Einige Wellenfunktionen und deren Quantenzahlen


N=1, l=0, m=0

Der Zustand mit der niedrigst-möglichen Energie ist sphärisch symmetrisch. Die Wellenfunktion ist strenggenommen überall ungleich Null, fällt aber nach außen hin rasch ab, sodass die Wahrscheinlichkeit, das Elektron weit weg vom Atomkern zu finden, extrem klein ist.

N=2, l=0, m=0

Es gibt insgesamt 4 Zustände zu dieser Energie. Diese unterscheiden sich durch die Drehimpuls-Quantenzahlen l und m. Der Zustand mit l=0 ist wieder sphärisch symmetrisch. Die Wellenfunktion ist Null auf einer Kugelschale um den Atomkern. Diese Kugelschale sitzt zwischen dem roten=positiven und dem blaugrünen=negativen Teil der Wellenfunktion. Sie ist ein stationärer "Schwingungsknoten" für diese stehende Welle.

N=2, l=1, m=1 und m=-1

Torusförmige Wahrscheinlichkeitsverteilung. Beim Zustand mit m=-1 erscheinen die Farben entlang der Torusflächen in umgekehrter Reihenfolge. Die Wellenfunktion ist Null entlang der z-Achse.

N=2, l=1, m=0

Hantelförmige Wahrscheinlichkeitsverteilung. Zustände mit m=0 haben immer Rotationssymmetrie um die vertikale z-Achse. Hier bildet die horizontale xy-Ebene einen stationären "Schwingungsknoten". Dort ist die Wellenfunktion Null.

Die Bilder oben sind Momentaufnahmen der Wellenfunktion. Die zeitliche Abhängigkeit ist aber sehr einfach. Die räumliche Verteilung des Betrages der Wellenfunktion bleibt zeitlich konstant. Daher bleibt auch die Ortsverteilung des Elektrons stationär. Das einzige, was sich ändert, sind die Farben. Alle Farben wandern zeitlich periodisch durch den Farbkreis. An jedem Punkt des Raumes rotiert der Phasenwinkel der Wellenfunktion mit konstanter Geschwindigkeit.

Jeder der obigen Zustände ist somit eine "stehende Welle", eine "stationäre Schwingung" der Wellenfunktion (die durch Betrag und Phasenwinkel gegeben ist). Dabei bleibt der Betrag der Wellengröße, der die Ortsverteilung beschreibt, immer konstant, nur der Phasenwinkel ändert sich periodisch.


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Die Lerneinheiten dieses Abschnitts Info
Visualisierung in drei Dimensionen
Verschiedene Visualisierungsmethoden im Vergleich
Stehende Wellen in 3D
Knotenflächen
Systematik der stehenden Wellen
Die Quantenzahl m und der Drehimpuls
Quantenzahlen
Einige Wellenfunktionen und deren Quantenzahlen
Übergänge zwischen Energiezuständen (vertikal)
Übergänge zwischen Energiezuständen (zirkular)