Принцип минимума функционала энергии в терминах волновых функций уравнения Шредингера

Метод функционала плотности

Стационарное уравнение Шредингера имеет вид

(3)

где E – энергия электронов, Ψ = Ψ(, ) – волновая функция системы, а Ĥ – оператор Гамильтона:

(4)

где – внешний потенциал (в данном случае учитывается только влияние ядер с зарядом α на электрон i). Координаты включают в себя как пространственные , так и спиновые координаты . Можно записать (4) в виде , где – оператор кинетической энергии, – оператор взаимодействия электронов с ядрами, а – оператор отталкивания электронов. Общая энергия W записывается в виде W = E + V_nn, где – энергия межъядерного отталкивания. При этом не имеет значения включать ли V_nn в и решать уравнение Шредингера вида , или решать уравнение ĤΨ = EΨ и добавить V_nn к полученной энергии.

Решения уравнения (3) должны соответствовать определенным граничным условиям. В частности Ψ не должна иметь разрывов и убывать к нулю на больших расстояниях от атома или молекулы или иметь периодическое поведение для бесконечного кристалла. представляет собой распределение вероятности в том смысле, что – вероятность обнаружить систему в состоянии с пространственными координатами между и и спиновыми координатами Здесь , обозначает набор , , а обозначает набор .

Существует множество независимых решений (3) Ψ_k с соответствующими им собственными значениями E_k. Набор Ψ_k является полным и Ψ_k могут быть сделаны ортонормированными: .

В дальнейшем, волновая функция основного состояния будет обозначаться , а энергия E₀. Ожидаемые значения кинетической и потенциальной энергий даются как и соответственно. Другими словами они являются функционалами Ψ

Предположим, что система находится в состоянии Ψ, которое, возможно, не удовлетворяет уравнению (3). Тогда среднее значение энергии этой системы по множеству измерений дается формулой .

Поскольку измерения дают одно из собственных значений мы получаем . Энергия, вычисленная из предполагаемой Ψ, является верхней границей для энергии основного состояния . Полная минимизация функционала E[Ψ] по всем разрешенным волновым функциям даст волновую функцию основного состояния Ψ₀ и энергию E[Ψ₀] = E₀, то есть .

Дата добавления: 2014-12-26