Файл: Татевский В.М. Классическая теория строения молекул и квантовая механика.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 256

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Каждому такому 'значению ет, если его подставить в уравнения (XXIX, 8), соответствует свой набор коэффициентов Си, именно

С\т), С{2т), . . . . C( f e m ) С{] (XXIX, I I )

определяющий одну из функций Ф

(XXIX, 2),

удовлетворяющую

поставленным условиям (XXIX, 3)

и

(XXIX, 4).

 

 

 

 

Таким

образом, в результате

получим п функций

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф Т

= 2 Л

 

 

 

 

(XXIX,

12)

 

 

 

 

 

т =

ft

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,

2

 

 

 

 

 

 

 

удовлетворяющих условиям

(XXIX, 3)

и

(XXIX, 4).

 

 

 

Из этих функций надо выбрать ту, для которой значение энер­

гий, вычисленное с этой

функцией:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£<"» =

j "

ФтРФт

dv da =

2

С^'С^Ны

 

 

(XXIX, 13)

будет наименьшим.

 

 

 

 

 

 

 

ft.

і.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Легко показать, что. энергия Ёт

(XXIX, 13), вычисленная с функ­

цией Ф т

(XXIX, 12),

 

совпадает

 

с

соответствующим

корнем

е т

уравнения

 

(XXIX, 9).

Действительно,

подставив

в

уравнения

(XXIX, 8)

Вт вместо е, получим

уравнения для

коэффициентов

СІт).

Умножим к-ое уравнение на С{кт)" и просуммируем

по к. Тогда

по­

лучим'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

С« т ) * 2

С(Ґ

(НЫ

-

-

С

 

 

(XXIX, 14)

Отсюда

 

ft

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«« 2

СҐ'СҐЗкІ

 

-

2

Ф'Ф^Ы

 

 

 

(XXIX, 15)

 

 

ft,

/

 

 

ft,

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

Из условия

(XXIX, 4)

и

выражения

(XXIX, 15)

получим

 

 

 

 

е т

=

2

С(кЩт)Ны

= £ < т )

 

 

 

(XXIX, 16)

 

 

 

 

 

ft,

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому,

выбрав

Ф т ,

соответствующую

наименьшему корню

уравнения

(XXIX, 9), получим приближенную

функцию

наинизшего

по энергии электронного состояния системы (при выбранной кон­ фигурации ядер).

Обозначив наименьший из корней уравнения (XXIX, 9) через

е0 , а соответствующую ему функцию (XXIX, 2) через Ф0 ,

установим

таким образом приближенную функцию и приближенное

значение

энергии наинизшего по энергии электронного состояния

(при вы­

бранной конфигурации ядер):

 


§ 2. Упрощение метода при использовании функций г|^» собственных для операторов Sz и S2

Решение поставленной задачи обычно не проводится тем путем, который только что был изложен, по следующим причинам. Вопервых, при таком прямом пути решения задачи пришлось бы ре­

шать уравнение

(XXIX, 9)

степени п =

2N, т. е. очень высокой

степени. Во-вторых, при вычислении матричных элементов

Ны и

Ski оказалось бы, что многие из них равны

нулю и вследствие

этого

матрица \\Ны

BSMW распадалась бы на диагонально расположен­

ные блоки, а определитель

(XXIX, 9) — н а

произведение определи­

телей более низкого порядка. Иными словами, задача свелась бы все равно к нескольким более простым. Такое сведение описанной задачи к более простым можно предусмотреть прежде, чем пере­ ходить к ее решению, если вместо линейной комбинации всех 2N функций tpfc рассматривать отдельно линейные комбинации, состав­

ленные каждый раз из выбранных определенным образом

функций

фи или их определенных комбинаций.

 

 

 

Под методом валентных схем обычно и понимается такой ва­

риант построения приближенной волновой функции Ф

основного

электронного состояния

системы, при котором эта функция

строится

не непосредственно

как линейная комбинация 2N

определителей

вида

(XXIX, 1),

а

как линейная

комбинация некоторых

функций,

каждая из которых

является определенной линейной комбинацией

некоторых

из

2N

определителей

вида (XXIX, 1),

построенной по

соответствующему

рецепту.

 

 

 

 

Сущность этого метода состоит в следующем. Если в какой-

либо

функции

Uph содержится

iVa* столбцов, в которых

стоят спи­

новые функции

a (а), и N$k)

столбцов, содержащих

спиновые

функ­

ции

Р(а),

то

каждая

из

таких

функций яр* соответствует

такому

спиновому состоянию всех электронов системы, для которого сум­

марная проекция спина всех электронов на какое-либо

выбранное

направление (например, ось OZ) равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(XXIX, 17)

Очевидно, что максимальное значение Sz

=

N/2-h/2n, минимальное

значение Sz

=

—N/2-h/2n.

