Сферическая система координат
Spherical Coordinate System
Сферическая система координат
широко используется при решении задач со сферически симметричным потенциалом
V = V(r).
Связь между переменными (x,y,z) прямоугольной и (r,θ,φ) сферической систем
координат
x = rsinθcosφ,
y = rsinθsinφ,
z = rcosθ
показана на рис. Элементу объёма в прямоугольной системе координат dxdydz
соответствует элемент объёма r2sinθdθdφdr в сферической системе
координат.
Рис. Прямоугольная и сферическая системы координат. |
В сферических координатах стационарное уравнение Шредингера
для частицы в центральном потенциале U(r) имеет вид
|
(1) |
Волновая функция ψ(r,θ,φ), являющаяся решением уравнения (1), имеет вид
произведения радиальной и угловой функций
ψ(r,θ,φ) = Rnl(r)Ylm(θ,φ), |
(2) |
где радиальная функция Rnl(r) и угловая функция Ylm(θ,φ)
удовлетворяют уравнениям
2Ylm(θ,φ)
= ћ2l(l + 1)Ylm(θ,φ), |
(3а) |
|
(3б) |
и
|
(4) |
Уравнение (3а) определяет возможные собственные значения
и собственные функции Ylm(θ,φ) оператора квадрата момента
2.
Уравнение (4) определяет собственные значения энергии Е и радиальные собственные
функции Rnl(r).
Решения уравнения (1) существуют лишь при определенных значениях
квантовых чисел n (радиальное квантовое число), l (орбитальное квантовое
число) и m (магнитное квантовое число). Возможные энергетические состояния
системы (уровни энергии) определяются числами n и l. Число n может быть
только целым, сколь угодно большим: n = 1, 2, …, ∞. Число l может принимать
значения l = 0, 1, 2, …, ∞.
Собственные значения L2 и Lz являются решением
операторных уравнений
2Ylm(θ,φ)
= L2Ylm(θ,φ) и
zYlm(θ,φ)
= LzYlm(θ,φ).
Они имеют следующие дискретные значения
L2 = ћ2l(l + 1), где l = 0, 1, 2,
3, …,
Lz = ћm, где m = 0, ±1, ±2, ±3,…, ±l.
Сферические функции (их называют также сферическими гармониками) Ylm(θ,φ)
являются собственными функциями операторов
2
и z,
т. е. описывают состояния с определенными l и m, а значит и определенными
значениями орбитального момента и его проекции на ось z. Сферические функции
Ylm(θ,φ) описываются формулой
,
где
- функция Лежандра.
Свойства сферических функций Ylm(θ,φ):
Симметрия:
Ylm(π−θ,φ+π) = (-1)lYlm(θ,φ),
Y*lm(θ,φ) = (-1)mYl,-m(θ,φ).
Ортогональность:
В качестве примера ниже приведены сферические функции Ylm(θ,φ)
для l = 0, 1, 2:
|