Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

Oscilador harmônico

A ideia do oscilador harmônico clássico é uma massa mm precisa em uma mola com uma constate de força kk, então esse movimento seria governado pela lei de Hooke:

F=−kx=md2xdt2F=-kx=m\frac{d^{2}x}{dt^{2}}

Então:

kx=−mkd2xdt2=−ωd2xdt2kx=-\frac{m}{k}\frac{d^{2}x}{dt^{2}}=-\omega\frac{d^{2}x}{dt^{2}}

A solução então é:

x(t)=Asin⁡(ωt)+Bcos⁡(ωt)x\left(t\right)=A\sin\left(\omega t\right)+B\cos\left(\omega t\right)

onde:

ω≡mk\omega\equiv\sqrt{\frac{m}{k}}

Para uma força conservativa (∇×F=0)\left(\nabla\times F=0\right) associado a um potencia escalar V(x)V\left(x\right) a força é dada por F=−dVdxF=-\frac{dV}{dx} então:

V(x)=12kx2V\left(x\right)=\frac{1}{2}kx^{2}

Se expandirmos o potencial em uma série de Taylor, lembrando que podemos expandir uma função f(x)f\left(x\right) como uma série de Taylor fazendo em torno do ponto aa:

f(x)=∑n=0∞an(x−a)n,an=f(n)(a)n!f\left(x\right)=\sum^{\infty}_{n=0}a_{n}\left(x-a\right)^{n},\qquad a_{n}=\frac{f^{\left(n\right)}\left(a\right)}{n!}

Expandindo então V(x)V\left(x\right) em torno de x0x_{0}:

V(x)=V(0)(x0)0!(x−x0)0+V(1)(x0)1!(x−x0)1+V2(x0)2!(x−x0)2+…=V(x0)+V′(x0)(x−x0)+12V′′(x0)(x−a)2+…\begin{align} V\left(x\right) & =\frac{V^{\left(0\right)}\left(x_{0}\right)}{0!}\left(x-x_{0}\right)^{0}+\frac{V^{\left(1\right)}\left(x_{0}\right)}{1!}\left(x-x_{0}\right)^{1}+\frac{V^{2}\left(x_{0}\right)}{2!}\left(x-x_{0}\right)^{2}+\dots\\ & =V\left(x_{0}\right)+V^{'}\left(x_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)+\frac{1}{2}V^{''}\left(x_{0}\right)\left(x-a\right)^{2}+\dots \end{align}

Podemos adicionar uma constante a V(x)V\left(x\right) sem alterar a força, uma vez que FF é a derivada, então se somarmos −V(x0)-V\left(x_{0}\right) podemos remover o primeiro termo. Considerando que V′(x0)=0V'\left(x_{0}\right)=0 pois x0x_{0} é um mínimo podemos remover o segundo termo. E se considerarmos que (x−x0)\left(x-x_{0}\right) é pequeno, vamos considerar que podemos desconsiderar pra n>2n>2, então podemos considerar aproximadamente:

V(x)≈12V′′(x0)(x−x0)2V\left(x\right)\approx\frac{1}{2}V''\left(x_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)^{2}

Essa aproximação descreve um oscilador harmônico simples em torno do ponto x0x_{0}. Se oscilarmos em torno de x0=0x_{0}=0:

V(x)≈12V′′(0)x2V\left(x\right)\approx\frac{1}{2}V''\left(0\right)x^{2}

Podemos calcular a força:

F=−dVdx=−ddx(12V′′(0)x2)=−V′′(0)xF=-\frac{dV}{dx}=-\frac{d}{dx}\left(\frac{1}{2}V''\left(0\right)x^{2}\right)=-V''\left(0\right)x

Lembrando que começamos o capítulo discutindo a lei de Hooke F=−kxF=-kx então a constante efetiva é dada por k=V′′(x0)k=V''\left(x_{0}\right). Dessa forma qualquer movimento oscilatório pode ser aproximado como um oscilador harmônico simples, se a amplitude for pequena. Uma exceção é se V′′(x0)=0V''\left(x_{0}\right)=0, nesse caso temos um ponto de inflexão e a oscilação não pode ser aproximada a um oscilador harmônico simples.

O problema quântico é resolver a equação de Schrödinger pro seguinte potencial:

V(x)=12mω2x2V\left(x\right)=\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}

Onde podemos lembrar que:

ω=km→k=mω2\omega=\sqrt{\frac{k}{m}}\rightarrow k=m\omega^{2}

A equação de Schrödinger independente do tempo, com a separação de variáveis é então:

−ℏ22m∂2ψ∂x2+Vψ=Eψ−ℏ22m∂2ψ∂x2+12mω2x2ψ=Eψ\begin{align} -\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{\partial^{2}\psi}{\partial x^{2}}+V\psi & =E\psi\\ -\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{\partial^{2}\psi}{\partial x^{2}}+\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\psi & =E\psi \end{align}

Há duas formas de resolver. Uma mais geral e mais difícil e outra mais específica e mais simples, começaremos pela mais simples.

Método algébrico

Vamos reescrever:

(−ℏ22m∂2∂x2+12mω2x2)ψ=Eψ12m(−ℏ2∂2∂x2+m2ω2x2)ψ=12m[(−iℏ∂∂x)2+(mωx)2]ψ=12m[p^2+(mωx)2]ψ\begin{align} \left(-\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{\partial^{2}}{\partial x^{2}}+\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\right)\psi & =E\psi\\ \frac{1}{2m}\left(-\hbar^{2}\frac{\partial^{2}}{\partial x^{2}}+m^{2}\omega^{2}x^{2}\right)\psi & =\\ \frac{1}{2m}\left[\left(-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}\right)^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\psi & =\\ \frac{1}{2m}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\psi \end{align}

Onde p^=−iℏ∂∂x\widehat{p}=-i\hbar\frac{\partial}{\partial x} é o operador do momento. Para números temos:

u2+v2=(iu+v)(−iu+v)u^{2}+v^{2}=\left(iu+v\right)\left(-iu+v\right)

Isso só é possível porque uu e vv comutam, isto é [u,v]=uv−vu=0\left[u,v\right]=uv-vu=0. Isso não é verdade para p^\widehat{p} e xx. Mas isso pode nos motivar pra analisar as quantidades:

(−ip^+mωx),(+ip^+mωx)\left(-i\widehat{p}+m\omega x\right),\qquad\left(+i\widehat{p}+m\omega x\right)

Ou então escrevendo de forma mais sucinta e colocando um fator a frente (que seja justificado posteriormente, apenas para o resultado ficar melhor) e prestando atenção nos sinais:

a^±≡12ℏmω(∓ip^+mωx)\widehat{a}_{\pm}\equiv\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right)

Então:

a^−a^+=12ℏmω(ip^+mωx)12ℏmω(−ip^+mωx)=12ℏmω[p^2+imωp^x−imωxp^+(mωx)2]=12ℏmω[p^2−imω(xp^−p^x)+(mωx)2]\begin{align} \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+} & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(i\widehat{p}+m\omega x\right)\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\widehat{p}+m\omega x\right)\\ & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}+im\omega\widehat{p}x-im\omega x\widehat{p}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\\ & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}-im\omega\left(x\widehat{p}-\widehat{p}x\right)+\left(m\omega x\right)^{2}\right] \end{align}

Se xx e p^\widehat{p} comutassem teríamos [x,p^]=xp^−p^x=0\left[x,\widehat{p}\right]=x\widehat{p}-\widehat{p}x=0. Isso seria verdade se fossem por exemplo, grandezas escalares, mas são operadores que não comutam [x,p^]≠0\left[x,\widehat{p}\right]\neq0. Então:

a^−a^+=12ℏmω[p^2−imω[x,p^]+(mωx)2]=12ℏmω[p^2+(mωx)2]−imω2ℏmω[x,p^]=12ℏmω[p^2+(mωx)2]−i2ℏ[x,p^]\begin{align} \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+} & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}-im\omega\left[x,\widehat{p}\right]+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\\ & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]-\frac{im\omega}{2\hbar m\omega}\left[x,\widehat{p}\right]\\ & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]-\frac{i}{2\hbar}\left[x,\widehat{p}\right] \end{align}

Agora queremos então calcular o comutador de xx[1] e p^\widehat{p}. Para isso vamos fazer uso de uma função de “teste” f(x)f\left(x\right), já que os comutadores atuam sobre uma função. Podemos remover esta função no final se a operação for independente da escolha da função (como veremos que é), ela serve apenas para nos ajudar a não nos perdermos.

[x,p^]f(x)=(xp^−p^x)f(x)=(−xiℏ∂∂x+iℏ∂∂xx)f(x)=−xiℏ∂f∂x+iℏ∂(xf)∂x=iℏ(−x∂f∂x+x∂f∂x+f∂x∂x)=iℏf(x)[x,p^]=iℏ\begin{align} \left[x,\widehat{p}\right]f\left(x\right) & =\left(x\widehat{p}-\widehat{p}x\right)f\left(x\right)\\ & =\left(-xi\hbar\frac{\partial}{\partial x}+i\hbar\frac{\partial}{\partial x}x\right)f\left(x\right)\\ & =-xi\hbar\frac{\partial f}{\partial x}+i\hbar\frac{\partial\left(xf\right)}{\partial x}\\ & =i\hbar\left(-x\frac{\partial f}{\partial x}+x\frac{\partial f}{\partial x}+f\frac{\partial x}{\partial x}\right)\\ & =i\hbar f\left(x\right)\\ \left[x,\widehat{p}\right] & =i\hbar \end{align}

Essa fórmula é conhecida como relação de comutação canônica. Segundo o livro, todos os “mistérios” da mecânica quântica podem ser traçados no fato de que posição e momento não comutam.Alguns autores tratam este fato como um axioma da teoria e derivam a partir dele p^=−iℏd/dx\widehat{p}=-i\hbar d/dx. Retomando então:

a^−a^+=12ℏmω[p^2+(mωx)2]−i2ℏ[x,p^]=12ℏmω[p^2+(mωx)2]−i2ℏ(iℏ)=1ℏω(12m[p^2+(mωx)2])+12\begin{align} \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+} & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]-\frac{i}{2\hbar}\left[x,\widehat{p}\right]\\ & =\frac{1}{2\hbar m\omega}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]-\frac{i}{2\hbar}\left(i\hbar\right)\\ & =\frac{1}{\hbar\omega}\left(\frac{1}{2m}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\right)+\frac{1}{2} \end{align}

Lembrando:

12m[p^2+(mωx)2]ψ=Eψ\begin{align} \frac{1}{2m}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]\psi & =E\psi \end{align}

E como vimos que a equação de Schrödinger independente do tempo pode ser escrito como H^ψ=Eψ\widehat{H}\psi=E\psi, então:

H^=12m[p^2+(mωx)2]\widehat{H}=\frac{1}{2m}\left[\widehat{p}^{2}+\left(m\omega x\right)^{2}\right]

Ou seja:

a^−a^+=H^ℏω+12\begin{align} \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+} & =\frac{\widehat{H}}{\hbar\omega}+\frac{1}{2} \end{align}

Um cálculo análogo nos leva a:

a^+a^−=H^ℏω−12\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}=\frac{\widehat{H}}{\hbar\omega}-\frac{1}{2}

Então:

[a^−,a^+]=a^−a^+−a^+a^−=(H^ℏω+12)−(H^ℏω−12)=1\left[\widehat{a}_{-},\widehat{a}_{+}\right]=\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}=\left(\frac{\widehat{H}}{\hbar\omega}+\frac{1}{2}\right)-\left(\frac{\widehat{H}}{\hbar\omega}-\frac{1}{2}\right)=1

E o Hamiltoniano pode ser escrito:

H^=(a^−a^+−12)ℏωH^=(a^+a^−+12)ℏω\begin{align} \widehat{H} & =\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}-\frac{1}{2}\right)\hbar\omega\\ \widehat{H} & =\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega \end{align}

Então a equação de Schrödinger se torna[2]:

H^ψ=Eψℏω(a^−a^+−12)ψ=Eψ\begin{align} \widehat{H}\psi & =E\psi\\ \hbar\omega\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}-\frac{1}{2}\right)\psi & =E\psi \end{align}

E:

H^ψ=Eψℏω(a^+a^−+12)ψ=Eψ\begin{align} \widehat{H}\psi & =E\psi\\ \hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)\psi & =E\psi \end{align}

Então de forma mais sucinta podemos escrever então a equação de Schrödinger para o oscilador harmônico como:

ℏω(a^±a^∓±12)ψ=Eψ\hbar\omega\left(\widehat{a}_{\pm}\widehat{a}_{\mp}\pm\frac{1}{2}\right)\psi=E\psi

Então chegamos em uma das primeiras afirmações que precisamos provar: Se a equação de Schrödinger H^ψ=Eψ\widehat{H}\psi=E\psi for satisfeita, então:

H^(a^+ψ)=(E+ℏω)(a^+ψ)\widehat{H}\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)=\left(E+\hbar\omega\right)\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)

Exemplo: Prove que H^(a^+ψ)=(E+ℏω)(a^+ψ)\widehat{H}\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)=\left(E+\hbar\omega\right)\left(\widehat{a}_{+}\psi\right).

