Martes 21 de febrero de 2012 Decima clase de 1:30 horas. Van 13:30 horas

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Martes 21 de febrero de 2012Decima clase de 1:30 horas.Van 13:30 horas

Advanced Quantum TheoryPaul RomanAddison-Wesley, 1965ISBN 0201064952

Quantum Mechanics, Concepts and ApplicationsN. Zettili; Wiley 2001

Quantum mechanics. Second editionV.G. Thankappan. New Age, 1993. 9788122425000

Quantum PhysicsF. Scheck. Springer, 2007

Essential Quantum MechanicsGary E. Bowman, 2008, Oxford University Press 0199228922

Introduction to Quantum MechanicsD. Griffiths. Prentice Hall 1995. ISBN 0131244051

Principles of quantum mechanics. Second editionR. Shankar 0306447908

I. Introducción1.1 La ecuación de Schrödinger1.2 Problemas unidimensionales

1.2.1 La partícula libre1.2.2 Pozos1.2.3 Barreras y tuneleo1.2.4 El oscilador armónico

II. El formalismo de la Mecánica Cuántica

III. Descripción cuántica del átomo.

IV. Interacción semiclásica átomo-radiación.

1. A cada estado de un sistema

físico le corresponde una función

de onda , .

La función de onda es un vector

en un espacio de Hilbert.

x t

2

3. (La hipótesis de Born) El cuadrado

de la función de onda,

, , ,

es la densidad de probabilidad del

sistema.

x t x t x t

Un espacio de Hilbert es un espacio

euclidiano completo.

1. Es un espacio vectorial

2. Tiene un producto escalar

3. Es completo

4. Es separable

En un espacio de Hilbert separable

siempre se puede encontrar una base

ortonormal infinita numerable

; 1, 2,3, .i i

22

*

, : ,

con el producto escalar

,

es un espacio de Hilbert

b

a

b

a

a b f a b R C f x dx

f g f x g x dx

L a

*

*

1

Un conjunto de funciones

; 1, 2,3,

es ortonormal y completo, si

,

y

' '

i

b

k l k l kl

a

k kk

i

x x dx

x x x x

2

1

*

Si , , entonces

donde

,

k kk

b

k k k

a

f a b

f

f x f x dx

L a

*

1

, k kk

f g

2

1 1

Si , , , entonces

y k k k kk k

f g a b

f x x g x x

L a

2 2

22

dV x x E x

m dx

0

0 0

x

V x x a

a x

22

22

0 0 0

d xE x

m dx

x x a

Las condiciones iniciales son:

0 0

0 0

y

2 sin

0 =0 y =0

ikx ikx ikx ikx

x x

x

x A B B A

x Ae Ae A e e A

a

i kx

2

22

0 ikx ikxd xk x x Ae Be

dt

0

2 sin 0

Ojo, esto implica que,

donde

Las condiciones iniciales son: 0 =0 y =0

1, 2,3,...

x a

x a iA ka

ka n

x x a

n

2

22

0 2 sind x

k x x iA kxdt

2 22

2¡¡¡¡¡¡¡

2 y 1, 2,3,...

así qu

1, 2,3,... !!!!!!!!

e

2nE

mEk ka

m

n

n na

n

2

22

0d x

k xdt

2 22

2 1, 2,3,...

2nE n nma

0x x a

2 2

1 22E

ma

2 2

2 242

Ema

2 2

2 29

2E

ma

2 2

0 0

0

4 sin 4 sin

4 1 4cos sin 2 1

2 2 2

1

2

a n

n

n aAA x dx AA d

a n

AA a AA a nAA a

n n

A ia

2

22

0 2 sind x n

k x x iA xdt a

La condición de normalización: 1x x dx

22

2

La solución normalizada de la ecuación de Schrodinger

0

con condiciones a la frontera 0 0

es

2sin

donde 1, 2,3,...

d xk x

dt

a

nx x

a a

n

*

2sin donde 1,2,3,...

Un conjunto de funciones ; 1, 2,3, es

ortonormal si ,

i

b

k l k l kl

a

nx x n

a a

i

x x dx

0

2sin sin

a

kk

k kx x dx

a a a

*

1

2sin donde 1,2,3,...

Un conjunto de funciones ; 1, 2,3,

es completo si ' '

i

k kk

nx x n

a a

i

x x x x

1

2sin sin '

k

k kx x x x

a a a

In [21]:= Removen, x, xp, , a;In [22]:= n_, x_ : Sin n x

a

In [23]:= a 1;

In [24]:= Sumn, x n, xp, n, 1, O ut[24]=

0

In [25]:= Sumn, x n, x, n, 1, Sum::div : Sum does not converge.

