Annahmen:
Das Wasserstoffsystem lässt sich beschrieben über ein statisches Proton im Zentrum und ein dynamisches nicht-relativistisches Elektron, weleche über die Coulombwechselwirkung miteinander interagieren
VC=−4πϵ01re2
⇒ Das System kann über die Schrödinger-GL beschrieben werden
Hinweis: Man macht keine Annahme über quantisierte Bahnen!
ψnlm(r,ϑ,φ)=cnl(a0n2r)lexp{−a0nr}Ln+l2l+1(a0n2r)Ylm(ϑ,φ)
En=−8ϵ02h2me4n21 (wird nur durch n bestimmt)
Orbitale besitzen Maximum rnlmmax=maxr(r2∣ψnlm∣2) wie von Bohr postuliert: rn=r0n2
Allerdings extistieren auch Maxima an Punkten mit r=n2r0!
(Klassisch:) Bewegte Ladungen erzeugen ein magnetisches Moment
μ=21∫d3r[r×j(r)]
Mit dem QM Wahrscheinlichkeitsstrom des Elektrons ergibt sich, dass dieses Moment proportional zu der m Quantenzahl ist μz=−2meeml≡−μBml
Über die Equivalenz lässt sich somit der magnetische Moment Operator über den Drehimpuls einführen
μ^z≡−ℏμBL^z
Da Oribitale für unterschiedliche ml unterschiedliche Elektronenbewegungen zulassen, muss somit folglich, für ein externes magnischtisches Feld, die Energie ml abhängig sein
H^→H^+μ^zBzext und
En→Enml=En−μBBzextml+⋯
Erwartete Übgergänge erzeugen ein Linienspektrum mit verschobenen Wellenlängen
Auch das Elektron besitzt eine Eigendrehung, genannt Spin s, die mit dem Drehimpuls zu einer Gesammtdrehung koppelt j.
J^=L^+S^
Dieser spin ist halbzahlig mit
S^z∣s,ms⟩=ℏms∣s,ms⟩ und ms=±21
Relativistische Korrekturen spielen eine Rolle
Da es den μ^J=μ^L+μ^S=μBL^+μeS^ Opertor gibt, muss es auch den folgenden Term geben:
(Effektive Theorien: Was nicht explizit ausgeschlossen ist, das
ist
erlaubt)
H^=H^0+λS^⋅L^ ... die sogenannte Spin-Orbit Koppelung
Welche weiteren Größen gibt es und welche sind relevant?
Die Energie lässt sich über zwei fundamentale Parameter beschreiben:
−En,Bohr=2(4πϵ0ℏ)2mee4n21 =21(4πϵ0ℏce2)2mec2n21 =α22mec2n21
Mit der Stärke der EM Wechselwirkung α≡4πϵ0ℏce2≃1371 und der Ruheenergie des Elektrons mec2
Die Korrektur zum (relativistischen) Hamiltonian der die Feinstruktur beschreibt ist somit (ohne externes Magnetfeld)
mec2H^=Ursprungshamiltonian2me2c2p^2+mec2V(r^)O(α2)
+rel. Korrekturen1−8me4c4p^4−8me4c4ℏ2ΔV(r^)O(α4)
+ Spin-Orbit-Kopplung λL^⋅S^O(α4)
und mit Enj=−n213,6eV[1+n2α2(j+21n−43)]
Quantisierung der Coulombwechselwirkung (Quantum Elektrodynamik): Lamb-Shift ∼α5(Selbstenergie des Elektrons, Vakuumspolarisation und anomales magnetisches Moment (Vertexkorrektur))
Berücksichtigung des Protons (und des Proton Spin): Hyperfeinstruktur μp⋅μe∼α4me/mp