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Physical Chemistry Week 12

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1 Physical Chemistry Week 12

2 Properties of spherical harmonics
Ξ› 2 π‘Œ π‘™π‘š =βˆ’π‘™ 𝑙+1 π‘Œ π‘™π‘š Energy: 𝐻 =βˆ’ ℏ 2 2π‘š β‹… Ξ› 2 π‘Ÿ 2 , 𝐻 π‘Œ π‘™π‘š = ℏ 2 2𝐼 ⋅𝑙 𝑙+1 π‘Œ π‘™π‘š , 𝐸 𝑙 = 𝑙 𝑙+1 ℏ 2 2𝐼 Square of angular momentum ( 𝐿 2 ): Classical: 𝐸= 𝐿 2 /2𝐼; quantum: 𝐿 2 =βˆ’ ℏ 2 Ξ› 2 𝐿 2 π‘Œ π‘™π‘š =𝑙 𝑙+1 ℏ 2 π‘Œ π‘™π‘š , 𝐿 2 𝑙 =𝑙 𝑙+1 ℏ 2

3 Angular momentum ( 𝐿 ) Classical: 𝐿 = π‘Ÿ Γ— 𝑝 ; quantum: 𝐿 = π‘Ÿ Γ— 𝑝
π‘Ÿ =π‘₯ 𝑒 π‘₯ +𝑦 𝑒 𝑦 +𝑧 𝑒 𝑧 , 𝑝 = 𝑝 π‘₯ 𝑒 π‘₯ + 𝑝 𝑦 𝑒 𝑦 + 𝑝 𝑧 𝑒 𝑧 𝑝 πœ‡ = ℏ 𝑖 πœ• πœ•πœ‡ , πœ‡=π‘₯,𝑦,𝑧 β€˜Γ—β€™ means cross product π‘Ž Γ— π‘˜ 𝑏 =π‘˜ π‘Ž Γ— 𝑏 , π‘Ž Γ— π‘Ž = 0 , π‘Ž Γ— 𝑏 =βˆ’ 𝑏 Γ— π‘Ž , π‘Ž Γ— 𝑏 + 𝑐 = π‘Ž Γ— 𝑏 + π‘Ž Γ— 𝑐 𝑒 π‘₯ Γ— 𝑒 𝑦 = 𝑒 𝑧 , 𝑒 𝑦 Γ— 𝑒 𝑧 = 𝑒 π‘₯ , 𝑒 𝑧 Γ— 𝑒 π‘₯ = 𝑒 𝑦

4 Continued 𝐿 &= π‘₯ 𝑒 π‘₯ +𝑦 𝑒 𝑦 +𝑧 𝑒 𝑧 Γ— ℏ 𝑖 πœ• πœ•π‘₯ 𝑒 π‘₯ + πœ• πœ•π‘¦ 𝑒 𝑦 + πœ• πœ•π‘§ 𝑒 𝑧 &= ℏ 𝑖 π‘₯ πœ• πœ•π‘¦ βˆ’π‘¦ πœ• πœ•π‘₯ 𝑒 𝑧 + 𝑦 πœ• πœ•π‘§ βˆ’π‘§ πœ• πœ•π‘¦ 𝑒 π‘₯ + 𝑧 πœ• πœ•π‘₯ βˆ’π‘₯ πœ• πœ•π‘§ 𝑒 𝑦 𝐿 π‘₯ = ℏ 𝑖 𝑦 πœ• πœ•π‘§ βˆ’π‘§ πœ• πœ•π‘¦ 𝐿 𝑦 = ℏ 𝑖 𝑧 πœ• πœ•π‘₯ βˆ’π‘₯ πœ• πœ•π‘§ 𝐿 𝑧 = ℏ 𝑖 π‘₯ πœ• πœ•π‘¦ βˆ’π‘¦ πœ• πœ•π‘₯

5 Commutation relations
𝐿 π‘₯ , 𝐿 𝑦 &=βˆ’ ℏ 2 𝑦 πœ• πœ•π‘§ βˆ’π‘§ πœ• πœ•π‘¦ 𝑧 πœ• πœ•π‘₯ βˆ’π‘₯ πœ• πœ•π‘§ βˆ’ 𝑧 πœ• πœ•π‘₯ βˆ’π‘₯ πœ• πœ•π‘§ 𝑦 πœ• πœ•π‘§ βˆ’π‘§ πœ• πœ•π‘¦ &=βˆ’ ℏ 2 𝑦 πœ• πœ•π‘₯ +𝑦𝑧 πœ• 2 πœ•π‘§πœ•π‘₯ βˆ’π‘¦π‘₯ πœ• 2 πœ• 𝑧 2 βˆ’ 𝑧 2 πœ• 2 πœ•π‘¦πœ•π‘₯ +𝑧π‘₯ πœ• 2 πœ•π‘¦πœ•π‘§ & ℏ 2 𝑧𝑦 πœ• 2 πœ•π‘₯πœ•π‘§ βˆ’ 𝑧 2 πœ• 2 πœ•π‘₯πœ•π‘¦ βˆ’π‘₯𝑦 πœ• 2 πœ• 𝑧 2 +π‘₯ πœ• πœ•π‘¦ +π‘₯𝑧 πœ• 2 πœ•π‘§πœ•π‘¦ &= ℏ 2 π‘₯ πœ• πœ•π‘¦ βˆ’π‘¦ πœ• πœ•π‘₯ &=𝑖ℏ 𝐿 𝑧 𝐿 π‘₯ , 𝐿 𝑦 =𝑖ℏ 𝐿 𝑧 , 𝐿 𝑦 , 𝐿 𝑧 =𝑖ℏ 𝐿 π‘₯ , 𝐿 𝑧 , 𝐿 π‘₯ =𝑖ℏ 𝐿 𝑦

