Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
Ё135. Xartri-Fok metodu Atomların elektron quruluşunun nəzəri hesablanması üçün istifadə edilən həyəcanlaşma nəzəriyyəsi (Ё130), variasiya metodu (Ё131), Tomas-Fermi metodu (Ё132), Xartri metodu (Ё133) və s. ilə yanaşı hal-hazırda Xartri-Fok metodundan daha geniş istifadə edilir. Qeyd etdiyimiz kimi (Ё133), Xartri-Fok metodu Xartri metodunun təkmilləşdirilmiş variantıdır. Atomun halını təsvir edən determinant dalğa funksiyasında birelektronlu ( ) ( ) ( ) σ µ
m i n u r u x u
r = funksiyaları, yəni u i atom orbitalları naməlum funksiyalardır. Onları tapmaq üçün variasiya prinsipindən (enerjinin minimumluğu şərtindən) istifadə edilir. Bu məqsədlə aşağıdakı kimi təyin olunan Kulon və mübadilə operatorları daxil edirlər: i Jˆ i Kˆ ( ) ( )
( ) ( ) ( )
1 2 12 2 2 1 1
ˆ
dV r r u r u r r J i i i r r r r r ϕ ϕ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ∫ ∗ , (135.1) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) 1 2 12 2 2 1 1
ˆ r u dV r r r u r r K i i i r r r r r ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ∫ ∗ ϕ ϕ . (135.2) Göründüyü kimi, bu operatorlar xətti və özünəqoşma operatorlardır. (135.1) və (135.2) ifadələrindən istifadə etməklə (134.7) və (134.8) Kulon və mübadilə inteqrallarını birelektronlu inteqrallar kimi yazmaq olar:
899 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ji j i j i j i ij J dV r u r J r u dV r u r J r u J = = = ∫ ∫ ∗ ∗ 2 2 2 2 1 1 1 1
ˆ
ˆ
r r r r r r (135.3) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
= = = ∫ ∫ ∗ ∗ 2 2 2 2 1 1 1 1
ˆ
ˆ
r r r r r r (135.4) Variasiyalama vasitəsilə biz elə u i atom orbitalları tapmalıyıq ki, onlar vasitəsilə hesablanmış (134.36) tam elektron enerjisi minimum olsun. Bunun üçün (135.3) və (135.4) ifadələrindən istifadə etməklə atomun tam elektron enerjisi üçün (134.36) düsturunu ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ∑∫ ∑∫ − + = ∗ ∗
i i j j i i i i dV u K J u dV u f u E , 1 1
1 ˆ ˆ 2
1 1 ˆ 1 2 (135.5) kimi yazaraq u i atom orbitalları üçün ij j i dV u u δ = ∫ ∗ 1
(135.6) ortonormallıq şərtini də nəzərə almaqla E enerjisini bütün u i orbitalları üzrə variasiyalamaq lazımdır: ( ) ( ) ( )
( ) ] ( ) [ { ( ) ( ) ( )
[ ] ( ) } ( )
( ) ( )
[ ] ( ) { ( )
( ) ( )
[ ] ( ) } .
