El oscilador armónico cuántico

La ecuación de Schrödinger unidimensional e independiente del tiempo es

2 2m d 2 Ψ d x 2 + E p (x)Ψ=EΨ

La energía potencial de un oscilador armónico es Ep(x)=kx2/2, donde k es la constante elástica y m la masa de la partícula.

Tomando una escala de energías y distancias de la forma

x=ξ mω E=ωεω= k m

La ecuación de Schrödinger se transforma en otra más simple

d 2 ψ(ξ) d ξ 2 +( 2ε ξ 2 )ψ(ξ)=0

Haciendo un cambio de variable, la ecuación diferencial se transforma en la de Hermite

ψ(ξ)=y(ξ)exp( ξ 2 2 ) dψ dξ =exp( ξ 2 2 ) dy dξ ξexp( ξ 2 2 )y d 2 ψ d ξ 2 =exp( ξ 2 2 ) d 2 y d ξ 2 ξexp( ξ 2 2 ) dy dξ exp( ξ 2 2 )y+ ξ 2 exp( ξ 2 2 )yξexp( ξ 2 2 ) dy dξ d 2 y d ξ 2 2ξ dy dξ +( 2ε1 )y=0

Cuya solución son los polinomios de Hermite

2ε1=2n y(ξ)=C· H n (ξ)

Los niveles de energía y las funciones de onda son

ε n =n+ 1 2 ,n=0,1,2,3... ψ n (ξ)=C· H n (ξ)exp( ξ 2 2 )

La constante C se determina haciendo que

| ψ n (ξ) | 2 dξ =1 C 2 H n 2 (ξ)exp( ξ 2 )dξ =1 C 2 π 2 n n!=1

Se ha tenido en cuenta las relaciones de ortogonalidad de los polinomios de Hermite. El resultado final es

ψ n (ξ)= H n (ξ) 2 n π n! exp( ξ 2 2 ) ε n =n+ 1 2 ,n=0,1,2,3...

Representamos el nivel de energía εn y la función de onda correspondiente a n=3

n=3; %estado (cambiar), 1,2,3,4...
hold on
x=-4:0.1:4;
y=x.^2/2;
xx=[-4 x 4];
yy=[0 y 0];
fill(xx,yy,[0.5 0.5 0.5])
plot(x,y,'b')
line([-4 4],[n+0.5 n+0.5], 'color','k')
y=n+0.5+hermiteH(n,x).*exp(-x.^2/2)/sqrt(2^n*sqrt(pi)*factorial(n));
plot(x,y,'r') 
hold off
grid on
xlabel('x')
ylabel('\Phi(x)')
title('Oscilador armónico cuántico')

Los niveles de energía y las funciones de onda en términos de la variable x

E n =ω( n+ 1 2 ),n=0,1,2,3... ψ n (x)=C· H n ( mω x )exp( mω 2 x 2 )

La constante C se determina haciendo que

| ψ n (x) | 2 dx =1 C 2 H n 2 ( mω x )exp( mω x 2 )dx=1

Hacemos el cambio de variable

z= mω x C 2 mω H n 2 (z)exp( z 2 )dz =1 C 2 mω 2 n n! π =1

El resultado final es

ψ n (x)= ( mω π ) 1/4 1 2 n n! H n ( mω x )exp( mω 2 x 2 )