Un potencial delta de Dirac en forma de anillo

Una partícula de masa m se mueve en un potencial circular

V( ρ )=γ 2 2m δ( ρ ρ 0 ) ρ

El signo de γ determina si es un pozo (γ>0) o una barrera (γ<0)

Resolvemos la ecuación de Schrrödinger en coordenadas cilíndricas independiente de la altura z

2 2m ( 1 ρ ρ ( ρ ψ(ρ,φ) ρ )+ 1 ρ 2 2 ψ(ρ,φ) φ 2 )+V(ρ)ψ(ρ,φ)=Eψ(ρ,φ)

Aplicamos el procedimiento de separación de variables

ψ(ρ,φ)=R(ρ)F(φ) F d 2 R d ρ 2 + F ρ dR dρ + R ρ 2 d 2 F d φ 2 = 2m 2 ( EV( ρ ) )RF ( ρ 2 R d 2 R d ρ 2 + ρ R dR dρ + 2m( EV( ρ ) ) 2 ρ 2 )+ 1 F d 2 F d φ 2 =0

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

{ ρ 2 R d 2 R d ρ 2 + ρ R dR dρ +( ρ 2 2m( EV( ρ ) ) 2 n φ 2 )=0 d 2 F d φ 2 = n φ 2 F

La ecuación angular

d 2 F d φ 2 + n φ 2 F=0

La solución es

F(φ)=Cexp(i n φ φ), n φ =0,±1,±2....

La ecuación radial

Para ρ>ρ0 y para ρ<ρ0, V(ρ)=0

ρ 2 R d 2 R d ρ 2 + ρ R dR dρ +( ρ 2 2mE 2 n φ 2 )=0 ρ 2 d 2 R d ρ 2 +ρ dR dρ ( ρ 2 k 2 + n φ 2 )R=0, k 2 = 2mE 2

La energía de los niveles E<0

La solución de esta ecuación diferencial (véase el apartado Funciones de Bessel modificadas In y Kn)

R n φ ( ρ )=A I n φ ( kρ )+B K n φ ( kρ )

La solución de la ecuación diferencial es

R n φ I ( ρ )=A I n φ ( kρ ),ρ< ρ 0 R n φ II ( ρ )=B K n φ ( kρ ),ρ> ρ 0

Niveles de energía

Dado el parámetro γ y el radio ρ0 resolvemos la ecuación transcendente

γ I n φ ( x ) K nφ ( x )1=0,x=k ρ 0

para calcular la energía de los niveles

E= 2 k 2 2m = 2 2m ρ 0 2 x 2

gamma=5.5;
for n=0:2
    f=@(x) gamma*besseli(n,x)*besselk(n,x)-1;
    x0=fzero(f,3);
    disp(-x0^2)
end
   -7.8694
   -6.5922
   -3.3790

La energía de los niveles se expresa en unidades 2 2m ρ 0 2

Los mismos valores se obtienen para nφ negativa

gamma=5.5;
for n=0:-1:-2
    f=@(x) gamma*besseli(n,x)*besselk(n,x)-1;
    x0=fzero(f,3);
    disp(-x0^2)
end

Funciones de onda

ψ n φ (ρ,φ)=C ' n φ { I n φ ( kρ ),ρ ρ 0 I n φ ( k ρ 0 ) K n φ ( k ρ 0 ) K n φ ( kρ ),ρ> ρ 0 }exp( i n φ φ )

Otra forma equivalente, más adecuda es

ψ n φ (ρ,φ)= C n φ { I n φ ( kρ ) I n φ ( k ρ 0 ) ,ρ ρ 0 K n φ ( kρ ) K n φ ( k ρ 0 ) ,ρ> ρ 0 }exp( i n φ φ )

El cociente entre los coeficientes se mantiene

B A = 1 K n φ ( k ρ 0 ) 1 I n φ ( k ρ 0 ) = I n φ ( k ρ 0 ) K n φ ( k ρ 0 )

