥ ' = r i i < j N [ ( i= i + Z )+ r i i < j N r ij i= V i ef r ij ] ψ=e ψ funkcije so normirane medsebojno potencialno energijo elektronov upoštevamo le v povprečju V i ( r i )= j( i ) φ j( r j ) r ij dv j = j ( i) φ j r ij φ j izberemo začetni sistem funkcij izračunamo eff. pot. rešujemo sistem (Ĥ (0) i +V ef i )φ i =ϵ i φ i enačb Celotna energija E= Ĥ = ψ Ĥ (0) + i< j N ψ = ϵ (0) r i + ij i= i< j J ij NE preverimo ujemanje Hartree-Fockova metoda upošteva neločljivost elektronov DA konec

Struktura molekul Obstajata dva osnovna kvantno mehanska pristopa: teorija valenčne vezi (VB - Valence Bond theory) in teorija molekulskih orbital (MO Molecular Orbital theory). Born-Oppenheimerjev približek: Privzamemo, da so jedra zaradi velike teže praktično pri miru, in obravnavamo gibanje elektronov okrog mirujočih jeder. najenostavnejša je molekula vodika Ĥ = r A r B + R r B r A + r e 0 r B e 0 r A Ĥ =Ĥ 0 + Ĥ i, lim R Ĥ =Ĥ 0, lim R Ĥ i =0 A r A r B B e 0 e 0 R= r A r B

e 0 metoda valenčne vezi 0 = H r A r B i= + H R r B r A r r s A ()= π e A r s B ()= π e B r B r A A e0 e 0 r A r B B e0 R= r A r B ψ(,)=s A ()s B ( ) 0+ H i ) ψ(,) dv dv = E H +Δ E E= ψ(,)( H i ψ (,) dv dv = s A ()s B ()( + ) dv dv Δ E= ψ(,) H R r B r A r Δ E= s A () dv s B () dv + s A () s B () dv dv =Q R r B r A r

s A () dv s B () dv + s A () s B () dv dv =Q R r B r A r DE[eV] Δ E= -0.5 ev, 0.9 Å -4.75 ev, 0.74 Å R[rB=0.59 Å] valovna funkcija ne upošteva neločljivosti elektronov

upoštevajmo neločljivost elektronov ψ± (,)= (± S ) S = s A ()s B () dv [s A ()s B ()±s B ()s A ()] prekrivalni integral N ± [s A()s B ()±s B ()s A ()] dv dv = N ± [ s A ()s B () dv dv ± s A () s B ()s A ()s B () dv dv ]= N ± (± S )= N ± = normalizacija (±S ) = + H i R r B r A r s ()s ()dv dv ± s () s () H s ()s ( ) dv dv ] [ s A () s B () H i A B A B i B A ± S Δ E± = Q±J ± S DE[eV] Δ E ±= Q J S -3.6 ev, 0.87 Å Q+J + S A B verjetnostna gostota na osi -4.75 ev, 0.74 Å R[rB=0.59 Å] M

metoda molekulskih orbital - H+ e 0 r B = + H r A r B R r A Φb ()= N + [s A ()+s B ()] vezna Φa ()= N [s A () s B ()] antivezna A e0 B e0 R= r A r B N ± [s A()±s B ()] dv = N ± [ s A () dv ± s A()s B () dv ]= E b= [s A ()+s B ()] H [s A ()+s B ()] dv (+ S ) N ± (± S )= N ± = (± S ) s A () dv + s A () H s B () dv ] E b= [ s A () H (+ S) normalizacija E b= α+β α β, E a= (+ S) ( S ) s A () dv, β= s A () H s B () dv α= s A () H s A () dv E H R r B β=( E H + ) S s A ()s B () dv R r A α= E H +

