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)

2 2 m e ( 2 ψ(x,y,z) x 2 + 2 ψ(x,y,z) y 2 + 2 ψ(x,y,z) z 2 )+ 1 2 m e ω 2 ( x 2 + y 2 + z 2 )ψ(x,y,z)=Eψ(x,y,z)

Tomamos una escala de energías y distancias

x=ξ mω ,y=η mω ,z=ζ mω ,E=ωε

La ecuación de Schrödinger se transforma en otra más simple

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

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

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

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

{ 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 d 2 Z(ζ) d ζ 2 +{ 2 ε z ζ 2 }Z(ζ)=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 )xξexp( 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 y la tercera

d 2 y d η 2 2η dy dη +(2 ε y 1)y=0 d 2 z d ζ 2 2ζ dz dζ +(2 ε z 1)z=0

Cuyas soluciones 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... 2 ε z 1=2 n z , ε z = n z + 1 2 , n z =0,1,2,3... ε= ε x + ε y + ε z = n x + n y + n z + 3 2

nx, ny, nzkεn=k+3/2
0,0,003/2
1,0,015/2
0,1,015/2
0,0,115/2
2,0,027/2
0,2,027/2
0,0,227/2
1,1,027/2
1,0,127/2
0,1,127/2

Como apreciamos en la tabla hay

En general, el número de estados con la misma energía k viene dado por la fórmula

(k+2)! k!·2!

Las funciones de onda

Las soluciones de las tres ecuaciones diferenciales son los polinomios de Hermite

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

Donde C es una constante a determinar, de modo que

| ψ n x , n y , n z ( ξ,η,ζ ) | 2 dξ·dη·dζ =1 C 2 H n x 2 (ξ)exp( ξ 2 )dξ · H n y 2 (η)exp( η 2 )dη· H n z 2 (ζ)exp( ζ 2 )dζ=1 C 2 ( π 2 n x n x ! )( π 2 n y n y ! )( π 2 n z n z ! )=1

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

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

Algunos ejemplos

ψ 0,0,0 ( ξ,η,ζ )= 1 π π · 2 0 ·0!·0!·0! H 0 (ξ) H 0 (η) H 0 (ζ)exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 )= 1 π π exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 ) ψ 1,0,0 ( ξ,η,ζ )= 1 π π · 2 1 ·1!·0!·0! H 1 (ξ) H 0 (η) H 0 (ζ)exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 )= 1 2π π 2ξexp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 ) ψ 2,0,0 ( ξ,η,ζ )= 1 π π · 2 2 ·2!·0!·0! H 2 (ξ) H 0 (η) H 0 (ζ)exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 )= 1 2 2π π ( 4 ξ 2 2 )exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 ) ψ 2,1,0 ( ξ,η,ζ )= 1 π π · 2 3 ·2!·1!·0! H 2 (ξ) H 1 (η) H 0 (ζ)exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 )= 1 2 π π η( 4 ξ 2 2 )exp( ξ 2 + η 2 + ζ 2 2 )

Coordenadas polares

La ecuación diferencial de la parte radial para el potencial V(r)

1 r 2 d dr ( r 2 dR dr )+{ 2me 2 ( EV(r) ) l(l+1) r 2 }R=0

Donde me es la masa de la partícula, V(r)=meω2r2/2, R(r) es la componente radial de la función de onda

d dr ( r 2 dR dr )+{ 2 m e 2 ( E 1 2 m e ω 2 r 2 ) r 2 l(l+1) }R=0

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

E=ωε,r= m e ω x d dx ( x 2 dR dx )+{ 2 m e 2 ( ωε 1 2 m e ω 2 m e ω x 2 ) m e ω x 2 l(l+1) }R=0 d 2 R d x 2 + 2 x dR dx +{ 2ε x 2 l(l+1) x 2 }R=0

