Quelltext der Seite Wasserstoffatom

[[Datei:Bohr model.jpg|mini|Das Wasserstoffatom nach dem [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodell]]]]
Ein '''Wasserstoffatom''' ist ein [[Atom]] des [[Chemisches Element|chemischen Elements]] [[Wasserstoff]] (Symbol: H).
Das Atom besteht aus einem einfach positiv geladenen [[Atomkern]] (mit einem [[Proton]] und bei natürlich vorkommenden [[Isotop]]en null bis zwei [[Neutron]]en) und einem negativ geladenen [[Elektron]]. Elektron und Atomkern sind aufgrund ihrer entgegengesetzten [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] aneinander gebunden ([[Coulombsches Gesetz]]).

Das Wasserstoffatom ist das am einfachsten aufgebaute aller Atome und bietet den Schlüssel zum Verständnis des Aufbaus und der Eigenschaften aller [[Atom]]e. Es ist das einzige Atom, für das die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] [[Schrödinger-Gleichung]] analytisch, d.&nbsp;h. in mathematisch geschlossener Form, gelöst werden kann. Die [[Spektrallinie]]n des Wasserstoffatoms sind mit hoher Genauigkeit berechenbar und können mit den gemessenen Werten verglichen werden, wie z.&nbsp;B. das bekannteste Linien[[multiplett]], die [[Balmer-Serie]].

== Das Wasserstoffatom als Paradebeispiel der Entwicklung der Atomphysik ==
Die am Wasserstoffatom nach und nach abgeleiteten Prinzipien der [[Atomphysik]] bilden heute die Grundlage zur Beschreibung aller Atome.<ref>Ausführlicher und mit weiteren vorgeschlagenen Modellen in: Helge Kragh ''Before Bohr: Theories of atomic structure 1850–1913.'' RePoSS: [http://www.ivs.au.dk/reposs Research Publications on Science Studies] 10. Århus: Department of Science Studies, University of Aarhus.</ref>

=== Vor 1913 ===
[[William Prout]] vermutete 1815, dass die Atome aller Materie aus Wasserstoffatomen aufgebaut seien. Zur Begründung führte er an, dass Wasserstoff nach [[John Dalton]] das kleinste aller Atomgewichte habe (auch heute richtig) und die Atomgewichte anderer Elemente ein ganzzahliges Vielfaches davon seien – dies war allerdings schon nach damaligem Kenntnisstand falsch, zur Begründung siehe [[Isotop]]e.<ref>siehe F. Dannemann: ''Die Naturwissenschaften in ihrer Entwicklung und in ihrem Zusammenhange'', Bd. 3, Verlag W. Engelmann 1922, S. 198.</ref> Nach heutiger Ansicht findet dieser Aufbauprozess tatsächlich bei der [[Nukleosynthese]] in Supernovae statt.

[[Johann Jakob Balmer|Johann Balmer]] fand 1885 zwischen den Wellenlängen der vier sichtbaren Spektrallinien des Wasserstoffatoms einen mit einfachen ganzen Zahlen darstellbaren mathematischen Zusammenhang, die [[Balmer-Formel]]. Er war nach der Entdeckung (durch [[Robert Wilhelm Bunsen]] und [[Gustav Robert Kirchhoff]] 1860), dass jedes Element spezifische Spektrallinien zeigt, davon ausgegangen, dass eine Erklärung hierfür am ehesten im Fall des Wasserstoffs zu finden sein müsste, weil dieser das leichteste Atomgewicht und das einfachste Linienspektrum zeigt. Balmer nutzte seine Formel, um die genaue Lage weiterer Linien im Ultravioletten vorherzusagen, und erfuhr dann zu seiner Überraschung, dass diese in Sternspektren bereits genau dort gefunden worden waren.<ref>J.J. Balmer: ''Notiz über die Spektrallinien des Wasserstoffs'', Annalen der Physik Bd. 25 (1885) S. 80–87 (online bei wiley: Bd. 261 Heft 5).</ref>

