LA ECUACION CUANTICA
La ecuación fundamental de la mecánica cuántica
no relativista para la dinámica de una partícula,
sin tener en cuenta el spin, es la ecuación de Schrödinger
o ecuación de ondas:
Donde
representan, respectivamente, la energía potencial, la
constante de Plank y el operador laplaciano y ψ(r, t) es
la llamada función de onda, que nos da toda la información
sobre el estado físico de la partícula en un instante
dado.
La conexión básica entre las propiedades de la
función de onda, ψ(r, t) , y el comportamiento de
la partícula asociada está expresada en términos
de la densidad de probabilidad, P(r, t). Según un postulado
enunciado por Max Born, la relación entre la densidad
de probabilidad y la función de onda, es que la cantidad:
Es proporcional a la probabilidad de que al realizar una medida
de las coordenadas de la partícula, los valores de estas
pertenezcan al elemento diferencial de volumen dv.
Si además, ψ(r, t) cumple la llamada condición
de normalización,
Entonces la expresión (2) “es” la probabilidad
de que al realizar una medida de las coordenadas los valores
de estas pertenezcan al sistema de volumen dv.
Se puede demostrar que si ψ(r, t) está normalizada
para t = 0, permanece normalizada para cualquier otro instante
de tiempo. Para llegar a ello, tomamos la ecuación de
Schrödinger en cualquiera de sus dos formas:
Para una dimensión tendremos:
Derivando respecto al tiempo el integrando de (3), obtenemos:
Y sustituyendo en la integral
Para que esta función permanezca constante es necesario
y suficiente que se tenga:
Para realizar la integración lo hacemos por partes. Poniendo:
Resulta:
Esta última integral también puede ser integrada
por partes:
Resultando:
Con lo que, finalmente:
Pero esta última integral es justamente el primer término
del primer miembro de (I); por lo tanto, podemos escribir:
Y esta última igualdad es cierta porque ψ(r, t) es
una función de onda que cumple:
1) ψ(r, t) y su primera derivada son continuas en el espacio
2) ψ(r, t) tiende a cero para q tendiendo a + infinito
o – infinito.
Cuando ψ(r, t) no es de cuadrado integrable, la función
de onda no se puede normalizar. En tales casos no
determina los valores absolutos de las probabilidades de las
coordenadas, pero la razón de los valores de
en dos puntos distintos del espacio, determinan la probabilidad
relativa de las coordenadas.
Puede demostrarse que la densidad de probabilidad, P(r,t) =
satisface
la ecuación de continuidad:
Donde j recibe el nombre de densidad de corriente de probabilidad.
La demostración podemos hacerla teniendo en cuenta el
ejemplo visto anteriormente, para el que habíamos obtenido
(salvo límites finitos en la integral):
Esto, simbólicamente y pasando a tres coordenadas, se
puede escribir:
Pero teniendo en cuenta las propiedades de los operadores diferenciales,
resulta que la divergencia de la densidad de corriente de probabilidad
vale:
Y esto es justamente el integrando cambiado de signo de (*)
por lo que tendremos:
Y en forma diferencial:
Que es la expresión buscada.
El problema que se nos plantea es la obtención de soluciones
de la ecuación (1) tales que para t = 0 nos den una función
de onda, ψ(r, 0) determinada. Como la variable t no aparece
explícitamente en dicha ecuación, utilizaremos
el método d separación de variables para resolverla.
Tenemos:
Y sustituyendo esta expresión en (1):
El primer miembro de esta ecuación depende únicamente
de t, mientras que el segundo depende únicamente de r,
por lo que podemos igualarlas a una constante, E:
De la primera de ellas obtenemos:
Puede demostrarse además que E es un número real
que se puede identificar con el valor esperado de la energía
total de la partícula para el estado ψ(r, t) .
Según lo visto, las soluciones de la ecuación
(1) serán de la forma:
Siendo ψ(r) la solución de la ecuación de
Schrödinger independiente del tiempo. Hemos de observar
que para los estados determinados por las soluciones (8) el
valor esperado de cualquier magnitud física que no depende
explícitamente del tiempo, es constante. Por lo tanto,
decimos que las funciones de onda tales como (8) representan
estados estacionarios.
Las condiciones de regularidad que, por consideraciones físicas,
debemos imponer a las soluciones ψ(r) de la ecuación
de Schrödinger independiente del tiempo (6) dan lugar a
que en muchas ocasiones, dichas soluciones dependen del parámetro
E, no de forma continua, sino en valores aislados.
Los valores de E para los cuales existen soluciones de (6) compatibles
con las condiciones de contorno impuestas, constituyen el llamado
espectro de energía de la ecuación de Schrödinger.
Este espectro puede estar constituido por valores aislados (niveles
d energía discretos) o por intervalos continuos de valores.
Las funciones de onda de estados estacionarios son soluciones
particulares de la ecuación de ondas. La solución
general de (1) es de la forma:
Donde sumatorio implica integración si una parte o todo
el espectro de energía es continuo. Cuando la ecuación
de Schrödinger tiene más de una solución
independiente para un mismo valor de E, la expresión
anterior puede incluir el mismo valor de la energía más
de una vez, y se dice que dicho nivel energético está
degenerado.
Para que (9) sea la solución buscada es necesario que
la función de onda de un estado inicial determinado puede
descomponerse en la forma:
Cuando esta expresión es posible, decimos que el conjunto
de soluciones estacionarias ψE(r) de la ecuación
de Schrödinger es completo.
Las condiciones para dicha descomposición vienen impuestas
por la forma de los potenciales V(r) que aparecen comúnmente
en la ecuación de Schrödinger. Sin embargo, diremos
que los potenciales V(r) que aparecen comúnmente en la
ecuación permiten el desarrollo anterior para suficientes
tipos de funciones, ψ(r, 0) .
Vamos a analizar ahora soluciones de la ecuación de Schrödinger
para diferentes tipos de potenciales unidimensionales.
VOLVER A FISICA © Javier De Lucas