Vamos provar usando o resultado prévio:

H^(a^+ψ)=ℏω(a^+a^−+12)(a^+ψ)=ℏω(a^+a^−a^++a^+2)ψ=a^+[ℏω(a^−a^++12)]ψ\begin{align} \widehat{H}\left(\widehat{a}_{+}\psi\right) & =\hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)\\ & =\hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\frac{\widehat{a}_{+}}{2}\right)\psi\\ & =\widehat{a}_{+}\left[\hbar\omega\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\frac{1}{2}\right)\right]\psi \end{align}

E sendo:

[a^−,a^+]=a^−a^+−a^+a^−=1→a^−a^+=a^+a^−+1\left[\widehat{a}_{-},\widehat{a}_{+}\right]=\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}=1\rightarrow\quad\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}=\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+1

Então:

H^(a^+ψ)=a^+[ℏω(a^−a^++12)]ψ=a^+[ℏω(a^+a^−+1+12)]ψ=a^+[ℏω(a^+a^−+12)+ℏω]ψ=a^+[H^+ℏω]ψ=a^+[H^ψ+ℏωψ]=a^+[Eψ+ℏωψ]\begin{align} \widehat{H}\left(\widehat{a}_{+}\psi\right) & =\widehat{a}_{+}\left[\hbar\omega\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\frac{1}{2}\right)\right]\psi\\ & =\widehat{a}_{+}\left[\hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+1+\frac{1}{2}\right)\right]\psi\\ & =\widehat{a}_{+}\left[\hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)+\hbar\omega\right]\psi\\ & =\widehat{a}_{+}\left[\widehat{H}+\hbar\omega\right]\psi\\ & =\widehat{a}_{+}\left[\widehat{H}\psi+\hbar\omega\psi\right]\\ & =\widehat{a}_{+}\left[E\psi+\hbar\omega\psi\right] \end{align}

Então:

H^(a^+ψ)=(E+ℏω)(a^+ψ)\widehat{H}\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)=\left(E+\hbar\omega\right)\left(\widehat{a}_{+}\psi\right)

Uma vez que EE e ℏω\hbar\omega são todas constantes. De forma bastante análoga temos:

H^(a^−ψ)=(E−ℏω)(a^−ψ)\widehat{H}\left(\widehat{a}_{-}\psi\right)=\left(E-\hbar\omega\right)\left(\widehat{a}_{-}\psi\right)

Ou seja:

H^(a^±ψ)=(E±ℏω)(a^±ψ)\widehat{H}\left(\widehat{a}_{\pm}\psi\right)=\left(E\pm\hbar\omega\right)\left(\widehat{a}_{\pm}\psi\right)

Ou seja, podemos gerar novas soluções se podemos encontrar apenas uma solução para começar. a^±\widehat{a}_{\pm} são chamados de operadores escadas, onde a^+\widehat{a}_{+} é um operador de incremento e a^−\widehat{a}_{-} é um operador de decremento. Evidentemente não podemos aplicar o operador de decremento até obtermos uma energia menor que 0, o que não existe. Apesar de que o operador de decremento nos fornece uma nova solução pra equação de Schrödinger, não podemos garantir que ela seja normalizável, seja por ser zero ou porque sua integral quadrado ser finita. Na prática o primeiro caso acontece primeiro, chegamos a uma solução ψ0\psi_{0} de forma que se aplicarmos o operador de decremento temos:

a^−ψ0=0\widehat{a}_{-}\psi_{0}=0

Podemos determinar qual é esta função, usando a definição de a^−\widehat{a}_{-}:

a^−=12ℏmω(ip^+mωx)\begin{align} \widehat{a}_{-} & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(i\widehat{p}+m\omega x\right) \end{align}

Então:

0=a^−ψ0=12ℏmω(ip^+mωx)ψ0=i(−iℏdψ0dx)+mωxψ0=iℏdψ0dx+mωxψ0dψ0dx=−mωℏxψ0dψ0ψ0=−mωℏxdx∫dψ0ψ0=−mωℏ∫xdxln⁡ψ0=−mωℏx22+cexp⁡(ln⁡ψ0)=exp⁡(−mωℏx22+c)ψ0(x)=e−mω2ℏec\begin{align} 0 & =\widehat{a}_{-}\psi_{0}\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(i\widehat{p}+m\omega x\right)\psi_{0}\\ & =i\left(-i\hbar\frac{d\psi_{0}}{dx}\right)+m\omega x\psi_{0}\\ & =i\hbar\frac{d\psi_{0}}{dx}+m\omega x\psi_{0}\\ \frac{d\psi_{0}}{dx} & =-\frac{m\omega}{\hbar}x\psi_{0}\\ \frac{d\psi_{0}}{\psi_{0}} & =-\frac{m\omega}{\hbar}xdx\\ \int\frac{d\psi_{0}}{\psi_{0}} & =-\frac{m\omega}{\hbar}\int xdx\\ \ln\psi_{0} & =-\frac{m\omega}{\hbar}\frac{x^{2}}{2}+c\\ \exp\left(\ln\psi_{0}\right) & =\exp\left(-\frac{m\omega}{\hbar}\frac{x^{2}}{2}+c\right)\\ \psi_{0}\left(x\right) & =e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}}e^{c} \end{align}

Ou então como ec=Ae^{c}=A é um constante qualquer:

ψ0(x)=Ae−mω2ℏx2\psi_{0}\left(x\right)=Ae^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}

Podemos determinar a constante normalizando:

1=∫−∞+∞∣ψ0∣2dx=∫−∞+∞∣Ae−mω2ℏx2∣2dx=∣A∣2∫−∞+∞e−mωℏx2dx1=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{0}\right|^{2}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|Ae^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right|^{2}dx=\left|A\right|^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}dx

Lembrando que essa é a integral gaussiana∫−∞+∞e−ax2dx=πa\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{a}}:

1=∣A∣2πmωℏ=∣A∣2ℏπmω1=\left|A\right|^{2}\sqrt{\frac{\pi}{\frac{m\omega}{\hbar}}}=\left|A\right|^{2}\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}

Então:

A=(mωℏπ)1/4A=\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}

Ou seja:

ψ0(x)=(mωℏπ)1/4e−mω2ℏx2\psi_{0}\left(x\right)=\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}

Agora para determinar a energia vamos retomar a equação de Schrödinger:

ℏω(a^+a^−+12)ψ0=E0ψ0ℏω(a^+a^−ψ0+12ψ0)=E0ψ0ℏω2ψ0=E0ψ0ℏω2=E0\begin{align} \hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)\psi_{0} & =E_{0}\psi_{0}\\ \hbar\omega\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{0}+\frac{1}{2}\psi_{0}\right) & =E_{0}\psi_{0}\\ \frac{\hbar\omega}{2}\psi_{0} & =E_{0}\psi_{0}\\ \frac{\hbar\omega}{2} & =E_{0} \end{align}

Onde usamos o fato de que a^−ψ0=0\widehat{a}_{-}\psi_{0}=0. Então tendo o estado fundamental do oscilador quântico, só precisamos aplicar o operador de incremento de forma repetida para gerar estados excitados, aumentando a energia por ℏω\hbar\omega. Ou seja o estado ψn(x)\psi_{n}\left(x\right) é obtido quando aplicamos o operador a+a_{+} por nn vezes no estado fundamental ψ0(x)\psi_{0}\left(x\right):

ψn(x)=An(a+)nψ0(x)\psi_{n}\left(x\right)=A_{n}\left(a_{+}\right)^{n}\psi_{0}\left(x\right)

E a energia desse estado vai sofrer um incremento de ℏω\hbar\omega pra cada nn vez que aplicarmos o operador de incremento, partindo da energia fundamental E0=ℏω/2E_{0}=\hbar\omega/2:

En=(n+12)ℏωE_{n}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega

Com esse método podemos construir todos estados estacionários do oscilador harmônico.

Exemplo: Calcule o primeiro estado excitado do oscilador harmônico.

Usando a equação 17 e sendo p^=−iℏd/dx\widehat{p}=-i\hbar d/dx:

ψ1(x)=A1(a+)1ψ0(x)=A1a+ψ0(x)=A1(12ℏmω(−ip^+mωx))((mωℏπ)1/4e−mω2ℏx2)=A1(mωℏπ)1/412ℏmω(−ip^e−mω2ℏx2+mωxe−mω2ℏx2)=A1(mωℏπ)1/4(−i[−iℏddx]e−mω2ℏx2+mωxe−mω2ℏx2)=A1(mωℏπ)1/412ℏmω(−ℏddxe−mω2ℏx2+mωxe−mω2ℏx2)=A1(mωℏπ)1/4e−mω2ℏx22ℏmω(−ℏddx(−mω2ℏx2)+mωx)=A1(mωℏπ)1/4e−mω2ℏx22ℏmω(ℏmω2ℏ2x+mωx)=A1(mωℏπ)1/4e−mω2ℏx22ℏmω(mωx+mωx)=A1(mωℏπ)1/42mωx2ℏmωe−mω2ℏx2=A1(mωℏπ)1/42mωℏxe−mω2ℏx2\begin{align} \psi_{1}\left(x\right) & =A_{1}\left(a_{+}\right)^{1}\psi_{0}\left(x\right)\\ & =A_{1}a_{+}\psi_{0}\left(x\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\widehat{p}+m\omega x\right)\right)\left(\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\widehat{p}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}+m\omega xe^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\left(-i\left[-i\hbar\frac{d}{dx}\right]e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}+m\omega xe^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-\hbar\frac{d}{dx}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}+m\omega xe^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-\hbar\frac{d}{dx}\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)+m\omega x\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\hbar\frac{m\omega}{2\hbar}2x+m\omega x\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(m\omega x+m\omega x\right)\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\frac{2m\omega x}{\sqrt{2\hbar m\omega}}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\\ & =A_{1}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}x}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}} \end{align}

Agora só precisamos normalizar.

∫−∞+∞∣ψ∣2dx=∣A1∣2(mωℏπ)1/2(2mωℏ)∫−∞+∞x2e−mωℏx2dx\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi\right|^{2}dx=\left|A_{1}\right|^{2}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/2}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}\right)\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}dx

Para resolver essa integral, vamos seguir esta Solução, onde vamos usar então o seguinte truque:

∂∂ae−ax2=e−ax2∂∂a(−ax2)=−x2e−ax2\frac{\partial}{\partial a}e^{-ax^{2}}=e^{-ax^{2}}\frac{\partial}{\partial a}\left(-ax^{2}\right)=-x^{2}e^{-ax^{2}}

Então:

I=∫−∞+∞x2e−mωℏx2dx=−∫−∞+∞∂∂ae−ax2dx=−∂∂a∫−∞+∞e−ax2dxI=\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}dx=-\int^{+\infty}_{-\infty}\frac{\partial}{\partial a}e^{-ax^{2}}dx=-\frac{\partial}{\partial a}\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-ax^{2}}dx

E como sabemos o resultado esta integral Gaussiana:

I=−∂∂aπa=−π∂a−1/2∂a=−π(−12)a−3/2=π4a3I=-\frac{\partial}{\partial a}\sqrt{\frac{\pi}{a}}=-\sqrt{\pi}\frac{\partial a^{-1/2}}{\partial a}=-\sqrt{\pi}\left(-\frac{1}{2}\right)a^{-3/2}=\sqrt{\frac{\pi}{4a^{3}}}

Então:

1=∣A1∣2(mωℏπ)1/2(2mωℏ)12π(mωℏ)3=∣A1∣2(mωℏ)3/2(ℏmω)3/2=∣A1∣2\begin{align} 1 & =\left|A_{1}\right|^{2}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/2}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}\right)\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{3}}}\\ & =\left|A_{1}\right|^{2}\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{3/2}\left(\frac{\hbar}{m\omega}\right)^{3/2}\\ & =\left|A_{1}\right|^{2} \end{align}

Então A1=1A_{1}=1. A normalização pode ser obtida algebricamente também. Precisamos lembrar que a^+\widehat{a}_{+} é proporcional a ψn±1\psi_{n\pm1}, ou seja:

a^+ψn=cnψn+1,a^−ψn=dnψn−1\widehat{a}_{+}\psi_{n}=c_{n}\psi_{n+1},\quad\widehat{a}_{-}\psi_{n}=d_{n}\psi_{n-1}

Agora queremos obter as constantes de proporcionalidades. Vamos começar provando que para quaisquer funções f(x)f\left(x\right) e g(x)g\left(x\right) temos o resultado discutido no próximo exemplo.

Exemplo: Prove que

∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=∫−∞+∞(a^∓f)∗gdx\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\mp}f\right)^{*}gdx

Então lembrando que a^±≡12ℏmω(∓ip^+mωx)\widehat{a}_{\pm}\equiv\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right) e p^=−iℏd/dx\widehat{p}=-i\hbar d/dx:

∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=∫−∞+∞f∗(12ℏmω(∓ip^+mωx))gdx=12ℏmω∫−∞+∞f∗((∓i[−iℏddx]+mωx)g)dx=12ℏmω∫−∞+∞f∗(∓ℏddx+mωx)gdx=12ℏmω(∓ℏ∫−∞+∞f∗dgdxdx+mω∫−∞+∞f∗xgdx)\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx & =\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right)\right)gdx\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\left(\mp i\left[-i\hbar\frac{d}{dx}\right]+m\omega x\right)g\right)dx\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\mp\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right)gdx\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp\hbar\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\frac{dg}{dx}dx+m\omega\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}xgdx\right) \end{align}

Aplicando então integral por partes na primeira integral sendo f(x)=f∗f\left(x\right)=f^{*}

∫abf(x)g′(x)dx=[f(x)g(x)]ab−∫abf′(x)g(x)dx∫−∞+∞f∗dgdxdx=[f∗g]−∞+∞−∫−∞+∞df∗dxgdx\begin{align} \int^{b}_{a}f\left(x\right)g'\left(x\right)dx & =\left[f\left(x\right)g\left(x\right)\right]^{b}_{a}-\int^{b}_{a}f'\left(x\right)g\left(x\right)dx\\ \int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\frac{dg}{dx}dx & =\left[f^{*}g\right]^{+\infty}_{-\infty}-\int^{+\infty}_{-\infty}\frac{df^{*}}{dx}gdx \end{align}

Na verdade, f(x)f\left(x\right)e g(x)g\left(x\right) são qualquer função desde que elas vão para zero em ±∞\pm\infty, e sendo então que a derivada do conjugado da função é o conjugado da derivada[3] então:

∫−∞+∞f∗dgdxdx=−∫−∞+∞df∗dxgdx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\frac{dg}{dx}dx & =-\int^{+\infty}_{-\infty}\frac{df^{*}}{dx}gdx \end{align}

Então retomando:

∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=12ℏmω(∓ℏ∫−∞+∞f∗dgdxdx+mω∫−∞+∞f∗xgdx)=12ℏmω(±ℏ∫−∞+∞df∗dxgdx+mω∫−∞+∞f∗xgdx)=12ℏmω∫−∞+∞[(±ℏddx+mωx)f∗]gdx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp\hbar\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\frac{dg}{dx}dx+m\omega\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}xgdx\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\pm\hbar\int^{+\infty}_{-\infty}\frac{df^{*}}{dx}gdx+m\omega\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}xgdx\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\int^{+\infty}_{-\infty}\left[\left(\pm\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right)f^{*}\right]gdx \end{align}

E como:

a^±=12ℏmω(∓ip^+mωx)=12ℏmω(∓i(−iℏddx)+mωx)12ℏmω(∓ℏddx+mωx)\begin{align} \widehat{a}_{\pm} & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\left(-i\hbar\frac{d}{dx}\right)+m\omega x\right)\\ & \frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right) \end{align}

Evidentemente então a^±=a^±∗\widehat{a}_{\pm}=\widehat{a}^{*}_{\pm}. Então:

∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=∫−∞+∞[12ℏmω(±ℏddx+mωx)f∗]gdx=∫−∞+∞a^∓f∗gdx=∫−∞+∞a^∓∗f∗gdx∫−∞+∞(a^∓f)∗gdx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx & =\int^{+\infty}_{-\infty}\left[\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\pm\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right)f^{*}\right]gdx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}\widehat{a}_{\mp}f^{*}gdx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}\widehat{a}^{*}_{\mp}f^{*}gdx\\ & \int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\mp}f\right)^{*}gdx \end{align}

Ou seja:

∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=∫−∞+∞(a^∓f)∗gdx\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\mp}f\right)^{*}gdx

Veremos melhor depois, mas isso significa na linguagem da álgebra linear que a^∓\widehat{a}_{\mp} é o conjugado hermitiano (ou adjunto) de a^±\widehat{a}_{\pm}. Então, para uma função de onda qualquer obtida através da aplicação dos operadores escada ψ±n=a^±ψn\psi_{\pm n}=\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}:

I=∫−∞+∞∣ψ±n∣2=∫−∞+∞∣a^±ψn∣2dx=∫−∞+∞(a^±ψn)∗(a^±ψn)dx=∫−∞+∞(a^∓a^±ψn)∗(ψn)I=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{\pm n}\right|^{2}=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}\right|^{2}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}\right)^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}\right)dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\mp}\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)

Agora somos apresentado aos resultados:

a^+a^−ψn=nψn,a^−a^+ψn=(n+1)ψn\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}=n\psi_{n},\qquad\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}=\left(n+1\right)\psi_{n}

Onde é alegado que usamos, ℏω(a^±a^∓±12)ψ=Eψ\hbar\omega\left(\widehat{a}_{\pm}\widehat{a}_{\mp}\pm\frac{1}{2}\right)\psi=E\psi, ψn(x)=An(a^+)nψ0(x)\psi_{n}\left(x\right)=A_{n}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{n}\psi{}_{0}\left(x\right) e En=(n+12)ℏωE_{n}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega. Vamos entender:

ℏω(a^±a^∓±12)ψn=Enψnℏω(a^±a^∓±12)ψn=ℏω(n+12)ψn(a^±a^∓±12)ψn=(n+12)ψn\begin{align} \hbar\omega\left(\widehat{a}_{\pm}\widehat{a}_{\mp}\pm\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & =E_{n}\psi_{n}\\ \hbar\omega\left(\widehat{a}_{\pm}\widehat{a}_{\mp}\pm\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & =\hbar\omega\left(n+\frac{1}{2}\right)\psi_{n}\\ \left(\widehat{a}_{\pm}\widehat{a}_{\mp}\pm\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & =\left(n+\frac{1}{2}\right)\psi_{n} \end{align}

Então:

(a^+a^−+12)ψn=(n+12)ψn→a^+a^−ψn=nψn(a^−a^+−12)ψn=(n+12)ψn→a^−a^+ψn=(n+1)ψn\begin{align} \left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & =\left(n+\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & \rightarrow\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n} & =n\psi_{n}\\ \left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}-\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & =\left(n+\frac{1}{2}\right)\psi_{n} & \rightarrow\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n} & =\left(n+1\right)\psi_{n} \end{align}

Então retomando a integral:

I={∫−∞+∞(a^−a^+ψn)∗(ψn)dx=∫−∞+∞([n+1]ψn)∗(ψn)dx∫−∞+∞(a^+a^−ψn)∗(ψn)dx=∫−∞+∞(nψn)∗(ψn)dxI=\begin{cases} \int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx & =\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\left[n+1\right]\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx\\ \int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx & =\int^{+\infty}_{-\infty}\left(n\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx \end{cases}

Ou então apenas:

∫−∞+∞∣ψ+n∣2dx=(n+1)∫−∞+∞(ψn)∗(ψn)dx=(n+1)∫−∞+∞∣ψn∣2dx∫−∞+∞∣ψ−n∣2dx=n∫−∞+∞(ψn)∗(ψn)dx=n∫−∞+∞∣ψn∣2dx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{+n}\right|^{2}dx & =\left(n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx & = & \left(n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2}dx\\ \int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{-n}\right|^{2}dx & =n\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\psi_{n}\right)^{*}\left(\psi_{n}\right)dx & = & n\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2}dx \end{align}

Evidentemente, outra forma de vermos isso é usando nossas definições iniciais a^+ψn=cnψn+1\widehat{a}_{+}\psi_{n}=c_{n}\psi_{n+1} e a^−ψn=dnψn−1\widehat{a}_{-}\psi_{n}=d_{n}\psi_{n-1}. Então:

∫−∞+∞∣ψ+n∣2dx=∫−∞+∞∣cnψn+1∣2dx=∣cn∣2∫−∞+∞∣ψn+1∣2dx∫−∞+∞∣ψ−n∣2dx=∫−∞+∞∣dnψn−1∣2dx=∣dn∣2∫−∞+∞∣ψn−1∣2dx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{+n}\right|^{2} & dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|c_{n}\psi_{n+1}\right|^{2}dx=\left|c_{n}\right|^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n+1}\right|^{2}dx\\ \int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{-n}\right|^{2} & dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|d_{n}\psi_{n-1}\right|^{2}dx=\left|d_{n}\right|^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n-1}\right|^{2}dx \end{align}

Ou seja:

(n+1)∫−∞+∞∣ψn∣2dx=∣cn∣2∫−∞+∞∣ψn+1∣2dxn∫−∞+∞∣ψn∣2dx=∣dn∣2∫−∞+∞∣ψn+1∣2dx\begin{align} \left(n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2}dx & =\left|c_{n}\right|^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n+1}\right|^{2}dx\\ n\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2} & dx=\left|d_{n}\right|^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n+1}\right|^{2}dx \end{align}

Mas se todas as funções de onda (ψn\psi_{n},ψn+1\psi_{n+1} e ψn−1\psi_{n-1}) são normalizadas então todas integrais do seu quadrado devem ser iguais a 1.

∫−∞+∞∣ψn∣2dx=∫−∞+∞∣ψn+1∣2dx=∫−∞+∞∣ψn−1∣2dx=1\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n+1}\right|^{2}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n-1}\right|^{2}dx=1

Ou seja, escolhendo coeficientes de normalização reais:

(n+1)=∣cn∣2n=∣dn∣2n+1=cnn=dn\begin{align} \left(n+1\right) & =\left|c_{n}\right|^{2} & n & =\left|d_{n}\right|^{2}\\ \sqrt{n+1} & =c_{n} & \sqrt{n} & =d_{n} \end{align}

Então, as nossas definições iniciais, temos:

a^+ψn=cnψn+1a^−ψn=dnψn−1=n+1ψn+1=nψn−1\begin{align} \widehat{a}_{+}\psi_{n} & =c_{n}\psi_{n+1} & \widehat{a}_{-}\psi_{n} & =d_{n}\psi_{n-1}\\ & =\sqrt{n+1}\psi_{n+1} & & =\sqrt{n}\psi_{n-1} \end{align}

Podemos ainda ir além, isso ficará claro depois de analisarmos os primeiros valores de nn. Mas lembrando que partirmos de ψ0\psi_{0}, então estamos mais interessados em obter uma nova função de onda ψn+1\psi_{n+1} a partir da aplicação do operador de incremento a^+\widehat{a}_{+} em uma função de onda de energia mais baixa. Ou seja:

ψn+1=1n+1(a^+ψn)\psi_{n+1}=\frac{1}{\sqrt{n+1}}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{n}\right)

Então partindo de ψ0\psi_{0}:

ψ0=ψ0ψ1=10+1(a^+ψ0)=a^+ψ0ψ2=11+1(a^+ψ1)=12a^+ψ1=12a^+(a^+ψ0)=12⋅1(a^+)2ψ0=12!(a^+)2ψ0ψ3=12+1(a^+ψ2)=13a^+ψ2=13a^+(12!(a^+)2ψ0)=13!(a^+)3ψ0\begin{align} \psi_{0} & =\psi_{0}\\ \psi_{1} & =\frac{1}{\sqrt{0+1}}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{0}\right)=\widehat{a}_{+}\psi_{0}\\ \psi_{2} & =\frac{1}{\sqrt{1+1}}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{1}\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}\widehat{a}_{+}\psi_{1}=\frac{1}{\sqrt{2}}\widehat{a}_{+}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{0}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\cdot1}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{2}\psi_{0}=\frac{1}{\sqrt{2!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{2}\psi_{0}\\ \psi_{3} & =\frac{1}{\sqrt{2+1}}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{2}\right)=\frac{1}{\sqrt{3}}\widehat{a}_{+}\psi_{2}=\frac{1}{\sqrt{3}}\widehat{a}_{+}\left(\frac{1}{\sqrt{2!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{2}\psi_{0}\right)=\frac{1}{\sqrt{3!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{3}\psi_{0} \end{align}

Então:

ψn=1n!(a^+)nψ0\psi_{n}=\frac{1}{\sqrt{n!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{n}\psi_{0}

Lembrando que ψ0(x)=(mωℏπ)1/4e−mω2ℏx2\psi_{0}\left(x\right)=\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}} foi calculado, então, de forma mais completa:

ψn(x)=1n!(mωℏπ)1/4(a^+)ne−mω2ℏx2\psi_{n}\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{n!}}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{n}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}

Ou ainda:

ψn(x)=1n!(mωℏπ)1/4(12ℏmω(−ℏddx+mωx))ne−mω2ℏx2\psi_{n}\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{n!}}\left(\frac{m\omega}{\hbar\pi}\right)^{1/4}\left(\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right)\right)^{n}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}

Temos novamente um caso em que os estados são ortogonais, ou seja:

∫−∞+∞ψm∗ψndx=δmn\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx=\delta_{mn}

Primeiro usando a^+a^−ψn=nψn\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}=n\psi_{n} então:

∫−∞∞ψm∗(a^+a^−)ψndx=∫−∞∞ψm∗(a^a^−)ψndx=∫−∞∞ψm∗nψndx=n∫−∞∞ψm∗ψndx\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx=\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\left(\widehat{a}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx=\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}n\psi_{n}dx=n\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx

Mas usando :∫−∞+∞f∗(a^±g)dx=∫−∞+∞(a^∓f)∗gdx\int^{+\infty}_{-\infty}f^{*}\left(\widehat{a}_{\pm}g\right)dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{\mp}f\right)^{*}gdx :

∫−∞∞ψm∗(a^+a^−)ψndx=∫−∞∞ψm∗(a^+[a^−ψn])dx=∫−∞∞(a^−ψm)∗(a^−ψn)dx=∫−∞∞(a^+a^−ψm)∗ψndx\begin{align} \int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx= & \int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\left(\widehat{a}_{+}\left[\widehat{a}_{-}\psi_{n}\right]\right)dx\\ = & \int^{\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{-}\psi_{m}\right)^{*}\left(\widehat{a}_{-}\psi_{n}\right)dx\\ = & \int^{\infty}_{-\infty}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{m}\right)^{*}\psi_{n}dx \end{align}

Ou seja:

∫−∞∞ψm∗(a^+a^−)ψndx=∫−∞∞(mψm)∗ψndx=m∫−∞∞ψm∗ψndx\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx=\int^{\infty}_{-\infty}\left(m\psi_{m}\right)^{*}\psi_{n}dx=m\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx

Evidentemente como 81 e 83 devem ser iguais:

n∫−∞∞ψm∗ψndx=m∫−∞∞ψm∗ψndx0=(m−n)∫−∞∞ψm∗ψndx\begin{align} n\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx & =m\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx\\ 0 & =\left(m-n\right)\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx \end{align}

Então se m≠nm\neq n temos ∫−∞∞ψm∗ψndx=0\int^{\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx=0. Dessa forma provamos a ortogonalidade. E se ortonormal então, quando m=n,m=n,temos apenas:

∫−∞+∞ψm∗ψndx=∫−∞+∞∣ψn∣2dx=1\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}\left|\psi_{n}\right|^{2}dx=1

Que é essencialmente o critério de normalização da função de onda já discutido. A ortonormalidade nos permite usar novamente o truque de Fourier para avaliar os coeficientes cnc_{n} e ∣cn∣2\left|c_{n}\right|^{2} sempre será a probabilidade que a medição d energia nos retorne um valor EnE_{n}.

Exemplo: Encontre o valor esperado da energia potencial no enésimo estado do oscilador harmônico.

A anergia potencial[4] esperada do oscilador harmônico é dado por:

⟨V⟩=⟨12mω2x2⟩=∫−∞+∞ψn∗(12mω2x2)ψndx\left\langle V\right\rangle =\left\langle \frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\right\rangle =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\right)\psi_{n}dx

Ou apenas:

⟨V⟩=12mω2∫−∞+∞ψn∗x2ψndx\left\langle V\right\rangle =\frac{1}{2}m\omega^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}x^{2}\psi_{n}dx

Mas agora podemos usar um truque lembrando que na equação 17, temos: a^±≡12ℏmω(∓ip^+mωx)\widehat{a}_{\pm}\equiv\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right)

Então:

a^++a^−=12ℏmω(−ip^+mωx)+12ℏmω(+ip^+mωx)=2mω2ℏmωx=2mωℏxℏ2mω(a^++a^−)=x\begin{align} \widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-} & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\widehat{p}+m\omega x\right)+\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(+i\widehat{p}+m\omega x\right)\\ & =\frac{2m\omega}{\sqrt{2\hbar m\omega}}x\\ & =\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}x\\ \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left(\widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-}\right) & =x \end{align}

De modo análogo poderíamos calcular que:

p^=iℏmω2(a^+−a^−)\widehat{p}=i\sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}}\left(\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{-}\right)

Fazendo então:

x2=(ℏ2mω[a^++a^−])(ℏ2mω[a^++a^−])=ℏ2mω(a^+2+a^+a^−+a^−a^++a^−2)\begin{align} x^{2} & =\left(\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left[\widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-}\right]\right)\left(\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left[\widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-}\right]\right)\\ & =\frac{\hbar}{2m\omega}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right) \end{align}

E como:

(a^+2+a^−2)ψn=a^+a^+ψn+a^−a^−ψn=a^+cnψn+1+a^−dnψn−1=cna^+ψn+1+dna^−ψn−1=cncn+1ψn+2+dndn−1ψn−2=Aψn+2+Bψn−2\begin{align} \left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\psi_{n} & =\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{-}\psi_{n}\\ & =\widehat{a}_{+}c_{n}\psi_{n+1}+\widehat{a}_{-}d_{n}\psi_{n-1}\\ & =c_{n}\widehat{a}_{+}\psi_{n+1}+d_{n}\widehat{a}_{-}\psi_{n-1}\\ & =c_{n}c_{n+1}\psi_{n+2}+d_{n}d_{n-1}\psi_{n-2}\\ & =A\psi_{n+2}+B\psi_{n-2} \end{align}

