Wasserstoffähnlich

Wasserstoffähnlich bezeichnet in der Quantenchemie und -physik Atome oder Ionen, die nur ein Elektron besitzen oder deren äußere Elektronen sich annähernd wie bei einem einzelnen Elektron verhalten. In diesem Sinne folgen sie dem Wasserstoffatom in erster Näherung dem Coulombfeld eines Kernladungszentrums, wodurch sich charakteristische Merkmale des Wasserstoffspektrums ergeben.

Theoretisch lässt sich ein wasserstoffähnliches System durch das Hamiltonoperator H = −(ħ²/2μ)∇² − (Ze²)/(4πϵ0 r) beschreiben, wobei μ der reduzierte Massen-Term und Z die effektive Kernladung ist. Für μ ≈ m_e gilt annähernd E_n ≈ −(μ/e⁴Z²)/(2(4πϵ0)²ħ²)·(1/n²) ≈ −13,6 eV · Z² / n². Die Wellenfunktionen haben dann die Wasserstoffform ψ_nℓm ∝ R_nℓ(r) Yℓ^m(Ω). Mit zunehmender Kernladungszahl Z steigen die Energieabstände und die Feinstruktur wird deutlich relativistisch korrigiert (Feinstruktur- und Lamb-Shift-Korrekturen). In Wirklichkeit führen Mehr-Elektronen-Atome zu Abweichungen durch elektrostatische Abschirmung und Elektron-Elektron-Wechselwirkungen; dennoch zeigen wasserstoffähnliche Ionen und Systeme oft deutliche Hydrogenic-Qua­dranten.

Beispiele und Anwendungen: Wasserstoffähnliche Ionen umfassen He+, Li²+, Be³+ und andere hochgradig geladene, mehrprotonige Ionen. In der Spektroskopie liefern sie Wasserstofflinien oder Rydberg-Serien, deren Konvergenzschwellen durch Z_eff bestimmt werden. In der Quantendefekt-Theorie dienen sie als Referenzfall für die Beschreibung von Valenzelektronen in Alkaliatomen, deren äußere Elektron sich bisweilen hydrogeneähnlich verhält. Anwendungen finden sich in der Spektroskopie, Astrophysik und Plasmaphysik. Wichtige Einschränkung bleibt die reale mehrelektronige Struktur, die durch Abschirmung und Korrelationen abweicht.