Un potencial delta de Dirac en forma de capa esférica
En esta página, se resuelve la ecuación de Schrödinger en coordenadas esféricas para calcular la función de onda de una partícula en dos regiones, r>r 0 y r<r 0 separadas por una capa esférica de radio r 0 de espesor muy pequeño, en el interior de la cual el potencial tiende hacia -∞
Una partícula de masa m se mueve en un potencial
V (
r
) = − λ
ℏ
2
2 m
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
d r
(
r
2
d R
d r
) + {
2
m
ℏ
2
(
E − V ( r )
) −
l (
l + 1
)
r
2
} R = 0
Para r>r 0 y para r<r 0 , V (r )=0
1
r
2
d
d r
(
r
2
d R
d r
) + {
2 m
ℏ
2
E −
l ( l + 1 )
r
2
} R = 0
d
2
R
d
r
2
+ 2 r
d R
d r
− {
k
2
r
2
+ l ( l + 1 )
} R = 0,
k
2
= −
2 m
ℏ
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
(
k r
) + B
k
l
(
k r
)
La solución de la ecuación diferencial es
R
l
I
(
r
) = A
i
l
(
k r
) , r <
r
0
R
l
I I
(
r
) = B
k
l
(
k r
) , r >
r
0
La función es continua en r 0
A
i
l
(
k
r
0
) = B
k
l
(
k
r
0
)
B
A
=
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
La derivada primera no es continua
Integramos la ecuación diferencial entre los límites r 0 -ε a r 0 +ε donde ε →0
1
r
2
d
d r
(
r
2
d R
d r
) + {
2
m
ℏ
2
(
E − V ( r )
) −
l ( l + 1 )
r
2
} R = 0
d
2
R
d
r
2
+
2
r
d R
d r
+ {
2 m
ℏ
2
(
E + λ
ℏ
2
2 m
δ (
r −
r
0
)
r
2
) −
l ( l + 1 )
r
2
} R = 0
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
d
2
R
d
r
2
d r
+
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
2
r
d R
d r
d r
+
2 m E
ℏ
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R d r
+
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
λ
δ (
r −
r
0
)
r
2
R d r − l ( l + 1 )
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R
ρ
2
d ρ
= 0
∫
ρ
0
− ε
ρ
0
+ ε
d
2
R
d
r
2
d r
+
2
r
0
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
d R
d r
d r +
2 m E
ℏ
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R d r
+
λ
r
0
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R δ (
r −
r
0
) d r −
l ( l + 1 )
r
0
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R d r
= 0
d R
d r
|
r
0
+ ε
−
d R
d r
|
r
0
− ε
+
2
r
0
(
R (
r
0
+ ε
) − R (
r
0
− ε
)
) +
2 m E
ℏ
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R d r
+
λ
r
0
2
R (
r
0
) −
l ( l + 1 )
r
0
2
∫
r
0
− ε
r
0
+ ε
R d r
= 0
En el límite cuando ε →0
d R
d r
|
r
0
+
−
d R
d ρ
|
r
0
−
+
λ
r
0
2
R (
r
0
) = 0
Utilizaremos las siguientes propiedades de las funciones esféricas de Bessel
(
2 n + 1
)
d
i
n
(
x
)
d x
= n
i
n − 1
(
x
) + (
n + 1
)
i
n + 1
(
x
)
(
2 n + 1
)
d
k
n
(
x
)
d x
= − n
k
n − 1
(
x
) − (
n + 1
)
k
n + 1
(
x
)
i
n
(
x
)
k
n + 1
(
x
) +
k
n
(
x
)
i
n + 1
(
x
) =
1
x
2
i
n
(
x
)
k
n − 1
(
x
) +
k
n
(
x
)
i
n − 1
(
x
) =
1
x
2
i
n
( x ) =
π
2 x
I
n +
1
2
( x ) ,
k
n
( x ) =
2
π x
K
n +
1
2
( x )
El resultado es una ecuación transcendente
d
R
l
I I
d r
|
ρ =
r
0
+
−
d
R
l
I
d r
|
r =
r
0
−
= −
λ
r
0
2
R
l
(
r
0
)
B
d
k
l
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
+
− A
d
i
l
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
−
= − λ A
i
l
(
k
r
0
)
r
0
2
− A
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
k
l
k
l − 1
(
k
r
0
) + (
l + 1
)
k
l + 1
(
k
r
0
)
(
2 l + 1
)
− A k
l
i
l − 1
(
k
r
0
) + (
l + 1
)
i
l + 1
(
k
r
0
)
(
2 l + 1
)
= − λ A
i
l
(
k
r
0
)
r
0
2
k
l (
i
l
(
k
r
0
)
k
l − 1
(
k
r
0
) +
i
l − 1
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
) + (
l + 1
) (
i
l
(
k
r
0
)
k
l + 1
(
k
r
0
) +
k
l
(
k
r
0
)
i
l + 1
(
k
r
0
)
)
(
2 l + 1
)
k
l
(
k
r
0
)
= λ
i
l
(
k
r
0
)
r
0
2
k (
l
k
2
r
0
2
+
l + 1
k
2
r
0
2