Pela ortogonalidade temos:

∫−∞+∞ψn∗(a^+2+a^−2)ψndx=∫−∞+∞ψn∗(Aψn+2+Bψn−2)dx=A∫−∞+∞ψn∗ψn+2dx+BA∫−∞+∞ψn∗ψn−2dx=Aδn,n+1+Bδn,n−2=0\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\psi_{n}dx & =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(A\psi_{n+2}+B\psi_{n-2}\right)dx\\ & =A\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n+2}dx+BA\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n-2}dx\\ & =A\delta_{n,n+1}+B\delta_{n,n-2}\\ & =0 \end{align}

Dessa forma ficamos apenas com:

⟨V⟩=12mω2∫−∞+∞ψn∗x2ψndx=12mω2∫−∞+∞ψn∗[ℏ2mω(a^+2+a^+a^−+a^−a^++a^−2)]ψndx=ℏω4[∫−∞+∞ψn∗(a^+2+a^−2)ψndx+∫−∞+∞ψn∗(a^+a^−+a^−a^+)ψndx]=ℏω4∫−∞+∞ψn∗(a^+a^−+a^−a^+)ψndx=ℏω4[∫−∞+∞ψn∗(a^+a^−)ψndx+∫−∞+∞ψn∗(a^−a^+)ψndx]\begin{align} \left\langle V\right\rangle & =\frac{1}{2}m\omega^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}x^{2}\psi_{n}dx\\ & =\frac{1}{2}m\omega^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left[\frac{\hbar}{2m\omega}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\right]\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\psi_{n}dx+\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx\right]\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx+\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx\right] \end{align}

E como em 65 vimos que a^+a^−ψn=nψn\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}=n\psi_{n} e a^−a^+ψn=(n+1)ψn\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}=\left(n+1\right)\psi_{n}, então:

⟨V⟩=ℏω4[∫−∞+∞ψn∗(a^+a^−)ψndx+∫−∞+∞ψn∗(a^−a^+)ψndx]=ℏω4[∫−∞+∞ψn∗nψndx+∫−∞+∞ψn∗(n+1)ψndx]=ℏω4[n∫−∞+∞ψn∗ψndx+(n+1)∫−∞+∞ψn∗ψndx]=ℏω4[(n+n+1)∫−∞+∞ψn∗ψndx]=ℏω4(2n+1)∫−∞+∞ψn∗ψndx\begin{align} \left\langle V\right\rangle & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\right)\psi_{n}dx+\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx\right]\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}n\psi_{n}dx+\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\left(n+1\right)\psi_{n}dx\right]\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[n\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx+\left(n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx\right]\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left[\left(n+n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx\right]\\ & =\frac{\hbar\omega}{4}\left(2n+1\right)\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx \end{align}

E pela normalização da função de onda, ficamos então com:

⟨V⟩=ℏω4(2n+1)=ℏω2(n+12)\left\langle V\right\rangle =\frac{\hbar\omega}{4}\left(2n+1\right)=\frac{\hbar\omega}{2}\left(n+\frac{1}{2}\right)

Ou seja, o valor esperado da energia potencial é metade da energia total (a outra metade é energia cinética).

Exemplo:

a) Construa ψ2(x)\psi_{2}\left(x\right).

b) Verifique a ortogonalidade de ψ0\psi_{0}, ψ1\psi_{1} e ψ2\psi_{2} por integração explícita.

Partindo de:

a^±=12ℏmω(∓ip^+mωx)ψ0(x)=(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)\widehat{a}_{\pm}=\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\mp i\widehat{p}+m\omega x\right)\quad\psi_{0}\left(x\right)=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)

E sendo p^=−iℏddx\widehat{p}=-i\hbar\frac{d}{dx}, então :

a^+ψ0=12ℏmω(−ip^+mωx)(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)=12ℏmω(−i[−iℏddx]+mωx)(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)=12ℏmω(mωπℏ)1/4(−ℏddx(exp⁡(−mω2ℏx2))+mωxexp⁡(−mω2ℏx2))=12ℏmω(mωπℏ)1/4(−ℏexp⁡(−mω2ℏx2)(−2mωx2ℏ)+mωxexp⁡(−mω2ℏx2))=12ℏmω(mωπℏ)1/4(exp⁡(−mω2ℏx2)mωx+mωxexp⁡(−mω2ℏx2))=2mω2ℏmω(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x=2mωℏ(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x\begin{alignat}{1} \widehat{a}_{+}\psi_{0} & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\widehat{p}+m\omega x\right)\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-i\left[-i\hbar\frac{d}{dx}\right]+m\omega x\right)\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar\frac{d}{dx}\left(\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\right)+m\omega x\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\left(-\frac{2m\omega x}{2\hbar}\right)+m\omega x\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)m\omega x+m\omega x\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\right)\\ & =\frac{2m\omega}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x\\ & =\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x \end{alignat}

Aplicando o operador escada novamente:

(a^+)2ψ0=a^+(a^+ψ0)=a^+(2mωℏ(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x)=12ℏmω(−ℏddx+mωx)(2mωℏ(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x)=2mω2ℏ2mω(mωπℏ)1/4(−ℏddx[e−mω2ℏx2x]+mωxe−mω2ℏx2x)=1ℏ(mωπℏ)1/4(−ℏ[e−mω2πℏx2ddxx+xddxe−mω2ℏx2]+mωx2e−mω2πℏx2)=1ℏ(mωπℏ)1/4(−ℏ[e−mω2ℏx2+xe−mω2ℏx2(−2xmω2ℏx)]+mωx2e−mω2ℏx2)=1ℏ(mωπℏ)1/4(−ℏe−mω2ℏx2+e−mω2ℏx2(x2mω)+mωx2e−mω2ℏx2)=1ℏ(mωπℏ)1/4(−ℏ+x2mω+mωx2)e−mω2ℏx2=1ℏ(mωπℏ)1/4(2mωx2−ℏ)e−mω2ℏx2=(mωπℏ)1/4(2mωℏx2−1)e−mω2ℏx2\begin{alignat}{1} \left(\widehat{a}_{+}\right)^{2}\psi_{0} & =\widehat{a}_{+}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{0}\right)\\ & =\widehat{a}_{+}\left(\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2\hbar m\omega}}\left(-\hbar\frac{d}{dx}+m\omega x\right)\left(\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x\right)\\ & =\sqrt{\frac{2m\omega}{2\hbar^{2}m\omega}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar\frac{d}{dx}\left[e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}x\right]+m\omega xe^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}x\right)\\ & =\frac{1}{\hbar}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar\left[e^{-\frac{m\omega}{2\pi\hbar}x^{2}}\frac{d}{dx}x+x\frac{d}{dx}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right]+m\omega x^{2}e^{-\frac{m\omega}{2\pi\hbar}x^{2}}\right)\\ & =\frac{1}{\hbar}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar\left[e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}+xe^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\left(-\frac{2xm\omega}{2\hbar}x\right)\right]+m\omega x^{2}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =\frac{1}{\hbar}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}+e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\left(x^{2}m\omega\right)+m\omega x^{2}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =\frac{1}{\hbar}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(-\hbar+x^{2}m\omega+m\omega x^{2}\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\\ & =\frac{1}{\hbar}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(2m\omega x^{2}-\hbar\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\\ & =\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}} \end{alignat}

E como vimos que:

ψn=1n!(a^+)nψ0ψ2=12!(a^+)2ψ0=12(mωπℏ)1/4(2mωℏx2−1)e−mω2ℏx2\begin{align} \psi_{n} & =\frac{1}{\sqrt{n!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{n}\psi_{0}\\ \psi_{2} & =\frac{1}{\sqrt{2!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{2}\psi_{0}\\ & =\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}} \end{align}

Também:

ψ1=11!(a^+)1ψ0=2mωℏ(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x\begin{align} \psi_{1} & =\frac{1}{\sqrt{1!}}\left(\widehat{a}_{+}\right)^{1}\psi_{0}\\ & =\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x \end{align}

Então agora queremos verificar a ortogonalidade. Para f(x)=ψ0∗ψ1f\left(x\right)=\psi^{*}_{0}\psi_{1}:

ψ0∗ψ1=((mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2))(2mωℏ(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)x)f(x)=[(mωπℏ)1/42mωℏ(mωπℏ)1/4]exp⁡(−mω2ℏx2−mω2ℏx2)x=Aexp⁡(−mωℏx2)x\begin{align} \psi^{*}_{0}\psi_{1} & =\left(\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)\right)\left(\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x\right)\\ f\left(x\right) & =\left[\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\right]\exp\left(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}\right)x\\ & =A\exp\left(-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}\right)x \end{align}

Podemos ver que é uma função ímpar:

f(−x)=Ae(−mωℏ(−x)2)(−x)=−Ae(−mωℏx2)x=−f(x)f\left(-x\right)=Ae^{\left(-\frac{m\omega}{\hbar}\left(-x\right)^{2}\right)}\left(-x\right)=-Ae^{\left(-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}\right)}x=-f\left(x\right)

Logo:

∫−∞+∞ψ0∗ψ1dx=∫−∞+∞f(x)dx=0\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{0}\psi_{1}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}f\left(x\right)dx=0

Vamos ter um resultado análogo para ψ2∗ψ1∗\psi^{*}_{2}\psi^{*}_{1}:

ψ2∗ψ1=(12(mωπℏ)1/4(2mωℏx2−1)e−mω2ℏx2)(2mωℏ(mωπℏ)1/4e−mω2ℏx2x)f(x)=[12(mωπℏ)1/42mωℏ(mωπℏ)1/4](2mωℏx2−1)e−mω2ℏx2−mω2ℏx2x=A(2mωℏx2−1)e−mωℏx2x\begin{align} \psi^{*}_{2}\psi_{1} & =\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\left(\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}x\right)\\ f\left(x\right) & =\left[\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\right]\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}x\\ & =A\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}x \end{align}

Temos novamente uma função ímpar:

f(−x)=A(2mωℏ(−x)2−1)e−mωℏ(−x)2(−x)=−A(2mωℏx2−1)e−mωℏx2x=−f(x)f\left(-x\right)=A\left(\frac{2m\omega}{\hbar}\left(-x\right)^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{\hbar}\left(-x\right)^{2}}\left(-x\right)=-A\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}x=-f\left(x\right)

Logo novamente:

∫−∞+∞ψ2∗ψ1dx=∫−∞+∞f(x)dx=0\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{2}\psi_{1}dx=\int^{+\infty}_{-\infty}f\left(x\right)dx=0

Isso muda para ψ2∗ψ0\psi^{*}_{2}\psi_{0}, agora teremos uma função par. Então precisamos calcular explícitamente.

ψ2∗ψ0=(12(mωπℏ)1/4(2mωℏx2−1)e−mω2ℏx2)((mωπℏ)1/4e−mω2ℏx2)=A(2mωℏx2−1)e−mωℏx2=A2mωℏx2e−mωℏx2−Ae−mωℏx2=Bx2e−ax2−Ae−ax2\begin{align} \psi^{*}_{2}\psi_{0} & =\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\left(\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}e^{-\frac{m\omega}{2\hbar}x^{2}}\right)\\ & =A\left(\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}-1\right)e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}\\ & =A\frac{2m\omega}{\hbar}x^{2}e^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}-Ae^{-\frac{m\omega}{\hbar}x^{2}}\\ & =Bx^{2}e^{-ax^{2}}-Ae^{-ax^{2}} \end{align}

Integrando temos então:

∫−∞+∞ψ2∗ψ0dx=B∫−∞+∞x2e−ax2dx−A∫−∞+∞e−ax2dx\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{2}\psi_{0}dx=B\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-ax^{2}}dx-A\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-ax^{2}}dx

Estas duas integrais já foram resolvidas. ∫−∞+∞e−ax2dx=πa\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{a}} e ∫−∞+∞x2e−ax2dx=π4a3\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{4a^{3}}}, então, e sendo A=12(mωπℏ)1/2A=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}, B=A2mωℏB=A\frac{2m\omega}{\hbar} e a=mωℏa=\frac{m\omega}{\hbar} então:

∫−∞+∞ψ2∗ψ0dx=B∫−∞+∞x2e−αx2dx−A∫−∞+∞e−αx2dx=B(π4a3)−Aπa=A2mωℏ(π4(mωℏ)3)−12(mωπℏ)1/2πmωℏ=12(mωπℏ)1/22mωℏ(ℏ3π4(mω)3)−12(mωπℏ)1/2ℏπmω=12(mωπℏ)1/2(22m2ω2ℏ2(ℏ3π4(mω)3)−ℏπmω)=12(mωπℏ)1/2(ℏπmω−ℏπmω)=0\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{2}\psi_{0}dx & =B\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-\alpha x^{2}}dx-A\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\alpha x^{2}}dx\\ & =B\left(\sqrt{\frac{\pi}{4a^{3}}}\right)-A\sqrt{\frac{\pi}{a}}\\ & =A\frac{2m\omega}{\hbar}\left(\sqrt{\frac{\pi}{4\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{3}}}\right)-\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\sqrt{\frac{\pi}{\frac{m\omega}{\hbar}}}\\ & =\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\frac{2m\omega}{\hbar}\left(\sqrt{\frac{\hbar^{3}\pi}{4\left(m\omega\right)^{3}}}\right)-\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}\\ & =\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\left(\sqrt{\frac{2^{2}m^{2}\omega^{2}}{\hbar^{2}}}\left(\sqrt{\frac{\hbar^{3}\pi}{4\left(m\omega\right)^{3}}}\right)-\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}\right)\\ & =\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}\left(\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}-\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}\right)\\ & =0 \end{align}

Exemplo:

a) Calcule ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle, ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle, ⟨x2⟩\left\langle x^{2}\right\rangle e ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle para os estados ψ0\psi_{0} e ψ1\psi_{1} por integração explícita.

b) Verifique o princípio da incerteza para estes estados.

c) Calcule ⟨T⟩\left\langle T\right\rangle e ⟨V⟩\left\langle V\right\rangle para estes estado. A soma deles é o esperado?

