19042

Уравнение Томаса-Ферми

Лекция

Физика

Лекция 24 Уравнение ТомасаФерми Распределение заряда и электрического поля в атомах с учетом взаимодействия электронов друг с другом проводятся методами самосогласованного поля. Эти расчеты очень сложны и громоздки особенно многоэлектронных атомов. Но как раз дл

Русский

2013-07-11

127 KB

27 чел.

Лекция 24

Уравнение Томаса-Ферми

Распределение заряда и электрического поля в атомах с учетом взаимодействия электронов друг с другом проводятся методами самосогласованного поля. Эти расчеты очень сложны и громоздки (особенно многоэлектронных атомов). Но как раз для сложных атомов существует другой приближенный метод, приводящий к более грубым результатам, но являющийся гораздо более простым. Этот метод называется методом Томаса-Ферми и заключается в том, что в сложных атомах с большим числом электронов большинство электронов обладают большими квантовыми числами, и, следовательно, для них применимо квазиклассическое приближение. Поэтому об электронных состояниях можно говорить как о «ячейках в фазовом пространстве».

Рассмотрим атом с тяжелым ядром . В этом случае большинство электронов сосредоточено на уровнях с большими квантовыми числами. Так как на одном уровне не может быть двух одинаковых электронов, на первых оболочках электронов мало. Для остальных применяем квазиклассику.

Плотность электронов: . Электростатический потенциал: . Число состояний, приходящихся на фазовый объем:

 

С учетом спина:

 

Импульсы электронов в основном состоянии атома меняются от нуля до некоторого значения . Поэтому число электронов в элементе объема  равно

 

С другой стороны, количество электронов в элементе объема можно записать через их плотность как:

 

Тогда плотность в данной точке пространства имеем для плотности электронов:

 

Откуда находим  - радиус Ферми-сферы.

 

Максимальная кинетическая энергия:

 

Чтобы состояние было связанным, величина  должна быть отрицательной:

 

Потенциал  одинаков во всех точках пространства в стационарном состоянии (в противном случае электроны переходили бы из точек с меньшим  в точки с большим ). Поэтому

 

- уравнение границы атома (в этих точках плотность электронов  обращается в нуль). Но вне центрально-симметричного распределения зарядов при условии равенства нулю полного заряда потенциал должен быть равен нулю. Поэтому на границе атома . Поэтому для нейтрального атома постоянная  равна нулю. Для иона постоянная  должна быть отлична от нуля. Поэтому

 

Поскольку потенциал и плотность заряда связаны уравнением Пуассона , то из предыдущей формулы имеем

 (1)

где  - боровский радиус. Уравнение (1), определяющее распределение поля в атоме, и называется уравнением Томаса-Ферми. Распределение поля в основном состоянии атома определяется центрально-симметричным решением этого уравнения, удовлетворяющем следующим граничным условиям

 

Первое условие связано с тем, что на малых расстояниях, когда заряд ядра не экранируется электронами, атомное поле совпадает с полем ядра. На больших расстояниях поле должно убывать быстрее кулоновского из-за равенства нулю полного заряда атома.

Используем далее известное выражение для радиальной части лапласиана

 

и будем искать решение уравнения (1) в виде:

 

Тогда уравнения и граничные условия для функции  можно записать в следующем виде:

 

 

Переходим к безразмерной переменной:

 

где буквой  обозначена следующая комбинация безразмерных множителей (для компактности записи уравнения)

 

Получаем уравнение:

 

Это уравнение называется уравнением Томаса-Ферми. Это уравнение не содержит уже никаких параметров и определяет, таким образом, универсальную (то есть одинаковую для всех атомов) функцию .

Зная функцию , мы можем найти распределение поля в атоме , а затем и распределение плотности электронов :

 

Уравнение Томаса-Ферми не решается аналитически, но может быть проинтегрировано численно.  