[[Joseph John Thomson]] identifizierte 1897 das [[Elektron]]  als universellen Bestandteil aller Materie<ref>J.J. Thomson: Phil. Mag. Bd. 44 (1897) S. 547.</ref> und formulierte 1903 ein Atommodell mit einer masselosen positiven Ladung von der Größe des Atoms und einer genügenden Anzahl von Elektronen, um die Atommasse zu erklären, für das H-Atom nicht weniger als etwa 2000.<ref>J.J. Thomson: Phil. Mag. Bd. 6 (1903) S. 673.</ref>
Die Elektronen sollten in der positiven Ladung verteilt sein wie „[[Thomsonsches Atommodell|die Rosinen im Kuchen]]“ und um ihre Ruhelage schwingen können, was die Emission und Absorption von Licht bestimmter Frequenzen im Rahmen der klassischen Physik erklärbar machte, ebenso wie die Streuung von Licht- und Röntgenstrahlung. Besonders beachtet wurde, dass dieses Modell auch die Aufspaltung der Lichtfrequenz im Magnetfeld wenigstens in den Fällen erklären konnte, in denen man eine dreifache Aufspaltung sah (normaler [[Zeeman-Effekt]], 1896). Unerklärlich blieb, wie eine solche Anordnung so stabil sein konnte, wie es die Atome offensichtlich sind. Zudem erwies sich (ab 1906) die Streuung von Röntgenstrahlung viel schwächer als vorhergesagt, was für eine viel kleinere Anzahl Elektronen im Atom sprach: für Wasserstoff höchstens einige wenige.

[[Arthur Erich Haas|Arthur Haas]] zeigte 1910 zum ersten Mal, dass unter Zuhilfenahme der 1900 entdeckten [[Planck-Konstante]] ''h'' eine Formel aufgestellt werden kann, die für den Radius und die Bindungsenergie des Wasserstoffatoms richtige Werte ergibt.<ref>A.E. Haas: Phys. Zeitschr. Bd. 11 (1910) S. 537.</ref> Das war die erste Anwendung der bis dahin fast ausschließlich für Lichtwellen und andere harmonische Schwingungen benutzten planckschen Formel <math>E = h\,f</math> auf ein Problem der Mechanik des Atoms – und wurde aus genau diesem Grund auch weitgehend abgelehnt. Haas betrachtete ein Elektron (Ladung ''−e'') auf einer Kreisbahn auf der Oberfläche einer positiv geladenen Kugel mit der Ladung ''+e'' und setzte versuchsweise dessen potentielle Energie ''E''<sub>pot</sub> und Umlauffrequenz ''f'', beide nach der klassischen Physik ermittelt, in das Verhältnis <math>E_\mathrm{pot} = h\,f</math>. Das Ergebnis entspricht schon genau dem Grundzustand des bohrschen Modells.

=== 1913–1925 ===
[[Niels Bohr]] zeigte 1913 in seinem [[Bohrsches Atommodell|bohrschen Atommodell]], dass mit der Annahme eines kleinen, positiven, schweren Atomkerns (nach [[Ernest Rutherford]]s Entdeckung 1911) und weiteren Annahmen (später verfeinert und [[bohrsche Postulate]] genannt) die Energien des H-Atoms auch in angeregten Zuständen zutreffend berechnet werden können. Obwohl diese Postulate radikale Brüche mit der klassischen Physik bedeuteten, setzte sich das Modell schnell durch, denn es konnte nicht nur die Balmer-Formel, sondern auch das Spektrum des ionisierten Helium-Atoms (ein Elektron umkreist einen Atomkern mit doppelter Ladung und vierfacher Masse) richtig erklären, einschließlich des kleinen Effekts der verschiedenen Kernmassen, sowie die Energien der harten Röntgenstrahlung der schwereren Elemente.

[[Arnold Sommerfeld]] erweiterte 1916 das Modell um elliptische Bahnen zum [[Bohr-Sommerfeldsches Atommodell|bohr-sommerfeldschen Atommodell]]. Er entdeckte dabei die drei räumlichen Quantenzahlen und die [[Richtungsquantelung]] des Drehimpulses, sodass er die (ungeradzahlige) [[Zeeman-Effekt|Aufspaltung der Energieniveaus im Magnetfeld]] erklären konnte. Durch Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie konnten weitere Feinheiten der Spektrallinien des H-Atoms gedeutet werden. Das Modell versagte aber genau wie das bohrsche Modell bei Atomen mit mehreren Elektronen.

=== Ab 1925 ===
==== Quantenmechanik ====
Der Durchbruch zur heutigen Modellvorstellung gelang 1925/26 mit der Entdeckung der [[Quantenmechanik]] durch [[Werner Heisenberg]] ([[Matrizenmechanik]]) und [[Erwin Schrödinger]] ([[Wellenmechanik]]). Bewegungsgleichungen in neuer Form machen darin die bohrschen Postulate überflüssig. Prüfstein der neuen Theorien war die exakte Berechnung des H-Atoms. Mit der Matrizenmechanik gelang dies erstmals [[Wolfgang Pauli]]. Die erste Berechnung nach der Wellenmechanik (s.&nbsp;u.), die zusätzlich zu den Energien die geometrische Form der [[Orbitalmodell|Elektronenorbitale]] liefert, wurde von Schrödinger selbst präsentiert. Systeme mit mehr als einem Elektron können zwar auch hier nicht mehr mathematisch exakt behandelt werden, Näherungsmethoden machen aber möglich, das Verhalten von Atomen mit vielen Elektronen mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Das quantenmechanische Modell führte zum [[Schalenmodell (Atomphysik)|Schalenmodell]] und damit zum Verständnis des Aufbaus des [[Periodensystem]]s der Elemente und der Bildung von [[Molekül]]en in der [[chemische Bindung|chemischen Bindung]].

