개념완성

변수 분리법 (Separation of Variables)

1. 3차원 슈뢰딩거 방정식

정의4.13차원 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식

3차원에서 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식은:

22m2ψ(r)+V(r)ψ(r)=Eψ(r)-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi(\mathbf{r}) + V(\mathbf{r})\psi(\mathbf{r}) = E\psi(\mathbf{r})

구면 좌표 (r,θ,ϕ)(r, \theta, \phi)에서 라플라시안은:

2=1r2r(r2r)+1r2sinθθ(sinθθ)+1r2sin2θ2ϕ2\nabla^2 = \frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}\left(r^2\frac{\partial}{\partial r}\right) + \frac{1}{r^2\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\sin\theta\frac{\partial}{\partial\theta}\right) + \frac{1}{r^2\sin^2\theta}\frac{\partial^2}{\partial\phi^2}

2. 구면 대칭 포텐셜에서의 변수 분리

포텐셜이 구면 대칭일 때 V(r)=V(r)V(\mathbf{r}) = V(r), 파동함수를 다음과 같이 분리한다:

ψ(r,θ,ϕ)=R(r)Y(θ,ϕ)\psi(r, \theta, \phi) = R(r) \cdot Y(\theta, \phi)

슈뢰딩거 방정식에 대입하고 r2/(RY)r^2 / (R \cdot Y)를 곱하면, rr에만 의존하는 부분과 θ,ϕ\theta, \phi에만 의존하는 부분이 분리된다.

각도 부분:

1Y[1sinθθ(sinθYθ)+1sin2θ2Yϕ2]=(+1)\frac{1}{Y}\left[\frac{1}{\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\sin\theta\frac{\partial Y}{\partial\theta}\right) + \frac{1}{\sin^2\theta}\frac{\partial^2 Y}{\partial\phi^2}\right] = -\ell(\ell+1)

지름 부분:

1Rddr(r2dRdr)2mr22[V(r)E]=(+1)\frac{1}{R}\frac{d}{dr}\left(r^2\frac{dR}{dr}\right) - \frac{2mr^2}{\hbar^2}[V(r) - E] = \ell(\ell+1)

3. 각도 방정식의 추가 분리

각도 부분 Y(θ,ϕ)Y(\theta, \phi)도 다시 분리할 수 있다. Y(θ,ϕ)=Θ(θ)Φ(ϕ)Y(\theta, \phi) = \Theta(\theta)\Phi(\phi)로 놓으면:

ϕ\phi 방정식:

d2Φdϕ2=m2Φ    Φ(ϕ)=eimϕ\frac{d^2\Phi}{d\phi^2} = -m^2\Phi \implies \Phi(\phi) = e^{im\phi}

단일값 조건 Φ(ϕ+2π)=Φ(ϕ)\Phi(\phi + 2\pi) = \Phi(\phi)에서 m=0,±1,±2,m = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots

θ\theta 방정식 (연관 르장드르 방정식):

1sinθddθ(sinθdΘdθ)+[(+1)m2sin2θ]Θ=0\frac{1}{\sin\theta}\frac{d}{d\theta}\left(\sin\theta\frac{d\Theta}{d\theta}\right) + \left[\ell(\ell+1) - \frac{m^2}{\sin^2\theta}\right]\Theta = 0

물리적 해가 존재하려면 =0,1,2,\ell = 0, 1, 2, \ldots이고 m|m| \leq \ell이어야 한다.

참고양자수의 범위

변수 분리에서 자연스럽게 도출되는 양자수:

  • 주양자수 nn: 지름 방정식의 경계 조건에서 결정 (n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \ldots)
  • 궤도 양자수 \ell: 각도 방정식에서 결정 (=0,1,,n1\ell = 0, 1, \ldots, n-1)
  • 자기 양자수 mm: ϕ\phi 방정식의 단일값 조건에서 결정 (m=,,+m = -\ell, \ldots, +\ell)

4. 지름 방정식

지름 방정식을 u(r)=rR(r)u(r) = rR(r)로 치환하면 더 다루기 쉬운 형태가 된다:

22md2udr2+[V(r)+22m(+1)r2]u=Eu-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2u}{dr^2} + \left[V(r) + \frac{\hbar^2}{2m}\frac{\ell(\ell+1)}{r^2}\right]u = Eu

이는 유효 포텐셜 Veff(r)=V(r)+2(+1)/(2mr2)V_{\text{eff}}(r) = V(r) + \hbar^2\ell(\ell+1)/(2mr^2)을 가진 1차원 문제와 동일하다. 두 번째 항 2(+1)/(2mr2)\hbar^2\ell(\ell+1)/(2mr^2)원심력 장벽(centrifugal barrier)이다.

예제3차원 무한 구형 우물

V(r)=0V(r) = 0 (r<ar < a), V(r)=V(r) = \infty (r>ar > a)인 경우:

22md2udr2+2(+1)2mr2u=Eu(r<a)-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2u}{dr^2} + \frac{\hbar^2\ell(\ell+1)}{2mr^2}u = Eu \quad (r < a)

=0\ell = 0이면 u(r)=Asin(kr)u(r) = A\sin(kr), 경계 조건 u(a)=0u(a) = 0에서 kn=nπ/ak_n = n\pi/a:

En=n2π222ma2E_n = \frac{n^2\pi^2\hbar^2}{2ma^2}

0\ell \neq 0이면 해는 구면 베셀 함수(spherical Bessel functions) j(kr)j_\ell(kr)이며, 경계 조건에서 j(ka)=0j_\ell(ka) = 0의 영점이 에너지를 결정한다.

5. 데카르트 좌표에서의 변수 분리

포텐셜이 V(x,y,z)=Vx(x)+Vy(y)+Vz(z)V(x, y, z) = V_x(x) + V_y(y) + V_z(z) 형태이면, 데카르트 좌표에서 분리 가능하다:

ψ(x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z),E=Ex+Ey+Ez\psi(x, y, z) = X(x)Y(y)Z(z), \quad E = E_x + E_y + E_z
예제3차원 조화진동자 (데카르트 분리)

V=12mω2(x2+y2+z2)V = \frac{1}{2}m\omega^2(x^2 + y^2 + z^2)이면:

Enx,ny,nz=ω(nx+ny+nz+32)=ω(N+32)E_{n_x, n_y, n_z} = \hbar\omega\left(n_x + n_y + n_z + \frac{3}{2}\right) = \hbar\omega\left(N + \frac{3}{2}\right)

N=nx+ny+nzN = n_x + n_y + n_z일 때, 축퇴도는 (N+1)(N+2)/2(N+1)(N+2)/2이다.