python代码：氢原子定态薛定谔方程，输出概率密度和本征值

Lv.14质子中子电子

🌼春暖花开

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from scipy import constants as const
from scipy import sparse  # 稀疏矩阵
from scipy.sparse.linalg import eigs  # 稀疏线性代数。矩阵

#这部分给出常数
hbar =const.hbar
e =const.e
m_e =const.m_e
pi =const.pi
epsilon_0=const.epsilon_0
joul_to_eV=e

#定义r的函数
def calculate_potential_term(r):
    potential=e**2/(4.0*pi*epsilon_0)/r
    sparse.diags((potential))
    return potential

def calculate_angular_term(r):
    angular =l*(l+1)/r**2
    angular_term=sparse.diags((angular))
    return angular_term

def calculate_laplace_three_point(r):
    h=r[1]-r[0]

    main_diag = -2.0 / h ** 2 * np.ones(N)
    off_diag = 1.0 / h ** 2 * np.ones(N - 1)
    laplace_term = sparse.diags([main_diag, off_diag, off_diag], (0, -1, 1))
    return laplace_term


def build_hamiltonian(r):
    laplace_term = calculate_laplace_three_point(r)
    angular_term = calculate_angular_term(r)
    potential_term = calculate_potential_term(r)

    hamiltonian = -hbar ** 2 / (2.0 * m_e) * (laplace_term - angular_term)-potential_term

    return hamiltonian


def plot(r, densities, eigenvalues):
    plt.xlabel('x ($\\mathrm{\AA}$)')
    plt.ylabel('probability density ($\\mathrm{\AA}^{-1}$)')
    energies = ['E = {: >5.2f} eV'.format(eigenvalues[i].real / e) for i in range(3)]
    plt.plot(r * 1e+10, densities[0], color='blue', label=energies[0])
    plt.plot(r * 1e+10, densities[1], color='green', label=energies[1])
    plt.plot(r * 1e+10, densities[2], color='red', label=energies[2])

    plt.legend()
    plt.show()
    return


""" set up horizontal axis and hamiltonian """
N = 2000
l = 0
r = np.linspace(2e-9, 0.0, N, endpoint=False)#?
hamiltonian = build_hamiltonian(r)

""" solve eigenproblem """
number_of_eigenvalues = 30
eigenvalues, eigenvectors = eigs(hamiltonian, k=number_of_eigenvalues, which='SM')#?

""" sort eigenvalue and eigenvectors """
eigenvectors = np.array([x for _, x in sorted(zip(eigenvalues, eigenvectors.T), key=lambda pair: pair[0])])
#zip() 函数用于将可迭代的对象作为参数，将对象中对应的元素打包成一个个元组，然后返回由这些元组组成的列表。
#如果各个迭代器的元素个数不一致，则返回列表长度与最短的对象相同，利用 * 号操作符，可以将元组解压为列表。
eigenvalues = np.sort(eigenvalues)

""" compute probability density for each eigenvector """
densities = [np.absolute(eigenvectors[i, :]) ** 2 for i in range(len(eigenvalues))]
#len()字符串长度
#对数组中的每一个元素求其绝对值。np.abs是这个函数的简写。

""" plot results """
plot(r, densities, eigenvalues）