헬만-파인만 정리는 해밀토니안의 매개변수에 대한 에너지의 미분을 계산하는 방법으로, 파동함수가 해밀토니안의 고유함수일 필요는 없지만 변분법적으로 최적화될 경우 적용할 수 있다. 이 정리는 분자간 힘, 기댓값 계산, 반데르 발스 힘 설명 등 다양한 분야에 응용되며, 시간 종속 슈뢰딩거 방정식을 따르는 파동 함수에는 일반적으로 적용되지 않는다.
2. 증명
헬만-파인만 정리의 증명은 파동 함수가 해밀토니안의 고유 함수임을 이용하며, 규격화된 파동 함수의 항등식을 통해 유도된다.[24] 이 정리는 파동 함수가 해밀토니안의 고유 함수여야 한다는 조건이 있지만, 실제로는 꼭 그럴 필요는 없다. 예를 들어 하트리-폭 방법에서 파동 함수는 실제 파동 함수에 대한 거친 근사이지만, 해밀토니안에 의해 변분법적으로 최적화되기 때문에 헬만-파인만 정리를 적용할 수 있다. 하지만, 묄러-플레셋 섭동이론과 같이 변분법적이지 않은 경우에는 헬만-파인만 정리를 적용할 수 없다.[24]
2. 1. 상세 증명 (디랙 표기법)
증명은 규격화된 파동함수의 항등식을 이용하는데, 파동함수가 그 자신과의 중첩이 영이 되도록 이끌어내기 위해서이다. 이것들은 디랙의 브라-켓 표기법을 쓰면 다음과 같이 나타내어진다.
변분 조건에 의해 위 식의 두 번째 항은 사라진다. 헬만-파인만 정리는 "함수(또는 범함수)의 정류 값을 그 함수가 의존할 수 있는 매개변수에 대해 미분하는 것은 암묵적인 의존성을 무시하고 명시적인 의존성만으로 계산할 수 있다"고 말한다. 슈뢰딩거 범함수는 해밀토니안을 통해서만 외부 매개변수에 명시적으로 의존할 수 있기 때문에 헬만-파인만 정리가 도출된다.[24]
계의 해밀토니안이 어떤 파라미터에 의존한다고 가정하고, 이를로 표현한다. 의 고유 상태 가 존재하고, 및 정규화 조건이 만족된다고 가정한다. 이 때,
:
이 성립한다. 이것이 헬만-파인만 정리의 주장이다.[24]
여기서, 파라미터가 원자 위치 좌표인 경우, '''헬만-파인만 힘'''이 된다.
3. 응용 예제
헬만-파인만 정리는 다양한 물리량 계산에 응용된다. 주요 응용 예시는 다음과 같다.
'''분자간 힘 계산''': 분자들 사이의 힘을 계산하고, 힘이 상쇄되는 평형 기하를 계산할 수 있게 해준다.
'''기댓값 계산''': 수소 원자와 같이 특정 조건에서 물리량의 기댓값을 구하는 데 활용된다.
'''반데르발스 힘 설명''': 전하 분포의 관점에서 반데르발스 힘을 설명하는 데 사용된다.
이 외에도 헬만-파인만 정리는 양자 화학에서 분자내력(intramolecular force)을 계산하는 데 사용되며, 이 힘을 '''헬만-파인만 힘'''이라고 부른다.[17] 파인만은 자신의 논문에서 분자나 고체 원자에서 원자핵에 작용하는 양자론적인 힘이 전자 구름과 다른 원자핵으로부터의 고전적인 정전력으로 취급될 수 있음을 보였다.[18]
헬만-파인만 힘은 고전론에서는 원자핵에 작용하는 힘이 되며, 양자론에서는 다음 식으로 주어진다.
:
3. 1. 분자힘
헬만-파인만 정리는 분자간 힘을 계산하고, 평형 기하 구조를 결정하는 데 사용된다. 핵 좌표에 대한 에너지 미분을 통해 힘을 계산하며, 전자 밀도와 핵 전하를 이용하여 힘을 표현할 수 있다.