O ut[25]= n1

Sinn x2

2exp[ ( / 2) ]x x a

0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0

0 .8 0

0 .8 5

0 .9 0

0 .9 5

1 .0 0

2 *

1

Si , , entonces donde ,b

k k k k kk a

f a b f f x f x dx

L a

2

1(2 )

4

2, sin exp

0 si es par

1 1Erf Erf

2 2 2 2 2

.

n i

b

k k

k

a

n

k

nx x a dx

a a

i in

n

nie

2exp[ ( / 2) ]x x a

2 *

1

Si , , entonces donde ,b

k k k k kk a

f a b f f x f x dx

L a

1(2 )

4 1 1Erf Erf

2

0 si es par

2 2 2

.

2

n i n

k

k

in inie

n

0.859798 0. 0.

0.236368 0. 0.

0.140804 0. 0.

0.100374 0. 0.

0.078005 0. 0.

0.0637959 0. 0.

1(2 )

4 1 1Erf Erf

2

0 si es par

2 2 2

.

2

n i n

k

k

in inie

n

1.21594Sin[ ] 0.334275Sin[3 ] 0.199127Sin[5 ]

0.141951Sin[7 ] 0.110316Sin[9 ] 0.090221Sin[11 ]

0.0763227Sin[13 ] 0.0661364Sin[15 ]

0.0583499Sin[17 ] 0.0522041232830922Sin[19 ]

x x x

x x x

x x

x x

0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0

0 .7 0

0 .7 5

0 .8 0

0 .8 5

0 .9 0

0 .9 5

1 .0 0

2 2

2

1

2V x m x

dV xF x m x

dx

2 exp2n n

m mx A H x x

2 22 2

2

Ecuación de Schrodinger estacionaria

para el oscilador armónico:

1

2 2

dm x E

m dx

2exp2n n

m mx AH x x

2

2

Condición de normalización: 1

exp 1

exp 1

n n

n n

n n

x x dx

m m mAA H x H x x dx

AA H y H y y dym

http://en.wikipedia.org/wiki/Hermite_polynomials

2exp !2nn nH y H y y dy n

2

2

1 exp 1

exp !2

n n n n

nn n

x x dx AA H y H y y dym

H y H y y dy n

1/4

!2 1

1

2 !

n

n

AA nm

mA

n

2 22 2

2

1/4 2

1

2 2

1exp

22 !

10,1,2,...

2

n nn

n

dm x E

m dx

m m m xx H x

n

E n n

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/hosc7.html#c1

1/4 21

exp22 !

n nn

m m m xx H x

n

Las funciones de onda son ortonormales.

1) Ya demostramos que son normales

1/4 21

exp22 !

n nn

m m m xx H x

n

1/ 2 2

1/ 22

Las funciones de onda son ortonormales.

2) 0 si

1 1exp

2 ! 2 !

1 1exp

2 ! 2 !

i j

i j

i ji j

i ji j

x x dx i j

x x dx

m m m m xH x H x dx

i j

mH y H y y dy

mi j

http://en.wikipedia.org/wiki/Hermite_polynomials

2exp 0m nH y H y y dy

1/4 21

exp22 !

n nn

m m m xx H x

n

Las funciones de onda son ortonormales.

1) Ya demostramos que son normales

2) 0 si i jx x dx i j

*

*

1

Un conjunto de funciones

; 1, 2,3,

es ortonormal y completo, si

,

y

' '

i

b

k l k l kl

a

k kk

i

x x dx

x x x x

http://functions.wolfram.com/

1/ 4 2

*

1

1exp donde 1,2,3,...

22 !

Un conjunto de funciones ; 1,2,3, es completo si

' '

n nn

i

k kk

m m m xx H x n

n

i

x x x x

1/ 4 21

exp22 !

n nn

m m m xx H x

n

2

Las funciones de onda constituyen

un conjunto ortonormal completo del

espacio de Hilbert del problema,

que es RL

*

*

La condición de completez se escribe

; ; ' '

La condición de ortonormalidad se escribe

; , ; ; '; '

k x k x dk x x

k k k x k x dx k k

Si el rango sobre el cual el espacio está definido es

infinito el espacio de Hilbert no es

separable; es decir, no existe una base infinita numerable.

x

*

Sea una función del espacio.

Entonces

;

donde

; , ;

f

f k k dk

k k f k x f x dx

*,f g k k dk

*

*

; ; ; , ;

; ; ; , ;

f k k dk k k f k x f x dx

g k k dk k k g k x g x dx

2*,f f k k dk k dk

* *

1

En ocasiones la base no es ni contable

ni enteramente contínua, es mixta.

