Photoionisation microscopía de hidrógeno - ¿dónde están los orbitales p?

Question

En esta Revisión Física de las Letras del artículo, que fue publicado en el 2013, pero he encontrado recientemente, el informe de los autores photoionisation imágenes de microscopía de átomos de hidrógeno en diferentes estados electrónicos.

A. S. Stodolna, A. Rouzée, F. Lépine, S. Cohen, F. Robicheaux, A. Gijsbertsen, J. H. Jungmann, C. Bordas, y M. J. J. Vrakking, "los Átomos de Hidrógeno en Aumento: la Observación Directa de la Nodales de la Estructura de Stark Estados," Phys. Apo. Lett., 2013, 110, 213001; url: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.213001

Aquí están algunos no paywall resúmenes de este trabajo:

• physicsworld.com http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom
• APS Física http://physics.aps.org/articles/v6/58
• io9 http://io9.gizmodo.com/the-first-image-ever-of-a-hydrogen-atoms-orbital-struc-509684901

La imaginería es convincente:

Veo las imágenes que se parecen a $1s,\ 2s,\ 3s,\ \&\ 4s$ orbitales con adecuado número de nodos.

Las soluciones a la ecuación de Schrödinger para el hidrógeno-como los orbitales incluyen wavefunctions correspondiente a $p$ oribtals. ¿Por qué los autores no observan las imágenes que aparecen a parecerse más a la $p$-orbitales?

Answer 1

Estos estados no son 1s, 2s, 3s, 4s, como usted sugiere. Estas son en realidad muy emocionado estados de hidrógeno. Nota las energías negativas en el número de onda (cm$^{-1}$) en la columna de la derecha de la figura que usted proporcione. Esta es la cantidad más baja en energía de los estados relativa a la ionización límite, un 13,6 eV, así que estamos hablando de excitaciones ~13.57 eV de energía por encima del suelo del estado. De hecho, estas energías son tan altos que se refieren a ellos como "quasibound" de los estados.

Los estados de los autores están buscando en Stark estados (el experimento se realiza en un campo de 808 V/cm). Así que los resultados analíticos se comparan son la solución del átomo de hidrógeno en parabólico, en lugar de esférica coordenadas polares. Esta es la razón de los números cuánticos dado en la columna del medio son un poco funky. Por lo que el (0,29,0) ¿ no significan $n=0$, $l=29$, $m_l=0$ (como estoy seguro que usted puede ver por qué!) Los números cuánticos definen el estado en parabólico de coordenadas, de manera que los números son ($n_1$, $n_2$, $m$).

La razón de ello es que parabólico coordenadas todavía son separables (modo se puede resolver analíticamente) cuando un campo eléctrico externo es aplicado a lo largo de algún eje. Coordenadas esféricas, por otro lado, no lo son. Para no ver pura s, p, d orbitales (tan bueno como el que iba a ser!). Mis matemáticas obtiene un poco oxidado aquí, así que tal vez alguien puede añadir a esto, pero creo que las imágenes se ve a la izquierda y la columna del medio son en realidad combinaciones lineales de la forma esférica de las soluciones que se utilizan para los químicos. De hecho, hay una línea en el papel que en el experimento se preparan sus estados por los emocionantes para una mezcla de $s$ $p$ estados.

Yo creo que se puede conectar a la parabólica, esférica y soluciones en un campo eléctrico por una transformación unitaria si el campo es suficientemente débil, ya que usted puede conseguir el efecto Stark en coordenadas esféricas por la teoría de la perturbación.

Espero que ayude a aclarar las cosas un poco. Yo no soy un físico atómico, por lo que estoy a menudo confundido por algunos de los lenguajes y herramientas que utilizan. Hay un bonito Wolfram Demo en el átomo de hidrógeno en parabólico coordina con y sin un campo eléctrico externo puede encontrar interesante aquí:

http://demonstrations.wolfram.com/TheHydrogenAtomInParabolicCoordinates/