The Chemistry Maths Book, Second Edition

(Grace) #1

10.6 Other coordinate systems 309


whose coordinate lines (and surfaces) are mutually perpendicular (orthogonal) at


their point of intersection. The cartesian and spherical polar systems are the best-


known examples. Such coordinate systems have the following properties.


(i) The (infinitesimal) distance between two points on a coordinate line is


ds


i

1 = 1 h


i

1 dq


i

(10.23)


where


(10.24)


(ii) The volume element is


dv 1 = 1 ds


1

ds


2

ds


3

1 = 1 h


1

h


2

h


3

dq


1

dq


2

dq


3

(10.25)


(iii) The Laplacian operator is


(10.26)


For the cartesian and spherical polar coordinates,


cartesian: h


x

1 = 1 h


y

1 = 1 h


z

1 = 11


spherical polar: h


r

1 = 1 1, h


θ

1 = 1 r, h


φ

1 = 1 r 1 sin 1 θ


The following are two of the more widely-used alternative coordinate systems.


Cylindrical polar coordinates


These coordinates are the plane polar coordi-


nates in the xy-plane plus the z-coordinate, and


are useful for the description of systems with


cylindrical symmetry.


x 1 = 1 ρ 1 cos 1 φ, y 1 = 1 ρ 1 sin 1 φ, z 1 = 1 z


ρ 1 = 101 → 1 ∞, φ 1 = 101 → 12 π, z 1 = 1 −∞ 1 → 1 +∞


h


ρ

1 = 1 1, h


φ

1 = 1 ρ, h


z

1 = 11


dv 1 = 1 ρ 1 dρ 1 dφ 1 dz


∇=











+










2

2

2

2

2

2

11


ρρ


ρ


ρ


ρφ z


∇=




















2

123 1

23

11 2

31

2

1


hhh q


hh


hq q


hh


h


∂∂


































qq


hh


hq


23

12

33






h


x


q


y


q


z


q


i

iii

2

222

=










































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O
y

x


z


z


x


y


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φ


ρ


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P(ρ,φ,z)






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Figure 10.8

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