La condición de completez se escribe

' ; ; ' '

El número de estados discretos puede ser finito

ó infin

m

s ss a

x x k x k x dk x x

m

ito.

Todos los elementos discretos son

ortogonales a todos los elementos

del continuo ; , y

, ; ; , '; '

s

s r sr

k

k k k k

* *

1

' ; ; ' 'm

s ss a

x x k x k x dk x x

El valor de la función en el punto ,

ó sea , puede ser considerado la

componente de con respecto a una

base particular, que se llama base de

coordenadas.

f x

f x

f

' ' 'f x f x x x dx

El valor de la función en el punto , ó sea ,

puede ser considerado la componente de con respecto

a una base particular, que se llama base de coordenadas.

f x f x

f

' ' 'f x f x x x dx

El valor de la función en el punto , ó sea ,

puede ser considerado la componente de con respecto

a una base particular, que se llama base de coordenadas.

f x f x

f

Los elementos de la base son '; 'x x x x

*

'; , '';

'; '';

' '' ' ''

x x

x x x x dx

x x x x dx x x

' ' ' ; '; 'f x f x x x dx x x x x

A todas las cantidades físicas

observables les corresponde un

operador lineal hermitiano.

Los únicos valores que puede

tomar una cantidad física son

los valores propios del operador

correspondiente.

A todas las cantidades físicas observables les corresponde un operador

lineal hermitiano. Los únicos valores que puede tomar una cantidad

física son los valores propios del operador correspondiente.

i) El operador debe ser lineal

ii) El operador debe ser hermitiano

iii) El operador debe ser acotado

iv) El operador debe tener un conjunto

completo de estados propios.

Sea un operador.

Sean y vectores de un espacio euclidiano.

Sean y escalares (complejos).

El operador es lineal si

a b

a b a b

Sea un operador lineal.

Sean y vectores de un espacio euclidiano.

Se define el operador adjunto o conjugado

hermitiano como

, ,

a b

a b a b

Sea un operador lineal.

Si

el operador es autoadjunto

o hermitiano.

†Sea un operador lineal. Si

el operador es autoadjunto o hermitiano.

Sean y vectores de un espacio euclidiano.

El operador es autoadjunto o hermitiano si

, ,

a b

a b a b

Sea un operador lineal.

El operador es acotado si existe un

real positivo tal que

para todos los vectores 0 del

dominio de .

C

a C a

a

Sea un operador. Sean y vectores de un espacio euclidiano.

Se define el operador adjunto o conjugado hermitiano como

, ,

a b

a b a b

††

i)

ii) Si es acotado,

también es acotado.

Los

operadores lineales hermitianos

acotados tienen

un conjunto completo

de estados propios.

Una variable dinámica (observable)

debe tener asociado un operador de

este tipo.

Los operadores lineales hermitianos

acotados tienen un conjunto completo

de estados propios.

Los operadores lineales hermitianos acotados

tienen un conjunto completo de estados propios.

Una variable dinámica (observable) debe tener

asociado un operador de este tipo.

El inverso no es cierto.

Es decir, hay muchos (la gran mayoría)

operadores lineales hermitianos acotados

que no corresponden a ninguna variable

dinámica (observable)

Los operadores lineales hermitianos acotados

tienen un conjunto completo de estados propios.

Una variable dinámica (observable) debe tener

asociado un operador de este tipo.

Esta asociación implica que una cantidad

física no puede tomar valores arbitrarios.

Sólo un "espectro" de valores que pueden

ocurrir.

Este postulado expresa matemáticamente

la existencia de "niveles cuánticos".

¿Cómo encontramos el operador

que corresponde a una cierta

variable dinámica (observable)?

Cualquier cantidad fisica clásica puede

considerarse como construida por pares

de variables canónicas conjugadas.

El operador mecánico cuántico

correspondiente se obtiene remplazando

las variables canónicas clásicas por sus

correspondientes operadores mecánico

cuánticos.

Cuando para describir un sistema se

necesiten variables que no tengan

contrapartida clásica, como el espín

o el espín isobárico, se deben utilizar

métodos ad hoc o utilizar propiedades

de simetría y reglas de conservación para

encontrar el operador correspondiente.

Se debe tener mucho cuidado

que el operador resultante sea

hermitiano.

† † †

¿Qué le asociamos a ?

ˆ ˆEl operador no es hermitiano

,

pero

1 1 1ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ2 2 2

pq

pq

pq q p qp pq

pq qp qp pq pq qp

Se debe tener mucho cuidado de que el

operador resultante sea hermitiano.

