Anexo:Funciones Hidrogenoides (No relativistas)

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En este artículo se muestran, la definición de función hidrogenoide, sus componentes, las ecuaciones de las que provienen, así como una representación que facilita su obtención. Además este artículo contiene una tabla de las primeras funciones hidrogenoides hasta n=5.

Función hidrogenoide.

Una función Ψ es hidrogenoide si es solución de la ecuación de Schrödinger estacionaria para el caso del átomo hidrogenoide. La cual es:

22μ2Ψ(r,θ,ϕ)+Ze4πε0rΨ(r,θ,ϕ)=EΨ(r,θ,ϕ)

donde:

  • es la constante de Planck reducida,
  • μ es la masa reducida del electrón,
  • e es la carga del electrón,
  • Z es el número atómico,
  • ε0 es la permitividad eléctrica del vacío,
  • r,θ,ϕ son las coordenadas esféricas,
  • E es la energía asociada a la función Ψ.

De esta ecuación (aplicando separación de variables) se obtiene que existen infinitas funciones que son solución y que pueden ser escritas de la siguiente manera:

Ψnlm(r,θ,ϕ)=Rnl(r)Ylm(θ,ϕ)

donde Rnl son las soluciones radiales , Ylmson las soluciones angulares conocidas como armónicos esféricos y n,l,m son constantes de sepración conocidas como números cuánticos.Estos números están relacionados entre sí de la siguiente manera:

n=1,2,3,...

l=0,1,2,...,n1

m=l,l+1,...,0,...,l1,l

Funciones radiales.

Las funciones radiales cumplen la siguiente ecuación, derivada de la ecuación de Schrödinger:

{r22[d2dr2+2rddr]+2μr2[V(r)En]}R(r)=2l(l+1)R(r)

Solucionando esta ecuación se obtiene una representación de las funciones radiales caracterizadas por los números cuánticos n,l , la cual es:

Rnl(r)=(Za)l+32(2n)2l+3[(nl1)!2n({n+l}!)3]eZrnarld2l+1dx2l+1[exdn+ldxn+l(xn+lex)]|x=2Zrna

donde:

  • Z es el número atómico.
  • a=5.291×1011m es una constante conocida como radio de Bohr.

Esta representación es útil para facilitar su obtención.

Ejemplo.

Obtener la función radial R32(r).

R32(r)=(Za)72(23)7[1!6(5!)3]eZr3ar2d5dx5[exd5dx5(x5ex)]|x=2Zr3a

R32(r)=1243030(Za)72eZr3ar2d5dx5[ex(exx5+25exx4200exx3+600exx2600exx+120ex)]|x=2Zr3a

R32(r)=1243030(Za)72eZr3ar2d5dx5(x5+25x4200x3+600x2600x+120)|x=2Zr3a

R32(r)=1243030(Za)72eZr3ar2(120)

R32(r)=48130(Za)72eZr3ar2

Armónicos Esféricos.

Las componentes angulares de la funciones hidrogenoides (conocidas como armónicos esféricos) son soluciones simultáneas de las siguientes ecuaciones.

2(2θ2+cotθθ+1sin2θ2ϕ2)Ylm(θ,ϕ)=2l(l+1)Ylm(θ,ϕ)

iYlm(θ,ϕ)ϕ=mYlm(θ,ϕ)

De donde se obtiene que estas funciones admiten la siguiente representación.

Ylm(θ,ϕ)=2l+14π(l|m|)!(l+|m|)!eimϕsenθ|m|2ll!dl+|m|dxl+|m|[(x21)l]|x=cosθ

Esta representación de los armónicos esféricos es útil únicamente para fines de la mecánica cuántica y resulta imprecisa para otros problemas como problemas electrostáticos o de propagación ondas mecánicas.

Ejemplo.

Obtener el armónico esférico Y21.

Y21(θ,ϕ)=54π1!3!eiϕsinθ222!d3dx3[(x21)2]|x=cosθ

Y21(θ,ϕ)=1256πeiϕsinθ8d3dx3(x42x2+1)|x=cosθ

Y21(θ,ϕ)=1256πeiϕsinθ8(24x)|x=cosθ=1256πeiϕsinθ8(24cosθ)

Y21(θ,ϕ)=12596πeiϕsinθcosθ

Y21(θ,ϕ)=12152πeiϕsinθcosθ

Funciones Hidrogenoides hasta n=5.

En este apartado se muestran todas las funciones hidrogenoides posibles para valores de n entre 1 y 5.

n=1.

Ψ100(r,θ,ϕ)=1π(Za)32eZra

n=2.

Ψ200(r,θ,ϕ)=1π(Z2a)32(1Zr2a)eZr2a

Ψ211(r,θ,ϕ)=18π(Za)52reZr2asinθeiϕ

Ψ210(r,θ,ϕ)=142π(Za)52reZr2acosθ

Ψ211(r,θ,ϕ)=18π(Za)52reZr2asinθeiϕ

n=3.

Ψ300(r,θ,ϕ)=1813π(Za)32[2718Zra+2Z2r2a2]eZr3a

Ψ311(r,θ,ϕ)=181π(Za)52eZr3ar(6Zra)eiϕsinθ

Ψ310(r,θ,ϕ)=1812π(Za)52eZr3ar(6Zra)cosθ

Ψ311(r,θ,ϕ)=181π(Za)52eZr3ar(6Zra)eiϕsinθ

Ψ322(r,θ,ϕ)=1108π(Za)72eZr3ar2e2iϕsen2θ

Ψ321(r,θ,ϕ)=154π(Za)72eZr3ar2eiϕsenθcosθ

Ψ320(r,θ,ϕ)=1546π(Za)72eZr3ar2(3cos2θ1)

Ψ321(r,θ,ϕ)=154π(Za)72eZr3ar2eiϕsenθcosθ

Ψ322(r,θ,ϕ)=1108π(Za)72eZr3ar2e2iϕsen2θ

n=4.

