用MATLAB绘制氢原子电子云角向分布图

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  绘制于大三学量子力学时。MATLAB 中的球坐标和物理中习惯的球坐标有点不一样。

  氢原子电子云角向分布正比于球谐函数的模方。

$$ \Psi_{nlm}(r,\theta,\phi)=R_{nl}(r)Y_{l}^m(\theta,\phi) $$

氢原子电子云角向分布图

electronic-cloud

MATLAB代码

  由于主流浏览器不支持 tiff 文件，所以网站上放的是 jpeg，代码中导出的是 tiff 文件。

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% 该代码将绘制氢原子电子云角向分布图并导出 tiff 文件。

clear
clc
t = 5; % 图片行数
hfig = figure;
for i = 1:t
    for j = 1:i
        subplot(t, t, t*(i-1)+j)
        electronic_cloud(i-1, j-1)
        axis equal
        axis off
    end
end

% 文件导出
figWidth = 10;
figHeight = 10;
set(hfig, 'PaperUnits', 'inches');
set(hfig, 'PaperPosition', [0 0 figWidth figHeight]);
fileout = ['electron_distribution1'];
print(hfig, fileout, '-r300', ' -dtiff'); % 图片精度

function electronic_cloud(l, m)
dx = pi/60;
alt = 0:dx:pi;
az = 0:3*dx:2*pi;
[phi,theta] = meshgrid(az,alt);
Plm = legendre(l, cos(theta));
if l ~= 0
    P = reshape(Plm(m+1, :, :), size(phi));
else
    P = Plm;
end
a = (2*l+1) * factorial(l-m);
b = 4 * pi * factorial(l+m);
C = sqrt(a/b);
Y = C .* P .* exp(1i*m*phi);
[Xm,Ym,Zm] = sph2cart(phi, theta-pi/2, abs(Y).^2);
surf(Xm,Ym,Zm)
str = ['$|Y_', num2str(l), '^', num2str(m), '|^2$'];
title(str, 'interpreter', 'latex')
end