2
2 ˆ 2 ˆ 2
2 2
2 ˆ 2 ˆ 2
2
1
1 ˆ 1 ˆ 2
1 1
1 ˆ 1 ˆ 2
1
ˆ 2 ˆ 2 2 2 2 , 2 1 , 1 1 1 , ∫ ∑ ∫ ∫ ∑ ∫ ∑∫ ∑∫ ∑ ∑ − + + − + + − + + − + + + = = − + = ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
u K J u dV u K J u u dV u K J u dV u K J u dV u f u dV u f u K J f E j i i j j i j i i j j i j j i j i i j j i i i i i i i j i ij ij i i δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ Burada axırıncı böyük mötərizədə olan hədlərdə i və j indekslərinin yerini dəyişsək (i ⇔j), ikinci elektronun koordinatlarının əvəzinə birinci elektronun koordinatlarını yazsaq və , və operatorlarının ermit (Ё73) olması xassəsindən istifadə etsək ( )
2 r r r r → fˆ i Jˆ i Kˆ ( ) ( ) ∑∫ ∑ ∑∫ ∑ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − + + + ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − + = i i j j j i i i j j j i dV u K J f u dV u K J f u E 1 1 ˆ ˆ 2 ˆ 2 ˆ ˆ 2 ˆ 2 δ δ δ (135.7) olar. (135.6) ortonormallıq şərti ödəndiyindən (135.7)-yə daxil olan δ
və
δ u i ∗
variasiyalarının heç də hamısı bir-birindən xətti asılı deyildir. (135.6)-ya əsasən δ
i və
δ u i ∗ variasiyaları aşağıdakı əlavə şərtə də tabedirlər: ( ) ( )
0
1 1 = + ∫ ∫ ∗ ∗
u u dV u u i j j i δ δ (135.8) Qeyd edək ki, (135.8)-də δ
i və
δ u i ∗ asılı olmayan variasiyalar hesab olunurlar. Bir- birindən asılı olan variasiyaları yox etmək üçün (135.8)-i Lanqranjın qeyri-müəyyən
900 λ ji =2 ε ji vuruğuna vuraraq (135.7)-dən çıxdıqdan sonra alınan ifadəni sıfra bərabər etmək lazımdır. Bunun üçün əvvəlcə aşağıdakı çevirməni aparaq: ( )
( ) ( )
( ) . 0 2
2
2 2 1 1 1 1 = + = = + ∑ ∫ ∑ ∫ ∑ ∫
∑ ∫ ∗ ∗ ∗ ∗
j i ij ij j i ji ij i j ji ij j i ji dV u u dV u u dV u u dV u u δ ε δ ε δ ε δ ε (135.9) Burada ikinci həddə i və j indekslərinin yeri dəyişdirilmişdir (i ⇔j). (135.7)-dən (135.9)-u çıxsaq
[ ( ) ] [ ( ) ] 0 ˆ ˆ 2 ˆ ) ( 2
ˆ ˆ 2 ˆ ) ( 2 ' 1 1 = ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − − + + + ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − − + = ∑∫ ∑ ∑ ∑∫ ∑ ∑ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
j j ij j i j j i i j j ji j i j j i dV u u K J f u dV u u K J f u E ε δ ε δ δ (135.10) alınır. Burada δ
və
δ u i ∗ asılı olmayan variasiyalar olduğundan (135.10) bərabərliyinin ödənməsi üçün onların əmsalları sıfra bərabər olmalıdır, yəni ( ) ∑ ∑ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − +
j ji i j j j u u K J f ε
ˆ ˆ 2 ˆ , (135.11) ( ) ∑ ∑ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + j j ij i j j j u u K J f ε
ˆ ˆ 2 ˆ
(135.12) tənlikləri ödənməlidir. (135.12) tənliyinin kompleks qoşmasını (135.11) tənliyindən çıxsaq ( )
= − ∑ ∗
j ij ji u ε ε
(135.13) alarıq. u j atom orbitalları bir-birindən xətti asılı olmadığından (əks təqdirdə determinant dalğa funksiyası sıfra bərabər olardı), (135.13) bərabərliyinin ödənməsi üçün ε
- ε
∗ =0,
ε ji = ε ij ∗
(135.14) şərti ödənməlidir. Bu isə o deməkdir ki, ε matrisi özünəqoşma (ermit) matrisdir. Məhz buna görə də (135.11) və (135.12) tənlikləri bir-birinə ekvivalentdir və onlardan yalnız birini götürmək lazımdır. Beləliklə, birelektronlu u
funksiyalarını, yəni naməlum u i atom orbitallarını təyin etmək üçün ∑ = j j ji i u u F ε ˆ
(135.15) tənliklər sistemi alınır. Burada
ˆ ˆ ˆ + = , 1 2 2 1 2 2 ˆ
ze m f − ∇ − = h
,
(135.16) 901
( ) ∑ − =
j j K J G ˆ ˆ 2 ˆ
işarə edilmişdir və –Xartri-Fok operatoru, –birelektronlu operator, isə elektron qarşılıqlı təsir operatoru adlanır.
(135.15) tənliyini matris şəklində aşağıdakı kimi yazmaq olar: ε Φ
Φ Fˆ .