Cualquier cantidad fisica clásica puede

considerarse como construida por pares

de variables canónicas conjugadas.

El operador mecánico cuántico

correspondiente se obtiene remplazando

las variables canónicas clásicas por sus

correspondientes operadores mecánico

cuánticos.

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

Supondremos que:

i) El movimiento no es relativista.

ii) La fuerza es irrotacional 0 ,

por tanto es deriv

F

able de un potencial F V

La fricción, que no es irrotacional, no existe

en los fenómenos microscópicos.

El objetivo es describir el movimiento

de la partícula cuando se conocen:

i) su posición y velocidades iniciales.

ii) la fuerza neta en la particula , .F r t

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

La solución está dada,

cuando se conoce la función

r t

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

2

2

De aquí se calcula la velocidad

y la aceleración

dr tv t

dt

dv t d r ta t

dt dt

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

La solución está dada, cuando se conoce la función r t

2

2

La fuerza neta y la aceleración

están relacionados por la

segunda ley de Newton

d r tm ma F V

dt

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

Introduciendo la variable dinámica

cantidad de movimiento lineal o

momentum, como

la segunda ley de Newton se escribe

p mv

dpF

dt

2

2

Consideraremos la dinámica de una partícula

puntual sujeta a la influencia de fuerzas externas.

d r tm ma F V

dt

2

2

1Energía cinética:

2

Energía potencial:

1Energía total:

2

T mv

V

E T V mv V

El momento angular instantaneo de una

partícula, con respecto al origen , se

define como:

L

O

L r p

Una variable dinámica es una

constante de movimiento si no

cambia con el tiempo.

También se dice que es una

cantidad conservada.

Una variable dinámica es una constante de movimiento si no cambia

con el tiempo. También se dice que es una cantidad conservada.

Si una partícula está sujeta a una

fuerza conservativa (irrotacional

e independiente del tiempo) la

energía es una constante de

movimiento; es decir, en este caso la

energía es una cantidad conservada.

21

2

0

dE d dv drmv V mv V

dt dt dt dt

dvmv v V

dtv ma V

Una variable dinámica es una constante de movimiento si no cambia con el tiempo.

También se dice que es una cantidad conservada.

Si una partícula está sujeta a una fuerza conservativa (irrotacional e independiente

del tiempo) la energía es una constante de movimiento; es decir, en este caso la

energía es una cantidad conservada.

La mecánica newtoniana usa sistemas

de referencia con ejes cartesianos en

que la posición de una partícula puntual

en un instante dado viene dada por un

vector del espacio euclídeano.

2

2

d r tm V

dt

Las ecuaciones de movimiento son

ecuaciones diferenciales que relacionan

las derivadas de la posición con la

posición de las otras partículas.

2

2

d r tm V

dt

Sin embargo, matemáticamente podemos

usar un conjunto de coordenadas curvilíneas

cualesquiera tales que el vector posición

pueda ser expresado en términos de esas

coordenadas y viceversa.

2

2

Las ecuaciones de movimiento son ecuaciones diferenciales que relacionan

las derivadas de la posición con la posición de las otras partículas.

d r tm V

dt

1 2

1

Esto implica que en un sistema de

partículas (y 2 grados de libertad)

existirán funciones invertibles de la

otra tales que:

,..., , 1,...,

,..., , 1,..., 2

i i N

j j P

P N

r r q q t i P

q q r r t j N

Es conveniente tener un formalismo equivalente a las leyes de Newton,

pero que sea independiente de cualquier sistema de coordenadas.

Es conveniente tener un formalismo

equivalente a las leyes de Newton,

pero que sea independiente de

cualquier sistema de coordenadas.

2

2

Las ecuaciones de movimiento son ecuaciones diferenciales que relacionan

las derivadas de la posición con la posición de las otras partículas.

d r tm V

dt

Es conveniente tener un formalismo equivalente a las leyes de Newton,

pero que sea independiente de cualquier sistema de coordenadas.

Esta generalización, conocida como mecánica

lagrangiana, puede ser expresada en términos

de conjuntos de coordenadas generalizadas.

Estas nuevas coordenadas no tienen que tener

una relación geométrica simple con las

coordenadas cartesianas.

La única condición es que las coordenadas

sean independientes y que determinen de

manera única la posición de la partícula.

Se denominan informalmente coordenadas

generalizadas a un conjunto cualquiera de

parámetros numéricos que sirven para

determinar de manera unívoca la

configuración de un mecanismo o sistema

mecánico con un número finito de grados

de libertad.

Es conveniente tener un formalismo equivalente a las leyes de Newton,

pero que sea independiente de cualquier sistema de coordenadas.

