Step 1: 무차원 변수 도입
수소 원자의 지름 방정식:
−2mℏ2dr2d2u+[−4πϵ0re2+2mr2ℏ2ℓ(ℓ+1)]u=Eu속박 상태 E<0에 대해 κ=−2mE/ℏ로 정의하고, 무차원 변수:
ρ=κr,ρ0=2πϵ0ℏ2κme2를 도입하면:
dρ2d2u=[1−ρρ0+ρ2ℓ(ℓ+1)]uStep 2: 점근 해석
ρ→∞: d2u/dρ2≈u 이므로 u∼e−ρ (물리적 해)
ρ→0: d2u/dρ2≈ℓ(ℓ+1)u/ρ2 이므로 u∼ρℓ+1 (정칙 해)
따라서 u(ρ)=ρℓ+1e−ρv(ρ)로 놓는다.
Step 3: v(ρ)의 방정식
대입하면:
ρdρ2d2v+2(ℓ+1−ρ)dρdv+[ρ0−2(ℓ+1)]v=0Step 4: 멱급수 풀이
v(ρ)=∑j=0∞cjρj를 대입하면 점화 관계:
cj+1=(j+1)(j+2ℓ+2)2(j+ℓ+1)−ρ0cjStep 5: 급수의 절단 조건
j→∞에서 cj+1/cj→2/j이면, v(ρ)∼e2ρ가 되어 u(ρ)∼ρℓ+1eρ로 발산한다.
물리적 해를 얻으려면 급수가 어떤 jmax에서 절단되어야 한다:
cjmax+1=0⟹2(jmax+ℓ+1)=ρ0n≡jmax+ℓ+1로 정의하면 (n=1,2,3,…):
ρ0=2nStep 6: 에너지 고유값
ρ0=2n에서:
2πϵ0ℏ2κme2=2n⟹κ=4πϵ0ℏ2nme2E=−ℏ2κ2/(2m)이므로:
En=−2ℏ2m(4πϵ0e2)2n21=−n213.6 eV