==== Relativistische Quantenmechanik ====
Als [[Paul Dirac]] 1928 die [[Dirac-Gleichung|relativistisch korrekte Formulierung der Quantenmechanik]] veröffentlichte, konnte er damit nicht nur weitere Feinheiten der Spektrallinien des Wasserstoffatoms erklären, sondern auch die vorher unverständlichen Eigenschaften des Elektrons wie [[Spin]] und anomales [[magnetisches Moment]]. Damit war auch die geradzahlige Aufspaltung der Energieniveaus im anomalen [[Zeeman-Effekt]] verstanden. Zudem ergab sich aus der Diracgleichung die neue Vorhersage von [[Antiteilchen]].

==== Quantenelektrodynamik ====
Die im Rahmen der [[Quantenelektrodynamik]] theoretisch erwartete [[Vakuumpolarisation]] durch virtuelle Teilchen-Antiteilchenpaare wurde an H-Atomen 1947 erstmals anhand einer extrem kleinen Aufspaltung eines Energieniveaus ([[Lamb-Verschiebung]]) nachgewiesen. Dies verhalf der Quantenelektrodynamik, insbesondere dem darin erforderlichen Verfahren der [[Renormierung]], zum Durchbruch. Dass die Quantenelektrodynamik auch für die klassische elektrostatische Anziehung eine Erklärung durch Austausch virtueller Photonen bietet, wurde 1952 durch [[Hans Bethe]] und E. Salpeter anhand einer erneuten genauen Berechnung der Energieniveaus des H-Atoms gezeigt ([[Bethe-Salpeter-Gleichung]]).

==== Dynamische Gruppe ====
[[Wolfgang Pauli]] hatte bei seiner ersten Behandlung<ref name="pauli_1926">{{cite journal | last = Pauli | first = W | authorlink = Wolfgang Pauli | year = 1926 | title = Über das Wasserstoffspektrum vom Standpunkt der neuen Quantenmechanik | journal = Zeitschrift für Physik | volume = 36 | pages = 336–363 | doi = 10.1007/BF01450175}}</ref> des Wasserstoffatoms in der [[Werner Heisenberg|heisenbergschen]] [[Matrizenmechanik]] einen Weg gefunden, die genauen Eigenschaften des Coulomb-Potentials einfach durch eine zusätzliche Konstante, den [[Laplace-Runge-Lenz-Vektor]], zu berücksichtigen. Das entspricht mathematisch einer Rotationssymmetrie in 4 Dimensionen ([[Symmetriegruppe]] O(4)). Durch Erweiterung zur [[Dynamische Symmetrie|Dynamischen Symmetriegruppe]] O(4,2) konnte [[Hagen Kleinert]] 1968 nicht nur die Energieterme, sondern auch die Dipol-Matrixelemente für alle atomaren Übergänge in einer irreduziblen Gruppendarstellung vereinen.<ref>
{{cite journal
| title = Group Dynamics of the Hydrogen Atom
| author = [[Hagen Kleinert]]
| journal = Lectures in Theoretical
 Physics, edited by W.E. Brittin and A.O. Barut, Gordon and
 Breach, N.Y. 1968
| volume =
| pages = 427–482
| year = 1968
| doi =
| url = http://www.physik.fu-berlin.de/~kleinert/kleiner_re4/4.pdf}}</ref>

==== Pfadintegral ====
Im Jahre 1979 fand [[Hagen Kleinert]] eine Lösung für das Wasserstoffatom in [[Richard Feynman|Feynmans]] [[Pfadintegral]]-Zugang zur [[Quantenmechanik]]<ref>
{{cite journal
| title = Solution of the path integral for the H-atom
| author = Duru I.H., [[Hagen Kleinert]]
| journal = Physics Letters B
| volume = 84
| issue = 2
| pages = 185–188
| year = 1979
| doi = 10.1016/0370-2693(79)90280-6
| url = http://www.physik.fu-berlin.de/~kleinert/kleiner_re65/65.pdf}}</ref><ref>
{{cite journal
| title = Quantum Mechanics of H-Atom from Path Integrals
| author = Duru I.H., [[Hagen Kleinert]]
| journal = Fortschr. Phys
| volume = 30
| issue = 2
| pages = 401–435
| year = 1982
| doi = 10.1002/prop.19820300802
| url = http://www.physik.fu-berlin.de/~kleinert/kleiner_re83/83.pdf}}</ref> und erweiterte damit den Anwendungsbereich dieser in der modernen Quantenmechanik wichtigen Methode.

