변수 분리법 (Separation of Variables)
1. 3차원 슈뢰딩거 방정식
정의4.13차원 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식
3차원에서 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식은:
−2mℏ2∇2ψ(r)+V(r)ψ(r)=Eψ(r)구면 좌표 (r,θ,ϕ)에서 라플라시안은:
∇2=r21∂r∂(r2∂r∂)+r2sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂)+r2sin2θ1∂ϕ2∂2
2. 구면 대칭 포텐셜에서의 변수 분리
포텐셜이 구면 대칭일 때 V(r)=V(r), 파동함수를 다음과 같이 분리한다:
ψ(r,θ,ϕ)=R(r)⋅Y(θ,ϕ)
슈뢰딩거 방정식에 대입하고 r2/(R⋅Y)를 곱하면, r에만 의존하는 부분과 θ,ϕ에만 의존하는 부분이 분리된다.
각도 부분:
Y1[sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂Y)+sin2θ1∂ϕ2∂2Y]=−ℓ(ℓ+1)
지름 부분:
R1drd(r2drdR)−ℏ22mr2[V(r)−E]=ℓ(ℓ+1)
3. 각도 방정식의 추가 분리
각도 부분 Y(θ,ϕ)도 다시 분리할 수 있다. Y(θ,ϕ)=Θ(θ)Φ(ϕ)로 놓으면:
ϕ 방정식:
dϕ2d2Φ=−m2Φ⟹Φ(ϕ)=eimϕ
단일값 조건 Φ(ϕ+2π)=Φ(ϕ)에서 m=0,±1,±2,…
θ 방정식 (연관 르장드르 방정식):
sinθ1dθd(sinθdθdΘ)+[ℓ(ℓ+1)−sin2θm2]Θ=0
물리적 해가 존재하려면 ℓ=0,1,2,…이고 ∣m∣≤ℓ이어야 한다.
참고양자수의 범위
변수 분리에서 자연스럽게 도출되는 양자수:
- 주양자수 n: 지름 방정식의 경계 조건에서 결정 (n=1,2,3,…)
- 궤도 양자수 ℓ: 각도 방정식에서 결정 (ℓ=0,1,…,n−1)
- 자기 양자수 m: ϕ 방정식의 단일값 조건에서 결정 (m=−ℓ,…,+ℓ)
4. 지름 방정식
지름 방정식을 u(r)=rR(r)로 치환하면 더 다루기 쉬운 형태가 된다:
−2mℏ2dr2d2u+[V(r)+2mℏ2r2ℓ(ℓ+1)]u=Eu
이는 유효 포텐셜 Veff(r)=V(r)+ℏ2ℓ(ℓ+1)/(2mr2)을 가진 1차원 문제와 동일하다. 두 번째 항 ℏ2ℓ(ℓ+1)/(2mr2)는 원심력 장벽(centrifugal barrier)이다.
5. 데카르트 좌표에서의 변수 분리
포텐셜이 V(x,y,z)=Vx(x)+Vy(y)+Vz(z) 형태이면, 데카르트 좌표에서 분리 가능하다:
ψ(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z),E=Ex+Ey+Ez