Calculamos la constante Cnφ de modo que

0 0 2π | ψ n φ (ρ,φ) | 2 ρ·dρ·dφ=1 C n φ 2 0 0 2π R n φ 2 ( ρ )exp( i n φ φ ) exp( i n φ φ )ρ·dρ·dφ=2π C n φ 2 0 R n φ 2 ( ρ )ρ·dρ C n φ 2 { 2π I n φ 2 ( k ρ 0 ) 0 ρ 0 I n φ 2 ( kρ ) dρ+ 2π K n φ 2 ( k ρ 0 ) ρ 0 K n φ 2 ( kρ )dρ }=1

Calculamos las integrales partiendo de la ecuación diferencial radial

z 2 d 2 R d z 2 +z dR dz ( z 2 + n φ 2 )R=0,z=ρk d dz ( z dR dz ) 2 =( z 2 + n φ 2 ) d dz R 2 0 z 0 d dz ( z d I n φ (z) dz ) 2 dz= 0 z 0 ( z 2 + n φ 2 ) d dz I n φ 2 (z)·dz , z 0 = ρ 0 k

Integramos por partes el segundo miembro

{ u= z 2 + n φ 2 ,du=2z·dz dv= d dz I n φ 2 (z)·dz,v= I n φ 2 (z)

El resultado es

( z 0 d I n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 = ( z 2 + n φ 2 ) I n φ 2 (z) | 0 z 0 2 0 z 0 z I n φ 2 (z)·dz ( z 0 d I n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 =( z 0 2 + n φ 2 ) I n φ 2 ( z 0 ) n φ 2 I n φ 2 (0)2 0 z 0 z I n φ 2 (z)·dz 0 z 0 z I n φ 2 (z)·dz = ( z 0 2 + n φ 2 ) I n φ 2 ( z 0 ) ( z 0 d I n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 2

Fijarse que Im(0)=0 expecepto I0(0)=1

Deshacemos el cambio de variable z=ρk

0 ρ 0 kρ I n φ 2 ( kρ )·kdρ= ( ( k ρ 0 ) 2 + n φ 2 ) I n φ 2 ( k ρ 0 ) ( k ρ 0 d I n φ ( kρ ) kdρ | ρ= ρ 0 ) 2 2 0 ρ 0 ρ I n φ 2 ( kρ )·dρ= ( ( k ρ 0 ) 2 + n φ 2 ) I n φ 2 ( k ρ 0 ) ( ρ 0 d I n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 ) 2 2 k 2

Seguimos los mismos pasos para evaluar la segunda integral en Knφ

d dz ( z dR dz ) 2 =( z 2 + n φ 2 ) d dz R 2 z 0 d dz ( z d K n φ (z) dz ) 2 dz= z 0 ( z 2 + n φ 2 ) d dz K n φ 2 (z)·dz ( d K n φ (z) dz | z= ) 2 ( z 0 d K n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 = ( z 2 + n φ 2 ) K n φ 2 (z) | z 0 2 z 0 z I n φ 2 (z)·dz ( z 0 d K n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 =( z 0 2 + n φ 2 ) K n φ 2 ( z 0 )2 z 0 z I n φ 2 (z)·dz z 0 z K n φ 2 (z)·dz = ( z 0 2 + n φ 2 ) K n φ 2 ( z 0 )+ ( z 0 d K n φ (z) dz | z= z 0 ) 2 2

Se ha utilizado el resultado

lim z ( z· K m (z) )=0 lim z ( z d K m (z) dz )= lim z ( z K m+1 (z)+ K m1 (z) 2 )=0

Comprobamos con MATLAB

>> m=3;
>> z=100;
>> z*(besselk(m+1,z)+besselk(m-1,z))/2
ans =   4.8963e-43
>> z*besselk(m,z)
ans =   4.8699e-43

Deshacemos el cambio de variable z=ρk

ρ 0 ρ K n φ 2 ( kρ )·dρ= ( ( k ρ 0 ) 2 + n φ 2 ) K n φ 2 ( k ρ 0 )+ ( ρ 0 d K n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 ) 2 2 k 2

