El oscilador armónico en dos dimensiones

Coordenadas rectangulares

La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una partícula de masa me en el potencial armónico V(x,y)

− ℏ 2 2 m e ( ∂ 2 ψ(x,y) ∂ x 2 + ∂ 2 ψ(x,y) ∂ y 2 )+ 1 2 m e ω 2 ( x 2 + y 2 )ψ(x,y)=Eψ(x,y)

Tomamos una escala de energías y distancias

x=ξ ℏ mω , y=η ℏ mω , E=ℏωε

La ecuación de Schrödinger se transforma en otra más simple

− ∂ 2 ψ(ξ,η) ∂ ξ 2 − ∂ 2 ψ(ξ,η) ∂ η 2 +( ξ 2 + η 2 )ψ(ξ,η)=2εψ(ξ,η) ∂ 2 ψ(ξ,η) ∂ ξ 2 + ∂ 2 ψ(ξ,η) ∂ η 2 +{ 2ε−( ξ 2 + η 2 ) }ψ(ξ,η)=0

Probamos la solución Ψ(ξ,η)=X(ξ)Y(η), separación de variables

Y(η) d 2 X(ξ) d ξ 2 +X(ξ) d 2 Y(η) d η 2 +{ 2ε−( ξ 2 + η 2 ) }X(ξ)Y(η)=0 1 X(ξ) d 2 X(ξ) d ξ 2 +{ 2 ε x − ξ 2 }+ 1 Y(η) d 2 Y(η) d η 2 +{ 2 ε y − η 2 }=0,  ε x + ε y =ε

El primer término, es una función solamente de ξ, el segundo, de η. Esta ecuación diferencial se convierte en el sistema de dos ecuaciones diferenciales

{ d 2 X(ξ) d ξ 2 +{ 2 ε x − ξ 2 }X(ξ)=0 d 2 Y(η) d η 2 +{ 2 ε y − η 2 }Y(η)=0

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

X(ξ)=x(ξ)exp( − ξ 2 2 ) dX dξ =exp( − ξ 2 2 ) dx dξ −ξexpexp( − ξ 2 2 )x d 2 X d ξ 2 =exp( − ξ 2 2 ) d 2 x d ξ 2 −ξexp( − ξ 2 2 ) dx dξ −exp( − ξ 2 2 )x+ ξ 2 exp( − ξ 2 2 )x−ξexp( − ξ 2 2 ) dx dξ d 2 x d ξ 2 −2ξ dx dξ +(2 ε x −1)x=0

Del mismo modo, la segunda

d 2 y d η 2 −2η dy dη +(2 ε y −1)y=0

Cuya solución son los polinomios de Hermite

Los niveles de energía ε son

{ 2 ε x −1=2 n x ,  ε x = n x + 1 2 ,  n x =0,1,2,3... 2 ε y −1=2 n y ,  ε y = n y + 1 2 ,  n y =0,1,2,3... ε n x , n y = ε x + ε x = n x + n y +1

Cuando nx=1 y ny=0, la energía es ε1,0=2. Cuando nx=0 y ny=1, la energía es la misma. Dos estados con la misma energía

Las funciones de onda

x(ξ)=C· H n x (ξ), y(η)=C· H n y (η) ψ n x , n y ( ξ,η )=C· H n x (ξ) H n y (η)exp( − ξ 2 + η 2 2 )

Donde C es una constante a determinar

C 2 ∫ −∞ ∞ H n x 2 (ξ)exp( − ξ 2 )dξ · ∫ −∞ ∞ H n y 2 (η)exp( − η 2 )dη=1 C 2 ( π 2 n x n x ! )( π 2 n y n y ! )=1

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

ψ n x , n y ( ξ,η )= 1 π· 2 n x + n y n x ! n y ! H n x (ξ) H n y (η)exp( − ξ 2 + η 2 2 )

Comprobaremos en los ejemplos que

∫ −∞ ∞ ∫ −∞ ∞ | ψ n x , n y ( ξ,η ) | 2 dξ·dη= 1 π· 2 n x + n y n x ! n y ! ∫ −∞ ∞ H n x 2 (ξ) exp( − ξ 2 )dξ· ∫ −∞ ∞ H n x 2 (ξ)exp( − η 2 )dη =1

