El hamiltoniano para el átomo de hidrógeno,
El átomo de hidrógeno también tiene una degeneración adicional, ya que, dado cualquier momento angular, generalmente hay otros l s con la misma energía. Esta degeneración se debe a la existencia de una segunda constante de movimiento, generalmente llamada vector Laplace-Runge-Lenz ,
El vector Runge-Lenz también tiene una rica interpretación geométrica. Para una órbita elíptica clásica, apunta desde el foco hasta la periapsis y su magnitud es proporcional a la excentricidad de la órbita. Para órbitas circulares, se desvanece.
Fuente de la imagen: Wikipedia
El átomo de hidrógeno generalmente se describe en la base propia común del momento hamiltoniano y angular, con los números cuánticos bien conocidos y queridos El | n l m⟩ . Sin embargo, el vector Runge-Lenz UN También es una constante del movimiento.
Más concretamente, estoy buscando la estructura espacial de las funciones propias comunes de H y al menos un componente de UN , y posiblemente también de UN 2 (que, en analogía con las funciones propias comunes de H , L 2 y L z , es lo máximo que uno podría esperar), y si eso no es posible, entonces una explicación de por qué, y una descripción de los números cuánticos adecuados para completar un CSCO Me gustaría saber cuáles son sus valores propios correspondientes y cuál es la incertidumbre de los otros componentes, si se puede asignar una excentricidad clásica al orbital y, más en general, en relación con la geometría clásica correspondiente.
Su comentario me inspiró a trazar algo en Mathematica :)
Después de la discusión en el Capítulo 14 de "Grupos de mentiras, física y geometría de Robert Gilmore", los estados propios son dados por los estados S U ( 2 ) × S U ( 2 ) estados con números cuánticos El | j 1 m 1 ; j 2 m 2 ⟩ con la condición adicional j 1 = j 2 . (Tenga en cuenta que la parte radial es irrelevante para la discusión). Los generadores de los dos S U ( 2 ) : s están dados por J 1 = 1 2 ( L + A ′ ) y J 2 = 1 2 ( L - A ′ ) , dónde
Es sencillo descomponer dicho estado en términos de estados propios de la diagonal S U ( 2 ) simetría correspondiente al momento angular, siendo los coeficientes los coeficientes estándar de Clebsch-Gordan . Es bastante tedioso hacer esto a mano, pero afortunadamente se puede automatizar completamente usando Mathematica. El siguiente código construye el estado propio El | J , M 1 ; J , M 2 ⟩ en términos de armónicos esféricos (la advertencia que a veces produce no es nada grave).
eigenstate[J_, M1_, M2_] := Sum[ClebschGordan[{J, M1}, {J, M2}, {j, M1 + M2}] SphericalHarmonicY[j, M1 + M2, \[Theta], \[Phi]], {j, 0, 2 J}]
Ahora solo necesitamos trazarlo usando, por ejemplo, el código
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}}]
Esto produce la siguiente gráfica para la distribución de probabilidad en el estado El | 1 , 1 ; 1 , - 1⟩ :
Aquí están los estados El | 1/2 , - 1/2 ; 1/2, 1/2 1 El | 1 , 1 ; 1 , 0⟩ , El | 1 , 0 ; 1 , 0⟩ y El | 1 , 0 ; 1 , 1⟩ :
El cuarto estado es el reflejo del segundo. Tenga en cuenta que los ejes en el primero son un poco diferentes a los de los otros tres.
Si bien es fácil hacer más tramas, es más divertido jugar con ellos en Mathematica, donde puedes rotarlos y es más fácil ver los detalles.
Creo que no tiene sentido pedir funciones propias del vector Runge-Lenz. La razón es que el conmutador de dos componentes del vector Runge-Lenz, [ A X , A y ] es proporcional a L z . Lo mejor que se puede hacer es exigir que sea una función propia de cualquiera de los componentes, digamos UN z junto con los dos Casimirs J 2 1 y J 2 2 . Entonces la respuesta de Olof anterior es la mejor que se puede hacer. Es un ejercicio sencillo, posiblemente tedioso, calcular el valor esperado ⟨A X ⟩ en cualquiera de estos estados El principio de incertidumbre generalizada (también conocido como relación Robertson-Schrodinger) puede usarse para estimar Δ A X Δ A y en cualquier estado
Olof
Emilio Pisanty