El oscilador armónico en tres dimensiones
Coordenadas rectangulares
La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para una partícula de masa me en el potencial armónico V(x,y,z)
Tomamos una escala de energías y distancias
La ecuación de Schrödinger se transforma en otra más simple
Probamos la solución Ψ(ξ,η, ζ)=X(ξ)Y(η)Z(ζ), separación de variables
El primer término, es una función solamente de ξ, el segundo, de η y el tercero de ζ. Esta ecuación diferencial se convierte en el sistema de tres ecuaciones diferenciales
Haciendo un cambio de variable, la primera ecuación diferencial se transforma en la de Hermite
Del mismo modo, la segunda y la tercera
Cuyas soluciones son los polinomios de Hermite
Los niveles de energía ε son
nx, ny, nz | k | εn=k+3/2 |
0,0,0 | 0 | 3/2 |
1,0,0 | 1 | 5/2 |
0,1,0 | 1 | 5/2 |
0,0,1 | 1 | 5/2 |
2,0,0 | 2 | 7/2 |
0,2,0 | 2 | 7/2 |
0,0,2 | 2 | 7/2 |
1,1,0 | 2 | 7/2 |
1,0,1 | 2 | 7/2 |
0,1,1 | 2 | 7/2 |
Como apreciamos en la tabla hay
- un estado con k=nx+ny+nz=0
- tres estados con k=1
- seis estados con k=2
En general, el número de estados con la misma energía k viene dado por la fórmula
Las funciones de onda
Las soluciones de las tres ecuaciones diferenciales son los polinomios de Hermite
Donde C es una constante a determinar, de modo que
Se ha tenido en cuenta las relaciones de ortogonalidad de los polinomios de Hermite. El resultado final es
Algunos ejemplos
Coordenadas polares
La ecuación diferencial de la parte radial para el potencial V(r)
Donde me es la masa de la partícula, V(r)=meω2r2/2, R(r) es la componente radial de la función de onda
Haciendo el cambio de variable, la ecuación diferencial se transforma en
Definimos, u(x)=xR(x), calculamos la derivada primera y segunda de R respecto de x y las introducimos en la ecuación diferencial
Definimos, una nueva función v(x), calculamos la derivada primera y segunda de u respecto de x y las introducimos en la ecuación diferencial
Obtenemos la ecuación diferencial
Hacemos un nuevo cambio de variable, z=x2
Que es la ecuación diferencial de los polinomios asociados de Laguerre
El coeficiente de y, n=(k-l)/2 tiene que ser un número entero positivo (incluyendo el cero), esto limita los posibles valores de l dado k
Dado el entero k, (energía del nivel, k+3/2) para que n sea entero, los posibles valores de l se recogen en la tabla. La última columna, nos da el índice inferior n de los polinomios asociados de Laguerre, m=l+1/2 es su índice superior
k | l | n |
0 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 |
2 | 0 | 1 |
2 | 2 | 0 |
3 | 1 | 1 |
3 | 3 | 0 |
4 | 0 | 2 |
4 | 2 | 1 |
4 | 4 | 0 |
Partiendo de la solución de la ecuación diferencial de Laguerre, deshacemos los cambios hasta llegar a la expresión de la componente radial de la función de onda R(r)
La constante C se calcula de modo que
Recuérdese que el volumen de una capa comprendida entre las superficies esféricas concéntricas de radio x y x+dx es 4πx2·dx. Véase la página titulada El átomo de hidrógeno
Hacemos el cambio de variable z=x2
Teniendo en cuenta la relación de ortogonalidad de los polinomios asociados de Laguerre
El resultado es
Se ha utilizado la relación entre la función gamma, Γ(x) y el factorial de un número x!
La componente radial de la función de onda Rnl(x)
Ejemplos
k=3;
l=1;
n=1;
f=@(x) sqrt(2*factorial(n)/gamma(n+l+3/2))*x.^l.*exp(-x.^2/2).
*laguerreL(n, l+1/2, x.^2);
fplot(f,[0,5])
g=@(x) x.^2.*f(x).^2;
integral(g,0,20)
grid on
xlabel('x')
ylabel('R_{1,1}(x)')
title('Funciones radiales')

Comprobación
Se calcula mediante la función integral de MATLAB
>> g=@(x) x.^2.*f(x).^2;
>> integral(g,0,20)
>> 1.0000
R0,2(x), energía, ε4=4+3/2
Se cambia la variable l=0, y la variable n=2

Comprobación
>> g=@(x) x.^2.*f(x).^2;
>> integral(g,0,20)
>> 1.0000
Referencias
3D Harmonic oscillator. January 19, 2018