== Experimentelle Untersuchungen der optischen Linienspektren ==
[[Datei:Wasserstoff-Termschema.svg|mini|Energieniveaus und nach Serien geordnete Übergänge des Wasserstoffs]]
Seit 1862 werden die Spektrallinien im [[Absorptionsspektrum|Absorptions-]] und [[Emissionsspektrum]] des Wasserstoffatoms untersucht. Sie werden verursacht durch den Übergang des gebundenen Elektrons von einem höheren in ein niedrigeres Niveau (Emission) oder umgekehrt (Absorption). Dabei werden die möglichen Linien klassifiziert nach dem Grundniveau und benannt nach ihren jeweiligen Entdeckern. Mathematisch werden die Übergänge seit 1888 durch die [[Rydberg-Formel]] beschrieben. [[Albert A. Michelson]] fand 1892, dass die Spektrallinien feine Aufspaltungen zeigen. Diese konnten teilweise erst 1916 durch das [[bohr-sommerfeldsches Atommodell|bohr-sommerfeldsche Atommodell]] erklärt werden, vollständig ab 1926 durch die [[Quantenmechanik]].

{| class="wikitable centered"
|- class="hintergrundfarbe6"
! Name der Serie
! Grundniveau
! Wellenlängenbereich
! Entdeckungsjahr
|-
| [[Lyman-Serie]]
| align="center"| 1
| [[ultraviolett]]
| 1906
|-
|[[Balmer-Serie]]
| align="center"| 2
| sichtbar bis ultraviolett
| 1885
|-
| [[Paschen-Serie]]
| align="center"| 3
| [[Infrarotstrahlung|infrarot]]
| 1908
|-
| [[Brackett-Serie]]
| align="center"| 4
| infrarot
| 1922
|-
| [[Pfund-Serie]]
| align="center"| 5
| infrarot
| 1924
|}

== Lösung der Schrödinger-Gleichung (Wasserstoffproblem) ==
Die einfachste [[Schrödingergleichung|Schrödinger-Gleichung]] für ein geladenes Teilchen im Coulombfeld einer [[Punktladung]] wird als ''Wasserstoffproblem'' bezeichnet. Diese dreidimensionale [[partielle Differentialgleichung]] kann aufgrund der Kugelsymmetrie der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]] in drei unabhängige Gleichungen separiert werden. Jede der drei Einzelgleichungen kann mathematisch exakt gelöst werden.

Eine der Gleichungen ergibt die Form der Abstandsabhängigkeit der Elektronenwellenfunktion in den Energiezuständen und die Energiewerte des Elektrons im Wasserstoffatom. Es ist üblich, die verschiedenen diskreten Energiewerte über die Hauptquantenzahl <math>n</math> als <math>E_n</math> zu bezeichnen. Der tiefste Energiezustand<ref group="A">Der tiefste Energiezustand (Grundzustand) wird sonst in der Quantenmechanik meistens mit <math>E_0</math> bezeichnet.</ref> heißt {{nowrap|1=<math>E_1</math>.}}
Die beiden anderen Gleichungen enthalten die Winkelabhängigkeit der [[Wellenfunktion]] mit der Bahndrehimpulsquantenzahl <math>\ell</math> und der magnetischen Quantenzahl {{nowrap|1=<math>m</math>.}}

Das Wasserstoffatom ist eines der wenigen quantenmechanischen Systeme, die sich exakt berechnen lassen. Die Lösung der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom ist auch deshalb ein Standardbeispiel der universitären Physik- und Chemieausbildung.

