類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件

王向賢 蔡志剛 許明坤

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件

王向賢 蔡志剛 許明坤

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

基于MFC和Matlab混合編程，編寫(xiě)了類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件。在輸入相關(guān)參數(shù)即原子序數(shù)、主量子數(shù)、軌道角動(dòng)量量子數(shù)后，軟件可繪制出相應(yīng)的徑向分布函數(shù)曲線并給出幾率的最大值及其位置。該軟件對(duì)量子力學(xué)和大學(xué)物理的教學(xué)有一定的幫助。

類氫原子；徑向分布；數(shù)字化；軟件

1 引言

眾所周知，計(jì)算已經(jīng)與理論、實(shí)驗(yàn)并列為物理研究的主要手段。數(shù)字教學(xué)—計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算與模擬技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深入結(jié)合的新模式，已經(jīng)是當(dāng)今物理教學(xué)中不可缺少的教學(xué)模式之一。[1-4]類氫原子波函數(shù)在量子力學(xué)和大學(xué)物理中是很重要的教學(xué)內(nèi)容，而現(xiàn)行的量子力學(xué)教材中，關(guān)于氫原子的電子徑向分布函數(shù) Wnl（r）與 r的函數(shù)關(guān)系曲線中，Wnl（r）都是一個(gè)相對(duì)值。[5-7]對(duì) Wnl（r）與 r的定量函數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行準(zhǔn)確描繪顯然非常必要，故本文利用MFC和Matlab混合編程，編寫(xiě)了類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件，以定量得到Wnl（r）與r的函數(shù)關(guān)系曲線并求出徑向幾率的最大值及其對(duì)應(yīng)的位置。

2 類氫原子體系的徑向波函數(shù)[5]

1個(gè)電子在1個(gè)帶正電的原子核所產(chǎn)生的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電子的質(zhì)量為μ，帶電荷為-e，原子核的電荷是+Ze。Z=1時(shí)，這個(gè)體系就是氫原子，Z＞1時(shí)，該體系稱為類氫原子，如氦離子（He+，Z=2），鋰離子（Li2+，Z=3）等。

類氫原子體系波函數(shù)所滿足的徑向方程為：

該方程的解為

徑向分布函數(shù)Wnl（r），表示氫原子內(nèi)電子在束縛定態(tài)ψnlm（r→）下，在半徑為r處單位徑向厚度的球殼內(nèi)出現(xiàn)的總幾率，是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)。

下面給出量子力學(xué)教學(xué)中常見(jiàn)的幾個(gè)徑向函數(shù)：

3 類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件

該軟件是采用VC++中的MFC和Matlab的混合編程開(kāi)發(fā)的。[8，9]軟件界面?zhèn)€性化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單易學(xué)。

3.1 輸入、輸出

軟件的主界面如圖1所示，在依次輸入每組數(shù)據(jù)的原子序數(shù)Z、主量子數(shù)n和軌道角動(dòng)量量子數(shù)l3個(gè)參數(shù)后，單擊“繪制曲線”按鈕，將生成相應(yīng)的徑向分布函數(shù)曲線的圖像，并在主界面的相關(guān)數(shù)據(jù)輸出框中輸出相應(yīng)的徑向分布函數(shù)Wnl（r）的最大值及其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的r值（以a0為單位）。圖1所示信息為只有1 組輸入數(shù)據(jù)的情況，即輸入?yún)?shù)為 Z=1，n=3，l=0，輸出參數(shù)為最大值點(diǎn) r/a0=13.10，Wnl（r）=1.92×109（圖中數(shù)據(jù)為科學(xué)計(jì)數(shù)法）。當(dāng)輸入兩組或以上的參數(shù)后，單擊“繪制曲線”按鈕后，將在同一圖像區(qū)域繪制兩組或兩組以上的曲線，并同時(shí)在主界面的各自對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出框中輸出對(duì)應(yīng)的最大值點(diǎn)r/a0和Wnl（r）。最多能同時(shí)輸入五組參數(shù)，繪制出五組曲線，每組參數(shù)需依次輸入，不能第二組沒(méi)有參數(shù)，而第三組有參數(shù)。圖 2 為 Z=1，n=3，l=0，的參數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線圖形輸出結(jié)果，圖 3 為 Z=1，n=3，l=0，和 Z=1，n=3，l=1，的兩組輸入?yún)?shù)所對(duì)應(yīng)的曲線圖形輸出結(jié)果。