могут быть разбиты

на

группы

Таким образом, все функции

так, что в

каждую группу войдут

функции

с одним

и тем же

значением Sz,

г. е. с одним и тем же значением разности

М?'

NfK

Обозначая значение Sz

в единицах

h/2n

верхним индексом

а, полу­

чим

такие

возможные

группы функций

грь(а = —N/2,

 

1,0,

.+ 1

+N/2 ) (для четного числа N электронов)

 

 

(XXIX, 18)


Можно показать, что матричные элементы, входящие в уравне­ ние (XXIX, 9), определенные на функциях разных групп (XXIX, 18), равны нулю, т.е.

 

Н0'

°' =

J* ^ а ) * Щ ( а

, )

dvdo

=

0

( X X I X , 19)

 

 

 

а ф &

 

 

 

 

 

 

S 0 ,

°' =

J" ^ a ) ' ^ a , )

d v d a

= 0

 

( X X I X , 20)

Поэтому матрица коэффициентов НЫ

Е8Ы

уравнений

(XXIX, 9)

распадается

на диагональные блоки,

 

а уравнения (XXIX, 8 ) н а

отдельные системы уравнений, каждая

из которых относится только

к функциям

г|з(0' одной

группы. Следовательно, рассматриваемая

задача распадается на отдельные задачи, каждая из которых бу­ дет включать только функции i|/a> одной группы.

Поэтому имеет смысл с самого начала рассматривать не мно­ жество функций Ф, определенных на всех грь уравнением (XXIX, 2), а совокупность множеств Ф<а), каждое из которых определено на функциях ф только одной группы 1\)<-а\

Перенумеруем функции г|/ст>

в каждой

группе (XXIX, 18) ин­

дексом / ( / = 1 , 2 ,

fa). Тогда

множества

функции

ф№, каждое

из которых определено

на одной

группе функций i|)( f a ) ,

будут

 

ф № = 2

CJaWfa)

 

( X X I X , 21)

Если потребовать, чтобы функция ф(ст) удовлетворяла

усло­

виям (XXIX, 3) и (XXIX, 4),

то для определения

соответствующих

значений коэффициентов

в ее представлении

(ХХ1Х,21)

полу­

чим систему уравнений, аналогичную (XXIX, 8),

но

содержащую

меньше уравнений, именно

столько, сколько функций

i j 3 ( f a )

в дан­

ной группе. Соответствующим образом понизится и порядок урав­

нения,

анолигичного

(XXIX, 9).

 

 

 

 

 

 

 

 

В

методе валентных

схем

при четном

числе электронов

часто

заранее

предполагают

(хотя

это и не может быть обосновано и

во

многих

случаях

противоречит

экспериментальным

данным),

что для основного электронного состояния

Sz

= 0. Тогда

рассмат­

ривают только функции i])( f a )

той группы,

для которой а =

0, т. е..

Na

= N$ и Sz

= 0. Мы рассмотрим

дальнейшие

преобразования

в

методе

валентных

схем

только

для

группы

функций aj)(f0) с

Sz

= 0,

хотя,

строго

говоря, всю описанную

ниже

процедуру

следовало

бы

производить

для функций каждой группы ip(fCT>

(XXIX, 18)

и затем

из

результатов

расчета

приближенной

функ­

ции Ф( с г ) в каждой группе выбирать наилучшую функцию основ­ ного электронного состояния системы, наиболее близкую к Wo в рамках рассматриваемого метода расчета.


Д ля каждой группы например группы ip( f 0 ) , можно по­ лучить дальнейшее упрощение задачи, если использовать для со­ ставления функции Ф не сами функции ip( f a ) , а некоторые их ли­ нейные комбинации ф(с т .s ). Мы рассмотрим такое преобразование только для группы функций ipj.°>. Для остальных групп они могут быть выполнены аналогично. Смысл этого преобразования со­

стоит

в том, что можно построить такие линейные комбинации

ф(°. 8)

