Das Wasserstoffatom (relativistsich)

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In einem rotationssymmetrischen Potenzial haben wir als Dirac- Hamiltonian:

Dabei sind

hermitesche Operatoren

Man kann den Hamilton- Operator schreiben als:

Beweis:

Es gilt weiter:

.

Somit existieren gemeinsame Eigenzustände zu 

und

Eigenwerte von

Somit:

Schließlich also

Die Eigenwerte von

sind jedoch bekannt, nämlich

mit

Somit:

Es bleibt das radiale Eigenwertproblem für

Geeignete Darstellung für

Für

kann dies durch die Darstellung

mit

erfüllt werden:

Es gilt:

Also

Ansatz für den Radialanteil

Eingesetzt in die Eigenwertgleichung für H:

folgt:

Also:

Skalentransformation:

Führt man des weiteren ein:

Also einen skalierten Radius und die Feinstrukturkonstante,

wodurch sich auch das Potenzial vereinfacht zu:

Randbedingung:

regulär bei

für

Betrachte

also gebundene Zustände

Asymptotisches Verhalten:

Weil

divergiert!

Ansatz:

Es existieren nichttriviale Lösungen ,

falls 

Also

und regulär bei

Ansatz:

Die Lösung erfolgt über einen Potenzreihenansatz:

usw... wird dies ebenfalls für

aufgestellt

Koeffizientenvergleich liefert:

bis auf Normfaktor

k=0,1,2,.... Rekursionsformel!!

Verhalten für große k:

Dies kann man einsetzen in

und es folgt:

Falls die Potenzreihen

nicht abbrechen, so divergiert

exponentiell für

Dies ist jedoch ein Widerspruch zu den gesetzten Randbedingungen!

Also muss es einen Abbruch bei

geben:

Setzt man dies in die Rekursionsformel ein, so folgt:

Diese beiden Gleichungen stimmen jedoch für alle f,g überein, da

Setzt man

in

ein, so folgt mit

Weiter gilt:

Löst man dies nach den exakten Energieeigenwerten, die sich damit ergeben, also nach E auf, so erhält man die Feinstrukturformel:

Mit der Feinstrukturkonstanten

entwickelt man die Energieeigenwerte nach der Feinstrukturkonstanten bis ,

so folgt:

mit

Setzt man dies in die exakten Energieeigenwerte E ein, so folgt:

Diskussion

Ruheenergie

nicht relativistisches, entartetes Energiespektrum

Feinstruktur- Aufspaltung. Eine Aufhebung der j-Entartung durch Spin- Bahn- Kopplung. Dabei bleibt die Freiheit der Ausrichtung der Achse des magnetischen Moments, also die - fache - Entartung+ Parität!

Spektroskopische Beziehung der Feinstrukturterme:

n´=0. .