e 0 metoda molekulskih orbital - H Φb ()= N + [s A ()+s B ()] r B r A Φa ()= N [s A () s B ()] Φ b () Φ b ( ) Φ a ()Φ a () Φ b () Φ a ( ) Φ a ()Φ b ( ) simetrična A e0 [Φb () Φa ( ) Φ a ()Φ b ()] r B r A B e0 R= r A r B simetrična [Φ b () Φ a ()+Φ a ()Φ b ()] simetrična [Φ b () Φ a () Φ a ()Φ b ()] antisimetrična ψ (,)=Φ b () Φb () [ α()β( ) β() α()] VB MO ψ (,)=Φ a ()Φa () [ α()β() β() α()] exp. ψ3 (,)= [Φ b () Φa ( )+Φ a ()Φ b ()] [α()β( ) β() α()] ψ 3 (,)= e 0 R DE 0.87 Å 3.6 ev 0.85 Å.69 ev 0.74 Å 4.75 ev α () α( ) [α()β ()+β () α( )] β()β ()

primerjava metod VB, MO [s A ()+s B ()] [s A ( )+s B ()]= = [s A () s B ()+s B ()s A ( )]+ [s A ()s A ()+s B ()s B ()] ψ (,)=Φb () Φb ()= HH HH kovalentna struktura [ ψ + (,)+ψ i (,)] ψ (,)= [ ψ+ (,)+ ψ i (,)] ψ (,)= HH HH ionska struktura [ ψ (,) ψ (,)] ψ i (,)= [ ψ (,)+ψ (,)] ψ+ (,)= molekulske orbitale lahko zapišemo kot linearno kombinacijo kovalentne in ionske strukture in obratno deleže lahko določimo z variacijsko metodo ψ (,)=c + ψ+ (,)+c i ψi (,)

Imena in slike molekulskih orbital: imena MO pri homonuklearnih molekulah: oznaka atomske orbitale simetrija glede na os molekule: s, p, d, j... simetrija glede na center inverzije g - simetrična (gerade) u antisimetrična (ungerade) protivezno orbitalo označimo z * oznake MO pri H : sσ g s A +s B sσ u s A s B vezna protivezna s σ u s s σ g s s σ u s A s B nekaj primerov konfiguracij: s σ g H + : (s σ g ) H : (sσ g ) He + : (s σ g ) (s σ u ) He : (s σ g ) (s σ u ) neto vezavnost b= n b n a n b n a b R eksp + H 0,5,06 Å H 0,74 Å + He 0,5,08 Å He 0 --

s σ g s A +s B px πg s σ u s A s B p xa p ya p zb pz σ g p z σ p za p zb sa p y π u p ya + p yb sa p y π p ya p yb p y πu s σu s σg s σu sσg sb sb Li : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) b=, R=,67 Å Be : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) b=0 B : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (p x π u ) (p y π u ) p yb g b=, R=,59 Å p xb u py πg p x πu p z σ g p za + p zb p za pz σ u p y π g C : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (p x π u ) (p y π u ) b=, R=,4 Å N : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (p π u )4 (p z σ g ) b=3, R=,0 Å 4 py O : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (pz σ g ) (p π u ) ( px π g ) (p y π g ) b=, R=, Å F : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (pz σ g ) (p π u )4 (p π g )4 b=, R=,44 Å 4 4 py p y πu Ne : (s σ g ) (s σ u ) (s σ g ) (s σ u ) (p z σ g ) (p π u ) (p π g ) (p z σ u ) b=0

prekrivanje s orbital majhno za Z> (s σ g ) (sσ u ) (s A ) (s A ) ( KK )4 S= s A ()s B () dv MO pri heteronuklearnih molekulah (centra inverzije ni): AO s podobnimi energijami ustrezna simetrija AO (S 0) LiH : (s Li ) ( σ ) S=0 σ s H + s Li S 0 σ s H s Li CO : ( KK )4 ( sσ ) (s σ ) (p π)4 (p σ) NO : ( KK )4 ( s σ ) (s σ ) (p π)4 (p σ) (p π ) princip maksimalnega prekrivanja E= E A + E B + Q±J ± S i s B ()s A () dv dv J = s A ()s B () H

Hibridne orbitale: od kod usmejenost kemijskih vezi? vez je močnejša, če se valenčne AO bolj prekrivajo! večje prekrivanje dosežemo s hibridnimi orbitalami primer sp3 (tetraedrični hibrid): S = (s+p x +p y +p z ) S = (s+p x p y pz ) S 3 = (s p x +p y pz ) S 4 = (s p x p y +pz ) H H C H H