Wasserstoffähnliche

Wasserstoffähnliche Systeme bezeichnen Atome, Ionen oder Quasiteilchen, deren Elektronenstruktur sich im Wesentlichen wie die des Wasserstoffatoms verhält. Typische Beispiele sind das Wasserstoffatom selbst sowie H-ähnliche Ionen wie He+, Li2+, Be3+, bei denen nur ein Elektron gebunden ist und die übrigen Elektronen weitgehend abgeschirmt wirken. Auch exotische Systeme wie Positronium oder Muonium können als wasserstoffähnlich beschrieben werden, da ihr Bindungsprinzip durch eine einfache Coulomb-Wechselwirkung bestimmt wird.

Auf quantenmechanischer Ebene lässt sich das Verhalten wasserstoffähnlicher Systeme durch die Schrödinger-Gleichung mit einem Coulomb-Potenzial V(r) = - (1/(4π ε0)) (Z e^2 / r) beschreiben. Die Energien hängen im Nichtrelativistischen-Ansatz nur von der Hauptquantenzahl n ab und folgen E_n = - μ Z^2 e^4 / (2 (4π ε0)^2 ħ^2 n^2), wobei μ der reduzierte Masse ist: μ = m_e m_N / (m_e + m_N). In idealen wasserstoffähnlichen Systemen ist die Entartung der Energieniveaus durch 2n^2 states (einschließlich Spin) begrenzt; relativistische Effekte, Spin-Orbit-Kopplung und äußere Felder brechen diese Entartung. Die Spektren solcher Systeme bilden charakteristische Linienreihen, deren Abstände stark von Z und μ abhängen.

Wasserstoffähnliche Systeme dienen als einfache Modelle in der Atomphysik, Spektroskopie und Astrophysik. Sie erleichtern die Beschreibung von H-ähnlichen Ionen in Sternatmosphären oder Laborplasmen und dienen als Referenzfälle zur Prüfung theoretischer Methoden, insbesondere bei der Behandlung von Kernscher Reduktion, effektiver Kernladung und Korrekturen jenseits des einfachen Coulombmodells.