(135.17) Burada Φ və
ε matrisləri aşağıdakı kimi təyin olunur: Φ=(u 1
2 …u n ),
(135.18) ⎟⎟ ⎟
⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = nn n n n n ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε L L L L L L L 2 1 2 22 21 1 12 11 . (135.19) Φ sətir matrisini A unitar matrisi vasitəsilə çevirməyə uğradaq. Bu məqsədlə (135.17) tənliyini sağ tərəfdən A matrisinə vuraq və unitar matris üçün A +
+ =A -1
olduğunu (I–vahid matrisdir) nəzərə almaqla aşağıdakı kimi işarələmələr daxil edək: ΦA=Φ', Φ ε
ΦAA + ε A= ′ ε ′ (135.20) Onda (135.17) aşağıdakı şəklə düşür: ' ' ' ˆ ε Φ = Φ F .
(135.21) Burada Φ′=ΦA, ∑ =
j ji i u A u ' , ε ′=A + ε A (135.22) kimi təyin olunur.
funksiyalarına təsir edir. Ona görə də (135.21)-də (135.22) kimi təyin olunan yeni u
′ funksiyalarına təsir edən yeni operatorunu qurmaq lazımdır. Bu məqsədlə (135.22)-ni və A matrisinin unitar olması şərtini nəzərə almaqla aşağıdakı çevirməyə baxaq: ' ˆ F ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) .
' ' 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ∑ ∑ ∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑ ∗ ∗ + ∗ ∗ ∗ ∗ = = = = = =
j j jk kj k j jk i ij ki k j i j k k ki j ji i i i r u r u r u r u A A r u r u r u A r u A r u r u r r r r r r r r r r δ (135.23) (135.23)-ü (135.16)-ya daxil olan və operatorlarının (135.1) və (135.2) ifadələrində nəzərə alsaq i Jˆ i Kˆ ∑ ∑ = i i i i J J ˆ ' ˆ , ∑ ∑ =
i i i K K ˆ ' ˆ
və deməli, , yaza bilərik. Başqa sözlə, ixtiyari A unitar çevirməsi G G = ' ˆ F F ˆ ' ˆ =
902 nəticəsində operatoru dəyişmir. Fˆ Beləliklə, biz (135.17) tənliyini unitar çevirməyə uğradaraq yeni ' '
' ˆ ε Φ = Φ F
(135.24) tənliyini alırıq. (135.15), (135.17) və (135.24) tənliklərinin müqayisəsindən görünür ki, u
və atom orbitalları eyni bir tənliyi ödəyirlər. Qeyd edək ki, birelektronlu u ∑ = j i ji i u A u' i
və u i ' funksiyalarından düzəldilmiş U və U' determinant dalğa funksiyaları atomun eyni bir halını təsvir edirlər. Bu isə determinant dalğa funksiyasının aşağıdakı mühüm xassələri ilə əlaqədardır: 1) Determinant dalğa funksiyasında bütün ( )
σ µ
m i n u u u = atom spin–orbitalları bir- birindən xətti asılı olmamalıdır, çünki əks təqdirdə determinant sıfra bərabər olardı; 2) Fərz edək ki, atom spin–orbitalları A unitar matrisi vasitəsilə xətti çevirməyə /bax: (135.22)/ məruz qalmışlar. Onda asanlıqla göstərmək olar ki, və atom
spin–orbitallarından düzəldilmiş U və U' determinant dalğa funksiyaları bir-birindən yalnız müəyyən sabit vuruqla fərqlənirlər, yəni µ
µ
u µ
u' U'=U ⋅det(A)
Bu isə o deməkdir ki, U və U' funksiyaları atomun eyni bir halını təsvir edir. Məlumdur ki, hər bir ε ermit matrisi üçün elə bir A unitar matrisi vardır ki, bu A matrisi vasitəsilə aparılan oxşar çevirmə nəticəsində alınan ε ′=A+ ε A matrisi diaqonal matris olur və özü də ε ′ matrisinin diaqonal elementləri həqiqi ədədlərdir. Bu diaqonal matrisin diaqonal elementlərini ε
ilə işarə edərək u
naməlum funksiyalarını təyin etmək üçün (135.24) tənliyinə əsasən
ε = ˆ