6 Continued 𝐿 2 , 𝐿 𝑧 = 𝐿 π‘₯ 2 , 𝐿 𝑧 + 𝐿 𝑦 2 , 𝐿 𝑧 + 𝐿 𝑧 2 , 𝐿 𝑧
𝐿 2 , 𝐿 𝑧 = 𝐿 π‘₯ 2 , 𝐿 𝑧 + 𝐿 𝑦 2 , 𝐿 𝑧 + 𝐿 𝑧 2 , 𝐿 𝑧 𝐿 𝑧 2 , 𝐿 𝑧 = 𝐿 𝑧 3 βˆ’ 𝐿 𝑧 3 =0 β€’ 𝐿 π‘₯ 2 , 𝐿 𝑧 &= 𝐿 π‘₯ 2 𝐿 𝑧 βˆ’ 𝐿 π‘₯ 𝐿 𝑧 𝐿 π‘₯ + 𝐿 π‘₯ 𝐿 𝑧 𝐿 π‘₯ βˆ’ 𝐿 𝑧 𝐿 π‘₯ 2 &= 𝐿 π‘₯ 𝐿 π‘₯ , 𝐿 𝑧 + 𝐿 π‘₯ , 𝐿 𝑧 𝐿 π‘₯ &=βˆ’π‘–β„ 𝐿 π‘₯ 𝐿 𝑦 + 𝐿 𝑦 𝐿 π‘₯ 𝐿 𝑦 2 , 𝐿 𝑧 =𝑖ℏ 𝐿 𝑦 𝐿 π‘₯ + 𝐿 π‘₯ 𝐿 𝑦 𝐿 2 , 𝐿 𝑧 =0

7 Continued 𝐻 , 𝐿 𝑧 = 𝐿 2 2𝐼 , 𝐿 𝑧 =0 These commutation relations confirm that π‘Œ π‘™π‘š are the eigenfunctions for 𝐻 , 𝐿 2 and 𝐿 𝑧 , i.e. 𝐻 π‘Œ π‘™π‘š = 𝑙 𝑙+1 ℏ 2 2𝐼 π‘Œ π‘™π‘š 𝐿 2 π‘Œ π‘™π‘š =𝑙 𝑙+1 ℏ 2 π‘Œ π‘™π‘š 𝐿 𝑧 π‘Œ π‘™π‘š =π‘šβ„ π‘Œ π‘™π‘š

8 SchrΓΆdinger equation for hydrogen atom
Some notations Mass: nucleus π‘š 𝑁 , electron π‘š 𝑒 , total π‘š CM = π‘š 𝑁 + π‘š 𝑒 , reduced πœ‡= π‘š 𝑒 π‘š 𝑁 π‘š 𝑒 + π‘š 𝑁 Position vector: nucleus π‘Ÿ 𝑁 , electron π‘Ÿ 𝑒 , centre of mass (CM) 𝑅 = π‘š 𝑒 π‘Ÿ 𝑒 + π‘š 𝑁 π‘Ÿ 𝑁 π‘š 𝑒 + π‘š 𝑁 , electron relative to nucleus π‘Ÿ = π‘Ÿ 𝑒 βˆ’ π‘Ÿ 𝑁 If 𝑅 = 𝑅 π‘₯ 𝑒 π‘₯ + 𝑅 𝑦 𝑒 𝑦 + 𝑅 𝑧 𝑒 𝑧 , βˆ‡ 𝑅 2 = πœ• 2 πœ• 𝑅 π‘₯ πœ• 2 πœ• 𝑅 𝑦 πœ• 2 πœ• 𝑅 𝑧 2 (similar for βˆ‡ π‘Ÿ 2 ) Classical momentum: nucleus 𝑝 𝑁 = π‘š 𝑁 π‘Ÿ 𝑁 , electron 𝑝 𝑒 = π‘š 𝑒 π‘Ÿ 𝑒 , CM 𝑝 CM = π‘š CM 𝑅 , electron relative to nucleus 𝑝 πœ‡ =πœ‡ π‘Ÿ Vector without arrow means modulus π‘Ÿ= π‘Ÿ , etc O positron π‘š 𝑁 π‘š 𝑒 electron π‘Ÿ 𝑒 π‘Ÿ 𝑁 π‘Ÿ = π‘Ÿ 𝑒 βˆ’ π‘Ÿ 𝑁