Definimos, u(x)=xR(x), calculamos la derivada primera y segunda de R respecto de x y las introducimos en la ecuación diferencial

dR dx = 1 x 2 u+ 1 x du dx d 2 R d x 2 = 2 x 3 u 1 x 2 du dx 1 x 2 du dx + 1 x d 2 u d x 2 = 2 x 3 u 2 x 2 du dx + 1 x d 2 u d x 2 2 x 3 u 2 x 2 du dx + 1 x d 2 u d x 2 + 2 x ( 1 x 2 u+ 1 x du dx )+{ 2ε x 2 l(l+1) x 2 }R=0 d 2 u d x 2 +{ 2ε x 2 l(l+1) x 2 }u=0

Definimos, una nueva función v(x), calculamos la derivada primera y segunda de u respecto de x y las introducimos en la ecuación diferencial

u(x)=v(x) x l+1 exp( x 2 2 ) du dx = dv dx x l+1 exp( x 2 2 )+v( l+1 ) x l exp( x 2 2 )v x l+2 exp( x 2 2 ) d 2 u d x 2 = d 2 v d x 2 x l+1 exp( x 2 2 )+ dv dx ( l+1 ) x l exp( x 2 2 ) dv dx x l+2 exp( x 2 2 ) dv dx ( l+1 ) x l exp( x 2 2 )+vl( l+1 ) x l1 exp( x 2 2 )v( l+1 ) x l+1 exp( x 2 2 ) dv dx x l+2 exp( x 2 2 )v(l+2) x l+1 exp( x 2 2 )+v x l+3 exp( x 2 2 )

Obtenemos la ecuación diferencial

x d 2 v d x 2 +( 2( l+1 )2 x 2 ) dv dx +( 2ε2l3 )x·v=0

Hacemos un nuevo cambio de variable, z=x2

dv dx = dv dz dz dx =2x dv dz d 2 v d x 2 =2 dv dz +2x d dx ( dv dz )=2 dv dz +2x d dz ( dv dz ) dz dx =2 dv dz +4 x 2 d 2 v d z 2 2x dv dz +4 x 3 d 2 v d z 2 +( 2( l+1 )2 x 2 )2x dv dz +( 2ε2l3 )x·v=0 z d 2 v d z 2 +( l+ 1 2 +1z ) dv dz + 1 4 ( 2ε2l3 )v=0 z d 2 v d z 2 +( l+ 1 2 +1z ) dv dz + 1 4 ( 2( k+ 3 2 )2l3 )v=0 z d 2 v d z 2 +( l+ 1 2 +1z ) dv dz + kl 2 v=0

Que es la ecuación diferencial de los polinomios asociados de Laguerre

x d 2 y d x 2 +(m+1x) dy dx +ny=0,{ m=l+ 1 2 n= kl 2

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

kln
000
110
201
220
311
330
402
421
440

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)

v(x)= L n l+ 1 2 ( x 2 ) u(x)= x l+1 exp( x 2 2 ) L n l+ 1 2 ( x 2 ) R nl (x)=C· x l exp( x 2 2 ) L n l+ 1 2 ( x 2 )

La constante C se calcula de modo que

0 x 2 R nl 2 (x)dx=1 C 2 0 x 2l+2 exp( x 2 ) ( L n l+ 1 2 ( x 2 ) ) 2 dx=1

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

C 2 2 0 z l+ 1 2 exp( z ) ( L n l+ 1 2 (z) ) 2 dz=1

Teniendo en cuenta la relación de ortogonalidad de los polinomios asociados de Laguerre

0 e x x k L n k (x) L m k (x)dx={ 0,mn (n+k)! n! ,m=n

El resultado es

C 2 2 ( n+l+ 1 2 )! n! =1 C= 2n! Γ( n+l+1+ 1 2 )

Se ha utilizado la relación entre la función gamma, Γ(x) y el factorial de un número x!

( n+ 1 2 )!=Γ( n+1+ 1 2 )

La componente radial de la función de onda Rnl(x)

R nl (x)= 2n! Γ( n+l+1+ 1 2 ) · x l exp( x 2 2 ) L n l+ 1 2 ( x 2 )

Ejemplos

Referencias

3D Harmonic oscillator. January 19, 2018