Мы описали некоторые общие свойства «усредненных» атомов, отказавшись от описания индивидуальных свойств конкретных атомов. Это уравнение можно использовать не только для атомов, но и для других систем. С помощью модели Томаса-Ферми можно делать различные оценки или легко понять зависимости тех или иных характеристик атомов от размерных параметров и заряда ядра. Например, из уравнения Томаса-Ферми следует, что роль характерного размера атома играет величина

 

(именно этой величиной обезразмерены координаты в уравнении Томаса-Ферми).

Поэтому характерные значения потенциала можно оценить как:

 

Через потенциал можно следующим образом оценить характерную скорость электронов в атоме:

 

Можно оценить и плотность электронов:

 

Обсудим теперь условия применимости метода Томаса-Ферми. Для получения уравнения Томаса-Ферми мы использовали квазиклассическое приближение, которое не работает на слишком маленьких расстояниях. Как известно квазиклассическое приближение работает на расстояниях, больших радиуса первой боровской орбиты. Поэтому  

 

Также размеры ограничены сверху: на больших расстояниях де-бройлевская длина волны электрона становится порядка самого этого расстояния, и потому условие квазиклассичности полностью нарушается.  

Поэтому метод Томаса-Ферми работает при таких значениях расстояния, которое удовлетворяет следующим неравенствам

 

Это и есть область, в которой работает наше приближение. 

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68420. Классификация и свойства экосистем 66.5 KB
  Компоненты и процессы обеспечивающие функционирование экосистемы рассмотрим на рисунке где схематически представлено взаимодействие трёх компонентов а именно: сообщества потока энергии круговорота веществ Поток энергии направлен в одну сторону часть поступающей солнечной энергии преобразуется...
68421. Классификация и свойства экосистем. Состав и структура экосистем 277.5 KB
  Верхний автотрофный самостоятельно питающийся ярус или зеленый пояс включающий растения или их части содержащие хлорофилл где преобладают фиксация энергии света использование простых неорганических соединений и накопление сложных органических соединений.
68422. Стабильность и регуляция экосистем, понятие о гомеостазе экосистем 53.5 KB
  Антропогенные воздействия. Воздействия помех на популяцию носят случайный избирательный характер. Та область в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны несмотря на стрессовые воздействия сохранить устойчивость системы хотя и в изменённом виде называют гомеостатическим плато.
68423. Динамические процессы в экосистемах 196.5 KB
  Биоценоз экосистемы изменяется под воздействием факторов экотопа причем эти воздействия обладают различной интенсивностью и скоростью например биотические и геологические круговороты. Вместе с тем мы прекрасно знаем что подвижность экосистемы также относительна: экосистемы таежных лесов или целинных...
68424. Структура биосферы 46 KB
  Строение биосферы Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы всю гидросферу океаны моря поверхностные воды суши а также верхнюю часть литосферы. Верхней границей биосферы является озоновый слой 2030 км от земной поверхности а её нижняя граница не опускается в литосферу ниже 23 км.
68425. Экологические факторы 60 KB
  В числе факторов неживой природы присутствуют физические космические климатические орографические почвенные и химические компоненты воздуха воды кислотность и иные химические свойства почвы примеси промышленного происхождения. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры...
68426. Экологические факторы окружающей среды. Абиотические факторы 282 KB
  В числе факторов неживой природы присутствуют физические космические климатические орографические почвенные и химические компоненты воздуха воды кислотность и иные химические свойства почвы примеси промышленного происхождения.
68427. Биотические и антропогенные факторы 46 KB
  Например в тканях дерева в древесине лубе коре развиваются многие грибы плодовые тела которых трутовики можно видеть на поверхности ствола; внутри листьев плодов стеблей травянистых и древесных растений живет множество насекомых и других беспозвоночных а дупла деревьев обычное место...
68428. Биотические факторы. Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов 283 KB
  Биотические факторы наземной и водной среды почв Биологически активные вещества живых организмов Антропогенные факторы Общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов Понятие лимитирующего фактора.