9 Continued Classical energy: 𝐸= 𝑝 𝑒 2 2 π‘š 𝑒 + 𝑝 𝑁 2 2 π‘š 𝑁 βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ = 𝑝 CM 2 2 π‘š CM + 𝑝 πœ‡ 2 2πœ‡ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ , CM motion and relative motion are separated Quantum Hamiltonian: 𝐻 =βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ S.E. βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ Ξ¦ π‘Ÿ , 𝑅 =𝐸Φ π‘Ÿ , 𝑅

10 Separation of π‘Ÿ and 𝑅 Let Ξ¦ π‘Ÿ , 𝑅 =πœ’ 𝑅 πœ“ π‘Ÿ βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 πœ’ πœ“βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ πœ’ βˆ‡ π‘Ÿ 2 πœ“βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ πœ’πœ“=πΈπœ’πœ“ divide both sides by πœ’πœ“: βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 πœ’ πœ’ βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 πœ“ πœ“ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ =𝐸 Thus βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 πœ’ πœ’ = 𝐸 CM and βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 πœ“ πœ“ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ = 𝐸 𝑒 where 𝐸 CM + 𝐸 𝑒 =𝐸

11 Equation of πœ’ βˆ’ ℏ 2 2 π‘š CM βˆ‡ 𝑅 2 πœ’= 𝐸 CM πœ’
This is just a free particle moving in 3D space Plane wave solution πœ’ 𝑅 =𝐴 𝑒 𝑖 π‘˜ CM β‹… 𝑅 Wave vector: π‘˜ CM with modulus 2 π‘š CM 𝐸 CM ℏ and along the direction of 𝜐 𝑝

12 Equation of πœ“ βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 πœ“βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ πœ“= 𝐸 𝑒 πœ“
βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ βˆ‡ π‘Ÿ 2 πœ“βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ πœ“= 𝐸 𝑒 πœ“ βˆ‡ π‘Ÿ 2 can be expressed in spherical coordinate system located at nucleus βˆ‡ π‘Ÿ 2 = πœ• 2 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ• πœ•π‘Ÿ + Ξ› 2 π‘Ÿ 2 From now on, we will omit the subscript of 𝐸 𝑒 for simplicity Let πœ“ π‘Ÿ =𝑅 π‘Ÿ π‘Œ πœƒ,πœ™ βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ π‘Ÿ 2 πœ• 2 𝑅 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ•π‘… πœ•π‘Ÿ π‘Œβˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿπ‘…π‘Œβˆ’πΈ π‘Ÿ 2 π‘…π‘Œβˆ’ ℏ 2 2πœ‡ 𝑅 Ξ› 2 π‘Œ=0

13 Continued divide both sides by π‘…π‘Œ: βˆ’ ℏ 2 π‘Ÿ 2 2πœ‡π‘… πœ• 2 𝑅 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ•π‘… πœ•π‘Ÿ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿβˆ’πΈ π‘Ÿ 2 βˆ’ ℏ 2 2πœ‡π‘Œ Ξ› 2 π‘Œ=0 Thus βˆ’ ℏ 2 2πœ‡π‘Œ Ξ› 2 π‘Œ=𝐴 βˆ’ ℏ 2 π‘Ÿ 2 2πœ‡π‘… πœ• 2 𝑅 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ•π‘… πœ•π‘Ÿ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿβˆ’πΈ π‘Ÿ 2 =βˆ’π΄

14 Equation of π‘Œ Rearrange βˆ’ ℏ 2 2πœ‡π‘Œ Ξ› 2 π‘Œ=𝐴 as Ξ› 2 π‘Œ=βˆ’ 2πœ‡π΄ ℏ 2 π‘Œ
π‘Œ= π‘Œ 𝑙 π‘š 𝑙 πœƒ,πœ™ , βˆ’ 2πœ‡π΄ ℏ 2 =βˆ’π‘™ 𝑙+1 𝐴= 𝑙 𝑙+1 ℏ 2 2πœ‡

15 Equation of 𝑅 βˆ’ ℏ 2 π‘Ÿ 2 2πœ‡π‘… πœ• 2 𝑅 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ•π‘… πœ•π‘Ÿ βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿβˆ’πΈ π‘Ÿ 2 =βˆ’ 𝑙 𝑙+1 ℏ 2 2πœ‡ i.e. βˆ’ ℏ 2 2πœ‡ πœ• 2 πœ• π‘Ÿ π‘Ÿ πœ• πœ•π‘Ÿ + 𝑙 𝑙+1 ℏ 2 2πœ‡ π‘Ÿ 2 βˆ’ 𝑒 2 π‘Ÿ 𝑅=𝐸𝑅


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