헬만-파인만 정리는 분자 내의 분자간력을 계산하는 데 사용된다. 이를 통해 전자와 다른 핵에 의해 핵에 작용하는 힘이 사라지는 핵 좌표인 평형 구조를 계산할 수 있다.
주어진 핵에 작용하는 힘의 x 성분은 해당 좌표에 대한 총 에너지의 미분에 음수를 취한 값으로 표현된다.
:[25]
이 식은 전자 밀도 와 원자 좌표 및 핵 전하에 따라 주어진 핵에 작용하는 힘의 x 성분으로 표현할 수 있다.
:
4. 시간 종속 파동함수에 대한 헬만-파인만 정리
시간 종속 슈뢰딩거 방정식을 만족하는 일반적인 시간 종속 파동 함수에 대해서는 헬만-파인만 정리가 성립하지 않는다.[9][10] 그러나 특정 조건 하에서는 다음과 같은 수정된 형태의 정리가 성립한다.
4. 1. 시간 종속 헬만-파인만 정리의 증명
시간 종속 슈뢰딩거 방정식을 만족하는 일반적인 시간 종속 파동 함수에 대해 헬만-파인만 정리는 유효하지 않다.[9][10] 그러나 다음 등식이 성립한다.
:
\bigg\langle\Psi_\lambda(t)\bigg|\frac{\partial H_\lambda}{\partial\lambda}\bigg|\Psi_\lambda(t)\bigg\rangle = i \hbar \frac{\partial}{\partial t}\bigg\langle\Psi_\lambda(t)\bigg|\frac{\partial \Psi_\lambda(t)}{\partial \lambda}\bigg\rangle
&= i \hbar \frac{\partial}{\partial t}\bigg\langle\Psi_\lambda(t)\bigg|\frac{\partial \Psi_\lambda(t)}{\partial \lambda}\bigg\rangle
\end{align}
5. 정전 정리 (일본어 문서)
헬만-파인만 정리의 응용 중 하나는 분자 내 힘(분자내력)을 계산하는 것이다.[17] 이 방법으로 계산된 힘을 헬만-파인만 힘이라고 부른다. 파인만은 1939년 논문 "분자 내의 힘(Forces in Molecules)"에서 헬만-파인만 정리의 증명을 제시하고, 분자나 고체 원자에서 원자핵에 작용하는 양자론적인 힘을 전자 구름과 다른 원자핵으로부터의 고전적인 정전력으로 다룰 수 있음을 보였다.[18]
전자와 위치가 고정된 원자핵으로 구성된 계에서, 포텐셜을 원자핵의 위치 좌표로 미분한 값은 원자핵에 작용하는 힘에 해당한다. 예를 들어, 전자의 위치를 로 하고, 원자핵의 위치를 로 할 때, 계의 해밀토니안 는 보른-오펜하이머 근사에 의해, 운동 에너지
\frac{\boldsymbol{R}_{\alpha}-\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{R}_{\alpha}-\boldsymbol{r}|^3}\mathrm d^3 \boldsymbol{r} - Z_{\alpha} e \sum_{\beta(\neq \alpha)} Z_{\beta}e \frac{\boldsymbol{R}_{\alpha}-\boldsymbol{R}_{\beta}}{|\boldsymbol{R}_{\alpha}-\boldsymbol{R}_{\beta}|^3}
로 나타낼 수 있다. 첫 번째 항은 전자의 전하 밀도와 전자에 의한 전장의 곱이며, 두 번째 항은 전하 를 갖는 다른 원자핵에 의한 전장의 효과이다. 이 결과를 정전 정리 (electrostatic theorem)라고 부른다.
참조
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2023-10-06
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간행물
Chapter.3
R. M. Martin
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간행물
力の立場から見た化学現象(1)
化学
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간행물
人物で学ぶ物理(第6回)
数理科学
2012年1月号
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문서
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