 |
|
Потенциальная энергия электрона равна
.
Следовательно, уравнение Шредингера имеет вид
. (18)
Можно показать, что уравнение (18) имеет решение, удовлетворяющее стандартным условиям, в следующих случаях: 1) при любых положительных значениях E; 2) при дискретных отрицательных значениях энергии, равных
. (19)
Случай 
соответствует электрону, пролетающему вблизи ядра, т.е. свободному электрону. Случай 
соответствует электрону, движущемуся вблизи ядра, т.е. связанному электрону. Самый нижний уровень 
, отвечающий минимально возможной энергии, называется основным, все остальные – возбужденными. Таким образом, квантование энергии атома является следствием теории, в отличие от теории Бора, в которой квантование вводилось как постулат.
Собственные функции уравнения (18), представленные в сферической системе координат, содержат три целочисленных параметра: главное число n, орбитальное число l и магнитное число m
.
Главное число n определяет энергетический уровень электрона в атоме в соответствии с формулой (19) и может принимать любые положительные целочисленные значения.
Орбитальное число l определяет орбитальный момент импульса электрона. Согласно законам квантовой механики момент импульса квантуется по правилу
. (20)
При заданном n орбитальное число может принимать значения
. (21)
Магнитное число m определяет ориентацию орбитального момента в пространстве. Согласно законам квантовой механики величина проекции момента на некоторое направление z принимает дискретные значения
,
где m – магнитное квантовое число, которое при заданном l может принимать значения
.
Таким образом, вектор момента импульса электрона в атоме может иметь в пространстве 
возможных ориентаций.
Согласно (19) энергия электрона зависит только от главного квантового числа n. Каждому собственному значению энергии 
(кроме ) соответствует несколько собственных функций 
, отличающихся значениями квантовых чисел l и m. Это означает, что атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях.
Состояния с одинаковой энергией называются вырожденными, а число различных состояний с каким-либо значением энергии называется кратностью вырождения соответствующего энергетического уровня.
Кратность вырождения энергетических уровней легко вычисляется путем подсчета возможных значений l и m. Каждому значению квантового числа l соответствует значений квантового числа m. Следовательно, число различных состояний, соответствующих данному n, равно
. (22)
В атомной физике применяется условное обозначение состояний электрона с различными значениями момента импульса. Электрон, находящийся в состоянии с 
называется s-электроном (соответствующее состояние – s-состоянием), с 
– p-электроном, с 
– d-электроном, с 
– f-электроном и далее по алфавиту. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением орбитального числа l. Поскольку l всегда меньше n, возможны следующие состояния электрона:
1s,
2s, 2p,
3s, 3p, 3d
и т.д. Схему уровней энергии удобно изображать так, как показано на рис.
Испускание и поглощение света происходит при переходах электрона с одного уровня на другой. В квантовой механике доказывается, что для орбитального квантового числа имеется правило отбора
. (23)
Это означает, что возможны только такие переходы, при которых l меняется на единицу. Правило обусловлено тем, что фотон обладает собственным моментом импульса (спином s). Его величина вычисляется по общему правилу (20), где вместо l следует использовать 
. Данное значение определяет максимальную величину проекции спина на избранное направление. Испускание или поглощение фотона, согласно закону сохранения момента импульса, приводит к изменению момента импульса атома, согласно с правилом (23).
На рис. показаны переходы, разрешенные правилом (23). Серии Лаймана соответствует переходам
;
серии Бальмера соответствуют переходы
и 
,
и т.д.
Решение уравнения Шредингера для атома водорода дает, что волновая функция электрона в 1s состоянии является сферически-симметричной и имеет вид
,
где 
есть боровский радиус. Вероятность нахождения электрона в шаровом слое радиуса r и толщиной dr равна
.
Подставив в формулу волновую функцию, получим
.
График радиальной плотности вероятности 
изображен на рис. Ее максимум приходится на 
. Таким образом, в основном состоянии атома водорода наиболее вероятное расстояние между ядром и электроном равно боровскому радиусу.
Спин электрона. Спиновое квантовое число. При классическом движении по орбите электрон обладает магнитным моментом. Причем классическое отношение магнитного момента к механическому имеет значение
, (1)
где 
и 
– соответственно магнитный и механический момент. К аналогичному результату приводит и квантовая механика. Так как проекция орбитального момента на некоторое направление может принимать только дискретные значения, то это же относится и к магнитному моменту. Поэтому, проекция магнитного момента на направление вектора B при заданном значении орбитального квантового числа l может принимать значения
,
где 
– так называемый магнетон Бора.
О. Штерн и В. Герлах в своих опытах проводили прямые измерения магнитных моментов. Они обнаружили, что узкий пучок атомов водорода, заведомо находящихся в s-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пучка. В этом состоянии момент импульса, а с ним и магнитный момент электрона равен нулю. Таким образом, магнитное поле не должно оказывать влияние на движение атомов водорода, т.е. расщепления быть не должно.
Для объяснения этого и других явлений Гаудсмит и Уленбек выдвинули предположение, что электрон обладает собственным моментом импульса 
, не связанным с движением электрона в пространстве. Этот собственный момент был назван спином.
Первоначально предполагалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси. Согласно этим представлениям для отношения магнитного и механического моментов должно выполняться соотношение (1). Экспериментально было установлено, что это отношение в действительности в два раза больше, чем для орбитальных моментов
.
По этой причине, представление электрона как о вращающемся шарике оказывается несостоятельным. В квантовой механике спин электрона (и всех других микрочастиц) рассматривается как внутреннее неотъемлемое свойство электрона, подобное его заряду и массе.
Величина собственного момента импульса микрочастицы определяется в квантовой механике с помощью спинового квантового числа s (для электрона 
)
.
Проекция спина на заданное направление может принимать квантованные значения, отличающиеся друг от друга на 
. Для электрона
,
где 
– магнитное спиновое квантовое число.