=== Mathematische Details ===
[[Datei:HAtomOrbitals.png|mini|Verschiedene Orbitale des Wasserstoffs mit ''m''&nbsp;=&nbsp;0]]
Für das System von einem Elektron (Masse <math>m_\mathrm e</math>, Ort <math>\vec r_\mathrm e</math>, Ladung <math>-e</math>) und dem Atomkern (Masse <math>m_\mathrm k</math>, Ort <math>\vec r_\mathrm k</math>, Ladung <math>Z\cdot e</math>, wobei <math>Z</math> ganzzahlig ist), wobei die [[Coulombwechselwirkung]] die potentielle Energie bestimmt, gilt zunächst die zeitunabhängige [[Schrödingergleichung]]:
:<math>
\left(-\frac{\hbar^2}{2m_\mathrm e}\Delta_\mathrm e -\frac{\hbar^2}{2m_\mathrm k}\Delta_\mathrm k - \frac{Z e^2}{4\pi \varepsilon_0 |\vec r_\mathrm e - \vec r_\mathrm k|} \right) \Psi(\vec r_\mathrm e, \vec r_\mathrm k) = \mathrm E \Psi(\vec r_\mathrm e, \vec r_\mathrm k)
</math>.
Die [[Laplace-Operator]]en <math>\Delta_\mathrm e, \Delta_\mathrm k</math> sind jeweils die zweiten räumlichen (partiellen) Ableitungen nach den Koordinaten <math>\vec r_\mathrm e</math> bzw. <math>\vec r_\mathrm k</math>. Unter Übergang in das [[Schwerpunktsystem]] und Betrachtung der Relativbewegung (<math>\vec r = \vec r_\mathrm e - \vec r_\mathrm k</math>) von Elektron und Atomkern ergibt sich nach Separation folgende Schrödingergleichung:
:<math>
\left(-\frac{\hbar^2}{2\mu}\Delta - \frac{Z e^2}{4\pi \varepsilon_0 r}\right) \Psi(\vec r) = \mathrm E \Psi(\vec r)
</math>.
Es ist <math>\mu = \frac{m_\mathrm e m_\mathrm k}{m_\mathrm e + m_\mathrm k}</math> die [[reduzierte Masse]] des Systems. Diese lässt sich aufgrund <math>m_\mathrm e \ll m_\mathrm k</math> durch <math>\mu \approx m_\mathrm e</math> nähern. Diese Gleichung ist ansonsten identisch zu der Schrödingergleichung eines Teilchens in einem kugelsymmetrischen Potential.
Die Separation dieser Gleichung in Kugelkoordinaten <math>\,r</math> (Abstand vom Mittelpunkt), <math>\vartheta</math> (Breitenwinkel) und <math>\varphi</math> (Längenwinkel) führt zu drei Gleichungen, die von jeweils nur einer der Koordinaten abhängen. Eine vollständige Lösung <math>\Psi(\vec r)</math> ergibt sich als das Produkt der Lösungen dieser drei Gleichungen.

[[Datei:Atomic orbitals spdf m-eigenstates mpositive.png|mini|3D Wasserstoff-Orbitale der <math>\Psi_{nlm}</math> Eigenfunktionen mit farbcodierter Phase]]
Jede Lösung <math>\,\Psi </math> der Schrödingergleichung für das Wasserstoffatom wird durch die drei ganzen Zahlen <math>\, n, l, m </math> gekennzeichnet. Sie werden Quantenzahlen genannt, genauer: ''räumliche'' Quantenzahlen im Unterschied zur später hinzukommenden Spin-Quantenzahl <math> m_s\mathord  = \pm \tfrac{1}{2}</math>. Dabei ist die Haupt- oder Energiequantenzahl <math>\,n</math> eine beliebige positive Zahl, die Drehimpulsquantenzahl <math>\,l</math> nimmt für gegebenes <math>\,n</math> die Werte von <math>\,0</math> bis <math>\,n-1</math> an, und die magnetische Quantenzahl <math>\,m</math> durchläuft für gegebenes <math>\,l</math>  die <math>\,(2l+1)</math> ganzen Zahlen von <math>\,-l</math> bis <math>\,+l</math>. Die Lösungsfunktion ist dann
:<math> \Psi_{nlm}(r,\vartheta,\varphi) = R_{nl}(r)\; Y_{lm}(\vartheta, \varphi ) </math>

mit
*<math>R_{nl}(r) = \sqrt {{\left(\frac{2Z}{n a_0}\right)}^3\frac{(n-l-1)!}{2n(n+l)!} }\; \mathrm e^{- \rho / 2}\; \rho^{l}\; L_{n-l-1}^{2l+1}(\rho)</math>
*<math> \rho = \frac{2 Z r}{n a_0} </math> (darin ist <math>a_0 = \tfrac{4\pi\varepsilon_0\hbar^2}{m_\mathrm{e} e^2}</math> der [[Bohrscher Radius|Bohrsche Radius]] des H-Atoms);
*<math> L_{n-l-1}^{2l+1}(\rho) </math> sind die zugeordneten [[Laguerre-Polynome]] (unter der Konvention <math> L_n(x)=\frac{\mathrm{e}^x}{n!}\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d} x^n}\bigg( x^n \mathrm{e}^{-x} \bigg)</math>);
*<math> Y_{lm}(\vartheta, \varphi ) </math> sind die [[Kugelflächenfunktion]]en.

