EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Волновая функция основного состояния водорода

11 июня 2026Время чтения: 7 минут

Волновая функция основного состояния атома водорода - это точное аналитическое решение уравнения Шрёдингера, которое квантовая механика даёт без каких-либо приближений. Оно описывает единственный электрон в поле протона: как убывает амплитуда вероятности с расстоянием, где максимум радиального распределения и почему именно радиус Бора a0=0,529a_0 = 0{,}529 Å оказывается «характерным» масштабом атома. Ниже вы найдёте вывод формулы, физический смысл каждого множителя и интерактивный калькулятор, который строит все три кривые сразу.

Квантовые числа и обозначение состояния

Состояния электрона в атоме водорода характеризуются тремя квантовыми числами: главным nn, орбитальным ll и магнитным mlm_l. Основное состояние - наименьшая возможная энергия при n=1n = 1. Из допустимых значений 0≤l≤n−10 \le l \le n-1 и −l≤ml≤l-l \le m_l \le l следует, что при n=1n = 1 единственно возможны l=0l = 0 и ml=0m_l = 0. Полное обозначение состояния - ψ100\psi_{100} или 1s-орбиталь (буква s соответствует l=0l = 0).

Важно, что при l=0l = 0 угловая часть волновой функции является константой - сферической гармоникой Y00=1/4πY_0^0 = 1/\sqrt{4\pi}. Это означает, что основное состояние водорода обладает сферической симметрией: амплитуда вероятности зависит только от расстояния rr от ядра, но не от углов θ\theta и φ\varphi.

Радиальная волновая функция psi(r) и плотность вероятности |psi|^2 убывают экспоненциально; пик радиального распределения P(r) = 4*pi*r^2*|psi|^2 приходится точно на радиус Бора a0

Формула волновой функции

Полная волновая функция основного состояния получается из радиальной части R10(r)R_{10}(r) и угловой Y00Y_0^0:

ψ100(r)=R10(r) Y00=1π(1a0)3/2exp⁡ ⁣(−ra0),\psi_{100}(r) = R_{10}(r)\,Y_0^0 = \frac{1}{\sqrt{\pi}}\left(\frac{1}{a_0}\right)^{3/2}\exp\!\left(-\frac{r}{a_0}\right),

где a0=4πε0ℏ2mee2≈5,29×10−11a_0 = \dfrac{4\pi\varepsilon_0\hbar^2}{m_e e^2} \approx 5{,}29 \times 10^{-11} м - боровский радиус. Размерный множитель (a0−3/2/π)(a_0^{-3/2}/\sqrt{\pi}) обеспечивает нормировку:

∫0∞∫0π∫02π∣ψ100∣2 r2sin⁡θ dr dθ dφ=1.\int_0^{\infty}\int_0^{\pi}\int_0^{2\pi} |\psi_{100}|^2\,r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi = 1.

Функция ψ100\psi_{100} вещественна, положительна при всех r≥0r \ge 0 и монотонно убывает от максимального значения ψ100(0)=1/(π a03/2)\psi_{100}(0) = 1/(\sqrt{\pi}\,a_0^{3/2}) на ядре до нуля при r→∞r \to \infty. Узлов (нулей) нет - это отличительная черта основного состояния всех квантовых систем.

Плотность вероятности и радиальное распределение

Квадрат модуля волновой функции ∣ψ100∣2|\psi_{100}|^2 даёт объёмную плотность вероятности - вероятность найти электрон в единичном объёме вблизи точки (r,θ,φ)(r, \theta, \varphi):

∣ψ100(r)∣2=1πa03exp⁡ ⁣(−2ra0).|\psi_{100}(r)|^2 = \frac{1}{\pi a_0^3}\exp\!\left(-\frac{2r}{a_0}\right).

Максимум плотности находится в начале координат (r=0r = 0), то есть вблизи ядра. Однако это вовсе не значит, что электрон «сидит» в ядре: объём сферического слоя dV=4πr2 drdV = 4\pi r^2\,dr растёт с расстоянием. Радиальная функция распределения учитывает оба фактора:

P(r)=4πr2∣ψ100∣2=4a03 r2 exp⁡ ⁣(−2ra0).P(r) = 4\pi r^2 |\psi_{100}|^2 = \frac{4}{a_0^3}\,r^2\,\exp\!\left(-\frac{2r}{a_0}\right).

Максимум P(r)P(r) найдём из условия dP/dr=0dP/dr = 0:

ddr ⁣[r2e−2r/a0]=r ⁣(2−2ra0) ⁣e−2r/a0=0⇒rmax⁡=a0.\frac{d}{dr}\!\left[r^2 e^{-2r/a_0}\right] = r\!\left(2 - \frac{2r}{a_0}\right)\!e^{-2r/a_0} = 0 \quad\Rightarrow\quad r_{\max} = a_0.

Таким образом, наиболее вероятное расстояние от электрона до ядра в основном состоянии водорода ровно равно боровскому радиусу. Это одно из самых красивых совпадений квантовой механики с полуклассической моделью Бора.

