Animating atomic orbitals of the hydrogen atom in Python

I have a question regarding simulating the hydrogen atom and the atomic orbitals.

So I wanted to mess around a little bit with sliders in Python and I figured, that an animation of the atomic orbitals for different n, l and m values would be ideal. The part with the sliders was easy, and I could just stop there, but I am too determined in figuring out why I get wrong results.
In the following, you can find my code:

import numpy as np
from scipy.special import sph_harm, eval_genlaguerre
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
from matplotlib.animation import FuncAnimation
from matplotlib.widgets import Slider, Button
import math

fig = plt.figure(figsize=(7, 7))
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# Initial values for the quantum numbers
n_init = 1
l_init = 0
m_init = 0

# Arrays for the spherical coordinates
phi = np.linspace(0, 2 * np.pi, 150)
theta = np.linspace(0, np.pi, 150)
R = np.linspace(0, 20, 150)

PHI, THETA = np.meshgrid(phi, theta)

surf = ax.plot_surface(np.array([[]]), np.array([[]]), np.array([[]]), color='0.75')

ax.set_xlim(-1, 1)
ax.set_ylim(-1, 1)
ax.set_zlim(-1, 1)

# Sliders for the quantum numbers
n_freq = fig.add_axes([0.25, 0.15, 0.65, 0.03])
l_freq = fig.add_axes([0.25, 0.1, 0.65, 0.03])
m_freq = fig.add_axes([0.25, 0.05, 0.65, 0.03])
n_slider = Slider(ax=n_freq, label='n', valmin=1, valmax=10, valinit=n_init, valstep=1)
l_slider = Slider(ax=l_freq, label='l', valmin=0, valmax=n_slider.valmax - 1, valinit=l_init, valstep=1)
m_slider = Slider(ax=m_freq, label='m', valmin=-l_slider.valmax, valmax=l_slider.valmax, valinit=m_init, valstep=1)

# Update the plot when the sliders are changed
def update(val):
    n = int(n_slider.val)
    l = int(l_slider.val)
    
    l_slider.valmax = n - 1
    if l > l_slider.valmax:
        l_slider.set_val(l_slider.valmax)
        l = l_slider.valmax
        
    m_slider.valmax = l
    m_slider.valmin = -l
    if int(m_slider.val) > l:
        m_slider.set_val(l)
    if int(m_slider.val) < -l:
        m_slider.set_val(-l)

    fig.canvas.draw_idle()

n_slider.on_changed(update)
l_slider.on_changed(update)
m_slider.on_changed(update)

# Introducing a reset button for the sliders
resetax = fig.add_axes([0.08, 0.065, 0.1, 0.04])
button = Button(resetax, 'Reset', hovercolor='0.975')

def reset(event):
    l_slider.reset()
    m_slider.reset()
    n_slider.reset()
    
button.on_clicked(reset)

# Function to calculate the radial component of the wave function
def R_nl(r, n, l):
    a_0 = 1
    rho = 2 * r / (n * a_0)
    normalization = np.sqrt((2 / (n * a_0))**3 * math.factorial(n - l - 1) / (2 * n * math.factorial(n + l)))
    radial_component = normalization * np.exp(-rho / 2) * rho**l * eval_genlaguerre(n - l - 1, 2 * l + 1, rho)
    return radial_component

def animate(i):
    global surf
    t = 2 * np.pi * i / nframes
    
    n = int(n_slider.val)
    l = int(l_slider.val)
    m = int(m_slider.val)
    
    R_vals = R_nl(R, n, l)
    Y_vals = sph_harm(m, l, THETA, PHI)
    psi = R_vals * Y_vals
    psi_t = psi * np.exp(-1j * t)
    prob_density = np.abs(psi_t)**2
    prob_density /= np.max(prob_density)
    
    X = prob_density * np.sin(THETA) * np.cos(PHI)
    Y = prob_density * np.sin(THETA) * np.sin(PHI)
    Z = prob_density * np.cos(THETA)
    
    surf.remove()
    surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=4, cstride=4, cmap='coolwarm')
    
nframes = 36


anim = FuncAnimation(fig, animate, frames=nframes + 1, interval=2000 / (nframes + 1))
plt.show()

Obviously when executing the code I get no animation since I take the absolute value of the exponential function which just equals one. My result looks like this, which are quite different from the expected results.I think, that my problem is somewhere in calculating the radial part.

I mainly tried different scipy functions for the Laguerre polynomials and spherical harmonics but it didn’t change anything.

New contributor

markus rappold is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật