Квантование движения электрона в постоянном и однородном магнитном поле, страница 9

(34.4)

где

(34.5)

Отсутствующий здесь индекс *, нумерующий электронные термы, в дальнейшем также будет опускаться.

1. Переход к системе центра масс

Как и в классической механике, в квантовой системе двух частиц, взаимодействующих по закону вида (34.5), можно отделить движение центра масс от относительного движения частиц.

В классической механике отделение движения центра масс достигается переходом от переменных **, ** к координатам центра масс

(34.6)

и относительной координате

(34.7)

Канонически сопряженными импульсами для этих координат будут, соответственно,

(34.8)

В этих новых координатах и импульсах классическая функция Гамильтона приобретает вид:

(34.9)

где *** -- приведенная масса.

Уравнения Гамильтона

(34.10) , являющиеся уравнениями движения для центра масс и относительной координаты   частиц, как мы видим, полностью разделились.

При переходе к квантовой механике функции Гамильтона (34.9) сопоставляется оператор Гамильтона

(34.11)

где *** .

При этом стационарное уравнение Шредингера (34.4) принимает вид:

(34.12)

Переменные * и * в этом уравнении разделяются, и его решение можно искать в виде:

(34.13)

Для функций ** и ** получаем уравнения

(34.14)

(34.15)

Здесь *** .

Первое из полученных уравнений является уравнением для свободного движения частицы с массой (**). Его решение имеет вид:

(34.17)

Второе уравнение совпадает по форме с уравнением для частицы с массой *, движущейся в центрально-симметричном поле. Таким образом, задача свелась к уже рассмотренной задаче, и мы можем воспользоваться ранее полученными результатами (см. лекции 13,14).

2. Колебательная и вращательная структуры  молекулярных термов

Будем рассматривать нашу задачу в системе центра масс молекулы. В этом случае **, **, **.

Запишем уравнение (34.15) в сферической системе координат:

(34.18)

Здесь ** -- оператор  количества относительного движения ядер ***.

Проведем в этом уравнении разделение радиальной и угловых переменных. Для этого решение его ищем в виде:

(34.19)

где ** -- шаровые гармоники, удовлетворяющие уравнению

(34.20)

Подставляя (34.19) в (34.18), получаем уравнение для определения

(34.21)

Это уравнение в точности совпадает с уравнением для радиальной волновой функции квантовой частицы, обладающей массой * и орбитальным моментом *, движущегося в центрально-симметричном потенциале (см. (14.5)). Однако ранее использованные методы решения здесь неприменимы. Дело в том, что, как уже было сказано, потенциальная энергия фактически нам неизвестна. Для того чтобы ее определить во всей области изменения переменной *, необходимо решить сложную многоэлектронную задачу -- рассчитать волновую функцию электронной системы молекулы в адиабатическом приближении, т.е. при неподвижных ядрах. Даже асимптотическое поведение ** при **, как правило, неизвестно. Поэтому приходится апеллировать к опыту.

Прежде всего используется сам факт существования молекулы в устойчивом состоянии. Из него следует, что функция ** должна обладать достаточно глубоким минимумом. Только в этом случае атомы могут образовать устойчивую связанную систему -- молекулу.

Потенциальный минимум обычно оказывается настолько глубоким, что кроме основного, невозбужденного состояния, существует целый спектр слабовозбужденных состояний, имеющих характерную колебательно-вращательную структуру. Эти состояния, отвечающие малым колебаниям атомов относительно их равновесного положения, а также их вращению относительное центра масс, легко могут быть получены как решения уравнения (34.21), в котором потенциальная функция ** аппроксимируется ее квадратичным разложением в окрестности минимума ***:

(34.22)

а центробежная энергия полагается равной