функций группы гр<0), что каждая такая линейная комбина­

ция

будет соответствовать не только определенному значению

суммарной проекции спинов всех электронов, но и определенному значению квадрата вектора общего спина системы. Если строить затем искомую функцию Ф из таких линейных комбинаций ф(°-8 ), то задача еще упрощается, так как система уравнений, опреде­ ляющих коэффициенты разложения искомой функции Ф по этим линейным комбинациям функций гр<0), снова распадается на от­ дельные системы с меньшим числом неизвестных, а соответствую­ щее характеристическое уравнение распадается на несколько урав­ нений более низкой степени. Введение функций ф(а 8 > как линейных комбинаций гр^, соответствующих определенному значению Sz и определенному значению квадрата вектора общего спина си­ стемы, позволяет заранее учесть эти возможности. Не доказывая здесь сказанного, чтобы не загромождать изложения, ниже мы приведем только метод построения функций ф(°-8>, соответствую­ щих определенной проекции общего спина системы и определен­ ному значению квадрата общего вектора спина системы.

Функции ф(°'я ) строятся из функций яр<0> следующим образом*. Первой функцией ф(°>8), которую можно построить из i|)<f0', будет

(о.

Л

 

ф\

2 ) В 2 ^

(XXIX, 22)

 

f

квадрату век­

Можно показать, что эта функция соответствует

тора спина системы, равному

 

 

5 2 ( 4 + ! )

( Х Х 1 Х -2 3 )

т.е. вектору спина системы с квантовым числом S = JV/2. Другие функции Ф<0 '8 ) могут быть построены следующим путем.

Возьмем функции гр<°> и выделим во всех соответствующих определителях какие-либо два столбца, например столбцы с но­ мерами і и /.

*

Функции

Ф 1 0 ' *\ встречающиеся в этом параграфе, все

не нормированы.

Чтобы

получить

нормированные функции, нужно умножить

каждую функцию

Ф**7, ^ на соответствующий нормирующий множитель. Так как метод валентных

схем в дальнейшем не используется, на этом вопросе мы

останавливаться не-

будем. Условие нормированности приближенной функции Ф

(XXIX, 30), встре­

чающейся

ниже, учитывается при решении задачи вариационным методом.

14 Зак.

454

417


Построим линейную комбинацию функций ip(f0) вида

 

 

 

 

o ( 0 ' - T - 1

) =

2 Y

l . / ( f ) ^

 

 

 

(XXIX, 24)

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

Здесь Yij(/)

имеет следующие

значения:

 

 

 

 

 

 

Y(/(/) =

+ 1,

если

в /-ом

столбце

i j ^ 0 )

стоит а (о), в /-ом В (а)

 

 

 

— 1,

»

 

 

 

»

В (а),

— а

(а)

(XXIX, 25)

 

 

О,

»

 

 

 

»

а (а),

— а

(а)

_ —

 

 

 

 

 

 

 

0,

»

 

 

 

»

В (а),

- В (а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

л?

л

 

 

 

Можно

показать,

что

построенная функция

ф \

2

/

соответ­

ствует значению квадрата общего вектора спина

системы,

рав­

ному

 

 

^iMi-1 )^-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x x i x , 2 6 )

т. е. для этой функции квантовое число спина S =

JV/2

1. Выде­

ляя

разные

пары столбцов в определителях ip( f 0 ) ,

можно построить

набор таких функций. Далее

можно

во всех определителях группы

i j 3 ( f 0 )

выделить

две пары

столбцов, например пару

столбцов

с но­

мерами і и / и пару столбцов с номерами т и п, и построить функции

 

 

 

 

 

 

S Y / / t f ) Y M n ( / > * } 0 )

 

(XXIX,

27)

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

ЗДЄСЬ Утп(ї) ПОДЧИНЯЮТСЯ ТЄМ ЖЄ СООТНОШЄНИЯМ,

ЧТО И Yij(f), т.

е.

Y m n ( f ) = ± i

или

0 в

зависимости от того, стоят ли

в столбцах

с номерами

тип

определителя ар(?0)

а и р или р

и а, или а и а,

или р и р соответственно. Это будут функции со

значением кван­

тового числа

S полного спина системы, равным

 

 

 

 

 

 

 

 

5

=

- j -

-

2

 

(XXIX,

28)

Выделяя

разные

пары

столбцов в

определителях

t|)( f 0 ) ,

можно по-

строить

набор таких функций

ф \

' 2

/.

 

 

N),

Действуя подобным образом, можно, наконец

(при

четном

разбить все N столбцов каждого определителя на пары, например

на пары

 

 

 

/),

(т,

n),

(s,

t), ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и построить

функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ф ( 0 ' 0 ) -

2

Ъ,

(/)

Утп (f) Y „ if> • • • +Г

 

(XXIX, 29)

со значением квантового числа S полного спина системы, рав­ ным 0.