Vamos analisar algo primeiro. O produto entre uma função par g(x)g\left(x\right) e uma ímpar f(x)f\left(x\right) é uma função ímpar. Isto é, se:

g(x)=f(x)g(x)g\left(x\right)=f\left(x\right)g\left(x\right)

Então:

g(−x)=f(−x)g(−x)=−f(x)g(x)=−g(x)g\left(-x\right)=f\left(-x\right)g\left(-x\right)=-f\left(x\right)g\left(x\right)=-g\left(x\right)

Agora queremos analisar ∣f(x)∣2\left|f\left(x\right)\right|^{2}. Primeiro vamos mostrar que o conjugado f∗(x)f^{*}\left(x\right) mantem a paridade. Sendo f(x)=u(x)+iv(x)f\left(x\right)=u\left(x\right)+iv\left(x\right) então se é par:

f(−x)=u(−x)+iv(−x)=u(x)+iv(x)=f(x)f\left(-x\right)=u\left(-x\right)+iv\left(-x\right)=u\left(x\right)+iv\left(x\right)=f\left(x\right)

O conjugado então:

f∗(−x)=u(−x)−iv(−x)=u(x)−iv(x)=f(x)f^{*}\left(-x\right)=u\left(-x\right)-iv\left(-x\right)=u\left(x\right)-iv\left(x\right)=f\left(x\right)

Acontece algo análogo se for uma função ímpar, como podemos ii não interfere. Já vimos anteriormente que podemos escrever qualquer função complexa como uma combinção de funções reais. Assim sendo ∣f(x)∣2\left|f\left(x\right)\right|^{2} é par independente de f(x)f\left(x\right) ser par ou ímpar. No caso de ser par é óbvio, mas podemos olhar o que acontece se for ímpar:

∣f(−x)∣2=f∗(−x)f(−x)=[−f∗(x)][−f(x)]=f∗(x)f(x)=∣f(x)∣2\begin{align} \left|f\left(-x\right)\right|^{2} & =f^{*}\left(-x\right)f\left(-x\right)=\left[-f^{*}\left(x\right)\right]\left[-f\left(x\right)\right]=f^{*}\left(x\right)f\left(x\right)=\left|f\left(x\right)\right|^{2} \end{align}

Usando a propriedade que discutimos de que o conjugado da função conserva a paridade.

Ou seja se temos f(x)∣g(x)∣2f\left(x\right)\left|g\left(x\right)\right|^{2}, onde g(x)g\left(x\right) tem alguma paridade, então a paridade dessa função é definida pela paridade de f(x)f\left(x\right).

Vamos usar isso para calcular ⟨x⟩=∫−∞+∞x∣ψn∣dx\left\langle x\right\rangle =\int^{+\infty}_{-\infty}x\left|\psi_{n}\right|dx, pois temos então um integrando ímpar, independente se n=0n=0 ou n=1n=1 logo ⟨x⟩=0\left\langle x\right\rangle =0.

Consequentemente ⟨p⟩=md⟨x⟩dt=0\left\langle p\right\rangle =m\frac{d\left\langle x\right\rangle }{dt}=0 também. Agora precisamos então calcular ⟨x2⟩\left\langle x^{2}\right\rangle e ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle. Primeiro para ψ0\psi_{0}, temos ψ0(x)=ae−b2x2\psi_{0}\left(x\right)=ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}, onde a=(mωπℏ)1/4a=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4} e b=mωℏb=\frac{m\omega}{\hbar} para facilitar. Então:

⟨x2⟩=∫−∞+∞ψ0∗x2ψ0dx=∫−∞+∞ae−b2x2x2ae−b2x2dx=a2∫−∞+∞x2e−bx2dx=a2π4b3\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{0}x^{2}\psi_{0}dx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x^{2}ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}dx\\ & =a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx\\ & =a^{2}\sqrt{\frac{\pi}{4b^{3}}} \end{align}

Onde usamos novamente o resultado já conhecido que ∫−∞+∞x2e−ax2dx=π4a3\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{4a^{3}}}. e substindo:

⟨x2⟩=[(mωπℏ)1/4]2π4(mωℏ)3=mωπℏπℏ34(mω)3=(ℏ4mω)2=ℏ2mω\left\langle x^{2}\right\rangle =\left[\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\right]^{2}\sqrt{\frac{\pi}{4\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{3}}}=\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}\sqrt{\frac{\pi\hbar^{3}}{4\left(m\omega\right)^{3}}}=\sqrt{\left(\frac{\hbar}{4m\omega}\right)^{2}}=\frac{\hbar}{2m\omega}

E para ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle:

⟨p2⟩=∫−∞+∞ψ0∗(−iℏddx)2ψ0dx=∫−∞+∞ae−b2x2(−ℏ2d2dx2)ae−b2x2dx=−(aℏ)2∫−∞+∞e−b2x2ddx(−bxe−b2x2)dx=(aℏ)2b∫−∞+∞e−b2x2(e−b2x2−xe−b2x2bx)dx=(aℏ)2b(∫−∞+∞e−bx2dx−b∫−∞+∞x2e−bx2dx)\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{0}\left(-i\hbar\frac{d}{dx}\right)^{2}\psi_{0}dx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}\left(-\hbar^{2}\frac{d^{2}}{dx^{2}}\right)ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}dx\\ & =-\left(a\hbar\right)^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\frac{b}{2}x^{2}}\frac{d}{dx}\left(-bxe^{-\frac{b}{2}x^{2}}\right)dx\\ & =\left(a\hbar\right)^{2}b\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\frac{b}{2}x^{2}}\left(e^{-\frac{b}{2}x^{2}}-xe^{-\frac{b}{2}x^{2}}bx\right)dx\\ & =\left(a\hbar\right)^{2}b\left(\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-bx^{2}}dx-b\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx\right) \end{align}

Novamente utilizand os resultados já conhecidos ∫−∞+∞x2e−ax2dx=π4a3\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{4a^{3}}} e ∫−∞+∞e−ax2dx=πa\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-ax^{2}}dx=\sqrt{\frac{\pi}{a}}

⟨p2⟩=(aℏ)2b(πb−bπ4b3)=((mωπℏ)1/4ℏ)2mωℏ(πmωℏ−mωℏπ4(mωℏ)3)=(mωπℏ)1/2mℏω(ℏπmω−12(2mωℏ)2ℏ3π4(mω)3)=12mωπℏmℏωℏπmω=mℏω2\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\left(a\hbar\right)^{2}b\left(\sqrt{\frac{\pi}{b}}-b\sqrt{\frac{\pi}{4b^{3}}}\right)\\ & =\left(\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\hbar\right)^{2}\frac{m\omega}{\hbar}\left(\sqrt{\frac{\pi}{\frac{m\omega}{\hbar}}}-\frac{m\omega}{\hbar}\sqrt{\frac{\pi}{4\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{3}}}\right)\\ & =\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/2}m\hbar\omega\left(\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}-\frac{1}{2}\sqrt{\left(\frac{2m\omega}{\hbar}\right)^{2}}\sqrt{\frac{\hbar^{3}\pi}{4\left(m\omega\right)^{3}}}\right)\\ & =\frac{1}{2}\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}m\hbar\omega\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}\\ & =\frac{m\hbar\omega}{2} \end{align}

Onde a=(mωπℏ)1/4a=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4} e b=mωℏb=\frac{m\omega}{\hbar} . E agora para n=1n=1 sendo

ψ1=ae−b2x2x\psi_{1}=ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x

Onde agora a=2mωℏ(mωπℏ)1/4a=\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4} e b=mωℏb=\frac{m\omega}{\hbar}. Então:

⟨x2⟩=∫−∞+∞ψ1∗x2ψ1dx=∫−∞+∞(ae−b2x2x)x2(ae−b2x2x)dx=a2∫−∞+∞x4e−bx2dx\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{1}x^{2}\psi_{1}dx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}\left(ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\right)x^{2}\left(ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\right)dx\\ & =a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx \end{align}

Usando integral por partes sendo u=x3u=x^{3} (logo dudx=3x2\frac{du}{dx}=3x^{2}) e dvdu=xe−ax2\frac{dv}{du}=xe^{-ax^{2}} , então se w=−ax2w=-ax^{2} (dwdx=−2ax\frac{dw}{dx}=-2ax) temos:

v=∫xe−ax2dx=−12a∫ewdw=−ew2a+C=−e−ax22a+Cv=\int xe^{-ax^{2}}dx=-\frac{1}{2a}\int e^{w}dw=-\frac{e^{w}}{2a}+C=-\frac{e^{-ax^{2}}}{2a}+C

Então:

∫udv=uv−∫vdu∫−∞+∞x4e−bx2dx=[−x3e−bx22b]−∞+∞+∫−∞+∞e−bx22b3x2dx=32b∫−∞+∞x2e−bx2dx\begin{align} \int udv & =uv-\int vdu\\ \int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx & =\left[-x^{3}\frac{e^{-bx^{2}}}{2b}\right]^{+\infty}_{-\infty}+\int^{+\infty}_{-\infty}\frac{e^{-bx^{2}}}{2b}3x^{2}dx\\ & =\frac{3}{2b}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx \end{align}

Como temos o resultado dessa integral, então:

∫−∞+∞x4e−bx2dx=32b∫−∞+∞x2e−bx2dx=32bπ4b3=34πb5\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx & =\frac{3}{2b}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx\\ & =\frac{3}{2b}\sqrt{\frac{\pi}{4b^{3}}}\\ & =\frac{3}{4}\sqrt{\frac{\pi}{b^{5}}} \end{align}

Retomando então o valor esperando de x2x^{2} temos:

⟨x2⟩=a2∫−∞+∞x4e−bx2dx=a234πb5=[2mωℏ(mωπℏ)1/4]234π(mωℏ)5=2mωℏmωπℏ34ℏ5π(mω)5=mωπℏ32ℏ3π(mω)3=32(ℏmω)2=32ℏmω\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx\\ & =a^{2}\frac{3}{4}\sqrt{\frac{\pi}{b^{5}}}\\ & =\left[\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\right]^{2}\frac{3}{4}\sqrt{\frac{\pi}{\left(\frac{m\omega}{\hbar}\right)^{5}}}\\ & =\frac{2m\omega}{\hbar}\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}\frac{3}{4}\sqrt{\frac{\hbar^{5}\pi}{\left(m\omega\right)^{5}}}\\ & =\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}\frac{3}{2}\sqrt{\frac{\hbar^{3}\pi}{\left(m\omega\right)^{3}}}\\ & =\frac{3}{2}\sqrt{\left(\frac{\hbar}{m\omega}\right)^{2}}\\ & =\frac{3}{2}\frac{\hbar}{m\omega} \end{align}

E para ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle:

⟨p2⟩=∫−∞+∞ψ1∗(−iℏddx)2ψ1dx=∫−∞+∞(ae−b2x2x)(−ℏ2d2dx2)(ae−b2x2x)dx=−ℏ2a2∫−∞+∞e−b2x2x(ddx(e−b2x2−bxe−b2x2x))dx=−ℏ2a2∫−∞+∞e−b2x2x(−bxe−b2x2−b(2xe−b2x2−bx3e−b2x2))dx=−ℏ2a2∫−∞+∞(−bx2e−bx2−b2x2e−bx2+b2x4e−bx2)dx=−ℏ2a2(−3b∫−∞+∞x2e−bx2dx+b2∫−∞+∞x4e−bx2dx)=−ℏ2a2(−3b∫−∞+∞x2e−bx2dx+b2∫−∞+∞x4e−bx2dx)\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}_{1}\left(-i\hbar\frac{d}{dx}\right)^{2}\psi_{1}dx\\ & =\int^{+\infty}_{-\infty}\left(ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\right)\left(-\hbar^{2}\frac{d^{2}}{dx^{2}}\right)\left(ae^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\right)dx\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\left(\frac{d}{dx}\left(e^{-\frac{b}{2}x^{2}}-bxe^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\right)\right)dx\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}e^{-\frac{b}{2}x^{2}}x\left(-bxe^{-\frac{b}{2}x^{2}}-b\left(2xe^{-\frac{b}{2}x^{2}}-bx^{3}e^{-\frac{b}{2}x^{2}}\right)\right)dx\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}\left(-bx^{2}e^{-bx^{2}}-b2x^{2}e^{-bx^{2}}+b^{2}x^{4}e^{-bx^{2}}\right)dx\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\left(-3b\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx+b^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx\right)\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\left(-3b\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx+b^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx\right) \end{align}

Como já resolvemos essas contas:

⟨p2⟩=−ℏ2a2(−3b∫−∞+∞x2e−bx2dx+b2∫−∞+∞x4e−bx2dx)=−ℏ2a2(−3b[π4b3]+b2[34πb5])=−3ℏ2a2(12πb+14πb)=3ℏ2a24πb=3ℏ24(2mωℏ(mωπℏ)1/4)2πmωℏ=3ℏ242mωℏmωπℏℏπmω=3mωℏ2\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =-\hbar^{2}a^{2}\left(-3b\int^{+\infty}_{-\infty}x^{2}e^{-bx^{2}}dx+b^{2}\int^{+\infty}_{-\infty}x^{4}e^{-bx^{2}}dx\right)\\ & =-\hbar^{2}a^{2}\left(-3b\left[\sqrt{\frac{\pi}{4b^{3}}}\right]+b^{2}\left[\frac{3}{4}\sqrt{\frac{\pi}{b^{5}}}\right]\right)\\ & =-3\hbar^{2}a^{2}\left(\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{b}}+\frac{1}{4}\sqrt{\frac{\pi}{b}}\right)\\ & =\frac{3\hbar^{2}a^{2}}{4}\sqrt{\frac{\pi}{b}}\\ & =\frac{3\hbar^{2}}{4}\left(\sqrt{\frac{2m\omega}{\hbar}}\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\right)^{2}\sqrt{\frac{\pi}{\frac{m\omega}{\hbar}}}\\ & =\frac{3\hbar^{2}}{4}\frac{2m\omega}{\hbar}\sqrt{\frac{m\omega}{\pi\hbar}}\sqrt{\frac{\hbar\pi}{m\omega}}\\ & =\frac{3m\omega\hbar}{2} \end{align}

Agora queremos verificar o princípio de incerteza (σxσp≥ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}\geq\frac{\hbar}{2}) para estes estados. Para n=0n=0:

σx=⟨x2⟩−⟨x⟩2=ℏ2mω−02=ℏ2mωσp=⟨p2⟩−⟨p⟩2=mℏω2−02=mℏω2\begin{align} \sigma_{x} & =\sqrt{\left\langle x^{2}\right\rangle -\left\langle x\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}-0^{2}}=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\\ \sigma_{p} & =\sqrt{\left\langle p^{2}\right\rangle -\left\langle p\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}-0^{2}}=\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}} \end{align}

Então:

σxσp=ℏ2mωmℏω2=ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}}=\frac{\hbar}{2}

Para n=1:n=1:

σx=⟨x2⟩−⟨x⟩2=32ℏmω−02=32ℏmωσp=⟨p2⟩−⟨p⟩2=3mωℏ2−02=3mωℏ2\begin{align} \sigma_{x} & =\sqrt{\left\langle x^{2}\right\rangle -\left\langle x\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\frac{3}{2}\frac{\hbar}{m\omega}-0^{2}}=\sqrt{\frac{3}{2}\frac{\hbar}{m\omega}}\\ \sigma_{p} & =\sqrt{\left\langle p^{2}\right\rangle -\left\langle p\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\frac{3m\omega\hbar}{2}-0^{2}}=\sqrt{\frac{3m\omega\hbar}{2}} \end{align}

Logo:

σxσp=32ℏmω3mωℏ2=3ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}=\sqrt{\frac{3}{2}\frac{\hbar}{m\omega}}\sqrt{\frac{3m\omega\hbar}{2}}=3\frac{\hbar}{2}

Ambos os resultados são válidos e obedecem o princípio. Por último vamos calcular a energia cinética ⟨T⟩\left\langle T\right\rangle, potencial ⟨V⟩\left\langle V\right\rangle e total ⟨H⟩=⟨T⟩+⟨V⟩\left\langle H\right\rangle =\left\langle T\right\rangle +\left\langle V\right\rangle para cada um dos níveis, lembrando que En=(n+12)ℏωE_{n}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega.

