サンプルJAVAコンピュータープログラム(水素様原子軌道計算)

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下のソースプログラムをそのままテキストエディタ(メモ帳など)にコピー and ペースト すれば、簡単にコンパイルと実行できる。
(この class file name は MathMethod なので、このテキストエディタを "MathMethod.java" とセーブしてコンパイルしてほしい。)
このサンプルプログラムでは、実行すると、最初に 原子番号 Z ( 1 = 水素原子、2 = ヘリウムイオン ) と 換算質量の条件 ( 0 = 換算質量、1 = 通常の電子質量 ) を入力するように表示される。
これらの値から 水素様原子の 全エネルギーと、(ボーア)半径の理論値が出力される。
次に、電子 のスタート地点のx座標(単位MM)、と 水素様原子の全エネルギー ( eV ) の絶対値(正の値)を入力するように画面に表示される。
それらを入力すると、このプログラムは、軌道計算後(電子が4分の1周した後)の状態における、電子の速度のy成分(ゼロに近いとき、電子軌道は安定する)、y 座標、WN(4分の1軌道に含まれるド・ブロイ波の数)を画面に表示する。
ここでは、1 MM = 1 × 10-14 meter、 1 SS = 1 × 10-23 second で計算している。
各計算ごとに r1 は +100 まで自動的に増加していく。
ここの方法は 中性ヘリウムのプログラムと同じ方法を用いている。

水素原子 (H) では、 全エネルギー = -13.60569 eV、 ボーア半径 = 5291.77 MM。
換算質量を用いると、 全エネルギー = 13.59829 eV、半径 = 5294.65 MM。
ヘリウムイオン (He+) では、 全エネルギー = -54.42277 eV、半径 = 2645.89 MM。
換算質量を用いると、全エネルギー = -54.41531 eV、 半径 = 2646.25 MM。
これらの値で、last VY はちょうどゼロになる。一度試してほしい。


import java.util.Scanner;
 class MathMethod {
 public static void main(String[] args) {

                            // hydrogen like atoms (ions)
                            // input atomic number Z and reduced mass condition.

 Scanner stdIn=new Scanner(System.in);
 System.out.println("Atomic number Z ( H = 1,  He+ = 2 ) ? ");  
 double Z=stdIn.nextDouble();
 System.out.println("You use reduced mass (= 0 ) or usual electron mass (= 1 ) ? ");  
 double whi=stdIn.nextDouble();
 
 double me=9.1093826e-31;
 double pai=3.141592653589793; double epsi=8.85418781787346e-12;
 double h=6.62606896e-34; double ele=1.60217653e-19;
 
 double mp=1.67262171e-27;       // proton mass
 double alph = 6.64465650e-27;  // He alpha particle
 double rm=me;                 
 if (Z==1) { rm=(me*mp)/(me+mp); }       // reduced mass
 if (Z==2) { rm=(me*alph)/(me+alph);}
 if (whi == 1 ) { rm=me; }
                               // theoretical values of total energy and (Bohr) radius
 double toenergy = -(Z*Z*rm*ele*ele*ele*ele)/(8.0*epsi*epsi*h*h); 
 double radius = (epsi*h*h)/(pai*rm*Z*ele*ele);
 toenergy = toenergy * 6.241509e18;     // J to eV
 radius = radius * 1.0e14;    // meter to MM
 System.out.printf("Total energy: %.5f ", toenergy);
 System.out.printf("Radius: %.2f \n", radius);

                                    // input r1 and |E| for computing
 System.out.println("r1 between nucleus and electron 1 (MM)? ");  
 double r=stdIn.nextDouble();
 System.out.println("total energy |E| of hydrogen like atom (eV) ? ");  
 double E=stdIn.nextDouble();

 for (int i=1;i < 100;i++) {      // repeat until r1=initial r1+100
                                
                             // poten = potential energy 
 double poten=-(Z*ele*ele)/(4.0*pai*epsi*r);
                             
                             //vya= total E-potential energy  
 double vya=-(E*1.60217646e-19)-poten*1.0e14; 
 if (vya > 0) {
                               // vyb=electron initial velocity (m/sec) 
 double vyb=Math.sqrt((2*vya)/rm); 
 double VY=vyb*1.0e-9;         // change m/sec to MM/SS
 double prexx=r; double VX=0.0; double WN=0.0; double preyy=0.0; 
 double yy,vk,preVY,preWN,midWN,leng,wav; double xx=0.0;
  
 do {
    xx=prexx+VX; yy=preyy+VY;        //electron 1 position after 1SS
    preVY=VY;preWN=WN ;
    vk=VX*VX+VY*VY;                  
    leng=Math.sqrt(vk)*1.0e-14;      // moving length (m) for 1 SS
     wav=h/(rm*Math.sqrt(vk)*1.0e9);  // de Broglie wavelength (m) 
    WN=WN+leng/wav;                  // add de Broglie wavelength      
                                   //calculation of VX,VY from Coulomb force
    double ra=Math.sqrt(prexx*prexx+preyy*preyy);  // between nucleus and electron     
  
                                   // change MM to meter
    ra=ra*1.0e-14; 
    prexx=prexx*1.0e-14; preyy=preyy*1.0e-14;
    double ac=(ele*ele)/(4.0*pai*epsi*rm);
                                    // acceleration (MM/SS^2)
    VX=VX+1.0e-32*ac*prexx*(-Z/(ra*ra*ra));   
    VY=VY+1.0e-32*ac*preyy*(-Z/(ra*ra*ra));
    prexx=xx;preyy=yy;
  
   } while (xx >=0);              // electron has moved one quater of an orbit? 
   if (VY > -0.0001 && VY < 0.0001) {    // last VY condition           
  
  System.out.print("r1: "+r+"   ");
  System.out.printf("VX:%.6f ", VX);
  System.out.printf("VY:%.6f ", VY);
  System.out.printf("last y:%.2f ", yy);
  midWN=(preWN+WN)/2.0; System.out.printf("midWN:%.6f\n", midWN);
    }
   }  r=r+1;
   }}}