Die Radialfunktion <math> R_{nl}(r) </math> ist für alle Werte der magnetischen Quantenzahl <math>m </math> dieselbe. Die winkelabhängigen Funktionen <math> Y_{lm}(\vartheta, \varphi ) </math> sind von der Hauptquantenzahl <math> n</math> unabhängig.

Für die niedrigsten Orbitale ergibt sich damit:
:<math>
\begin{align}
\Psi_{100} &= \sqrt{4 Z^3 \over a_{0}^3}\; \mathrm e^{-Zr/a_{0}} \cdot \sqrt{1 \over 4\pi}\\
\Psi_{200} &= \sqrt{ Z^3\over 8 a_{0}^3} \left(-{Zr \over a_{0}} + 2\right)\mathrm e^{-Zr/2a_{0}} \cdot \sqrt{1 \over 4\pi}\\
\Psi_{210} &= \sqrt{ Z^3 \over 24 a_{0}^3} \left({Zr \over a_{0}}\right)\mathrm e^{-Zr/2a_{0}} \cdot \sqrt{3 \over 4\pi} \cos \vartheta\\
\Psi_{2,1,\pm 1} &= \mp \sqrt{Z^3 \over 24 a_{0}^3} \left({Zr \over a_{0}}\right)\mathrm e^{-Zr/2a_{0}} \cdot \sqrt{3 \over 8\pi} \sin \vartheta \,\mathrm e^{\pm i \varphi}\\
\end{align}
</math>

Die Energieeigenwerte sind
:<math>H \Psi_{nlm} = E_n \Psi_{nlm} \,</math>
mit
:<math>E_n = - \frac{e^4 m_\mathrm e}{2(4 \pi \varepsilon_0 )^2\hbar^2} \cdot\frac{Z^2}{n^2}= - \frac{1}{2} m_\mathrm e (c \cdot \alpha)^2 \frac{Z^2}{n^2} = - \frac{Z^2}{n^2} \text{Ry}= -\frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 } \cdot \frac{Z^2}{2a_0 \cdot n^2} \, </math>
mit der [[Lichtgeschwindigkeit]] <math>c</math>, der [[Feinstrukturkonstante]] <math>\alpha \approx \frac{1}{137}</math> und der [[Rydberg-Konstante#Rydberg-Frequenz und Rydberg-Energie|Rydberg-Energie]] <math display="inline"> 1\;\text{Ry} \approx 13{,}6\;\text{eV}</math>.

Die Eigenwerte für Drehimpulsquantenzahl und magnetische Quantenzahl sind durch
:<math>\hat L^2 \Psi_{nlm} = {\hbar}^2 l(l+1) \Psi_{nlm} \,</math>
und
:<math>\hat L_z \Psi_{nlm} = \hbar m \Psi_{nlm} \,</math>
gegeben.

Die Drehimpulsquantenzahl misst hierbei den Bahn[[drehimpuls]] des Elektrons, und die magnetische Quantenzahl seine Projektion auf eine beliebig festgelegte Richtung, die im Allgemeinen als ''z'' bezeichnet wird (z steht dabei für die z-Achse).

In dieser einfachsten Behandlung des Wasserstoffatoms sind die Energiewerte nur von der Hauptquantenzahl <math>\,n</math> abhängig. Alle Zustände <math> \Psi_{nlm}(r,\vartheta,\varphi) </math>
mit gleichem <math>\,n</math> (und damit auch alle ihre möglichen Linearkombinationen) besitzen hier die gleiche Energie. Man sagt daher, sie sind [[Entartung (Quantenmechanik)|entartet]] bezüglich der Quantenzahlen <math>\,l</math> und <math>\,m.</math>

Die Entartung bezüglich <math>\,m</math> gilt allgemein für jedes kugelsymmetrische Potential, weil dann die Energie eines Eigenzustands nicht von der Orientierung des Drehimpulses bezüglich der <math>z</math>-Achse abhängen kann. Die Entartung bezüglich <math>\,l</math> hingegen ist eine Besonderheit des (<math>-\tfrac{1}{r}</math>)-Potentials. Sie erklärt die besonders große elektrische Polarisierbarkeit (linearer [[Stark-Effekt]]) des angeregten Wasserstoffatoms. In Atomen mit mehreren Elektronen ist die <math>\,l</math>-Entartung schon aufgrund der Veränderung der Potentialform durch die abstandsabhängige Abschirmung der Kernladung durch die anderen Elektronen aufgebrochen, was für den Aufbau des [[Periodensystem]]s der Elemente von großer Bedeutung ist. Die <math>\,l</math>-Entartung gilt jedoch (in guter Näherung) immer, wenn ein Elektron sich in großem Abstand von allen anderen befindet, also in einem ''[[Rydberg-Zustand]]''. Weitere Effekte (Spin, Relativitätstheorie) ergeben eine geringfügige Aufhebung der <math>\,l</math>-Entartung auch schon im H-Atom.