1 2 1

Si la configuración de un sistema

está determinada por los valores de un

conjunto de variables independientes

,..., , entonces ,..., es un

conjunto de coordenadas generalizadas

del sistema .

N

S

q q q q

S

1 2 1

Si la configuración de un sistema está determinada

por los valores de un conjunto de variables

independientes ,..., , entonces ,..., es un

conjunto de coordenadas generalizadas del sistema .N

S

q q q q

S

Que las variables sean independientes

quiere decir que no existe ninguna

relación funcional que las conecte.

1

Que determinen la configuración del

sistema quiere decir que cuando se dan

los valores de las variables ,..., ,

la posición de todas las partículas del

sistema está determinada.

nq q

S

1 2 1

Si la configuración de un sistema está determinada

por los valores de un conjunto de variables

independientes ,..., , entonces ,..., es un

conjunto de coordenadas generalizadas del sistema .N

S

q q q q

S

1 2

1

Si la configuración de un sistema está determinada por los valores

de un conjunto de variables independientes ,..., , entonces

,..., es un conjunto de coordenadas generalizadas del sistema .N

S

q q

q q S

1

1

Los vectores de posición de las

partículas deben ser funciones conocidas

de las variables independientes

,...,

es decir,

,..., 1,...,

i

n

i i n

r

q q

r r q q i N

1 2

1

Si la configuración de un sistema está determinada por los valores

de un conjunto de variables independientes ,..., , entonces

,..., es un conjunto de coordenadas generalizadas del sistema .N

S

q q

q q S

En la práctica, resultan ser

desplazamientos o ángulos

que aparecen de manera

natural en el problema.

De todas las trayectorias posibles,

a lo largo de las cuales un sistema

dinámico puede moverse de un punto a otro,

en un intervalo de tiempo específico

(consistente con todas las constricciones),

la trayectoria efectivamente seguida

por el sistema es aquella que minimiza

la integral temporal de la diferencia entre

la energía cinética y la energía potencial.

Restringiendonos a un sistema de partículas

masivas puntuales, denotamos las coordenadas

generalizadas como ( 1, 2,3, , ).

Si , , es el lagrangiano del

sistema, se define la acción

, ,

i

i i

i i

q i N

L L q q t

W L q q t dt

2

1

t

t

1 2

El problema variacional

0

con respecto a las y con las condiciones de

frontera 0 para y da las ecuaciones de

movimiento, las ecuaciones de Euler-Lagrange

0

iq

i

i

i i

W

q

q t t

L d Lq dt q

2

1

, ,t

i i

t

W L q q t dt

2

1

, ,t

i i

t

W L q q t dt

Dado un sistema de partículas masivas puntuales,

denotamos las coordenadas generalizadas como

( 1,2,3, , ).

Si , , es el lagrangiano del sistema,

las ecuaciones de movimiento serán:

i

i i

i

q i N

L L q q t

L d Lq dt

0 ( 1, 2,3, , ).i

i Nq

2 21 1

2 2

, ,

0

L T U mx kx

L L d Lkx mx mx

x x dt x

mx kx

0, 1,2,3i i

L d Li

x dt x

l

2 2

cos sin

arctan

0 0 2

x r y r

yr x y

x

r

22

2 2

2 2 2 2 2 2 2

2 2

cos sin

sin cos

cos sin sin cos

cos 2 sin cos sin sin

2 sin cos cos

dx dx dr dx d r rdt dr dt d dtdy dy dydr d r rdt dr dt d dt

dydx r r r rdt dt

r rr r r

rr r

2

2 2 2

2 2 2

2

2

2 2

2 2

2 s2 sin cos

2

c in

cosin cos

os s

s

in

r

r

rr

r

r r

rr

r

2 2

cos sin

arctan

x r y r

yr x y

x

2 2

222 2 2 2

cos sin

arctan

x r y r

yr x y

x

dydxv r rdt dt

l

2 2

2

2

cos sin

arctan

cos sin

sin cos

cos sin cos sin cos sin

sin

x r y r

yr x y

x

dx dx dr dx d r rdt dr dt d dtdy dy dydr d r rdt dr dt d dt

d x d d dr d dr r r r r rdt dr dt d dtdt

2

2

2

2

sin cos 2sin cos

sin cos sin cos sin cos

cos cos sin 2cos sin

r r r r r

d y d d dr d dr r r r r rdt dr dt d dtdt

r r r r r

2 2

2 2

11 cos

2

sin , ,

sin 0

L ml mgl

L L d Lmgl ml ml

dtg

l

0, 1,2,3i i

L d Li

x dt x