(135.26) tənliklər sistemini alarıq. Göründüyü kimi, (135.26) tənliyi (135.15) tənliyindən unitar çevirmə vasitəsilə alınır. Unitar çevirmə aparmağın mümkünlüyü isə Xartri-Fok tənliklərinin təbiətindən irəli gəlir. Belə ki, determinant dalğa funksiyası enerjinin qiymətini dəyişdirə bilmədiyindən, bir- birindən unitar çevirmə vasitəsilə alınmış hansı atom orbitalları yığımından düzəldilmiş hansı determinant dalğa funksiyasına üstünlük vermək lazım olduğunu biz variasiya prinsipi vasitəsilə müəyyən edə bilmirik. Ona görə də belə bir əlavə şərt daxil edilir ki, həmin unitar çevirmə həm də ε
matrisini diaqonallaşdırmalıdır. (135.16), (135.1) və (135.2) ifadələrini nəzərə alsaq, u
naməlum atom orbitallarını tapmaq üçün (135.26) tənliklər sistemini açıq şəkildə aşağıdakı kimi yaza bilərik: ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) . , 1 ,
2 2 1 1 1 2 12 2 2 2 1 1 2 12 2 2 2 1 1 2 2 1 2
i r u r u dV r r u r u e r u dV r r u r u e r u r ze m i i j n j i j n j i j j i = = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ∇ − ∑ ∫
∑ ∫ = ∗ = ∗ r r r r r r r r h ε (135.27) (135.26) və (135.27) ifadələri Xartri-Fok tənlikləri adlanır. (135.27)-dən görünür ki, Xartri-Fok tənlikləri qeyri-xətti inteqro-diferensial tənliklərdir. Bu tənliklərdə axtarılan
903 funksiyaların əmsalları həmin funksiyalardan asılı olduğu üçün onlar qeyri-xətti tənliklər adlanır. Göründüyü kimi, (135.27) Xartri-Fok tənliklərində (133.11) Xartri tənliklərindən fərqli olaraq mübadilə qarşılıqlı təsirini nəzərə alan hədd vardır. (135.26) və ya (135.27) tənlikləri bütün u i atom orbitallarının elektronlar tərəfindən tutulduğu fərz edilərək yazılmış determinant dalğa funksiyasından istifadə olunmaqla alınmışdır. Lakin ermit operatorunun məxsusi funksiyalarının və məxsusi qiymətlərinin tapılması haqqında, daha ümumi məsələni, yəni
ε = ˆ
(135.28) tənliyini həll etmək olar (yada salaq ki, ermit operatorların məxsusi qiymətləri və məxsusi funksiyalarının xassələri Ё73-də ətraflı şərh olunmuşdur). (135.28) ifadəsi atomda nüvənin və digər elektronların yaratdığı sahədə hərəkət edən bir dənə elektronun, mübadilə düzəlişi də nəzərə alınmaqla, dalğa funksiyasını tapmaq üçün Şredinger tənliyidir. Belə Şredinger tənliyinin sonsuz sayda həlləri vardır və bu u i
həllərindən hər biri müəyyən bir ε i məxsusi qiymətinə uyğun gəlir. Bir qədər sonra göstərəcəyik ki, bu ε
kəmiyyəti u
atom orbitalı ilə təsvir olunan halda elektronun enerjisidir. Tapılmış u
atom orbitallarından ən aşağı enerjilərə uyğun olan n dənəsi elektronlar tərəfindən tutulmuş olur. (135.27)-də j üzrə cəmə məhz bu funksiyalar daxildir. Enerjinin daha yüksək qiymətlərinə uyğun olan digər atom orbitallarında elektronlar yoxdur və onlar həyəcanlanmış hallara aiddirlər. Elektronlar tərəfindən tutulmuş n sayda ən aşağı enerji səviyyələri çoxluğu atomun əsas halının, daha yüksək enerji səviyyələri isə həyəcanlanmış hallarının enerji səviyyələri adlanır. İndi isə ε
kəmiyyətinin fiziki mənasını müəyyən edək. Bu məqsədlə (135.26) tənliyini sağ tərəfdən ( )
1 r u i r ∗ -ə vuraq və bütün fəza üzrə inteqrallayaq. Onda ( ) ∑ ∫ − + = = ∗ j ij ij i i i i K J f dV u F u 2 ˆ 1 ε
(135.29) alınır. Buradan görünür ki, ε
