Modern Fizik · 6. Ünite: Kuantum Mekaniğinde Hidrojen Atomu

Hidrojen Atomu Orbitalleri ve Olasılık Dağılımları

Hidrojen atomu, Schrödinger denkleminin üç boyutta tam olarak çözülebildiği nadir gerçekçi sistemdir; Bohr modelinin başarılarını (enerji düzeyleri) korurken yanlışlarını (yörünge, $L=n\hbar$) düzeltir. Bu konuda 6.1'de elde edilen radyal denklemi Coulomb potansiyeli için çözüyor, $E_n = -13{,}606/n^2$ eV ve $n^2$ katlı dejenereliği elde ediyor, düğüm yapısını ($n-l-1$ radyal, $l$ açısal) ve radyal olasılık yoğunluğunu $P(r)=r^2R^2$ kullanarak $\langle r\rangle$, en olası yarıçap ve 1s'de $r<a_0$ olasılığı gibi nicelikleri hesaplıyoruz. Sonunda s, p, d orbitallerinin şeklini ve neden "orbital" bir yörünge değil olasılık bulutu olduğunu açıklayabilirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Hidrojen Atomu: Deneyden Denkleme

  2. Radyal Denklemin Çözümü ve Enerji Nicelemesi

  3. Dejenerelik, Hidrojen Benzeri Sistemler ve Spektrum

  4. Düğüm Yapısı ve Orbital Şekilleri

  5. Radyal Olasılık Yoğunluğu, ⟨r⟩ ve En Olası Yarıçap

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Bohr yarıçapı (Bohr radius)
$a_0 = \hbar^2/(mke^2) = 0{,}529177$ Å: hidrojen 1s için en olası yarıçap ve atomik uzunluk birimi.
Ana kuantum sayısı $n$
$E_n = -13{,}606/n^2$ eV'yi belirleyen pozitif tamsayı; $n = N + l + 1$ ($N$: radyal düğüm sayısı).
Dejenerelik (degeneracy)
Aynı enerjili durum sayısı; hidrojende $n^2$ (spinle $2n^2$).
Radyal olasılık yoğunluğu
$P(r)=r^2R_{nl}^2$: $r$ ile $r+dr$ arasındaki küresel kabukta bulma olasılığı yoğunluğu.
Radyal ve açısal düğüm (node)
Radyal: $R_{nl}=0$ küresel kabuklar ($n-l-1$); açısal: $Y_l^m=0$ düzlem ve koniler ($l$).
Orbital
$\psi_{nlm_l}$ tek-elektron dalga fonksiyonu; $|\psi|^2$ olasılık bulutunu belirler, klasik yörünge değildir.
Hidrojen benzeri iyon (hydrogen-like ion)
Tek elektronlu, çekirdek yükü $Ze$ olan sistem (He$^+$, Li$^{2+}$): $E_n\propto Z^2/n^2$, $a_0\to a_0/Z$.
İndirgenmiş kütle (reduced mass)
$\mu = m_eM/(m_e+M)$; çekirdeğin sonlu kütlesini hesaba katar (müonik hidrojende $\mu\approx185{,}84\,m_e$).

Örnek soru

Spin hesaba katılmadan, hidrojen atomunda $n = 3$ enerji düzeyinin dejenerelik derecesi (aynı enerjili orbital sayısı) kaçtır?

  1. 3
  2. 6
  3. 8
  4. 18
  5. 9

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Her $l = 0,1,\dots,n-1$ için $2l+1$ tane $m_l$ değeri vardır.
2. $n=3$: $l=0$ (1), $l=1$ (3), $l=2$ (5) → $1+3+5 = 9 = n^2$.
Cevap: 9 (E). 18 (D) elektron spininin ($2n^2$) sayılması hâlidir ve soru spini hariç tutuyor; 3 ($=n$) ya da 6 ($=2n$) $l$ üzerindeki dejenereliği yok saymaktır.

Modern Fizik: tüm konular