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Poço quadrado infinito

Nosso potencial agora é:

V(x)={0,0≤x≤a∞outro casoV\left(x\right)=\begin{cases} 0, & 0\leq x\leq a\\ \infty & \text{outro caso} \end{cases}

A partícula é livre entre dois extremos onde uma força infinita previne que ela escape. Fora do poço temos ψ(x)=0\psi\left(x\right)=0, e dentro temos V=0V=0. Então a equação de Schrödinger é apenas:

−ℏ22m∂2ψ∂x2+Vψ=Eψ∂2ψ∂x2=−2mEℏ2ψ∂2ψ∂x2=−k2ψ\begin{align} -\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{\partial^{2}\psi}{\partial x^{2}}+V\psi & =E\psi\\ \frac{\partial^{2}\psi}{\partial x^{2}} & =-\frac{2mE}{\hbar^{2}}\psi\\ \frac{\partial^{2}\psi}{\partial x^{2}} & =-k^{2}\psi \end{align}

Essa é uma equação de um oscilador harmônico simples com uma solução geral do tipo:

ψ(x)=Asin⁡(kx)+Bcos⁡k(x)\psi\left(x\right)=A\sin\left(kx\right)+B\cos k\left(x\right)

Pois:

dψ(x)dx=kAcos⁡(kx)−kBsin⁡k(x)d2ψ(x)dx=−k2Asin⁡(kx)−k2Bcos⁡k(x)\begin{align} \frac{d\psi\left(x\right)}{dx} & =kA\cos\left(kx\right)-kB\sin k\left(x\right)\\ \frac{d^{2}\psi\left(x\right)}{dx} & =-k^{2}A\sin\left(kx\right)-k^{2}B\cos k\left(x\right) \end{align}

Ou então:

d2ψ(x)dx=−k2(Asin⁡(kx)+Bcos⁡k(x))=−k2ψ(x)\frac{d^{2}\psi\left(x\right)}{dx}=-k^{2}\left(A\sin\left(kx\right)+B\cos k\left(x\right)\right)=-k^{2}\psi\left(x\right)

Queremos agora achar AA e BB através das condições de contorno. Temos que:

ψ(0)=ψ(a)=0\psi\left(0\right)=\psi\left(a\right)=0

Tipicamente ψ\psi(x)\left(x\right) é contínuo (ainda que Ψ(x,t)\Psi\left(x,t\right) não precise ser), então a continuidade exige que:

ψ(0)=Asin⁡(0)+Bcos⁡k(0)0=B\begin{align} \psi\left(0\right) & =A\sin\left(0\right)+B\cos k\left(0\right)\\ 0 & =B \end{align}

Então temos:

ψ(x)=Asin⁡(kx)\psi\left(x\right)=A\sin\left(kx\right)

A outra condição de contorno é:

ψ(a)=Asin⁡(ka)=0\begin{align} \psi\left(a\right) & =A\sin\left(ka\right)=0 \end{align}

Como A=0A=0 seria uma solução trivial, não é interessante, assim como k=2mEℏ=0k=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar}=0 não é interessante também pelo mesmo motivo. Então precisamos que kaka seja um múltiplo de π\pi, ou seja:

ka=nπ→kn=nπaka=n\pi\rightarrow k_{n}=\frac{n\pi}{a}

Onde usamos knk_{n} pra indicar que na verdade há diferentes valores possíveis de kk para cada n=1,2,3,…n=1,2,3,\dots Então: os valores permitidos de EnE_{n} podem ser:

kn=2mEnℏkn2=2mEnℏ2ℏ2kn22m=EnEn=ℏ2n2π22m\begin{alignat}{1} k_{n} & =\frac{\sqrt{2mE_{n}}}{\hbar}\\ k^{2}_{n} & =\frac{2mE_{n}}{\hbar^{2}}\\ \frac{\hbar^{2}k^{2}_{n}}{2m} & =E_{n}\\ E_{n} & =\frac{\hbar^{2}n^{2}\pi^{2}}{2m} \end{alignat}

Mas ainda não obtemos AA. Para obter AA normalizamos então:

