什麼是氫原子徑向波函數計算器?
這個工具能計算類氫(單電子)原子的正規化徑向波函數 R(r),也就是電子波函數中只與電子到原子核距離 r 有關的部分。它同時會輸出 r·R(r),因為徑向機率密度正比於 (r·R(r))²。這是純粹的量子力學結果,放諸四海皆準,沒有國別之分。所有距離均以波耳半徑為單位(a = a₀ = 1)。
使用方式
先選擇原子序 Z(氫為 Z=1,氦離子 He+ 為 Z=2),接著輸入主量子數 n(1、2、3……)與角量子數 l(範圍為 0 到 n−1)。最後設定起始半徑、步長與點數,即可產生一份可直接繪圖的數值表格。
計算公式
引入無因次變數 \(\rho = \frac{2Zr}{na}\),並令 \(a = 1\),正規化徑向波函數為 $$R_{n,l}(r) = N\,e^{-\rho/2}\,\rho^{\,l}\,L_{n-l-1}^{\,2l+1}(\rho)$$ 其中正規化常數 $$N = \sqrt{\left(\frac{2Z}{na}\right)^{3}\frac{(n-l-1)!}{2n\,(n+l)!}}$$ 其中的關聯拉蓋爾多項式定義為 $$L_p^q(x) = \sum (-1)^i \binom{p+q}{p-i} \frac{x^i}{i!}$$
實例演算
以 \(Z=1\)、\(n=2\)、\(l=0\)(即 2s 軌域)為例:$$R_{2,0}(r) = \frac{1}{2\sqrt{2}}(2 - r)\,e^{-r/2}$$ 當 \(r=0\) 時,\(R = \frac{1}{2.828427}\cdot 2 = 0.707107\);當 \(r=2\) 時則出現徑向節點,\(R=0\)。這些結果與計算器的輸出完全一致。
常見問題
為什麼有時前面會出現一個負號?整體正負號只是相位約定,並不具物理意義;\((r\cdot R)^2\) 與正負號無關。
為什麼 \(l\ge 1\) 時 R(0)=0?因為當 \(l\ge 1\) 時,\(r=0\) 處的 \(\rho^l = 0\)。
R(r) 的單位是什麼?是 \(a_0^{-3/2}\),因為波函數是在以波耳半徑為單位的三維空間中進行正規化。