== Weitere Entwicklung ==

[[Datei:Wasserstoff Aufspaltung.svg|mini|Aufspaltungen der Energieniveaus des Wasserstoffatoms]]

Die Schrödinger-Gleichung gibt eine in erster Näherung ausgezeichnete Beschreibung des Wasserstoffatoms. Sie vernachlässigt allerdings einige Sachverhalte, die experimentell nachweisbar sind und im Rahmen einer [[Relativistisches Wasserstoffproblem|relativistischen Behandlung]] streng formal hergeleitet werden können. Einige dieser Korrekturen können durch Modifikation der nichtrelativistischen Gleichung erklärt werden:

=== Relativistische Effekte ===
Die Schrödinger-Gleichung ist eine nichtrelativistische Gleichung und verwendet den klassischen Ausdruck für die kinetische Energie. Zur korrekten Beschreibung muss man deshalb eine relativistische Gleichung für die zeitliche Entwicklung verwenden. Beim Wasserstoffatom ist der Energieunterschied aber nicht sehr groß, daher kann man die Effekte [[Störungstheorie (Quantenmechanik)|störungstheoretisch]] im Rahmen der Schrödinger-Gleichung behandeln, um genauere Werte für die Energieeigenwerte zu erhalten.

=== Spin ===
Der [[Spin]] des Elektrons ist ebenfalls ein nicht klassischer Effekt, der sich in der relativistischen [[Dirac-Gleichung]] verstehen lässt, welche für Fermionen mit Spinwert ½ zugeschnitten ist.

Aufgrund seines Spins besitzt das Elektron ein [[magnetisches Moment]], das mit anderen magnetischen Momenten und Magnetfeldern wechselwirken kann.

Die Wechselwirkung mit dem magnetischen Moment, welches das Elektron durch seine Bewegung um den Atomkern erzeugt, wird dabei als [[Spin-Bahn-Kopplung]] bezeichnet. Dieser und andere Effekte bewirken eine teilweise Aufspaltung der [[Entartung (Quantenmechanik)|entarteten]] Energieniveaus, die [[Feinstruktur (Physik)|Feinstruktur]] des Wasserstoffatoms. Berücksichtigt man noch die Wechselwirkung von Spin und Bahndrehimpuls mit dem [[Kernspin]], ergibt sich eine noch feinere Aufspaltung, die sogenannte [[Hyperfeinstruktur]].

In Anwesenheit von Magnetfeldern beobachtet man aufgrund des Spins des Elektrons den [[Anomaler Zeeman-Effekt|anomalen Zeeman-Effekt]].

=== Quantenfeldtheoretische Effekte ===
Auch die Beschreibung eines Elektrons mit Hilfe der relativistischen Diracgleichung bei sogenannter [[Minimale Kopplung|minimaler Kopplung]] an ein elektromagnetisches Feld lässt viele physikalische und mathematische Probleme ungelöst.

Erst relativistische [[Quantenfeldtheorie]]n konnten alle heute bekannten und messbaren Eigenschaften des Wasserstoffatoms (und auch der aller anderen Atome) erklären und prinzipiell aus Naturkonstanten und [[Elementarteilchen]]eigenschaften berechenbar machen. Die QFT sind Vielteilchentheorien, in denen mittels [[Zweite Quantisierung|zweiter Quantisierung]] alle Kräfte durch Wechselwirkungsteilchen erklärt werden, wodurch neue Effekte wie die [[Vakuumfluktuation]]en beschrieben werden. Diese bedingen zum Beispiel die [[Lambverschiebung|Lamb-Verschiebung]] (engl. ''lamb shift'') der Energieniveaus sowie Korrekturen am [[Gyromagnetischer Faktor|gyromagnetischen Faktor]]. Auch die [[spontane Emission]] von Photonen aus angeregten Zuständen des Atoms konnte – samt der [[Übergangswahrscheinlichkeit]]en – erst mit Hilfe der Quantenelektrodynamik richtig erklärt werden.

