lunes, 21 de noviembre de 2022

Ejercicio 28

 



Caso espin 1.

Para representar el espin de una partícula con valor 1 se usa la representación lineal mediante matrices 3x3.

 

 

 Ahora viendo la forma del hamiltoniano que caracteriza al ión mencionado y reemplazando las matrices de Pauli en el hamiltoniano, se obtiene:

  
 
Además como cumple la ecuación de autovalores
 
así vemos que la forma de este hamiltoniano ya está diagonalozado, y por ende sus 3 entradas en la diagonal corresponden a los autovalores que a su vez son los valores de energía correspondiente a cada uno de sus niveles. 
 
Vemos también que hay 2 niveles de energía, en donde uno de ellos está degenerado. 
Además como D>>E el valor base de energía corresponde a $E_2$ y $E_1$ y $E_3$ que tienen el mismo valor de energía, están degenerados.
 
 




lunes, 29 de agosto de 2022

Ejercico 20

Calcule la relación que deben satisfacer la anchura y profundidad de un pozo rectangular finito, como función de n, para que las probabilidades de hallar a la partícula fuera y dentro del pozo en el estadoe stacionario $\psi$ sean iguales.


Describimos el potencial V(x) como la función en las tres regiones: 


$$V\left( x \right) = \begin{cases}


                              0,\quad x < \frac{-a}{2} \\


                              -V, \quad \frac{-a}{2} \le x \le \frac{a}{2} \\


                              0 , \quad x > \frac{a}{2}


                            \end{cases}$$

De la misma manera y garantizando que la función de onda no vaya a cero en los límites del pozo de potencial, describimos a $ \psi (x) $ en las regiones, definiendo la etiqueta 1 para la región a la izquierda del pozo, 2 para el pozo y 3 para la región a la derecha de este: 

$$ \psi\left( x \right) = \begin{cases} 

\psi_1\left( x \right), & \quad x< \frac{-a}{2} \\ 

\psi_2\left( x \right), & \quad \frac{-a}{2} \le x \le \frac{a}{2} \\ 

\psi_3\left( x \right), & \quad  x> \frac{a}{2} 

\end{cases} $$

Utilizamos la ecuación de Schrödinger para describir la dinámica de una partícula cuántica sometida al potencial en cuestión

$$\frac{\hbar^2}{2 m} \frac{d^2}{d x^2}\psi\left( x \right) + V(x) \psi = E \psi  $$

Resolvemos para $\psi$ y V(x) en las regiones 1, 2 y 3 por separado.

En la región 2, encontramos la misma forma de la E.D, ya que V(x) es constante = $ V $.

$$-\frac{\hbar^2}{2 m} \frac{d^2}{d x^2}\psi_1\left( x \right) = (E + V) \psi_1 $$

Tomando el caso E menor que $ V_0 $ obtenemos la relación

$$\kappa^2 = \frac{2m(V + E)}{\hbar^2}  $$

Por lo tanto, 

$$\frac{d^2}{d x^2} \psi_1\left(x \right) = \kappa^2 \psi_1\left(x \right) $$

y obtenemos las soluciones para la región 2

$$\psi_2\left(x \right) = A_{2}e^{i \kappa x}+ A'_{2}e^{-i \kappa x}$$

Resolvamos ahora de manera general para lsa regiones 1 y 3 con V = 0

$$-\frac{\hbar^2}{2 m} \frac{d^2}{d x^2} \psi_1\left( x \right) = E \psi_1$$

$$\frac{d^2} {dx^2 }\psi_1 \left( x \right) =  - {{2mE} \over \hbar^2 }\psi_1 \left( x\right)$$

Sustituyendo E en la ecuación anterior 

$${{d^2 \psi_2 \left( x \right)} \over {dx^2 }} =  - \rho^2 \psi_2 \left( x \right)$$

Sabemos que la solución para una E.D de esta forma es 

$$\psi_1\left(x \right) = B_{1}e^{ \rho x}+ B'_{1}e^{- \rho x}$$

$$\psi_3\left(x \right) = B_{3}e^{ \rho x}+ B'_{3}e^{- \rho x}$$

sabemos que

$$\rho = \frac{\sqrt{-2mE}}{\hbar}$$

$$\kappa=\frac{\sqrt{2m(E+V)}}{\hbar}$$

Luego de aplicar las condiciones de frontera y realizar álgebra sobre las constantes $B_{3} , B_{1} ,B'_{3} , B'_{1} $ para encontrar la regla de cuantización de la energía y aplicando el método gráfico de solución [véase Cohen-Tannoudji pg 77], 

$$E_{n}=\frac{{n^{2}\pi^{2}}{\hbar^{2}}}{2ma^{2}} - V$$

De las relaciones de $\rho$ y $E_{n}$

$$  \rho_{n}^{2} = \frac{2mV}{\hbar^{2}} - \frac{n^{2}\pi^{2}}{a^{2}}$$

$$\kappa_{n}^{2} = \frac{n^{2}\pi^{2}}{a^{2}}$$

Por otro lado, las soluciones quedan de la forma 

$$\psi\left( x \right) = \begin{cases} 

\psi_1\left( x \right) = B_{1}e^{\rho x}, & \quad x< \frac{-a}{2} \\ 

\psi_2\left( x \right) = A_{2}e^{i\kappa x} + A'_{2}e^{-i\kappa x} , & \quad \frac{-a}{2} \le x \le \frac{a}{2} \\ 