Ψ400(r,θ,ϕ)=11536π(Za)32eZr4a[192144Zra+24Z2r2a2Z3r3a3]

Ψ411=15125πeZr4ar[8020Zra+Z2r2a2]eiϕsinθ

Ψ410(r,θ,ϕ)=125610πeZr4ar[8020Zra+Z2r2a2]cosθ

Ψ411=15125πeZr4ar[8020Zra+Z2r2a2]eiϕsinθ

Ψ422(r,θ,ϕ)=1153632π(Za)72eZr4ar2[12Zra]e2iϕsen2θ

Ψ421(r,θ,ϕ)=176832π(Za)72eZr4ar2[12Zra]eiϕsenθcosθ

Ψ420(r,θ,ϕ)=11536π(Za)72eZr4ar2[12Zra](3cos2θ1)

Ψ421(r,θ,ϕ)=176832π(Za)72eZr4ar2[12Zra]eiϕsenθcosθ

Ψ422(r,θ,ϕ)=1153632π(Za)72eZr4ar2[12Zra]e2iϕsen2θ

Ψ433(r,θ,ϕ)=115362π(Za)92eZr4ar3e3iϕsin3θ

Ψ432(r,θ,ϕ)=115363π(Za)92eZr4ar3e2iϕsen2θcosθ

Ψ431(r,θ,ϕ)=11536310π(Za)92eZr4ar3eiϕsinθ(5cos2θ1)

Ψ430(r,θ,ϕ)=176810π(Za)92eZr4ar3(5cos3θ3cosθ)

Ψ431(r,θ,ϕ)=11536310π(Za)92eZr4ar3eiϕsinθ(5cos2θ1)

Ψ432(r,θ,ϕ)=115363π(Za)92eZr4ar3e2iϕsen2θcosθ

Ψ433(r,θ,ϕ)=115362π(Za)92eZr4ar3e3iϕsin3θ

n=5.

Ψ500(r,θ,ϕ)=1468755π(Za)32eZr5a[93757500Zr5a+1500Z2r2a2100Z3r3a3+2Z4r4a4]

Ψ511(r,θ,ϕ)=1468755π(Za)52eZr5ar[37501125Zra+90Z2r2a22Z3r3a3]eiϕsenθ

Ψ510(r,θ,ϕ)=14687525π(Za)52eZr5ar[37501125Zra+90Z2r2a22Z3r3a3]cosθ

Ψ511(r,θ,ϕ)=1468755π(Za)52eZr5ar[37501125Zra+90Z2r2a22Z3r3a3]eiϕsenθ

Ψ522(r,θ,ϕ)=118750037π(Za)72eZr5ar2[105070Zra+Z2r2a2]e2iϕsin2θ

Ψ521(r,θ,ϕ)=19375037π(Za)72eZr5ar2[105070Zra+Z2r2a2]eiϕsinθcosθ

Ψ520(r,θ,ϕ)=193750114π(Za)72eZr5ar2[105070Zra+Z2r2a2](3cos2θ1)

Ψ521(r,θ,ϕ)=19375037π(Za)72eZr5ar2[105070Zra+Z2r2a2]eiϕsinθcosθ

Ψ522(r,θ,ϕ)=118750037π(Za)72eZr5ar2[105070Zra+Z2r2a2]e2iϕsin2θ

Ψ533(r,θ,ϕ)=1937502π(Za)92eZr5ar3(20Zra)e3iϕsin3θ

Ψ532(r,θ,ϕ)=1937503π(Za)92eZr5ar3(20Zra)e2iϕsin2θcosθ

Ψ531(r,θ,ϕ)=193750310π(Za)92eZr5ar3(20Zra)eiϕsinθ(5cos2θ1)

Ψ530(r,θ,ϕ)=14687510π(Za)92eZr5ar3(20Zra)(5cos3θ3cosθ)

Ψ531(r,θ,ϕ)=193750310π(Za)92eZr5ar3(20Zra)eiϕsinθ(5cos2θ1)

Ψ532(r,θ,ϕ)=1937503π(Za)92eZr5ar3(20Zra)e2iϕsin2θcosθ

Ψ533(r,θ,ϕ)=1937502π(Za)92eZr5ar3(20Zra)e3iϕsin3θ

Ψ544(r,θ,ϕ)=1375000π(Za)112eZr5ar4e4iϕsin4θ

Ψ543(r,θ,ϕ)=1937502π(Za)112eZr5ar4e3iϕsin3θcosθ

Ψ542(r,θ,ϕ)=11875007π(Za)112eZr5ar4e2iϕsin2θ(7cos2θ1)

Ψ541(r,θ,ϕ)=19375014π(Za)112eZr5ar4eiϕsinθ(7cos3θ3cosθ)

Ψ540(r,θ,ϕ)=118750070π(Za)112eZr5ar4(35cos4θ30cos2θ+3)

Ψ541(r,θ,ϕ)=19375014π(Za)112eZr5ar4eiϕsinθ(7cos3θ3cosθ)

Ψ542(r,θ,ϕ)=11875007π(Za)112eZr5ar4e2iϕsin2θ(7cos2θ1)

Ψ543(r,θ,ϕ)=1937502π(Za)112eZr5ar4e3iϕsin3θcosθ

Ψ544(r,θ,ϕ)=1375000π(Za)112eZr5ar4e4iϕsin4θ

Bibliografía.

De la Peña, L.(2006).Introducción a la Mecánica Cuántica. México: Fondo de Cultura Económica.ISBN 9786071601766

Véase también.

Átomo hidrogenoide.

Armónicos esféricos. Plantilla:Control de autoridades