Ejemplos

Coordenadas polares

Resolveremos la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo en coordenadas polares, para el potencial V(r). Donde me es la masa de la partícula

− ℏ 2 2 m e ( 1 r ∂ ∂r ( r ∂ψ(r,φ) ∂r )+ 1 r 2 ∂ 2 ψ(r,φ) ∂ φ 2 )+( 1 2 m e ω 2 r 2 )ψ(r,φ)=Eψ(r,φ)

Intentamos la separación de variables

ψ(r,φ)=R(r)·Φ(φ) Φ r d dr ( r dR dr )+ R r 2 d 2 Φ d φ 2 + 2 m e ℏ 2 ( E− 1 2 m ω 2 r 2 )RΦ=0 r R d ∂r ( r dR dr )+ 2 m e ℏ 2 ( E− 1 2 m e ω 2 r 2 ) r 2 =− 1 Φ d 2 Φ d φ 2

El primer término, solamente depende de r, el segundo de φ, la ecuación diferencial se transforma en el sistema de dos ecuaciones diferenciales

{ r R d dr ( r dR dr )+ 2 m e ℏ 2 ( E− 1 2 m e ω 2 r 2 ) r 2 = m 2 − 1 Φ d 2 Φ d φ 2 = m 2 { d 2 R d r 2 + 1 r dR dr +{ 2 m e ℏ 2 ( E− 1 2 m e ω 2 r 2 )− m 2 r 2 }R=0 d 2 Φ d φ 2 + m 2 Φ=0

La ecuación angular

Tiene una solución conocida, que expresamos de forma equivalente

Φ(φ)= C 1 exp(imφ)+ C 2 exp(−imφ)

La solución es periódica, Φ(φ+2π)=Φ(φ). m tiene que ser un entero.

Φ(φ)=Cexp(imφ), m=0, ±1, ±2....

La ecuación radial

Haciendo el cambio de variable, la ecuación radial se transforma en

E=ℏωε, r= ℏ m e ω x d 2 R d x 2 + 1 x dR dx +{ 2ε− x 2 − m 2 x 2 }R=0

Definimos

R(x)= x | m | exp( − x 2 2 )G(x)

Calculamos la derivada primera y segunda de R respecto de x

dR dx =| m | x | m |−1 exp( − x 2 2 )G(x)− x | m |+1 exp( − x 2 2 )G(x)+ x | m | exp( − x 2 2 ) dG(x) dx d 2 R d x 2 =| m |( | m |−1 ) x | m |−2 exp( − x 2 2 )G(x)−| m | x | m | exp( − x 2 2 )G(x)+| m | x | m |−1 exp( − x 2 2 ) dG(x) dx −( | m |+1 ) x | m | exp( − x 2 2 )G(x)+ x | m |+2 exp( − x 2 2 )G(x)− x | m |+1 exp( − x 2 2 ) dG(x) dx +| m | x | m |−1 exp( − x 2 2 ) dG(x) dx − x | m |+1 exp( − x 2 2 ) dG(x) dx + x | m | exp( − x 2 2 ) d 2 G(x) d x 2

Obtenemos una ecuación diferencial en G

x | m | d 2 G(x) d x 2 +{ ( 2| m |+1 ) x | m |−1 −2 x | m |+1 } dG(x) dx +{ 2ε−2( | m |+1 ) } x | m | G(x)=0 d 2 G(x) d x 2 +( ( 2| m |+1 ) x −2x ) dG(x) dx +( 2ε−2( | m |+1 ) )G(x)=0

