구면 조화함수 (Spherical Harmonics)
1. 정의
구면 조화함수는 구면 위의 라플라스 방정식의 해이며, 궤도 각운동량 연산자 와 의 동시 고유함수이다.
정의4.2구면 조화함수
구면 조화함수 는 다음과 같이 정의된다:
여기서 (), ()이고, 은 연관 르장드르 함수(associated Legendre function)이다.
양자수 범위: 및
2. 낮은 차수의 구면 조화함수
3. 각운동량의 고유함수
정의4.3각운동량 고유값 방정식
구면 조화함수는 궤도 각운동량 연산자의 동시 고유함수이다:
여기서 각운동량의 크기는 이고, -성분은 이다.
참고각운동량의 기하학적 해석
인 경우, 이고 의 가능한 값은 이다. 이므로, 각운동량 벡터는 결코 -축과 완전히 평행할 수 없다. 이는 와 가 항상 불확정하기 때문이다.
4. 직교 규격성과 완전성
완전성 관계:
임의의 구면 위의 함수 를 구면 조화함수로 전개할 수 있다:
5. 패리티
정의4.4구면 조화함수의 패리티
공간 반전 , 즉 에 대해:
따라서 구면 조화함수의 패리티는 이다.
예제구면 조화함수의 덧셈 정리
두 방향 과 사이의 각도 에 대해:
여기서 은 르장드르 다항식이다. 이 정리는 다중극 전개(multipole expansion)와 분자 궤도 이론에서 핵심적으로 사용된다.
6. 실수 구면 조화함수
화학에서는 실수 형태의 구면 조화함수를 자주 사용한다:
의 경우, 이들은 화학에서 익숙한 , , 궤도에 대응한다: