El átomo de hidrógeno en en dos dimensiones

Resolveremos la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo en coordenadas polares, para el potencial V(r)=-e2/(4πε0r). Donde e es la carga del electrón, me su masa, y r es la distancia al núcleo (protón)

− ℏ 2 2me ( 1 r ∂ ∂r ( r ∂ψ(r,φ) ∂r )+ 1 r 2 ∂ 2 ψ(r,φ) ∂ φ 2 )− e 2 4π ε 0 r ψ(r,φ)=Eψ(r,φ)

Intentamos la separación de variables

ψ(r,φ)=R(r)·Φ(φ) Φ r d dr ( r dR dr )+ R r 2 d 2 Φ d φ 2 + 2me ℏ 2 ( E+ e 2 4π ε 0 r )RΦ=0 r R d ∂r ( r dR dr )+ 2me ℏ 2 ( E+ e 2 4π ε 0 r ) r 2 =− 1 Φ d 2 Φ d φ 2

El primer término, solamente depende de r, el segundo de φ, la ecuación diferencial se transforma en el sistema de dos ecuaciones diferenciales

{ r R d dr ( r dR dr )+ 2me ℏ 2 ( E+ e 2 4π ε 0 r ) r 2 = m 2 − 1 Φ d 2 Φ d φ 2 = m 2 { d 2 R d r 2 + 1 r dR dr +{ 2me ℏ 2 ( E+ e 2 4π ε 0 r )− m 2 r 2 }R=0 d 2 Φ d φ 2 + m 2 Φ=0

La ecuación angular

Tiene una solución conocida, que expresamos de forma equivalente

Φ(φ)= C 1 exp(imφ)+ C 2 exp(−imφ)

La solución es periódica, Φ(φ+2π)=Φ(φ). Igualando las partes real e imaginaria

{ C 1 cos(mφ+2π n φ )+ C 2 cos(mφ+2π n φ )= C 1 cos(mφ)+ C 2 cos(mφ) C 1 sin(mφ+2πm)− C 2 sin(mφ+2πm)= C 1 sin(mφ)− C 2 sin(mφ) { ( C 1 + C 2 )cos(mφ+2πm)=( C 1 + C 2 )cos(mφ) ( C 1 − C 2 )sin(mφ+2π m )=( C 1 − C 2 )sin(mφ)

Si C1≠C2 y C1+ C2≠0, entonces m tiene que ser un entero.

Φ(φ)=Cexp(imφ), m=0, ±1, ±2....

La ecuación radial

Hacemos el cambio de variable

E=− me e 4 2 ℏ 2 ( 4π ε 0 ) 2 1 N 2 , r=N ℏ 2 ( 4π ε 0 ) 2me e 2 x

Obtenemos una ecuación diferencial en términos de la variable x

m e 2 e 4 ℏ 4 ( 4π ε 0 ) 2 4 N 2 { d 2 R d x 2 + 1 x dR dx }+{ − m e 2 e 4 ℏ 4 ( 4π ε 0 ) 2 1 N 2 + 4 N m e 2 e 4 ℏ 4 ( 4π ε 0 ) 2 1 x − 4 N 2 m e 2 e 4 ℏ 4 ( 4π ε 0 ) 2 m 2 x 2 }R=0 d 2 R d x 2 + 1 x dR dx +( − 1 4 + N x − m 2 x 2 )R=0

Definimos

R(x)= x | m | exp( − x 2 )G(x)

Calculamos la derivada primera y segunda de R respecto de x

dR dx =| m | x | m |−1 exp( − x 2 )G(x)− 1 2 x | m | exp( − x 2 )G(x)+ x | m | exp( − x 2 ) dG(x) dx =( | m | x − 1 2 ) x | m | exp( − x 2 )G(x)+ x | m | exp( − x 2 ) dG(x) dx d 2 R d x 2 =− | m | x 2 x | m | exp( − x 2 )G(x)+( | m | x − 1 2 )| m | x | m |−1 exp( − x 2 )G(x)− 1 2 ( | m | x − 1 2 ) x | m | exp( − x 2 )G(x) +( | m | x − 1 2 ) x | m | exp( − x 2 ) dG(x) dx +| m | x | m |−1 exp( − x 2 ) dG(x) dx − 1 2 x | m | exp( − x 2 ) dG(x) dx + x | m | exp( − x 2 ) d 2 G(x) d x 2

Obtenemos una ecuación diferencial en G

x | m | exp( − x 2 ) d 2 G(x) d x 2 +{ ( 2| m |+1 ) x | m |−1 − x | m | }exp( − x 2 ) dG(x) dx +{ N−( 1 2 +| m | ) } x | m |−1 exp( − x 2 )G(x)=0 x d 2 G(x) d x 2 +{ ( 2| m |+1 )−x } dG(x) dx −{ −N+( 1 2 +| m | ) }G(x)=0

Es una ecuación del tipo

z d 2 w d z 2 +( b−z ) dw dz −aw=0

que se denomina hipergeométrica confluente, cuya solución es

G(x)= F 1 1 ( a;b,x )= F 1 1 ( −N+| m |+ 1 2 ;2| m |+1,x )

La solución que satisface la condición en el infinito es la siguiente: el argumento a=-N+|m|+1/2 deberá ser un número entero negativo (o cero). Dado que |m| es un entero,

N= 1 2  , 3 2  , 5 2  ....

