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氢原子的能量为什么是量子化的?

《张朝阳的物理课》求解氢原子径向方程

时间:2022-05-31 16:25:25 来源:消费日报网

  氢原子的能量为什么是量子化的?与库仑势对应的径向薛定谔方程应该怎么求解?5月29日12时,《张朝阳的物理课》第五十八期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,讲解了幂级数法求解微分方程的要点,并以此为指导对库仑势场的径向薛定谔方程做了变换,最终成功解得径向方程,并得到了相应的能级表达式。


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  张朝阳先带着网友们复习了勒让德方程的幂级数解法,说明了幂级数解法在什么情况下能给求解过程带来便捷。对于这种齐次线性方程,将幂级数形式解代入之后,如果得到的系数递推关系只与两个系数有关,那将容易得到系数的增长情况,从而容易分析解的边界行为;如果得到的系数递推关系与多个系数有关,则很难知道系数的变化情况。

  接着,张朝阳对单电子时的原子径向薛定谔方程进行了化简,并指出如果直接使用幂级数方法来求解这个径向方程将会得到一个联系三个系数的递推关系,这对分析解的边界行为非常不利。为此,他先分析了方程的渐近行为,然后将径向解分离出渐近近似的那部分,最后才对剩余的函数部分进行幂级数展开,这样得到了一个只与两个相邻系数有关的递推关系。通过分析递推关系,最后成功求得能级公式。

  在所得能级公式的基础上,张朝阳分析了氢原子的能级,介绍了莱曼谱系,并论证了当主量子数n趋向于无穷大时能级间距趋向于0,从而在能量连续性的意义上回到了经典物理中的情形。最后,他还介绍了原子物理中表示原子能级的一些符号。

  截至目前,《张朝阳的物理课》已直播五十余期。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例,内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。

  《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜、注重推导,通过一步一步详尽的数学计算,推导出相关的物理公式,把每个公式从头到尾拆解得十分清晰。

  据了解,《张朝阳的物理课》于每周周五、周日中午12时在搜狐视频直播,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看直播及往期完整视频回放;关注“张朝阳的物理课”账号,查看课程中的“知识点”短视频;此外,还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上,阅览每期物理课程的详细文章。

  除了《张朝阳的物理课》外,在直播方面,搜狐视频正持续打造知识直播平台,邀请各个科学领域的头部播主入驻,进行科普知识直播,包括中国运载火箭技术研究院专家钱航,直播讲述航空航天事业发展史;北京交通大学理学院教师陈征博士线上开课——“奇趣的科学实验”;中国科学院基因组学博士、元码基因创始人田埂讲解基因组学与生活的紧密联系;天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来,还将有更多知识播主入驻搜狐视频,一起互动玩转科学。


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编辑: 李志远
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