Die [[Quantenelektrodynamik]], eine Quantenfeldtheorie in der die Wirkung des elektromagnetischen Feldes letztendlich auf [[Photon]]en, die „Licht-Teilchen“, zurückgeführt wird, liefert momentan das genaueste Modell der Elektronenhülle des Wasserstoffatoms.

== Wasserstoff-ähnliche Atome ==

Durch die Einbeziehung von [[Myon]]en, negativ geladenen instabilen Elementarteilchen mit ungefähr 10 % der Masse eines Protons, können kurzlebige Strukturen erstellt werden, die sich chemisch wie ein Wasserstoffatom verhalten.<ref name="Chemie_mit_Exoten">{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/news/chemie-mit-ungewoehnlichen-elementarteilchen/1062148 |titel=Theoretische Chemie: Chemie mit ungewöhnlichen Elementarteilchen |sprache=de |abruf=2023-03-27}}</ref> Da Myonen nur in sekundärer [[Kosmische Strahlung|kosmischer Strahlung]] natürlich vorkommen und ihre Lebensdauer lediglich 2&nbsp;μs beträgt, werden solche Atome künstlich an [[Teilchenbeschleuniger]]n hergestellt.

[[Myonischer Wasserstoff]] ist ein gebundener Zustand aus einem Proton und einem Myon. Da die Masse des Myons über 200-mal größer ist als die des Elektrons, befindet es sich weit näher am Proton. Solche Atome eignen sich zur Untersuchung der Eigenschaften des Protons.

[[Myonium]] besteht aus einem Elektron und einem positiv geladenen [[Antiteilchen|Antimyon]], das die Rolle des Protons (also des Atomkerns) einnimmt. Auf Grund seiner Kernladungszahl von 1&nbsp;e handelt es sich bei Myonium chemisch um Wasserstoff. Wegen der geringen Atommasse von 0,1&nbsp;u (1/10 von H) treten Isotopeneffekte bei chemischen Reaktionen besonders stark in Erscheinung, so dass damit Theorien für Reaktionsmechanismen gut überprüft werden können.<ref name="Chemie_mit_Exoten" />

Ein wasserstoff-ähnliches Atom mit einer Masse von 4,1&nbsp;u entsteht, wenn in einem <sup>4</sup>He-Atom eines der Elektronen durch ein ''[[Myon]]'' ersetzt wird. Auf Grund seiner gegenüber dem Elektron wesentlich höheren Masse ist das Myon dicht am He-Kern lokalisiert und schirmt eine der beiden [[Elementarladung]]en des Kerns ab. Zusammen bilden He-Kern und Myon effektiv einen Kern mit einer Masse von 4,1&nbsp;u und einer Ladung von 1&nbsp;e, so dass es sich chemisch um Wasserstoff handelt.<ref name="Chemie_mit_Exoten" />

Ein weiteres wasserstoffähnliches Atom ist [[Positronium]].

== Literatur ==
* {{Literatur|Autor=Abraham Pais|Titel=Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World|Verlag=Clarendon Press|Ort= Oxford|Jahr=1986}}
* {{Literatur|Autor=Jörn Bleck-Neuhaus|Titel=Elementare Teilchen. Moderne Physik von den Atomen bis zum Standard-Modell|Verlag=Springer|Ort=Heidelberg|Jahr=2010|ISBN=978-3-540-85299-5}}
* {{Literatur|Autor=David J. Griffiths|Titel=Introduction to Quantum Mechanics|Verlag=Prentice Hall International|ISBN=0-13-111892-7|Auflage=2.|Jahr=2004|Ort=Upper Saddle River, NJ|Kommentar=Abschnitt 4.2 setzt sich genauer mit dem Wasserstoffatom auseinander}}
* {{Literatur|Autor=B. H. Bransden, Charles J. Joachain|Titel=Physics of Atoms and Molecules|Verlag=Longman|ISBN=0-582-44401-2|Jahr=1982|Ort=London}}
* {{Literatur|Autor=[[Hagen Kleinert]]|Titel=Path Integrals in Quantum Mechanics, Statistics, Polymer Physics, and Financial Markets: 5th Edition|Verlag=World Scientific Publishing Co Pte Ltd|ISBN=981-427-355-4|Auflage=5.|Jahr=2009|Kommentar=auch [http://www.physik.fu-berlin.de/~kleinert/re.html#B8 online] lesbar}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Wasserstoffatom}}
* [https://www.hydrogenlab.de/ Multimedia-Präsentationen zum Wasserstoff-Atom]

== Anmerkungen ==
<references group="A" />

== Einzelnachweise ==
<references />

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[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Theoretische Chemie]]