สมการชเรอดิงเงอร์

ในวิชากลศาสตร์ควอนตัม สมการชเรอดิงเงอร์ เป็นสมการทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายระบบทางฟิสิกส์ ที่เป็นผลจากปรากฏการณ์ควอนตัม เช่น ทวิภาคของคลื่นและอนุภาค สมการชเรอดิงเงอร์เป็นสมการที่สำคัญในการศึกษาระบบทางกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งแอร์วีน ชเรอดิงเงอร์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ได้ค้นพบ "สมการชเรอดิงเงอร์" ในปี พ.ศ. 2468 และถูกตีพิมพ์ในปีต่อมา จากการค้นพบสมการชเรอดิงเงอร์ ทำให้ชเรอดิงเงอร์ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2476 สมการนี้เป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยหรือที่รู้จักกันว่าสมการคลื่น โดยสามารถแก้สมการชเรอดิงเงอร์เพื่อหาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของคลื่นได้

ในกลศาสตร์ดั้งเดิม กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันโดยเฉพาะกฎข้อที่สอง จะสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยแสดงให้เห็นถึงตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งของอนุภาคที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยใช้สมการการเคลื่อนที่ในการทำนายการเคลื่อนที่ของอนุภาคในระบบ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัม พฤติกรรมของอนุภาคจะถูกอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่น ดังนั้นเราจึงสามารถแก้สมการชเรอดิงเงอร์เพื่อหาผลเฉลยออกมาเป็นฟังก์ชันคลื่น โดยสมการชเรอดิงเงอร์นี้เป็นการอธิบายธรรมชาติในระดับจุลภาคจิรศักดิ์ วงศ์เอกบุตร. (2557). กลศาสตร์ควอนตัมเบื้องต้น. มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

สมการชเรอดิงเงอร์แบ่งออกได้เป็นสมการชเรอดิงเงอร์ที่ขึ้นกับเวลา  และสมการชเรอดิงเงอร์ที่ไม่ขึ้นกับเวลา

 สมการ 

 สมการชเรอดิงเงอร์ที่ขึ้นกับเวลา 

โดยที่

 คือ หน่วยจินตภาพ

 คือ ค่าคงตัวของพลังค์แบบลดค่า

สัญลักษณ์  แสดงถึง อนุพันธ์ย่อยเทียบกับเวลา 

 (อักษรกรีกพไซ) คือ ฟังก์ชันคลื่นในระบบควอนตัม

 และ  คือ เวกเตอร์บอกตำแหน่งและเวลาตามลำดับ

 คือ ตัวดำเนินการฮามิลโทเนียน

 สมการชเรอดิงเงอร์ที่ไม่ขึ้นกับเวลา 

สมการนี้เป็นการเขียนให้อยู่ในรูปตัวดำเนินการฮามิลโทเนียน ซึ่งจะเรียกสมการนี้ว่าสมการEigenvalue ที่มีค่าคงตัว  เป็น Eigenvalue และมี  เป็น Eigen function

ซึ่งสมการชเรอดิงเงอร์จะใช้ในการแก้ปัญหาการเคลื่อนที่ของอนุภาคในศักย์แบบ 1 มิติ เช่น ศักย์แบบขั้นบันได กำแพงศักย์ บ่อศักย์แบบอนันต์ บ่อศักย์แบบลึกจำกัด เป็นต้น ซึ่งจะพบว่ามีบางส่วนที่แตกต่างจากการใช้วิธีการทางกลศาสตร์ดั้งเดิมแก้ปัญหาอย่างชัดเจน

 สมการชเรอดิงเงอร์ของอะตอมไฮโดรเจน 
ผลเฉลยของสมการชโรดิงเจอร์ ออร์บิทัลของอะตอมคล้ายไฮโดรเจนเป็นไอเกนฟังก์ชันของตัวดำเนินการโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน 1 ตัว ในแกน z (Lz) ออบิทัลของอะตอมคล้ายไฮโดรเจน(hydrogen-like atom) สามารถหาได้จากเลขควอนตัมหลัก n เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม l และเลขควอนตัมแม่เหล็ก m พลังงานเฉพาะของอะตอมมีค่าขึ้นกับค่า n เท่านั้น เราจึงต้องบวกเลขควอนตัมการหมุน ms = ±½ สำหรับในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากันของอะตอมคล้ายไฮโดรเจน ค่า n, l, m and s  จะมีค่าเฉพาะที่เปลี่ยนไปตามระดับพลังงาน

การวิเคราะห์สมการชโรดิงเจอร์ของอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัวนั้นเป็นไปได้ยาก เนื่องจากมีแรงคูลอมบ์ระหว่างอิเล็กตรอนเข้ามาเกี่ยวข้องกับการคำนวณ เราจึงต้องใช้วิธีเชิงตัวเลข (Numerical method) มาช่วยคำนวณ เพื่อหาฟังก์ชันคลื่นหรือสมบัติทางควอนตัมอื่น ๆ ดังนั้นเราจึงใช้แบบจำลองของอะตอมคล้ายไฮโดรเจนในการแก้ปัญหา

จากกฎของคูลอมบ์ ศักย์ไฟฟ้าเป็นดังสมการ

เมื่อ
 ε0 คือ ค่าสภาพยอมของสุญญากาศ
 Z คือ เลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส)
 e คือ ประจุของอิเล็กตรอน
 r คือ ระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส

ดังนั้นจะได้สมการคลื่น (ในพิกัดทรงกลม) เป็น

โดย  คือ ฮาร์มอนิกส์ทรงกลม

จะได้สมการชเรอดิงเงอร์

โดย  คือ มวลลดทอน

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:กลศาสตร์คลื่น