Как мы можем описать электроны многоэлектронных атомов (т.е. не водорода), если уравнения/аналитические решения существуют только для водорода?

Я копался в спектрах излучения различных элементов и обнаружил, что такие вещи, как уравнение Ридберга, модель Бора и квантовая механика, могут полностью описать только один электрон в атоме водорода. Как же мы тогда совершили скачок к s,p,d,f-оболочкам многоэлектронных атомов? Насколько точен наш анализ этих более сложных элементов?

Уравнение Ридберга (примечание: является ли это эмпирическим уравнением «подгонки данных»? Каково его значение?)

1 λ "=" р ЧАС ( 1 н 1 2 1 н 2 2 )

Водород:введите описание изображения здесь

Гелий:введите описание изображения здесь

Железо:введите описание изображения здесь

Калий:введите описание изображения здесь

Думаю, в этом случае было бы важно установить различие между «аналитическим» анализом и численным анализом.

Ответы (1)

Единственными атомами, для которых уравнение Шредингера имеет аналитическое решение, являются одноэлектронные атомы, т.е. H, He + , Ли 2 + и так далее. Это потому, что при наличии более чем одного электрона силы между электронами делают уравнение слишком сложным для аналитического решения. Однако за 90 или около того лет с тех пор, как Шредингер предложил свое уравнение, было разработано огромное количество численных методов для его решения, и, конечно, современные компьютеры настолько мощны, что могут с легкостью рассчитать (электронную) структуру любого атома. Это относится даже к тяжелым атомам, где необходимо учитывать релятивистские эффекты.

Уравнение Ридберга является приближением, поскольку оно не учитывает тонкую электронную структуру. Однако это довольно хорошее приближение. Это работает, потому что для одноэлектронного атома энергия орбиталей (без учета тонкой структуры) пропорциональна 1/ н 2 , где н "=" 1 орбиталь с наименьшей энергией, н "=" 2 является вторым самым низким и так далее.

Чтобы немного уточнить это, я знаю людей, которые действительно отточили искусство численного решения уравнения Шредингера. Они могут более или менее напрямую решить задачу до семи тел с произвольным потенциалом машинной точности, поэтому для практических целей нет необходимости в приближениях. Однако это требует много компьютерного времени - один запуск в их кластере занимает месяц или около того. Для более крупных атомов/молекул, конечно, существует множество сложных методов приближения, о которых вы, вероятно, и говорите.
Уравнение Ридберга и уравнение Шредингера представляют собой идентичные приближения энергетических уровней H, которые не учитывают тонкую структуру. Уравнение Зоммерфельда и уравнение Дирака объясняют тонкую структуру. Зоммерфельд в 1916 году имел правильное уравнение тонкой структуры еще до того, как было разработано уравнение Шредингера (которое не учитывает тонкую структуру). uw.physics.wisc.edu/~knutson/phy448/wilson-sommerfeld.pdf