Un potencial delta de Dirac en forma de capa esférica

Una partícula de masa m se mueve en un potencial

V( r )=λ 2 2m δ( r r 0 ) r 2

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

Resolvemos la componente radial de la ecuación de Schrödinger en coordenadas esféricas

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

Para r>r0 y para r<r0, V(r)=0

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

La energía de los niveles E<0

La solución de esta ecuación diferencial (véase el apartado Funciones esféricas de Bessel modificadas in y kn)

R l ( r )=A i l ( kr )+B k l ( kr )

La solución de la ecuación diferencial es

R l I ( r )=A i l ( kr ),r< r 0 R l II ( r )=B k l ( kr ),r> r 0

Niveles de energía

Dado el parámetro λ y el radio r0 resolvemos la ecuación transcendente

λ r 0 I l+ 1 2 ( x ) K l+ 1 2 ( x )1=0,x=k r 0

para calcular la energía de los niveles

E= 2 k 2 2m = 2 2m r 0 2 x 2

gamma=6;  %lambda/r0
for l=0:2
    f=@(x) gamma*besseli(l+1/2,x)*besselk(l+1/2,x)-1;
    x0=fzero(f,3);
    disp(-x0^2)
end
   -8.9548
   -6.6740
   -2.5769

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

Funciones de onda

Combinando la componente radial y angular las funciones de onda

ψ l,m (r,θ,φ)=C ' l { i l ( kr ),r r 0 i l ( k r 0 ) k l ( k r 0 ) k l ( kr ),r> r 0 } Y l,m ( θ,φ )

Otra forma equivalente, más adecuda, es

ψ l,m (r,θ,φ)= C l { i l ( kr ) i l ( k r 0 ) ,r r 0 k l ( kr ) k l ( k r 0 ) ,r> r 0 } Y l,m ( θ,φ )

Calculamos la constante Cl de modo que

0 2π 0 π 0 | ψ l,m (r,θ,φ) | 2 r 2 ·sinθ·dφ ·dθ·dr=1

La componente angular ya está normalizada, lo hacemos con la componente radial

C l 2 0 R l 2 ( r ) r 2 ·dr= 1 C l 2 { 1 i l 2 ( k r 0 ) 0 r 0 r 2 i l 2 ( kr ) dr+ 1 k l 2 ( k r 0 ) r 0 r 2 k l 2 ( kr )dr }=1

Calculamos el primer témino

0 r 0 r 2 i l 2 ( kr ) dr= 0 r 0 r 2 π 2kr I l+ 1 2 2 ( kr ) dr= π 2k 0 r 0 r I l+ 1 2 2 ( kr ) dr

En la página titulada Un potencial delta de Dirac en forma de anillo, hemos obtenido el resultado

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

De forma similar, cambiando el nombre de las variables que intervienen

0 r 0 r I l+ 1 2 2 ( kr )·dr= ( ( k r 0 ) 2 + ( l+ 1 2 ) 2 ) I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( r 0 d I l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2

Seguimos los mismos pasos para evaluar el segundo término

0 r 2 k l 2 ( kr ) dr= 0 r 0 r 2 2 πkr K l+ 1 2 2 ( kr ) dr= 2 πk 0 r 0 r K l+ 1 2 2 ( kr ) dr

En la página titulada Un potencial delta de Dirac en forma de anillo, hemos obtenido el resultado

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

De forma similar

r 0 r K l+ 1 2 2 ( kr )·dr= ( ( k r 0 ) 2 + ( l+ 1 2 ) 2 ) K l+ 1 2 2 ( k r 0 )+ ( r 0 d K l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2

El resultado final es

C l 2 { 1 π 2k r 0 I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) π 2k 0 r 0 r I l+ 1 2 2 ( kr ) dr+ 1 2 πk r 0 K l+ 1 2 2 ( k r 0 ) 2 πk 0 r 0 r K l+ 1 2 2 ( kr ) dr }=1 C l 2 { r 0 I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) 0 r 0 r I l+ 1 2 2 ( kr ) dr+ r 0 K l+ 1 2 2 ( k r 0 ) 0 r 0 r K l+ 1 2 2 ( kr ) dr }=1 C l 2 { r 0 I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( ( k r 0 ) 2 + ( l+ 1 2 ) 2 ) I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( r 0 d I l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2 + r 0 K l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( ( k r 0 ) 2 + ( l+ 1 2 ) 2 ) K l+ 1 2 2 ( k r 0 )+ ( r 0 d K l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2 }=1 C l 2 r 0 { 1 I l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( r 0 d I l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2 + 1 K l+ 1 2 2 ( k r 0 ) ( r 0 d K l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 ) 2 2 k 2 }=1 C l 2 r 0 3 2 k 2 { ( d K l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 K l+ 1 2 ( k r 0 ) ) 2 ( d I l+ 1 2 ( kr ) dr | r= r 0 I l+ 1 2 ( k r 0 ) ) 2 }=1 C l 2 r 0 3 2 k 2 { ( k 2 ( K l 1 2 ( k r 0 )+ K l+ 3 2 ( k r 0 ) ) K l+ 1 2 ( k r 0 ) ) 2 ( k 2 ( I l 1 2 ( k r 0 )+ I l+ 3 2 ( k r 0 ) ) I l+ 1 2 ( k r 0 ) ) 2 }=1 C l 2 r 0 3 2 3 { ( K l 1 2 ( k r 0 )+ K l+ 3 2 ( k r 0 ) K l+ 1 2 ( k r 0 ) ) ( I l 1 2 ( k r 0 )+ I l+ 3 2 ( k r 0 ) I l+ 1 2 ( k r 0 ) ) 2 }=1

Representamos la componente radial de la función de onda para l=0, 1 y 2, fijados λ/r0=6 y r0=1

R l ( r )= C l { i l ( kr ) i l ( k r 0 ) ,r r 0 k l ( kr ) k l ( k r 0 ) ,r> r 0 }= C l { π 2kr I l+ 1 2 ( kr ) π 2k r 0 I l+ 1 2 ( k r 0 ) 2 πkr K l+ 1 2 ( kr ) 2 πk r 0 K l+ 1 2 ( k r 0 ) 0 }= C l { r 0 r I l+ 1 2 ( kr ) I l+ 1 2 ( k r 0 ) r 0 r K l+ 1 2 ( kr ) K l+ 1 2 ( k r 0 ) }

gamma=6;  %lambda/r0
r0=1; %radio 
hold on
colores=['k','r','g'];
for l=0:2 %nĂ¹meros enteros
    f=@(x) gamma*besseli(l+1/2,x)*besselk(l+1/2,x)-1;
    k=fzero(f,3);%nivel de energía
    disp(-k^2)
    d_K=-(besselk(l+3/2,k*r0)+besselk(l-1/2,k*r0))/besselk(l+1/2,k*r0);
    d_I=(besseli(l+3/2,k*r0)+besseli(l-1/2,k*r0))/besseli(l+1/2,k*r0);
    C=sqrt(2^3/(r0^3*(d_K^2-d_I^2)));
    f=@(x) C*sqrt(r0./x).*besseli(l+1/2,k*x)/besseli(l+1/2,k*r0);
    g=@(x) C*sqrt(r0./x).*besselk(l+1/2,k*x)/besselk(l+1/2,k*r0);
    fplot(f,[0,r0],colores(l+1))
    fplot(g,[r0,3],colores(l+1))
end
hold off
grid on
xlabel('\rho/\rho_0')
ylabel('R_l(\rho)')
title('Componente radial')

Se representa en color negro l=0, en rojo, l=1 y en verde l=2

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