圖1 類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件主界面

圖2 類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件曲線圖形輸出界面（1組曲線）

圖3 類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件曲線圖形輸出界面（2組曲線）

3.2 其它操作

在曲線圖像上長(zhǎng)按鼠標(biāo)右鍵可拖動(dòng)曲線。在曲線圖像上長(zhǎng)按鼠標(biāo)左鍵且向右下角方向拖動(dòng)可放大曲線，從而可以觀察曲線的細(xì)節(jié)，反之，在曲線圖像上長(zhǎng)按鼠標(biāo)左鍵并向左上角方向拖動(dòng)則可還原曲線，如圖4所示為拖動(dòng)且放大后的圖3的局部。。

圖4 對(duì)曲線圖像進(jìn)行拖動(dòng)和放大后的局部圖

圖5 類氫原子徑向波函數(shù)信息

與其它常用軟件保存圖像的方法相同，可將輸出曲線圖像保存為圖片；當(dāng)軟件使用結(jié)束后，可點(diǎn)擊圖1所示的“安全退出”按鈕，或單擊軟件右上角的“×”，即可退出類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件；可以通過(guò)右鍵點(diǎn)擊標(biāo)題欄，在出現(xiàn)的菜單中單擊“關(guān)于類氫原子徑向波函數(shù)信息（A）…”，可查看軟件的功能說(shuō)明，對(duì)函數(shù)圖像進(jìn)行相關(guān)操作的說(shuō)明，版本，版權(quán)等信息，如圖5所示。

4 利用軟件計(jì)算的部分結(jié)果

利用我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)的類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件，計(jì)算了氫原子的主量子數(shù)n和軌道角動(dòng)量量子數(shù) l分別為（1，0）、（2，0）、（3，0）、（2，1）、（3，1）、（3，2）時(shí)的徑向分布函數(shù)的最大值及其對(duì)應(yīng)的r，同時(shí)計(jì)算了氦離子（H+e）和鋰離子（L2i+）的 n、l為（1，0）時(shí)的徑向分布函數(shù)的最大值及其對(duì)應(yīng)的 r，計(jì)算結(jié)果列于表1。

5 討論

基于MFC和Matlab混合編程，自主研發(fā)了類氫原子徑向波函數(shù)數(shù)字化教學(xué)軟件，該軟件可快速得到類氫原子的徑向分布函數(shù)曲線，并給出相應(yīng)的幾率最大值和其對(duì)應(yīng)的r。利用軟件計(jì)算了氫原子，氦離子（H+e）和鋰離子（L2i+）在幾組量子數(shù)下的徑向分布函數(shù)最大值及其對(duì)應(yīng)的r。軟件可用于量子力學(xué)和大寫(xiě)物理中量子力學(xué)部分的教學(xué)。軟件只做了對(duì)于類氫原子徑向波函數(shù)的研究，沒(méi)有做有關(guān)角向分布的研究，我們下一階段將就此展開(kāi)研究。

[1]李元杰，吳念樂(lè)，王懷玉.一種信息時(shí)代研究式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005，（7）.

[2]王向賢，尹軍，許雪艷.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)信息教學(xué)軟件設(shè)計(jì)與使用[J].天水師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010.30（2）.

[3]王向賢，魯超，朱仁義等.原子信息—基態(tài)和k-alpha線教學(xué)軟件的研發(fā)與教學(xué)實(shí)踐[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.11（6）.

[4]彭芳麟.計(jì)算物理基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]周世勛.量子力學(xué)[M].第2版.北京：高等教育出版社，2009.

[6]錢(qián)伯初.量子力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)導(dǎo)論[M].北京：北京大學(xué)出版社，1998.

[8]David Simon、周瑜萍等.Visual C++6編程寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[9]張威.Matlab基礎(chǔ)與編程入門(mén)[M].第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

THE DIGITALIZED EDUCATION SOFTWARE OF RADIAL WAVE FUNCTION OF THE HYDROGEN-LIKE ATOM

WANG Xiang-xian CAI Zhi-gang XU Ming-kun
（Department of Physics and Electronic Science，ChoHu College， Chaohu AnHui 238000）

Based on MFC and Matlab hybrid programming，the digitalized education software of radial wave function of the Hydrogen-like atom is compiled. The software can draw the radial distribution function curve in the condition that the correlative parameters of the atom are input，which are atomic number，principal quantum number and orbital angular momentum quantum number，the maximum probability of the distribution and the position of it are also output at the same time.The software has some help in teaching of quantum mechanics and university physics.

Hydrogen-like atom；radial distribution；digitization；software

O413.1

A

1672－2868（2010）06－0124－04

2010－08-23

安徽省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20100975）；巢湖學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JYXM200921）

王向賢（1980-），男，甘肅定西人。講師，研究方向：光學(xué)、原子物理研究和物理教學(xué)。

責(zé)任編輯：陳 鳳