kəmiyyəti u i atom orbitalında yerləşən elektronun kinetik enerjisi ilə nüvənin və digər elektronların yaratdığı sahədə, mübadilə qarşılıqlı təsiri də nəzərə alınmaqla, potensial enerjisinin cəminə bərabərdir. Başqa sözlə, ε
kəmiyyəti atomda u
halında yerləşən elektronu atomdan qoparmaq üçün lazım olan enerjiyə bərabərdir. Bu müddəa Kupmans teoremi adlanır və həmin teorem atomun ionlaşma potensialını nəzəri surətdə təyin etməyə imkan verir. Belə ki, Kupmans teoreminə görə atomda elektron yerləşən ən yuxarı səviyyənin enerjisi ədədi qiymətcə bu atomun ionlaşma potensialına bərabərdir. Qeyd edək ki, atom spin–orbitallarına uyğun ε µ enerjilərinin cəmi atomun tam elektron enerjisi ilə üst-üstə düşmür: ( )
) . 2 2 2 2 1 1 ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ − + = = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + = = = =
ij ij i j ij ij i n i i N K J E K J f ε ε µ µ (135.30) Bu, onunla əlaqədardır ki, Xartri-Fok metodunda bir elektrona təsir edən sahə heç də Kulon sahəsi deyildir. Ona görə də atomda elektronun enerjisi iki dənə n və l kvant ədədlərindən asılı olur. Elektron konfiqurasiyasında enerji səviyyələrinin yerləşməsi
904 ardıcıllığı Xartri-Fok tənliklərini həll etməklə tapılmalıdır. (135.26) və ya (135.27) Xartri-Fok tənlikləri qeyri-xətti olduğundan ( operatoru tapılması tələb olunan funksiyalar vasitəsilə qurulur), onları sınaq və xəta (ardıcıl yaxınlaşma) metodu (Ё133) ilə həll edirlər. Əvvəlcə u Fˆ i funksiyalar sistemi seçilir (atom orbitalları üçün sıfrıncı yaxınlaşma), bu funksiyalar vasitəsilə və deməli, operatoru qurulur və n sayda məxsusi qiymətlər və məxsusi funksiyalar üçün (135.27) tənliyi həll edilir. Bu həll nəticəsində birinci yaxınlaşmada atom orbitalları tapılır və bu atom orbitallarından istifadə edərək yeni operatoru qurulur və s. Bu proses öz-özünə qərarlaşma alınana qədər davam etdirilir. Başqa sözlə, müəyyən mərhələdə alınan nəticələr bundan əvvəlki mərhələdə alınmış nəticələrlə tələb olunan dəqiqliklə uyğun gəldikdə hesablama prosesi dayandırılır və deyirlər ki, iterasiya yığılmışdır, yəni öz- özünə qərarlaşma alınmışdır. Ona görə də Xartri-Fok tənliklərinin belə həlli üsulu Xartri- Fokun öz-özünə qərarlaşmış sahə metodu adlanır.
Xartri-Fokun qeyri-xətti inteqro-diferensial tənliklərini yalnız ədədi hesablama metodlarından istifadə etməklə kompyüterlər vasitəsilə həll edirlər. Təbiidir ki, elektronların sayı çox olan ağır atomlar üçün bu hesablamalar xeyli çətinləşir. Lakin hesablama texnikası inkişaf etdikcə bu çətinliklər qismən də olsa aradan qalxmışdır. Xartri-Fok metodu vasitəsilə atom orbitallarının yalnız ədədi qiymətləri tapılır və bu qiymətlər cədvəllər şəklində verilir. Hal-hazırda Mendeleyev cədvəlinə daxil olan bütün atomlar və onların bəzi ionları üçün, habelə hipotetik atomlar və ionlar üçün (135.27) Xartri-Fok tənliklərinin kompyüterlər vasitəsilə ədədi inteqrallama metoduna əsasən həllinin nəticələri cədvəllər şəklində tərtib olunmuşdur və onlardan atomların elektron quruluşunun, spektrlərinin və s. xassələrinin tədqiqində geniş istifadə olunur.
905 |
ma'muriyatiga murojaat qiling