Então para a energia cinética, que temos a fórmula clássica:

⟨T0⟩=⟨p2⟩2m=mℏω22m=ℏω4⟨T1⟩=⟨p2⟩2m=3mωℏ22m=3ωℏ4\begin{align} \left\langle T_{0}\right\rangle = & \frac{\left\langle p^{2}\right\rangle }{2m}=\frac{\frac{m\hbar\omega}{2}}{2m}=\frac{\hbar\omega}{4}\\ \left\langle T_{1}\right\rangle = & \frac{\left\langle p^{2}\right\rangle }{2m}=\frac{\frac{3m\omega\hbar}{2}}{2m}=\frac{3\omega\hbar}{4} \end{align}

E para a potencial esperada, conforme discutido no início do capítulo, para um oscilador simples:

⟨V0⟩=mω22⟨x2⟩=mω22ℏ2mω=ℏω4⟨V1⟩=mω22⟨x2⟩=mω2232ℏmω=3ωℏ4\begin{align} \left\langle V_{0}\right\rangle = & \frac{m\omega^{2}}{2}\left\langle x^{2}\right\rangle =\frac{m\omega^{2}}{2}\frac{\hbar}{2m\omega}=\frac{\hbar\omega}{4}\\ \left\langle V_{1}\right\rangle = & \frac{m\omega^{2}}{2}\left\langle x^{2}\right\rangle =\frac{m\omega^{2}}{2}\frac{3}{2}\frac{\hbar}{m\omega}=\frac{3\omega\hbar}{4} \end{align}

Então a energia total é então:

⟨H0⟩=ℏω4+ℏω4=12ℏω=E0E1=3ωℏ4+3ωℏ4=64ℏω=32ℏω=(1+12)ℏω=E1\begin{align} \left\langle H_{0}\right\rangle = & \frac{\hbar\omega}{4}+\frac{\hbar\omega}{4}=\frac{1}{2}\hbar\omega=E_{0}\\ E_{1}= & \frac{3\omega\hbar}{4}+\frac{3\omega\hbar}{4}=\frac{6}{4}\hbar\omega=\frac{3}{2}\hbar\omega=\left(1+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega=E_{1} \end{align}

Exemplo: Encontre ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle, ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle, ⟨x2⟩\left\langle x^{2}\right\rangle e ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle para o enésimo estado estacionário usando o método dos operadores escada.Cheque se o princípio da incerteza é satisfeito

De um dos exemplos que fizemos temos:

x=ℏ2mω(a^++a^−)p^=iℏmω2(a^+−a^−)x2=ℏ2mω(a^+2+a^+a^−+a^+a^−+a^−2)\begin{align} x & =\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left(\widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-}\right)\\ \widehat{p} & =i\sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}}\left(\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{-}\right)\\ x^{2} & =\frac{\hbar}{2m\omega}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}^{2}_{-}\right) \end{align}

Vamos calcular p2p^{2} mais tarde. Primeiro vamos calcular ⟨x⟩,⟨p⟩,⟨x2⟩\left\langle x\right\rangle ,\left\langle p\right\rangle ,\left\langle x^{2}\right\rangle com o que temos. Começando com ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle sendo a^+ψn=n+1ψn+1\widehat{a}_{+}\psi_{n}=\sqrt{n+1}\psi_{n+1} e a^−ψn=nψn−1\widehat{a}_{-}\psi_{n}=\sqrt{n}\psi_{n-1} então:

⟨x⟩=∫ψn∗xψndx=∫ψn∗(ℏ2mω(a^++a^−))ψndx=ℏ2mω∫ψn∗(a^+ψn+a^−ψn)dx=ℏ2mω∫ψn∗(n+1ψn+1+nψn−1)dx=ℏ2mω(n+1∫ψn∗ψn+1dx+n∫ψn∗ψn−1dx)=ℏ2mω(0+0)=0\begin{align} \left\langle x\right\rangle & =\int\psi^{*}_{n}x\psi_{n}dx\\ & =\int\psi^{*}_{n}\left(\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left(\widehat{a}_{+}+\widehat{a}_{-}\right)\right)\psi_{n}dx\\ & =\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}_{-}\psi_{n}\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\int\psi^{*}_{n}\left(\sqrt{n+1}\psi_{n+1}+\sqrt{n}\psi_{n-1}\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left(\sqrt{n+1}\int\psi^{*}_{n}\psi_{n+1}dx+\sqrt{n}\int\psi^{*}_{n}\psi_{n-1}dx\right)\\ & =\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\left(0+0\right)\\ & =0 \end{align}

Onde usamos os fatos da ortogonalidade para sabermos que o resultado da integral é 0. De forma geral v vimos que devido a ortogonalidade:

⟨a^±⟩=∫ψn∗a^±ψndx=0\left\langle \widehat{a}_{\pm}\right\rangle =\int\psi^{*}_{n}\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}dx=0

Vamos usar estes resultados agora para calcular ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle:

⟨p⟩=∫ψn∗pψndx=∫ψn∗(iℏmω2(a^+−a^−))ψndx=iℏmω2(∫ψn∗a^+ψndx−∫ψn∗a^−ψndx)=0\begin{align} \left\langle p\right\rangle & =\int\psi^{*}_{n}p\psi_{n}dx\\ & =\int\psi^{*}_{n}\left(i\sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}}\left(\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{-}\right)\right)\psi_{n}dx\\ & =i\sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}}\left(\int\psi^{*}_{n}\widehat{a}_{+}\psi_{n}dx-\int\psi^{*}_{n}\widehat{a}_{-}\psi_{n}dx\right)\\ & =0 \end{align}

Agora para ⟨x2⟩\left\langle x^{2}\right\rangle:

⟨x2⟩=∫ψn∗x2ψndx=∫ψn∗(ℏ2mω(a^+2+a^+a^−+a^−a^++a^−2))ψndx=ℏ2mω∫ψn∗(a^+2ψn+a^+a^−ψn+a^−a^+ψn+a^−2ψn)dx\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\int\psi^{*}_{n}x^{2}\psi_{n}dx\\ & =\int\psi^{*}_{n}\left(\frac{\hbar}{2m\omega}\left(\widehat{a}^{2}_{+}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\right)\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}^{2}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}^{2}_{-}\psi_{n}\right)dx \end{align}

Precisamos analisar qual a funaçõ de onda depois de cada operação, já tínhamos conferidos para a^−a^+ψn\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n} e a^+a^−\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}, mas vamos repetir:

a^+a^+ψn=a^+(n+1ψn+1)=n+1a^+ψn+1=(n+1)(n+2)ψn+2a^−a^+ψn=a^−(n+1ψn+1)=n+1a^−ψn+1=(n+1)(n+1)ψn=(n+1)ψna^+a^−ψn=a^+(nψn−1)=na^+ψn−1=nnψn=nψna^−a^−ψn=a^−(nψn−1)=na^−ψn−1=(n−1)nψn−2\begin{align*} \widehat{a}_{+}\widehat{a}_{+}\psi_{n} & =\widehat{a}_{+}\left(\sqrt{n+1}\psi_{n+1}\right) & =\sqrt{n+1}\widehat{a}_{+}\psi_{n+1} & =\sqrt{\left(n+1\right)\left(n+2\right)}\psi_{n+2}\\ \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n} & =\widehat{a}_{-}\left(\sqrt{n+1}\psi_{n+1}\right) & =\sqrt{n+1}\widehat{a}_{-}\psi_{n+1} & =\sqrt{\left(n+1\right)\left(n+1\right)}\psi_{n}=\left(n+1\right)\psi_{n}\\ \widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n} & =\widehat{a}_{+}\left(\sqrt{n}\psi_{n-1}\right) & =\sqrt{n}\widehat{a}_{+}\psi_{n-1} & =\sqrt{nn}\psi_{n}=n\psi_{n}\\ \widehat{a}_{-}\widehat{a}_{-}\psi_{n} & =\widehat{a}_{-}\left(\sqrt{n}\psi_{n-1}\right) & =\sqrt{n}\widehat{a}_{-}\psi_{n-1} & =\sqrt{\left(n-1\right)n}\psi_{n-2} \end{align*}

Então podemos ver que as integrais correspondendo a a^±\widehat{a}_{\pm} vão ser zeros pela ortogonalidade. Generalizando para a^±ψn=ca±ψn±2\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}=c_{a_{\pm}}\psi_{n\pm2}, as integrais ficam:

∫ψn∗a^±ψndx=ca±∫ψn∗ψn±2dx=0\int\psi^{*}_{n}\widehat{a}_{\pm}\psi_{n}dx=c_{a_{\pm}}\int\psi^{*}_{n}\psi_{n\pm2}dx=0

Restando então apenas as integrais com a^∓a^±\widehat{a}_{\mp}\widehat{a}_{\pm}. Ficamos com:

⟨x2⟩=ℏ2mω∫ψn∗(a^+2ψn+a^+a^−ψn+a^−a^+ψn+a^−2ψn)dx=ℏ2mω∫ψn∗(a^+a^−ψn+a^−a^+ψn)dx=ℏ2mω∫ψn∗(nψn+(n+1)ψn)dx=ℏ2mω∫ψn∗(n+n+1)ψndx=ℏ(2n+1)2mω∫ψn∗ψndx=ℏ(2n+1)2mω\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\frac{\hbar}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}^{2}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}+\widehat{a}^{2}_{-}\psi_{n}\right)dx\\ & =\frac{\hbar}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}\psi_{n}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\psi_{n}\right)dx\\ & =\frac{\hbar}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\left(n\psi_{n}+\left(n+1\right)\psi_{n}\right)dx\\ & =\frac{\hbar}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\left(n+n+1\right)\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar\left(2n+1\right)}{2m\omega}\int\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar\left(2n+1\right)}{2m\omega} \end{align}

Ou então:

⟨x2⟩=(n+12)ℏmω\left\langle x^{2}\right\rangle =\left(n+\frac{1}{2}\right)\frac{\hbar}{m\omega}

Agora para ⟨p2⟩\left\langle p^{2}\right\rangle vamos usar os resultados obtidos até aqui:

⟨p2⟩=∫ψn∗p2ψndx=∫ψn∗(iℏmω2(a^+−a^−))2ψndx=−ℏmω2∫ψn∗(a^+2−a^+a^−−a^−a^++a^−2)ψndx\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\int\psi^{*}_{n}p^{2}\psi_{n}dx\\ & =\int\psi^{*}_{n}\left(i\sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}}\left(\widehat{a}_{+}-\widehat{a}_{-}\right)\right)^{2}\psi_{n}dx\\ & =-\frac{\hbar m\omega}{2}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}^{2}_{+}-\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}-\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}+\widehat{a}^{2}_{-}\right)\psi_{n}dx \end{align}

Já vimos que as integrais envolvendo a^±\widehat{a}_{\pm} vão a zero e

∫ψn∗(a^+a^−+a^−a^+)ψndx=(2n+1)\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx=\left(2n+1\right)

Então:

⟨p2⟩=ℏmω2∫ψn∗(a^+a^−+a^−a^+)ψndx=ℏmω2(2n+1)\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\frac{\hbar m\omega}{2}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{a}_{+}\widehat{a}_{-}+\widehat{a}_{-}\widehat{a}_{+}\right)\psi_{n}dx\\ & =\frac{\hbar m\omega}{2}\left(2n+1\right) \end{align}

Ou simplesmente:

⟨p2⟩=ℏmω(n+12)\left\langle p^{2}\right\rangle =\hbar m\omega\left(n+\frac{1}{2}\right)

Agora é fácil calcularmos ⟨T⟩\left\langle T\right\rangle:

⟨T⟩=⟨p2⟩2m=12(n+12)ℏω\left\langle T\right\rangle =\frac{\left\langle p^{2}\right\rangle }{2m}=\frac{1}{2}\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega

Assim como podemos calcular facilmente também a relação de incerteza:

σx=⟨x2⟩−⟨x⟩2=(n+12)ℏmω=⟨p2⟩−⟨p⟩2=ℏmω(n+12)\begin{align} \sigma_{x} & =\sqrt{\left\langle x^{2}\right\rangle -\left\langle x\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\left(n+\frac{1}{2}\right)\frac{\hbar}{m\omega}}\\ & =\sqrt{\left\langle p^{2}\right\rangle -\left\langle p\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\hbar m\omega\left(n+\frac{1}{2}\right)} \end{align}

Ou seja:

σxσp=(n+12)ℏmωℏmω(n+12)=(n+12)ℏ\sigma_{x}\sigma_{p}=\sqrt{\left(n+\frac{1}{2}\right)\frac{\hbar}{m\omega}}\sqrt{\hbar m\omega\left(n+\frac{1}{2}\right)}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar

Como n≥0n\geq0 então:

σxσp≥ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}\geq\frac{\hbar}{2}

Método analítico

Agora podemos retomar a equação de schroedinger para o oscilador harmônico e resolver usando o método das séries de potências[5]. Temos então:

−ℏ22md2dx2ψ+12mω2x2ψ=Eψ-\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{d^{2}}{dx^{2}}\psi+\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\psi=E\psi

