¿Cómo podemos describir los electrones de átomos multielectrónicos (es decir, no de hidrógeno) cuando las ecuaciones/soluciones analíticas solo existen para el hidrógeno?

Estuve investigando los espectros de emisión de diferentes elementos y descubrí que cosas como la ecuación de Rydberg, el modelo de Bohr y la mecánica cuántica solo pueden describir completamente el electrón único en el átomo de hidrógeno. Entonces, ¿cómo dimos el salto a capas s, p, d, f de átomos multielectrónicos? ¿Cuán preciso es nuestro análisis de estos elementos más complicados?

Ecuación de Rydberg (nota al margen: ¿Es esta una ecuación empírica de 'ajuste de datos'? ¿Cuál es el significado de eso?)

1 λ = R H ( 1 norte 1 2 1 norte 2 2 )

Hidrógeno:ingrese la descripción de la imagen aquí

Helio:ingrese la descripción de la imagen aquí

Hierro:ingrese la descripción de la imagen aquí

Potasio:ingrese la descripción de la imagen aquí

Supongo que en este caso sería importante establecer la distinción entre análisis "analíticos" y análisis numéricos.

Respuestas (1)

Los únicos átomos para los que la ecuación de Schrödinger tiene una solución analítica son los átomos de un electrón, es decir, H, He + , li 2 + etcétera. Esto se debe a que, con más de un electrón, las fuerzas entre los electrones hacen que la ecuación sea demasiado difícil de resolver analíticamente. Sin embargo, durante los aproximadamente 90 años desde que Schrödinger propuso su ecuación, se ha desarrollado una amplia gama de métodos numéricos para resolverla y, por supuesto, las computadoras modernas son tan poderosas que pueden calcular la estructura (electrónica) de cualquier átomo con facilidad. Esto se aplica incluso a átomos pesados ​​en los que es necesario tener en cuenta los efectos relativistas.

La ecuación de Rydberg es una aproximación porque no tiene en cuenta la estructura electrónica fina. Sin embargo, es una aproximación bastante buena. Funciona porque para un átomo de un electrón la energía de los orbitales (ignorando la estructura fina) es proporcional a 1/ norte 2 , dónde norte = 1 es el orbital de menor energía, norte = 2 es el segundo más bajo y así sucesivamente.

Solo para elaborar esto un poco, conozco personas que realmente han perfeccionado el arte de resolver numéricamente la ecuación de Schrödinger. Pueden resolver más o menos directamente hasta el problema de los 7 cuerpos con un potencial arbitrario para la precisión de la máquina, por lo que para fines prácticos no se necesitan aproximaciones. Sin embargo , lleva mucho tiempo de computadora: una sola ejecución lleva aproximadamente un mes en su clúster. Para átomos/moléculas más grandes, por supuesto, hay un grupo de técnicas de aproximación sofisticadas a las que probablemente te refieres.
La ecuación de Rydberg y la ecuación de Schrodinger son aproximaciones idénticas de los niveles de energía de H, que no tienen en cuenta la estructura fina. La ecuación de Sommerfeld y la ecuación de Dirac dan cuenta de la estructura fina. Sommerfeld en 1916 tenía la ecuación de estructura fina correcta incluso antes de que se desarrollara la ecuación de Schrödinger (que no tiene en cuenta la estructura fina). uw.physics.wisc.edu/~knutson/phy448/wilson-sommerfeld.pdf