Радиальное распределение P(r) водорода 1s: пик точно при r = a0, площадь под кривой равна 1
Радиальное распределение P(r) водорода 1s: пик точно при r = a0, площадь под кривой равна 1

Среднее расстояние и дисперсия

Квантовая механика различает наиболее вероятное значение rmax⁡r_{\max} и математическое ожидание ⟨r⟩\langle r \rangle. Для 1s-орбитали среднее расстояние вычисляется через интеграл:

⟨r⟩=∫0∞r P(r) dr=4a03∫0∞r3e−2r/a0 dr=32 a0.\langle r \rangle = \int_0^{\infty} r\,P(r)\,dr = \frac{4}{a_0^3}\int_0^{\infty} r^3 e^{-2r/a_0}\,dr = \frac{3}{2}\,a_0.

Среднее значение 3a0/23a_0/2 чуть больше a0a_0, что отражает асимметрию P(r)P(r): длинный «хвост» при больших rr смещает среднее вправо от максимума. Дисперсию ⟨r2⟩−⟨r⟩2\langle r^2 \rangle - \langle r \rangle^2 тоже легко вычислить:

⟨r2⟩=4a03∫0∞r4e−2r/a0 dr=3 a02,\langle r^2 \rangle = \frac{4}{a_0^3}\int_0^{\infty} r^4 e^{-2r/a_0}\,dr = 3\,a_0^2,

откуда стандартное отклонение σr=3a02−9a02/4=32a0≈0,87 a0\sigma_r = \sqrt{3a_0^2 - 9a_0^2/4} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}a_0 \approx 0{,}87\,a_0.

Энергия основного состояния

Волновая функция ψ100\psi_{100} является собственной функцией гамильтониана атома водорода с собственным значением:

E1=−mee42(4πε0)2ℏ2=−ℏ22mea02≈−13,6  эВ.E_1 = -\frac{m_e e^4}{2(4\pi\varepsilon_0)^2\hbar^2} = -\frac{\hbar^2}{2m_e a_0^2} \approx -13{,}6\;\text{эВ}.

Минус означает, что электрон связан с ядром: чтобы ионизировать атом из основного состояния, нужно затратить ровно 13,613{,}6 эВ - это энергия ионизации водорода. Из той же формулы следует, что боровский радиус a0a_0 - это характерный масштаб, при котором кинетическая и потенциальная энергия электрона уравновешивают друг друга, обеспечивая минимум полной энергии.

Водородоподобные атомы

Результат легко обобщается на водородоподобные ионы (He+^+, Li2+^{2+} и т.д.) с зарядом ядра ZZ: радиус Бора сжимается до a0/Za_0/Z, а функция принимает вид:

ψ100(Z)(r)=1π ⁣(Za0)3/2 ⁣exp⁡ ⁣(−Zra0).\psi_{100}^{(Z)}(r) = \frac{1}{\sqrt{\pi}}\!\left(\frac{Z}{a_0}\right)^{3/2}\!\exp\!\left(-\frac{Zr}{a_0}\right).

При этом энергия основного состояния становится E1(Z)=−Z2⋅13,6E_1^{(Z)} = -Z^2 \cdot 13{,}6 эВ: гелий-подобный ион He+^+ имеет E1=−54,4E_1 = -54{,}4 эВ. Эффективный заряд ZZ используют и для приближённых расчётов многоэлектронных атомов (метод Хартри-Фока), когда экранирование ядра другими электронами учитывают через Zeff<ZZ_{\rm eff} < Z.

Калькулятор выше позволяет поставить любое ZZ от 1 до 10 и сразу увидеть, как сжимается орбиталь и смещается максимум радиального распределения к a0/Za_0/Z.

Частые ошибки

  • Путают ∣ψ∣2|\psi|^2 и P(r)P(r). Плотность вероятности ∣ψ∣2|\psi|^2 максимальна в начале координат, тогда как радиальное распределение P(r)=4πr2∣ψ∣2P(r) = 4\pi r^2|\psi|^2 максимально при r=a0r = a_0. Именно P(r)P(r) отвечает на вопрос «где чаще всего находится электрон» по расстоянию.
  • Забывают единицы нормировки. Функция ψ100\psi_{100} имеет размерность [м−3/2][\text{м}^{-3/2}], ∣ψ∣2|\psi|^2 - [м−3][\text{м}^{-3}], а P(r)P(r) - [м−1][\text{м}^{-1}]. При подстановке числовых значений необходимо переводить всё в одну систему единиц.
  • Считают rmax⁡=⟨r⟩r_{\max} = \langle r \rangle. Для 1s-орбитали rmax⁡=a0r_{\max} = a_0, а ⟨r⟩=3a0/2\langle r \rangle = 3a_0/2. Для возбуждённых состояний разрыв между ними ещё больше.
  • Применяют формулу к возбуждённым состояниям. Выражение ψ100∝e−r/a0\psi_{100} \propto e^{-r/a_0} справедливо только для n=1n = 1. Для n=2n = 2 уже появляются полиномы Лагерра: R20∝(2−r/a0)e−r/(2a0)R_{20} \propto (2 - r/a_0)e^{-r/(2a_0)}.
  • Игнорируют сферическую симметрию. Утверждать, что «электрон движется по окружности радиуса a0a_0», неверно: ψ100\psi_{100} сферически симметрична, электрон описывается облаком вероятности без конкретной траектории.

