유도완성

수소 원자 에너지 스펙트럼 유도 (Hydrogen Atom Energy Spectrum Derivation)

1. 지름 방정식의 설정

유도수소 원자 에너지 스펙트럼 유도

Step 1: 무차원 변수 도입

수소 원자의 지름 방정식:

22md2udr2+[e24πϵ0r+2(+1)2mr2]u=Eu-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2u}{dr^2} + \left[-\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0 r} + \frac{\hbar^2\ell(\ell+1)}{2mr^2}\right]u = Eu

속박 상태 E<0E < 0에 대해 κ=2mE/\kappa = \sqrt{-2mE}/\hbar로 정의하고, 무차원 변수:

ρ=κr,ρ0=me22πϵ02κ\rho = \kappa r, \quad \rho_0 = \frac{me^2}{2\pi\epsilon_0\hbar^2\kappa}

를 도입하면:

d2udρ2=[1ρ0ρ+(+1)ρ2]u\frac{d^2u}{d\rho^2} = \left[1 - \frac{\rho_0}{\rho} + \frac{\ell(\ell+1)}{\rho^2}\right]u

Step 2: 점근 해석

ρ\rho \to \infty: d2u/dρ2ud^2u/d\rho^2 \approx u 이므로 ueρu \sim e^{-\rho} (물리적 해)

ρ0\rho \to 0: d2u/dρ2(+1)u/ρ2d^2u/d\rho^2 \approx \ell(\ell+1)u/\rho^2 이므로 uρ+1u \sim \rho^{\ell+1} (정칙 해)

따라서 u(ρ)=ρ+1eρv(ρ)u(\rho) = \rho^{\ell+1} e^{-\rho} v(\rho)로 놓는다.

Step 3: v(ρ)v(\rho)의 방정식

대입하면:

ρd2vdρ2+2(+1ρ)dvdρ+[ρ02(+1)]v=0\rho\frac{d^2v}{d\rho^2} + 2(\ell + 1 - \rho)\frac{dv}{d\rho} + [\rho_0 - 2(\ell+1)]v = 0

Step 4: 멱급수 풀이

v(ρ)=j=0cjρjv(\rho) = \sum_{j=0}^{\infty} c_j \rho^j를 대입하면 점화 관계:

cj+1=2(j++1)ρ0(j+1)(j+2+2)cjc_{j+1} = \frac{2(j + \ell + 1) - \rho_0}{(j+1)(j + 2\ell + 2)}c_j

Step 5: 급수의 절단 조건

jj \to \infty에서 cj+1/cj2/jc_{j+1}/c_j \to 2/j이면, v(ρ)e2ρv(\rho) \sim e^{2\rho}가 되어 u(ρ)ρ+1eρu(\rho) \sim \rho^{\ell+1}e^{\rho}로 발산한다.

물리적 해를 얻으려면 급수가 어떤 jmaxj_{\max}에서 절단되어야 한다:

cjmax+1=0    2(jmax++1)=ρ0c_{j_{\max}+1} = 0 \implies 2(j_{\max} + \ell + 1) = \rho_0

njmax++1n \equiv j_{\max} + \ell + 1로 정의하면 (n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \ldots):

ρ0=2n\rho_0 = 2n

Step 6: 에너지 고유값

ρ0=2n\rho_0 = 2n에서:

me22πϵ02κ=2n    κ=me24πϵ02n\frac{me^2}{2\pi\epsilon_0\hbar^2\kappa} = 2n \implies \kappa = \frac{me^2}{4\pi\epsilon_0\hbar^2 n}

E=2κ2/(2m)E = -\hbar^2\kappa^2/(2m)이므로:

En=m22(e24πϵ0)21n2=13.6 eVn2\boxed{E_n = -\frac{m}{2\hbar^2}\left(\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0}\right)^2 \frac{1}{n^2} = -\frac{13.6 \text{ eV}}{n^2}}

2. 양자수의 범위

절단 조건에서 n=jmax++1n = j_{\max} + \ell + 1이고 jmax0j_{\max} \geq 0이므로:

n1\ell \leq n - 1

따라서 주양자수 nn에 대해 =0,1,2,,n1\ell = 0, 1, 2, \ldots, n-1이다.

3. 보어 반지름과 자연 단위

보어 반지름: a0=4πϵ02me2=0.529a_0 = \frac{4\pi\epsilon_0\hbar^2}{me^2} = 0.529 A

에너지를 보어 반지름으로 표현하면:

En=e28πϵ0a01n2=E1n2E_n = -\frac{e^2}{8\pi\epsilon_0 a_0}\frac{1}{n^2} = -\frac{E_1}{n^2}

여기서 E1=13.6E_1 = 13.6 eV는 뤼드베리 에너지(Rydberg energy)의 절반이다.

참고미세 구조 상수와의 관계

미세 구조 상수 α=e2/(4πϵ0c)1/137\alpha = e^2/(4\pi\epsilon_0\hbar c) \approx 1/137을 사용하면:

En=12mc2α2n2E_n = -\frac{1}{2}mc^2\frac{\alpha^2}{n^2}

기저 상태 에너지는 전자 정지 에너지 mc2=511mc^2 = 511 keV의 α2/22.66×105\alpha^2/2 \approx 2.66 \times 10^{-5} 배이다. 이는 수소 원자가 비상대론적 시스템임을 보여준다.

4. 다항식 해의 명시적 형태

절단된 급수 v(ρ)v(\rho)연관 라게르 다항식 Ln12+1(2ρ)L_{n-\ell-1}^{2\ell+1}(2\rho)에 비례한다:

Rn(r)=u(r)r(2rna0)er/(na0)Ln12+1(2rna0)R_{n\ell}(r) = \frac{u(r)}{r} \propto \left(\frac{2r}{na_0}\right)^\ell e^{-r/(na_0)} L_{n-\ell-1}^{2\ell+1}\left(\frac{2r}{na_0}\right)
예제처음 몇 지름 파동함수의 유도

n=1,=0n = 1, \ell = 0: jmax=0j_{\max} = 0이므로 v=c0v = c_0 (상수):

u10=c0ρeρ    R10er/a0u_{10} = c_0 \rho \, e^{-\rho} \implies R_{10} \propto e^{-r/a_0}

n=2,=0n = 2, \ell = 0: jmax=1j_{\max} = 1이므로 v=c0(1+c1ρ/c0)v = c_0(1 + c_1\rho/c_0). 점화 관계에서 c1/c0=(24)/(12)=1c_1/c_0 = (2 - 4)/(1 \cdot 2) = -1:

v=c0(1ρ)    R20(2r/a0)er/(2a0)v = c_0(1 - \rho) \implies R_{20} \propto (2 - r/a_0)e^{-r/(2a_0)}

n=2,=1n = 2, \ell = 1: jmax=0j_{\max} = 0이므로 v=c0v = c_0 (상수):

u21=c0ρ2eρ    R21ra0er/(2a0)u_{21} = c_0\rho^2 e^{-\rho} \implies R_{21} \propto \frac{r}{a_0}e^{-r/(2a_0)}

규격화를 적용하면 정확한 형태를 얻는다.

5. 이온화 에너지와 연속 스펙트럼

nn \to \infty이면 En0E_n \to 0이고, 이산 준위가 무한히 조밀해진다. E>0E > 0 영역은 연속 스펙트럼으로, 이온화된 상태(산란 상태)에 대응한다.

이온화 에너지: Eion=E1=13.6E_{\text{ion}} = |E_1| = 13.6 eV