\psi_3\left( x \right) = B'_{3}e^{-i\rho x}, & \quad  x> \frac{a}{2} 

\end{cases}$$

Dada la condición de normalización e igualando las probabilidades de encontrar la partícula adentro y afuera del pozo de potencial

$$  \int_{-\infty}^{-\frac{a}{2}} |\psi_1\left( x \right)|^{2}dx +  \int_{\frac{a}{2}}^{\infty} |\psi_3\left( x \right)|^{2}dx = \frac{1}{2}$$

$$\int_{-\frac{a}{2}}^{\frac{a}{2}} |\psi_2\left( x \right)|^{2}dx = \frac{1}{2} $$

Desarrollando las integrales para $\psi_{1}$ y $\psi_{3}$:

$$(e^{-\rho a}-1)(|B_{1}|^{2}+|B_{3}|^{2}) = \rho$$

La integral para $\psi_{2}$ después de algunas operaciones algebráicas y aplicación de identidades trigonométricas da como resultado

$$(A_{2}^{2}+A'_{2}^{2})\sin(\kappa a) = \frac{\kappa}{2}-2aA_{2}A'_{2}$$

Reemplazando los valores de $\rho_{n}$ y $\kappa_{n}$ en las expresiones anteriores, es posible despejar $a$:

$$a = \sqrt{\frac{n\pi}{4A_{2}A'_{2}}}$$

Dado que $(e^{-\rho a}-1)(|B_{1}|^{2}+|B_{3}|^{2}) = \rho$ solo tiene solución en $\rho_{n} = 0$, por lo tanto:

$$V = \frac{\hbar^{2}}{m}(2n\pi)A_{2}A'_{2}$$



Juan Felipe Castello
Sebastián Montoya










domingo, 28 de agosto de 2022

Ejercicio 21

Ejercicio 21: Calcule la densidad de corriente de probabilidad para la función de onda

$\psi(r)=\frac{e^{ikr}}{r}$

donde $r^{2}=x^{2}+y^{2}+z^{2}$, y examine su comportamiento para valores de $r$ muy grandes. Interprete su resultado. 


Por: Natalia Alvarez, Santiago Lastra y Catalina Villegas.


La densidad de corriente de probabilidad en tres dimensiones está dado por:

$\vec{j}=\frac{\hbar}{2 m i}\left(\psi^{*} \nabla \psi-\psi \nabla \psi^{*}\right)$

De acuerdo con la función de onda dada en el enunciado, se tiene que:


$\psi=\frac{e^{i \kappa r}}{r}$

$\psi^{*}=\frac{e^{-i \kappa r}}{r}$


Tomando el gradiente en coordenadas esféricas de $\psi$ y $\psi^{*}$ y teniendo en cuenta que las funciones solo tienen coordenada radial se obtiene:


$\nabla \psi=\partial _r \psi=\frac{i k e^{i k r} r-e^{i k r}}{r^{2}}=\frac{e^{i k r}}{r^{2}}(i k r-1)$

$\nabla \psi^{*}=\partial_{r} \psi^{*}=\frac{-i k r e^{-i k r}-e^{-i k}}{r^{2}}=\frac{-e^{-i k}}{r^{2}}(i k r+1)$


Reemplazando pues en la ecuación de la densidad de corriente de probabilidad ($\vec{j}$), se sigue:


$ \vec{j}=\frac{\hbar}{2 m i}\left[\frac{e^{-i k}}{r}\left(\frac{e^{i k r}}{r^{2}}(i k r-1)\right)-\frac{e^{i k r}}{r}\left(-\frac{e^{-i k r}}{r^{2}}(i k r+1)\right)\right]$

$\vec{j}=\frac{\hbar}{2 m i}\left[\frac{i k r-1}{r^{3}}+\frac{i k r+1}{r^{3}}\right]$

$\vec{j}=\frac{\hbar \kappa}{m r^{2}}$


De la forma de la densidad de corriente de probabilidad es evidente que esta decrece con la distancia. 



Ejercicio 31

José Luis Builes Canchala / Valentina Rodriguez Hernandez Calcule el tiempo de vida media del estado hidrogenoide $3s$, el cual está dado po...