Introduzindo a variável ε≡mωℏx\varepsilon\equiv\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}x e a constante K≖2EℏωK\eqcirc\frac{2E}{\hbar\omega}, usando a regra da cadeia temos:

dfdx=dfdεdεdx\frac{df}{dx}=\frac{df}{d\varepsilon}\frac{d\varepsilon}{dx}

Então a segunda derivada é:

d2fdx2=ddx(dfdx)=ddε(dfdεdεdx)dεdx=d2fdε2(dεdx)2=d2fdε2(mωℏ)2=mωℏd2fdε2\begin{align} \frac{d^{2}f}{dx^{2}} & =\frac{d}{dx}\left(\frac{df}{dx}\right)=\frac{d}{d\varepsilon}\left(\frac{df}{d\varepsilon}\frac{d\varepsilon}{dx}\right)\frac{d\varepsilon}{dx}=\frac{d^{2}f}{d\varepsilon^{2}}\left(\frac{d\varepsilon}{dx}\right)^{2}=\frac{d^{2}f}{d\varepsilon^{2}}\left(\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}}\right)^{2}=\frac{m\omega}{\hbar}\frac{d^{2}f}{d\varepsilon^{2}} \end{align}

sendo

mω2x2=mω2(ℏmωε)2=mω2(ℏmω)ε2=ωℏε2m\omega^{2}x^{2}=m\omega^{2}\left(\sqrt{\frac{\hbar}{m\omega}}\varepsilon\right)^{2}=m\omega^{2}\left(\frac{\hbar}{m\omega}\right)\varepsilon^{2}=\omega\hbar\varepsilon^{2}
−ℏ22md2dx2ψ+12mω2x2ψ=Eψ−ℏ22mmωℏd2ψdε2+12ℏωε2ψ=Eψ−mω2d2ψdε2=(E−12ℏωε2)ψd2ψdε2=(ε2−2Eℏω)ψd2ψdε2=(ε2−K)ψ\begin{align} -\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{d^{2}}{dx^{2\psi}}+\frac{1}{2}m\omega^{2}x^{2}\psi & =E\psi\\ -\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{m\omega}{\hbar}\frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}}+\frac{1}{2}\hbar\omega\varepsilon^{2}\psi & =E\psi\\ -\frac{m\omega}{2}\frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =\left(E-\frac{1}{2}\hbar\omega\varepsilon^{2}\right)\psi\\ \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =\left(\varepsilon^{2}-\frac{2E}{\hbar\omega}\right)\psi\\ \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =\left(\varepsilon^{2}-K\right)\psi \end{align}

Nosso objetivo é resolver esta equação e obter os valores permitidos de KK. Vamos começar observando valores muito altos de xx (e consequentement de ε\varepsilon), neste caso ε2≫K\varepsilon^{2}\gg K e podemos aproximar:

d2ψdε2≈ε2ψ\frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}}\approx\varepsilon^{2}\psi

Onde uma solução é:

ψ(ε)≈Ae−ε2/2+Be+ε2/2\psi\left(\varepsilon\right)\approx Ae^{-\varepsilon^{2}/2}+Be^{+\varepsilon^{2}/2}

Derivando duas vezes a função de onda proposta:

dψdε=−εAe−ε2/2+εBe+ε2/2d2ψdε2=−(Ae−ε2/2−ε2Ae−ε2/2)+(Be+ε2/2+ε2Be+ε2/2)d2ψdε2=−(1−ε2)Ae−ε2/2+(1+ε2)Be+ε2/2\begin{align} \frac{d\psi}{d\varepsilon} & =-\varepsilon Ae^{-\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon Be^{+\varepsilon^{2}/2}\\ \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =-\left(Ae^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon^{2}Ae^{-\varepsilon^{2}/2}\right)+\left(Be^{+\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon^{2}Be^{+\varepsilon^{2}/2}\right)\\ \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =-\left(1-\varepsilon^{2}\right)Ae^{-\varepsilon^{2}/2}+\left(1+\varepsilon^{2}\right)Be^{+\varepsilon^{2}/2} \end{align}

Agora se considerarmos a aproximação onde ε→∞\varepsilon\rightarrow\infty então 1≪ε21\ll\varepsilon^{2} de forma que podemos aproximar:

d2ψdε2≈Aε2e−ε2/2+ε2Be+ε2/2≈ε2(Ae−ε2/2+Be+ε2/2)≈ε2ψ\begin{align} \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & \approx A\varepsilon^{2}e^{-\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon^{2}Be^{+\varepsilon^{2}/2}\\ & \approx\varepsilon^{2}\left(Ae^{-\varepsilon^{2}/2}+Be^{+\varepsilon^{2}/2}\right)\\ & \approx\varepsilon^{2}\psi \end{align}

Então a equação 157 é a solução aproximada da equação 156 que é uma equação aproximada.O termo BB explode (isto é, este termo vai para infinito) quando ∣x∣→∞\left|x\right|\rightarrow\infty, de forma que não é normalizável. As soluções fisicamente aceitáveis então devem ter o seguinte comportamento assintótico[6] para valores largos de ε\varepsilon:

ψ(ε)→()e−ε2/2\psi\left(\varepsilon\right)\rightarrow\left(\quad\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}

Isso nos motiva a propor uma solução do tipo:

ψ(ε)=h(ε)e−ε2/2\psi\left(\varepsilon\right)=h\left(\varepsilon\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}

Com a esperança de que h(ε)h\left(\varepsilon\right) seja mais simples do que a própria ψ(ε)\psi\left(\varepsilon\right)[7]. Derivando então temos:

dψdε=dhdεe−ε2/2+hddεe−ε2/2=dhdεe−ε2/2−εhe−ε2/2=(dhdε−εh)e−ε2/2\frac{d\psi}{d\varepsilon}=\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}+h\frac{d}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}=\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon he^{-\varepsilon^{2}/2}=\left(\frac{dh}{d\varepsilon}-\varepsilon h\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}

Derivando novamente:

d2ψdε2=ddε[(dhdε−εh)e−ε2/2]=ddε[dhdεe−ε2/2]−ddε[(ε)(he−ε2/2)]=[d2hdε2e−ε2/2−εdhdεe−ε2/2]−[he−ε2/2+εddε(he−ε2/2)]=[d2hdε2e−ε2/2−εdhdεe−ε2/2]−[he−ε2/2+ε(dhdεe−ε2/2−εhe−ε2/2)]=d2hdε2e−ε2/2−εdhdεe−ε2/2−he−ε2/2−εdhdεe−ε2/2+ε2he−ε2/2=(d2hdε2−2εdhdε+ε2h−h)e−ε2/2=(d2hdε2−2εdhdε+(ε2−1)h)e−ε2/2\begin{align} \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =\frac{d}{d\varepsilon}\left[\left(\frac{dh}{d\varepsilon}-\varepsilon h\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}\right]\\ & =\frac{d}{d\varepsilon}\left[\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}\right]-\frac{d}{d\varepsilon}\left[\left(\varepsilon\right)\left(he^{-\varepsilon^{2}/2}\right)\right]\\ & =\left[\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}e^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}\right]-\left[he^{-\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon\frac{d}{d\varepsilon}\left(he^{-\varepsilon^{2}/2}\right)\right]\\ & =\left[\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}e^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}\right]-\left[he^{-\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon\left(\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon he^{-\varepsilon^{2}/2}\right)\right]\\ & =\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}e^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}-he^{-\varepsilon^{2}/2}-\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}e^{-\varepsilon^{2}/2}+\varepsilon^{2}he^{-\varepsilon^{2}/2}\\ & =\left(\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}+\varepsilon^{2}h-h\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}\\ & =\left(\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}+\left(\varepsilon^{2}-1\right)h\right)e^{-\varepsilon^{2}/2} \end{align}

Lembrando que h=h(ε)h=h\left(\varepsilon\right). Então a equação de Schroedinger se torna:

d2ψdε2=(ε2−K)ψ(d2hdε2−2εdhdε+(ε2−1)h)e−ε2/2=(ε2−K)he−ε2/2d2hdε2−2εdhdε−1h=−Khd2hdε2−2εdhdε+(K−1)h=0\begin{align} \frac{d^{2}\psi}{d\varepsilon^{2}} & =\left(\varepsilon^{2}-K\right)\psi\\ \left(\frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}+\left(\varepsilon^{2}-1\right)h\right)e^{-\varepsilon^{2}/2} & =\left(\varepsilon^{2}-K\right)he^{-\varepsilon^{2}/2}\\ \frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}-1h & =-Kh\\ \frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}+\left(K-1\right)h & =0 \end{align}

Seguindo então nosso livro base, vamos propor uma solução na forma da série de potências em ε\varepsilon[8].

h(ε)=a0+a1ε+a2ε2+⋯=∑j=0∞ajεjh\left(\varepsilon\right)=a_{0}+a_{1}\varepsilon+a_{2}\varepsilon^{2}+\dots=\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}\varepsilon^{j}

Logo:

dhdε=0+∑j=1∞ajdεjdε=∑j=1∞ajjεj−1=∑j=0∞ajjεj−1d2hdε2=0+∑j=2∞ajjdεj−1dε=∑j=0∞aj+2(j+2)(j+1)εj\begin{align} \frac{dh}{d\varepsilon} & =0+\sum^{\infty}_{j=1}a_{j}\frac{d\varepsilon^{j}}{d\varepsilon}=\sum^{\infty}_{j=1}a_{j}j\varepsilon^{j-1}=\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}j\varepsilon^{j-1}\\ \frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}} & =0+\sum^{\infty}_{j=2}a_{j}j\frac{d\varepsilon^{j-1}}{d\varepsilon}=\sum^{\infty}_{j=0}a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)\varepsilon^{j} \end{align}

Onde decorre que quando derivamos, sempre zeramos o primeiro termo por ser constante, começando então a derivada do somatório com o índice seguinte. Na primeira derivada podemos começar em 0 pois todos termos multiplicam jj, logo j=0j=0 anula o termo. Na segunda derivada somamos +2 a todos índices jj de forma que começar o somatório em j=0j=0 não altere o resultado. Reto

Substituindo então em 164:

d2hdε2−2εdhdε+(K−1)h=0∑j=0∞aj+2(j+2)(j+1)εj−2ε∑j=0∞ajjεj−1+(K−1)∑j=0∞ajεj=0∑j=0∞aj+2(j+2)(j+1)εj−2∑j=0∞ajjεj+(K−1)∑j=0∞ajεj=0∑j=0∞(aj+2(j+2)(j+1)−2ajj+(K−1)aj)εj=0\begin{align} \frac{d^{2}h}{d\varepsilon^{2}}-2\varepsilon\frac{dh}{d\varepsilon}+\left(K-1\right)h & =0\\ \sum^{\infty}_{j=0}a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)\varepsilon^{j}-2\varepsilon\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}j\varepsilon^{j-1}+\left(K-1\right)\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}\varepsilon^{j} & =0\\ \sum^{\infty}_{j=0}a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)\varepsilon^{j}-2\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}j\varepsilon^{j}+\left(K-1\right)\sum^{\infty}_{j=0}a_{j}\varepsilon^{j} & =0\\ \sum^{\infty}_{j=0}\left(a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)-2a_{j}j+\left(K-1\right)a_{j}\right)\varepsilon^{j} & =0 \end{align}

A única forma disso ser verdade, isto é, deste soma ser zero é se coeficiente de cada potência seja zero[9]. Podemos pensar por exemplo se f(x)=ax0+bx1=0f\left(x\right)=ax^{0}+bx^{1}=0, ou apenas a=−bxa=-bx a única forma dessa igualdade ser válida para qualquer valor de xx é se a=b=0a=b=0. Então:

aj+2(j+2)(j+1)−2ajj+(K−1)aj=0aj+2(j+2)(j+1)−[2j−K+1]aj=0aj+2(j+2)(j+1)=[2j−K+1]ajaj+2=(2j−K+1)(j+2)(j+1)aj\begin{align} a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)-2a_{j}j+\left(K-1\right)a_{j} & =0\\ a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right)-\left[2j-K+1\right]a_{j} & =0\\ a_{j+2}\left(j+2\right)\left(j+1\right) & =\left[2j-K+1\right]a_{j}\\ a_{j+2} & =\frac{\left(2j-K+1\right)}{\left(j+2\right)\left(j+1\right)}a_{j} \end{align}

A fórmula de recorrência é equivalente à solução da equação de Schrödinger, no sentido de que qualquer solução obtida da recorrência satisfaz a equação de Schrödinger original. Começando com a0a_{0} isso gera todos os evenficientes pares:

a2=1−K2a0,a4=(5−K)12a2,…a_{2}=\frac{1-K}{2}a_{0},\quad a_{4}=\frac{\left(5-K\right)}{12}a_{2},\quad\dots

E começando com a1a_{1} gera os coeficientes ímpares:

a3=(3−K)6a1,a5=(7−K)20a3…a_{3}=\frac{\left(3-K\right)}{6}a_{1},\quad a_{5}=\frac{\left(7-K\right)}{20}a_{3}\quad\dots

Então podemos escrever a solução completa como:

h(ε)=hpar(ε)+himpar(ε)h\left(\varepsilon\right)=h_{par}\left(\varepsilon\right)+h_{impar}\left(\varepsilon\right)

Onde:

hpar(ε)=a0+a2ε2+a4ε4+…himpar(ε)=a1+a3ε3+a5ε5+…\begin{align*} h_{par}\left(\varepsilon\right) & =a_{0}+a_{2}\varepsilon^{2}+a_{4}\varepsilon^{4}+\dots\\ h_{impar}\left(\varepsilon\right) & =a_{1}+a_{3}\varepsilon^{3}+a_{5}\varepsilon^{5}+\dots \end{align*}

Então nossa solução a partir da fórmula de recorrência determina h(ε)h\left(\varepsilon\right) em termos duas constantes arbitrárias (a0a_{0} e a1a_{1}), como poderíamos esperar para a solução de uma equação diferencial de segunda ordem. Porém nem todas soluções são normalizáveis. Toda a próxima sessão entendo que seja uma espécie de justificação de porque não podemos deixar que o somatório se extenda para o infinito. Como o livro desenvolve muito mal, eu busquei desenvolver por mim. Para um valor largo de jj temos:

aj+2≈lim⁡j→∞(2j−K+1)(j+2)(j+1)aj≈lim⁡j→∞2j−K+1j2+3j+2aj≈ajj\begin{align} a_{j+2} & \approx\lim_{j\rightarrow\infty}\frac{\left(2j-K+1\right)}{\left(j+2\right)\left(j+1\right)}a_{j}\\ & \approx\lim_{j\rightarrow\infty}\frac{2j-K+1}{j^{2}+3j+2}a_{j}\\ & \approx\frac{a_{j}}{j} \end{align}