Hacemos el cambio de variable ξ=x2

dG dx = dG dξ dξ dx =2x dG dξ d 2 G d x 2 = d dx ( 2x dG dξ )=2 dG dξ +2x d dx ( dG dξ )=2 dG dξ +2x d dξ ( dG dξ ) dξ dx =2 dG dξ +4 x 2 d 2 G d ξ 2 2 dG dξ +4 x 2 d 2 G d ξ 2 +( 2| m |+1 x −2x )2x dG dξ +( 2ε−2( | m |+1 ) )G=0 2 dG dξ +4ξ d 2 G d ξ 2 +( 4| m |+2−4ξ ) dG dξ +( 2ε−2( | m |+1 ) )G=0 ξ d 2 G(ξ) d ξ 2 +( | m |+1−ξ ) dG(ξ) dξ − | m |+1−ε 2 G(ξ)=0

Es una ecuación del tipo

z d 2 w d z 2 +( b−z ) dw dz −aw=0

que se denomina hipergeométrica confluente, cuya solución es

G(ξ)= F 1 1 ( a;b,ξ )= F 1 1 ( −n;| m |+1,ξ ), −n= | m |+1−ε 2 G( x 2 )= F 1 1 ( −n;| m |+1, x 2 ) R n,m (x)=C· x | m | exp( − x 2 2 ) F 1 1 ( −n;| m |+1, x 2 )

n es un número entero positivo (incluido cero) que se denomina número cuántico principal. Los niveles de energía se han obtenido en el primer apartado, ε=nx+ny+1=k+1, k=0,1,2,3...

−n= | m |+1−ε 2 , k=0,1,2,3... −n= | m |−k 2 , n=0,1,2,3..., k=0,1,2,3...

Dado el entero k, para que n sea entero, los posibles valores de |m| se recogen en la tabla

n|m|
00
11
20, 2
31, 3
40,2,4

Las funciones de onda radiales Rnm(r) son

R nm (x)= 1 | m |! 2( n+| m | )! n! x | m | exp( − x 2 2 ) F 1 1 ( −n;| m |+1, x 2 )

Esta función hipergeométrica está relacionada con los polinomios asociados de Laguerre del siguiente modo

L n m (z)= ( n+m )! n!m! F 1 1 ( −n;m+1,z )

Funciones radiales Rnm(r)

Comprobaremos utilizando la función int de MATLAB que las funciones radiales están normalizadas

La integral

∫ 0 ∞ R nm 2 (r)( 2πr·dr ) =1

también

∫ 0 ∞ r R nm 2 (r)·dr =1

hold on
f1=@(x) sqrt(2)*(exp(-x.^2/2).*x).*(-x.^6+12*x.^4-36*x.^2+24)/12;
fplot(f1,[0,5])
f2=@(x) (exp(-x.^2/2).*x.^3).*(-x.^6+18*x.^4-90*x.^2+120)/(6*sqrt(60));
fplot(f2,[0,5])
hold off
grid on
xlabel('x')
ylabel('R_{3,1}(x), R_{3,3}(x)')
title('Funciones radiales, R_{3,1}(x), R_{3,3}(x)')

>> syms x;
>> int(x^3*(-x^6+12*x^4-36*x^2+24)^2*exp(-x^2),x,0,inf)/72
 ans =1
>> int(x^7*(-x^6+18*x^4-90*x^2+120)^2*exp(-x^2),x,0,inf)/(36*60)
 ans =1

Alternativamente, utilizamos la función laguerreL(n,m,z) de MATLAB en vez de los polinomios asociados de Laguerre L n m ( z )

hold on
f1=@(x) sqrt(2)*(exp(-x.^2/2).*x).*laguerreL(3,1,x.^2)/2;
fplot(f1,[0,5])
f2=@(x) (exp(-x.^2/2).*x.^3).*laguerreL(3,3,x.^2)/sqrt(60);
fplot(f2,[0,5])
hold off
grid on
xlabel('x')
ylabel('R_{3,1}(x), R_{3,3}(x)')
title('Funciones radiales, R_{3,1}(x), R_{3,3}(x)')
>> int((exp(-x.^2).*x.^3).*laguerreL(3,1,x.^2).^2/2,x,0,inf)
 ans =1
 >> int((exp(-x.^2).*x.^7).*laguerreL(3,3,x.^2).^2/60,x,0,inf)
 ans =1

Referencias

Xijin Fu. Study on two - dimensional linear harmonic oscillator characteristics based on MATLAB software. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 295(2019) 032042. IOP Publishing