La función hipergeométrica se reduce a polinomios asociados de Laguerre de grado -a

Sea

n=N+ 1 2 =1,2,3,4....

n se denomina número cuántico principal. Para un valor dado de n, |m| toma los valores,

| m |=0, 1, 2, 3,... n−1

Los niveles de energía se obtienen mediante la fórmula

E n =− me e 4 2 ℏ 2 ( 4π ε 0 ) 2 1 ( n− 1 2 ) 2 , n=1,2,3,4...

Las funciones de onda radiales Rnm(r) son

R nm (r)= β n ( 2| m | )! ( n+| m |−1 )! ( 2n−1 )( n−| m |−1 )! ( β n r ) | m | exp( − β n 2 r ) F 1 1 ( −n+| m |+1; 2| m |+1,  β n r ) β n = 2 n− 1 2 me e 2 ( 4π ε 0 ) ℏ 2 = 2 n− 1 2 1 a 0

Siendo a0 el radio de Bohr

Esta función hipergeométrica está relacionada con los polinomios asociados de Laguerre del siguiente modo

L n m (z)= ( n+m )! n!m! F 1 1 ( −n;m+1,z )

Funciones radiales Rnm(r)

Comprobamos que las funciones radiales están normalizadas

La integral

∫ 0 ∞ R nm 2 (r)( 2πr·dr ) =1

también

∫ 0 ∞ r R nm 2 (r)·dr =1

Teniendo en cuenta el resultado de las integrales

∫ 0 ∞ e −βr dr= − e −βr β | 0 ∞ = 1 β ∫ 0 ∞ r e −βr dr= − r β e −βr | 0 ∞ + 1 β ∫ 0 ∞ e −βr dr = 1 β 2 ∫ 0 ∞ r 2 e −βr dr= − r 2 β e −βr | 0 ∞ + 2 β ∫ 0 ∞ r e −βr dr = 2 β 1 β 2 = 2 β 3 ∫ 0 ∞ r 3 e −βr dr= − r 3 β e −βr | 0 ∞ + 3 β ∫ 0 ∞ r 2 e −βr dr = 3 β 2 β 3 = 6 β 4 ∫ 0 ∞ r 4 e −βr dr= − r 4 β e −βr | 0 ∞ + 4 β ∫ 0 ∞ r 3 e −βr dr = 4 β 6 β 4 = 4! β 5 ∫ 0 ∞ r n e −βr dr= − r n β e −βr | 0 ∞ + n β ∫ 0 ∞ r n−1 e −βr dr = n! β n+1

Comprobamos

∫ 0 ∞ r R 10 2 (r)dr= β 1 2 ∫ 0 ∞ r e − β 1 r dr = β 1 2 1! β 1 2 =1 ∫ 0 ∞ r R 20 2 (r)dr= β 2 2 3 ∫ 0 ∞ r e − β 2 r ( 1− β 2 r ) 2 dr = β 2 2 3 { ∫ 0 ∞ r e − β 2 r dr+ β 2 2 ∫ 0 ∞ r 3 e − β 2 r dr −2 β 2 ∫ 0 ∞ r 2 e − β 2 r dr }= β 2 2 3 { 1! β 2 2 + β 2 2 3! β 2 4 −2 β 2 2! β 2 3 }=1 ∫ 0 ∞ r R 21 2 (r)dr= β 2 4 6 ∫ 0 ∞ r 3 e − β 2 r dr = β 2 4 6 3! β 2 4 =1 ∫ 0 ∞ r R 31 2 (r)dr= β 3 4 30 ∫ 0 ∞ r 3 e − β 2 r ( 3− β 3 r ) 2 dr = β 3 4 30 { 9 ∫ 0 ∞ r 3 e − β 2 r dr−6 β 3 ∫ 0 ∞ r 4 e − β 2 r dr + β 3 2 ∫ 0 ∞ r 5 e − β 2 r dr }= β 3 4 30 { 9 3! β 3 4 −6 β 3 4! β 3 5 + β 3 2 5! β 3 6 }=1

Referencias

X. L. Yang, S. H. Guo, F. T. Chan. Analytic solution of a two-dimensional hydrogen atom. Nonrelativistic theory. Physical Review A, Vol. 43, n. 3, 1 February 1991, pp. 1186-1196