El resultado final es

C n φ 2 { 2π I m 2 ( k ρ 0 ) ( ( k ρ 0 ) 2 + n φ 2 ) I n φ 2 ( k ρ 0 ) ( ρ 0 k d I n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 ) 2 2 k 2 + 2π K n φ 2 ( k ρ 0 ) ( ( k ρ 0 ) 2 + n φ 2 ) K n φ 2 ( k ρ 0 )+ ( ρ 0 d K n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 ) 2 2 k 2 }=1 C n φ 2 π k 2 ρ 0 2 { ( d K n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 K n φ ( k ρ 0 ) ) 2 ( d I n φ ( kρ ) dρ | ρ= ρ 0 I n φ ( k ρ 0 ) ) 2 }=1 C n φ 2 π 4 ρ 0 2 { ( K n φ +1 ( k ρ 0 )+ K n φ 1 ( k ρ 0 ) K n φ ( k ρ 0 ) ) 2 ( I n φ +1 ( k ρ 0 )+ I n φ 1 ( k ρ 0 ) I n φ ( k ρ 0 ) ) 2 }=1

Resultados

Representamos la componenente radial para nφ=0, 1 y 2, fijados γ=5.5 y ρ0=1

gamma=5.5; %parámetro
r0=1; %radio 
hold on
colores=['k','r','g'];
for m=0:2 %nĂ¹meros enteros
    f=@(x) gamma*besseli(m,x)*besselk(m,x)-1;
    k=fzero(f,3);%nivel de energía
    d_K=-(besselk(m+1,k*r0)+besselk(m-1,k*r0));
    d_I=besseli(m+1,k*r0)+besseli(m-1,k*r0);
    den=pi*r0^2*((d_K/besselk(m,k*r0))^2-(d_I/besseli(m,k*r0))^2)/4;
    C=sqrt(1/den);
    f=@(x) C*besseli(m,k*x)/besseli(m,k*r0);
    g=@(x) C*besselk(m,k*x)/besselk(m,k*r0);
    fplot(f,[0,r0],colores(m+1))
    fplot(g,[r0,3],colores(m+1))
end
grid on
xlabel('\rho/\rho_0')
ylabel('R_n(\rho)')
title('Componente radial')

Funciones de onda para γ=5.5 y ρ0=1

gamma=5.5; %parámetro
r0=1; %radio 
m=0; %número entero 
f=@(x) gamma*besseli(m,x)*besselk(m,x)-1;
k=fzero(f,3);
disp(-k^2) %energía
d_K=-(besselk(m+1,k*r0)+besselk(m-1,k*r0));
d_I=besseli(m+1,k*r0)+besseli(m-1,k*r0);
den=pi*r0^2*((d_K/besselk(m,k*r0))^2-(d_I/besseli(m,k*r0))^2)/4;
C=sqrt(1/den);
hold on
rho=linspace(0,r0,50);
phi=linspace(0,2*pi, 100);
[Rho,Phi]=meshgrid(rho,phi);
X=Rho.*cos(Phi);
Y=Rho.*sin(Phi);
Z=C*cos(m*Phi).*besseli(m,k*Rho)/besseli(m,k*r0);
surfl(X,Y,Z)
rho=linspace(r0,3,50);
phi=linspace(0,2*pi, 100);
[Rho,Phi]=meshgrid(rho,phi);
X=Rho.*cos(Phi);
Y=Rho.*sin(Phi);
Z=C*cos(m*Phi).*besselk(m,k*Rho)/besselk(m,k*r0);
surfl(X,Y,Z)
shading interp
colormap(gray);
fplot3(@(t) r0*cos(t), @(t) r0*sin(t), @(t) 0*t, [0,2*pi],'r')
hold off
xlabel('X')
ylabel('Y')
zlabel('Z')
grid on
title('Función de onda')
view(-10,60)

Función de onda para nφ=0, (en el código, m=0;), energía E=-7.8694

Función de onda para nφ=1, (en el código, m=1;), energía E=-6.5922

La circuferencia de color rojo, señala la posición del anillo de potencial de profundidad infinita

Función de onda para nφ=2, (en el código, m=2;), energía E=-3.3790

Referencias

Luis F. Castillo-Sánchez, Julio C. Gutiérrez-Vega. Quantum solutions for the delta ring and delta shell. Am. J. Phys. 93 (7), July 2025. pp. 557-565