АТОМ ВОДОРОДА

Атом водорода является простейшей реальной структурой, представляющей интерес для химии. Задача описания этого атома играет в квантовой химии фундаментальную роль по ряду причин. Во-первых, волновые функции стационарных состояний атома водорода можно использовать в качестве базисного набора для построения и анализа волновых функций более сложных систем — многоэлектронных атомов и молекул. Во-вторых, для атома водорода, в отличие от многоэлектронных атомов и молекул, можно установить аналитический вид волновых функций. Эта особенность атома водорода обусловлена тем, что в его составе имеется всего один электрон и, следовательно, межэлектронные взаимодействия отсутствуют.

Атом водорода состоит всего из двух частиц — электронаиядра (роль ядра выполняет протон, для которого Z = 1); они характеризуются несколькими неизменными параметрами: массами (m₁ и m₂), электрическими зарядами (q₁ = –е и q₂ = +е), спиновыми моментами (s₁ = 1/2, s₂ = 1/2). Взаимодействия, определяющие характер движения частиц в атоме водорода, весьма разнообразны. За счет наличия противоположных по знаку электрических зарядов, между протоном и электроном действуют кулоновские силы притяжения, зависящие от расстояния между электроном и ядром. Кроме того, имеют место магнитные силы, обусловленные, с одной стороны, относительным движением заряженных частиц, а, с другой стороны, наличием у электрона и ядра спиновых магнитных моментов. Поскольку для атома водорода кулоновские силы значительно интенсивнее (примерно на два порядка) магнитных, в этом случае можно ограничиться построением сравнительно простой нерелятивистской модели, когда всеми разновидностями магнитных взаимодействий полностью пренебрегают.

В такой нерелятивистской модели движение электрона и ядра можно разделить на два независимых типа — внешнее и внутреннее. Внешнее движение сводится к перемещениям обеих частиц как материальных точек в некоторой лабораторной системе координат. Внутреннее движение и электрона, и ядра характеризуется наличием у них собственных механических спиновых моментов и связанных с ними магнитных моментов. Для начала ограничимся рассмотрением только внешних (пространственных) движений частиц, входящих в состав атома водорода — электрона и протона, без учета их спиновых состояний.