FAQ

Что такое боровский радиус и откуда берётся значение 0,529 Å?

Боровский радиус a0=4πε0ℏ2/(mee2)a_0 = 4\pi\varepsilon_0\hbar^2/(m_e e^2) - это фундаментальная атомная единица длины. Численное значение получается подстановкой констант: ε0=8,854×10−12\varepsilon_0 = 8{,}854\times10^{-12} Ф/м, ℏ=1,055×10−34\hbar = 1{,}055\times10^{-34} Дж·с, me=9,109×10−31m_e = 9{,}109\times10^{-31} кг, e=1,602×10−19e = 1{,}602\times10^{-19} Кл. Исторически он совпадает с радиусом электронной орбиты в модели Бора 1913 года, но в квантовой механике a0a_0 - просто характерный масштаб убывания экспоненты.

Почему волновая функция не равна нулю при r=0r = 0?

В классической механике электрон не мог бы находиться в точке, где потенциальная энергия −e2/(4πε0r)-e^2/(4\pi\varepsilon_0 r) обращается в минус бесконечность. В квантовой механике ∣ψ100(0)∣2>0|\psi_{100}(0)|^2 > 0 означает ненулевую вероятность найти электрон в ядре - это напрямую связано с явлением KK-захвата (ядро захватывает электрон с 1s-орбитали в ядерных реакциях).

Как связана волновая функция с атомными спектрами?

Спектральные линии водорода возникают при переходах электрона между уровнями с энергиями En=E1/n2=−13,6/n2E_n = E_1/n^2 = -13{,}6/n^2 эВ. Частота фотона определяется разностью hν=En1−En2h\nu = E_{n_1} - E_{n_2}. Переходы на уровень n=1n = 1 (серия Лаймана) лежат в ультрафиолете, на n=2n = 2 (серия Бальмера) - в видимом диапазоне. Волновые функции определяют матричные элементы дипольного перехода, а значит - вероятности этих переходов и интенсивности линий.

Коротко

Волновая функция основного состояния водорода ψ100=(πa03)−1/2exp⁡(−r/a0)\psi_{100} = (\pi a_0^3)^{-1/2}\exp(-r/a_0) является точным решением уравнения Шрёдингера при n=l=m=0n = l = m = 0. Она сферически симметрична и убывает экспоненциально с постоянной затухания a0=0,529a_0 = 0{,}529 Å. Плотность вероятности ∣ψ∣2|\psi|^2 максимальна в начале координат, но радиальное распределение P(r)=4πr2∣ψ∣2P(r) = 4\pi r^2|\psi|^2 имеет максимум ровно при r=a0r = a_0, а среднее расстояние ⟨r⟩=3a0/2\langle r \rangle = 3a_0/2. Для водородоподобных ионов замена a0→a0/Za_0 \to a_0/Z моментально обобщает все формулы: орбиталь сжимается, энергия связи растёт как Z2Z^2.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Частица в потенциальной яме: энергия и волновая функция

Частица в потенциальной яме: энергия и волновая функция

Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме: как вывести уровни энергии и волновую функцию, почему спектр дискретный, а основной уровень не равен нулю, и где ошибаются студенты.

11 июня 20268 минут
Частица в одномерной потенциальной яме: энергия

Частица в одномерной потенциальной яме: энергия

Частица в одномерной потенциальной яме: вывод формулы энергии уровней En через ширину ямы и массу, почему спектр дискретный, расчёт в эВ и разбор частых ошибок студентов.

11 июня 20268 минут
Туннельный эффект: прохождение частицы через барьер

Туннельный эффект: прохождение частицы через барьер

Туннельный эффект простыми словами: почему частица проходит барьер выше своей энергии, формула коэффициента прозрачности D и от чего зависит вероятность туннелирования.

11 июня 20268 минут
Уравнение Шрёдингера: физический смысл простыми словами

Уравнение Шрёдингера: физический смысл простыми словами

Что описывает уравнение Шрёдингера и почему оно центральное в квантовой механике: разбираем волновую функцию, гамильтониан и уровни энергии на понятных примерах.

31 января 20267 минут
Спин-орбитальное взаимодействие: тонкая структура

Спин-орбитальное взаимодействие: тонкая структура

Спин-орбитальное взаимодействие: откуда в атоме берётся магнитное поле, почему j равно l плюс минус 1/2, как посчитать расщепление уровня, дублет натрия и рост по четвёртой степени заряда.

24 сентября 202610 минут
Эксперимент с отложенным выбором Уилера: волна или частица

Эксперимент с отложенным выбором Уилера: волна или частица

Эксперимент с отложенным выбором Уилера простыми словами: как поздний выбор схемы будто меняет прошлое фотона, в чём суть мысленного опыта и что показали реальные измерения.

20 июня 20268 минут