) = λ (
2 l + 1
)
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
r
0
2
1
k
= λ
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
k λ
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
) − 1 = 0
k λ
π
2 k
r
0
I
l +
1
2
(
k
r
0
)
2
π k
r
0
K
l +
1
2
(
k
r
0
) − 1 = 0
λ
r
0
I
l +
1
2
(
k
r
0
)
K
l +
1
2
(
k
r
0
) − 1 = 0
Niveles de energía
Dado el parámetro λ y el radio r 0 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 = −
ℏ
2
k
2
2 m
= −
ℏ
2
2 m
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
ℏ
2
2 m
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
(
k r
) , r ≤
r
0
i
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k
r
0
)
k
l
(
k r
) , r >
r
0
}
Y
l , m
(
θ , φ
)
Otra forma equivalente, más adecuda, es
ψ
l , m
( r , θ , φ ) =
C
l
{
i
l
(
k r
)
i
l
(
k
r
0
)
, r ≤
r
0
k
l
(
k r
)
k
l
(
k
r
0
)
, r >
r
0
}
Y
l , m
(
θ , φ
)
Calculamos la constante Cl de modo que
∫
0
2 π
∫
0
π
∫
0
∞
|
ψ
l , m
( r , θ , φ )
|
2
r
2
· sin θ · d φ
· d θ · d r = 1
La componente angular ya está normalizada, lo hacemos con la componente radial
C
l
2
∫
0
∞
R
l
2
(
r
)
r
2
· d r =
1
C
l
2
{
1
i
l
2
(
k
r
0
)
∫
0
r
0
r
2
i
l
2
(
k r
)
d r +
1
k
l
2
(
k
r
0
)
∫
r
0
∞
r
2
k
l
2
(
k r
) d r
} = 1
Calculamos el primer témino
∫
0
r
0
r
2
i
l
2
(
k r
)
d r =
∫
0
r
0
r
2
π
2 k r
I
l +
1
2
2
(
k r
)
d r =
π
2 k
∫
0
r
0
r
I
l +
1
2
2
(
k r
)
d r
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
(
k ρ
) · d ρ =
(
(
k
ρ
0
)
2
+
n
φ
2
)
I
n
φ
2
(
k
ρ
0
) −
(
ρ
0
d
I
n
φ
(
k ρ
)
d ρ
|
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
(
k r
) · d r =
(
(
k
r
0
)
2
+
(
l +
1
2
)
2
)
I
l +
1
2
2
(
k
r
0
) −
(
r
0
d
I
l +
1
2
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
)
2
2
k
2
Seguimos los mismos pasos para evaluar el segundo término
∫
0
∞
r
2
k
l
2
(
k r
)
d r =
∫
0
r
0
r
2
2
π k r
K
l +
1
2
2
(
k r
)
d r =
2
π k
∫
0
r
0
r
K
l +
1
2
2
(
k r
)
d r
En la página titulada Un potencial delta de Dirac en forma de anillo , hemos obtenido el resultado
∫
ρ
0
∞
ρ
K
n
φ
2
(
k ρ
) · d ρ =
− (
(
k
ρ
0
)
2
+
n
φ
2
)
K
n
φ
2
(
k
ρ
0
) +
(
ρ
0
d
K
n
φ
(
k ρ
)
d ρ
|
ρ =
ρ
0
)
2
2
k
2
De forma similar
∫
r
0
∞
r
K
l +
1
2
2
(
k r
) · d r =
− (
(
k
r
0
)
2
+
(
l +
1
2
)
2
)
K
l +
1
2
2
(
k
r
0
) +
(
r
0
d
K
l +
1
2
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
)
2
2
k
2
El resultado final es
C
l
2
{
1
π
2 k
r
0
I
l +
1
2
2
(
k
r
0
)
π
2 k
∫
0
r
0
r
I
l +
1
2
2
(
k r
)
d r +
1
2
π k
r
0
K
l +
1
2
2
(
k
r
0
)
2
π k
∫
0
r
0
r
K
l +
1
2
2
(
k r
)
d r
} = 1
C
l
2
{
r
0
I
l +
1
2
2
(
k
r
0
)
∫
0
r
0
r
I
l +
1
2
2
(
k r
)
d r +
r
0
K
l +
1
2
2
(
k
r
0
)
∫
0
r
0
r
K
l +
1
2
2
(
k r
)
d r
} = 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
(
k r
)
d r
|
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
(
k r
)
d r
|
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
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
)
2
2
k
2
+
1
K
l +
1
2
2
(
k
r
0
)
(
r
0
d
K
l +
1
2
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
)
2
2
k
2
} = 1
C
l
2
r
0
3
2
k
2
{
(
d
K
l +
1
2
(
k r
)
d r
|
r =
r
0
K
l +
1
2
(
k
r
0
)
)
2
−
(
d
I
l +
1
2
(
k r
)
d r
|
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/r 0 =6 y r 0 =1
R
l
(
r
) =
C
l
{
i
l
(
k r
)
i
l
(
k
r
0
)
, r ≤
r
0
k
l
(
k r
)
k
l
(
k
r
0
)
, r >
r
0
} =
C
l
{
π
2 k r
I
l +
1
2
(
k r
)
π
2 k
r
0
I
l +
1
2
(
k
r
0
)
2
π k r
K
l +
1
2
(
k r
)
2
π k
r
0
K
l +
1
2
(
k
r
0
)
0
} =
C
l
{
r
0
r
I
l +
1
2
(
k r
)
I
l +
1
2
(
k
r
0
)
r
0
r
K
l +
1
2
(
k r
)
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