化学中的量子理论

薛定谔方程(Schrödinger equation)

/ SHROH-ding-er /

在普通物理里,运动有一条总规则:告诉我作用在球上的力,牛顿定律就能算出它从此刻起如何运动。量子力学也需要它自己的总规则,因为粒子是用散开的波、而不是用点来描述的。薛定谔方程就是这条总规则。把作用在电子上的力喂给它,它就能告诉你电子那道波的形状,以及它能拥有哪些能量。

更准确地说,薛定谔方程是量子力学的核心方程:它把系统的波函数同它的能量、以及粒子所感受到的势能联系起来。在某个具体情形下解这个方程,会得到被允许的波函数和被允许的能级——而这些能级天然就是量子化的、一级一级的,纯粹是数学的结果。对化学来说,对氢原子求解它,得到的正是填满周期表的那些原子轨道(1s、2p 等等)。

诚实的局限在于:这个方程只对极简单的系统能精确求解——盒中的单个粒子、氢原子、谐振子。对任何多于一个电子的系统,包括每一种分子,化学家都必须借助巧妙的近似和计算机。尽管如此,这个方程仍是坚如磐石的根基:量子化学里的每一种方法,归根结底都是在设法把它解得足够好。

为氢原子里那个唯一的电子写出薛定谔方程,把质子的电吸引作为势能。解出来的不是一条轨道,而是一族驻波解——1s、2s、2p 轨道——每一个都有自己固定的能量。这些解与氢光谱几乎完美吻合。

对氢原子求解它,原子轨道就从数学里自然浮现。

它有两种常见形式:定态(不含时间)方程,用来求出稳定的允许能量和轨道形状,化学里到处都用它;以及含时间的方程,用来描述波函数如何随时间演化。学校和大多数化学用的是定态的那一种。

又称
薛定谔方程式薛丁格方程式波动方程