Uma solução aproximada proposta é[10]:

aj≈C(j/2)!a_{j}\approx\frac{C}{\left(j/2\right)!}

Podemos testar essa solução fazendo:

aj+2aj≈C([j+2]/2)!C(j/2)!=C(j+22)!(j2)!C=(j2)!(j2+1)!=1j2+1=2j+2\frac{a_{j+2}}{a_{j}}\approx\frac{\frac{C}{\left(\left[j+2\right]/2\right)!}}{\frac{C}{\left(j/2\right)!}}=\frac{C}{\left(\frac{j+2}{2}\right)!}\frac{\left(\frac{j}{2}\right)!}{C}=\frac{\left(\frac{j}{2}\right)!}{\left(\frac{j}{2}+1\right)!}=\frac{1}{\frac{j}{2}+1}=\frac{2}{j+2}

Ou apenas:

aj+2≈2j+2aja_{j+2}\approx\frac{2}{j+2}a_{j}

E como estamos interessados em um regime de grandes valores de jj, podemos aproximar para:

aj+2≈ajja_{j+2}\approx\frac{a_{j}}{j}

Que era nosso resultado anterior, demonstrando a validade da solução aproximada. Utilizando então nossa aproximação aj≈C(j/2)!a_{j}\approx\frac{C}{\left(j/2\right)!} e o fato de que separamos h(ε)h\left(\varepsilon\right) em pares e ímpares, podemos olhar para a solução par[11]:

hpar(ε)≈C∑j=0,2,4∞1(j/2)!εjh_{par}\left(\varepsilon\right)\approx C\sum^{\infty}_{j=0,2,4}\frac{1}{\left(j/2\right)!}\varepsilon^{j}

Fazendo j=2nj=2n

hpar(ε)≈C∑n∞1(2n/2)!ε2n=C∑n∞ε2nn!h_{par}\left(\varepsilon\right)\approx C\sum^{\infty}_{n}\frac{1}{\left(2n/2\right)!}\varepsilon^{2n}=C\sum^{\infty}_{n}\frac{\varepsilon^{2n}}{n!}

A expansão em série de taylor de ex2e^{x^{2}}em torno da origem é, sendo:

f(x)=ex2f(0)=1f′(x)=2xex2f′(0)=0f′′(x)=2ex2+4x2ex2f′′(0)=2f′′′(x)=12xex2+8x3ex2f′′′(0)=0f′′′′(x)=12ex2+48x2ex2+16x4ex2f′′′′(0)=12\begin{align} f\left(x\right) & =e^{x^{2}} & f\left(0\right) & =1\\ f'\left(x\right) & =2xe^{x^{2}} & f'\left(0\right) & =0\\ f''\left(x\right) & =2e^{x^{2}}+4x^{2}e^{x^{2}} & f''\left(0\right) & =2\\ f'''\left(x\right) & =12xe^{x^{2}}+8x^{3}e^{x^{2}} & f'''\left(0\right) & =0\\ f''''\left(x\right) & =12e^{x^{2}}+48x^{2}e^{x^{2}}+16x^{4}e^{x^{2}} & f''''\left(0\right) & =12 \end{align}

Temos então:

f(x)=f(0)+f′(0)x+f′′(0)x22!+f′′′(0)x33!+…ex2=1+2x22!+12x44!+…=x2⋅00!+x2⋅11!+x2⋅22!+…=∑nx2nn!\begin{alignat}{1} f\left(x\right) & =f\left(0\right)+f'\left(0\right)x+f''\left(0\right)\frac{x^{2}}{2!}+f'''\left(0\right)\frac{x^{3}}{3!}+\dots\\ e^{x^{2}} & =1+\frac{2x^{2}}{2!}+\frac{12x^{4}}{4!}+\dots\\ & =\frac{x^{2\cdot0}}{0!}+\frac{x^{2\cdot1}}{1!}+\frac{x^{2\cdot2}}{2!}+\dots\\ & =\sum_{n}\frac{x^{2n}}{n!} \end{alignat}

Logo:

hpar(ε)≈Ceε2h_{par}\left(\varepsilon\right)\approx Ce^{\varepsilon^{2}}

Porém substituindo isto em nossa função de onda teríamos:

ψpar(ε)=Ceε2⋅e−ε2/2\psi_{par}\left(\varepsilon\right)=Ce^{\varepsilon^{2}}\cdot e^{-\varepsilon^{2}/2}

Porém este é o comportamento assintótico que estávamos tentando evitar, afinal, supomos que o comportamento assintótico fosse dado pelo exponencial e−ε2/2e^{-\varepsilon^{2}/2} e que a função h(ε)h\left(\varepsilon\right) não contribuiria pro comportamento assintótico. Analisamos apenas para os termos pares, mas sou levado a concluir que o comportamento para os termos ímpares é análogo.

Ou seja, toda esta seção de cálculos é para mostrar que não queremos que o somatório se estenda para j→∞j\rightarrow\infty pois não queremos que h(ε)h\left(\varepsilon\right) tenha influência no regime assintótico de ψ\psi(ε)\left(\varepsilon\right). A solução é então truncar a série, isto é, propor um valor máximo de jj (que vamos chamar de nn) onde a formula de recursão resulte em an+2=0a_{n+2}=0, isto é, vai truncar a série hparh_{par} ou himparh_{impar} e a outra série deve ser zero deste o começo: a1=0a_{1}=0 se estamos com uma série par, ou a0=0a_{0}=0 se estamos com uma série impar[12].

Então para j=nj=n, uma solução fisicamente aceitável deve ser:

an+2=(2n−K+1)(n+2)(n+1)an0=(2n−K+1)(n+2)(n+1)an0=2n−K+1\begin{align} a_{n+2} & =\frac{\left(2n-K+1\right)}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}a_{n}\\ 0 & =\frac{\left(2n-K+1\right)}{\left(n+2\right)\left(n+1\right)}a_{n}\\ 0 & =2n-K+1 \end{align}

Ou então:

K=2n+1K=2n+1

Recuperando adefinição de K≖2Eℏω,K\eqcirc\frac{2E}{\hbar\omega}, temos:

2Eℏω=2n+1→E=(n+12)ℏω\frac{2E}{\hbar\omega}=2n+1\rightarrow E=\left(n+\frac{1}{2}\right)\hbar\omega

Ou seja, recuperamos a condição de quantização fundamental[13]. Para os valoers permitidos de KK temos então agora a seguinte fórmula de recursão:

aj+2=(2j−K+1)(j+2)(j+1)aj=(2j−(2n+1)+1)(j+2)(j+1)aj=2(j−n)(j+2)(j+1)aja_{j+2}=\frac{\left(2j-K+1\right)}{\left(j+2\right)\left(j+1\right)}a_{j}=\frac{\left(2j-\left(2n+1\right)+1\right)}{\left(j+2\right)\left(j+1\right)}a_{j}=\frac{2\left(j-n\right)}{\left(j+2\right)\left(j+1\right)}a_{j}

Se n=0n=0, então estamos com a série par (devemos definir a1=0a_{1}=0 para acabar com a série ímpar) e ficamos com apenas um termo na série o próprio a0a_{0}. Por exemplo. para a2a_{2} sendo j=n=0j=n=0:

a2=2(0−0)(0+2)(0+1)a0=0a_{2}=\frac{2\left(0-0\right)}{\left(0+2\right)\left(0+1\right)}a_{0}=0

Consequente todos os termos pares futuros, assim os ímpares serão 0, ou seja para qualquer j>0j>0, temos aj=0a_{j}=0. Então se escrevermos hn(ε)h_{n}\left(\varepsilon\right) onde nn sendo onde escolhemos truncar a série, então h0(ε)=a0h_{0}\left(\varepsilon\right)=a_{0} e:

ψ0(ε)=h0(ε)e−ε2/2=a0e−ε2/2\psi_{0}\left(\varepsilon\right)=h_{0}\left(\varepsilon\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}=a_{0}e^{-\varepsilon^{2}/2}

De forma análoga se escolhermos n=1n=1, então a0=0a_{0}=0 é necessário para zerarmos toda a série par, temos h1(ε)=a1εh_{1}\left(\varepsilon\right)=a_{1}\varepsilon e aj=0a_{j}=0 para todo j>1j>1. Assim como a função de onda se torna ψ1(ε)=a1εe−ε2/2\psi_{1}\left(\varepsilon\right)=a_{1}\varepsilon e^{-\varepsilon^{2}/2}, e assim sucessivamente. De forma geral podemos dizer que hn(ε)h_{n}\left(\varepsilon\right) será um polinômio de gray nn em ε\varepsilon envolvendo somente termos pares se nn é um inteiro par, e somente potência ímpar se nn é um inteiro ímpar.

Estes polinômios, ignorando o fator geral (a0a_{0} ou a1a_{1}) são chamados de polinômios de Hermite, Hn(ε)H_{n}\left(\varepsilon\right). Por tradição, um termo multiplicativo arbitrário é escolhido para que o coeficiente de ordem mais alta de ε\varepsilon seja 2n2^{n}, com essa convenção, e normalizando os estados estacionários para um oscilador harmônico nós temos[14]:

ψn(x)=(mωπℏ)1/412nn!Hn(ε)e−ε2/2\psi_{n}\left(x\right)=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\frac{1}{\sqrt{2^{n}n!}}H_{n}\left(\varepsilon\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}

Oh seja:

ψn(x)=anHn(ε)e−ε2/2\psi_{n}\left(x\right)=a_{n}H_{n}\left(\varepsilon\right)e^{-\varepsilon^{2}/2}

sendo an=(mωπℏ)1/412nn!a_{n}=\left(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\right)^{1/4}\frac{1}{\sqrt{2^{n}n!}} o fator de normalização associado à função de onda nn e o polinômio de Hermite de ordem nn.

Footnotes
  1. Estamos usando apenas x=x^x=\widehat{x}, mas poderíamos usar x^\widehat{x} para deixar explícito que estamos falando do operador posição.

  2. Conforme o livro, também estou cansado de escrever “equação de Schrödinger independente do tempo”, então quando ficar claro pelo contexto, será citado apenas “equação de Schrödinger”.

  3. Vamos considerar uma função complexa z(x)=f(x)+ig(x)z\left(x\right)=f\left(x\right)+ig\left(x\right), então:

    dz∗dx=ddx(f−ig)=dfdx−idgdx=(dfdx+idgdx)∗=(ddx[f+ig])∗=(dzdx)∗\frac{dz^{*}}{dx}=\frac{d}{dx}\left(f-ig\right)=\frac{df}{dx}-i\frac{dg}{dx}=\left(\frac{df}{dx}+i\frac{dg}{dx}\right)^{*}=\left(\frac{d}{dx}\left[f+ig\right]\right)^{*}=\left(\frac{dz}{dx}\right)^{*}

  4. Lembrando que F=−dVdxF=-\frac{dV}{dx} ou ainda F=−∇V\boldsymbol{F}=-\nabla V

  5. Provavelmente eu preciso estudar mais física matemática para lembrar todos os detlhes matemáticos de como obtemos a solução proposta por este método, fica a sugestão de aprofundamento.

  6. Comportamento assintótico é a maneira como uma função se comporta quando a variável fica muito grande, ajudando a entender quais termos da equação são mais importantes nesse limite.

  7. Entendo que seja que a ideia é que h(ε)h\left(\varepsilon\right) não cresce exponencialmente quando ε→∞\varepsilon\rightarrow\infty, ou seja, ele não contribui para o comportamento assintótico da função de onda ψ(ε)\psi\left(\varepsilon\right). Esse papel é assumido exclusivamente pelo fator exponencial e−ε2/2e^{-\varepsilon^{2}/2}. Segundo a nota de rodapé do próprio David J. Griffiths, separar o comportamento assintótico da solução é o primeiro passo padrão no método de séries de potência para resolver equações diferenciais.

  8. Novamente traduzindo a nota de rodapé original, de acordo com o teorema de Taylor, qualquer função razoavelmente bem-comportada pode ser expressa como uma série de potências, daí nosso recurso tão utilizado da aproximação em série de Taylor. Para conhecer as condições de aplicabilidade do método, consulte Boas (nota de rodapé 16) ou George B. Arfken e Hans-Jurgen Weber, Mathematical Methods for Physicists, 7th edn, Academic Press, Orlando (2013), Seção 7.5.

  9. Segndo Griffhits, isso é devido a unicidade da expansão em série de potÊncias, para mais informações ele recomenda Arfken e Weber (nota de rodapé 33, seção 1.2).

  10. A matemática de toda essa parte parece vaga, eu gostaria de investigar mais profundamente este aspecto e entender como esta solução aproximada foi encontrada. Mas de toda forma, vale ressaltar que já fomos apresentado ao método algébrico para investigar este mesmo potencial e a motivação de toda esta parte consiste em nos convencer que devemos truncar a série para evitar que tenha contribuição significativa no regime assintótico da função de onda ψ\psi(ε)\left(\varepsilon\right), então talvez não seja necessário neste momento ir tão a fundo nas questões matemáticas.

  11. O livro não especifica que estamos olhando para a solução par, mas pelas manipulações feitas, me parece que isto que fica implícito.

  12. Acredito que a necessidade de zerarmos a outra série desde o começo se deve mais a questões físicas que matemáticas, não que seja necessariamente impossível de uma perspectiva matemática que possamos truncar as séries pares e ímpares em diferentes valores de jj para cada uma.

  13. E podemos observar que se truncassemos as séries em diferentes valores de jj (por exemplo npn_{p} e nin_{i} para as séries pares e ímpares), teríamos duas condições que KK deveria satisfazer.

  14. Griffhits menciona que não vai demonstrar a normalização aqui e passa uma referência para quem estiver interessado (seção 13 do livro Quantum Mechanics, terceira edição do Leonard Schiff). Como este já é o segundo método que estamos vendo para o mesmo potencial, eu vou seguir a didática adotada pelo livro e também não vou demonstrar, estou mais interessado em explorar diferentes potenciais. Além do mais, pela forma com que nos foi apresentado os argumentos desta sessão, pela ausência de exemplos e também falta de problemas propostos (apenas 3 e nehum deles sendo marcado com um asterisco, ou seja, considerado como fundamental pra aprendizagem), acredito que esta sessão é de menor relevância neste momento da aprendizagem.