∫−∞+∞ψ∗ψdx=∫0a(Asin⁡(kx))∗(Asin⁡(kx))dx=∣A∣2∫0asin⁡2(kx)dx\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}\psi dx & =\int^{a}_{0}\left(A\sin\left(kx\right)\right)^{*}\left(A\sin\left(kx\right)\right)dx\\ & =\left|A\right|^{2}\int^{a}_{0}\sin^{2}\left(kx\right)dx \end{align}

Vamos usar a identidade trigonométrica 2sin⁡2(x)=1−cos⁡(2x)2\sin^{2}\left(x\right)=1-\cos\left(2x\right):

∫−∞+∞ψ∗ψdx=∣A∣22∫0a(1−cos⁡(2kx))dx=∣A∣22[∫0adx−∫0acos⁡(2kx)dx]\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}\psi dx & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\int^{a}_{0}\left(1-\cos\left(2kx\right)\right)dx\\ & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\left[\int^{a}_{0}dx-\int^{a}_{0}\cos\left(2kx\right)dx\right] \end{align}

e substitui u=2kxu=2kx (Os novos limites são 0 e 2ka2ka), e dudx=2k\frac{du}{dx}=2k:

∫−∞+∞ψ∗ψdx=∣A∣22[a−12k∫02kacos⁡(u)du]=∣A∣22[a−12k[sin⁡(u)]02ka]=∣A∣22[a−12k[sin⁡(2ka)−sin⁡(0)]]=∣A∣22[a−sin⁡(2ka)2k]\begin{align} \int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}\psi dx & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\left[a-\frac{1}{2k}\int^{2ka}_{0}\cos\left(u\right)du\right]\\ & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\left[a-\frac{1}{2k}\left[\sin\left(u\right)\right]^{2ka}_{0}\right]\\ & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\left[a-\frac{1}{2k}\left[\sin\left(2ka\right)-\sin\left(0\right)\right]\right]\\ & =\frac{\left|A\right|^{2}}{2}\left[a-\frac{\sin\left(2ka\right)}{2k}\right] \end{align}

Substituindo k=nπak=\frac{n\pi}{a} então o argumento do seno é:

2ka=n2πaa=n2π2ka=n\frac{2\pi a}{a}=n2\pi

Como independente do nn temos sempre o mesmo ângulo n2π→2πn2\pi\rightarrow2\pi e sin⁡(2π)=0\sin\left(2\pi\right)=0 então:

∫−∞+∞ψ∗ψdx=a∣A∣22=1\int^{+\infty}_{-\infty}\psi^{*}\psi dx=\frac{a\left|A\right|^{2}}{2}=1

Então ∣A∣2=2/a\left|A\right|^{2}=2/a. Só temos a magnitude de AA, mas o mais fácil é pegar a raiz positiva real, a fase de AA não importa, como já vimos), temos então A=2aA=\sqrt{\frac{2}{a}}, logo as soluções no interior do poço são:

ψn(x)=Asin⁡(knx)=2asin⁡(nπax)\begin{align} \psi_{n}\left(x\right) & =A\sin\left(k_{n}x\right)\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right) \end{align}

O conjunto de soluções tem algumas propriedades interessantes. Em primeiro lugar, elas são alternativamente par e ímpar em respeito ao centro. Se o centro é em a2\frac{a}{2} e .deslocarmos o centro pra origem:

ψn(x−a2)=2asin⁡(nπa[x−a2])=2asin⁡(nπax−nπ2)\begin{align} \psi_{n}\left(x-\frac{a}{2}\right) & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}\left[x-\frac{a}{2}\right]\right)\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x-\frac{n\pi}{2}\right) \end{align}

Usando a propriedade trigonométrica sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b\sin\left(a-b\right)=\sin a\cos b-\cos a\sin b

ψn(x−a2)=2a[sin⁡(nπax)cos⁡(nπ2)−cos⁡(nπax)sin⁡(nπ2)]=\begin{align} \psi_{n}\left(x-\frac{a}{2}\right) & =\sqrt{\frac{2}{a}}\left[\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\cos\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right]\\ & = \end{align}

Sempre que nn for par, temos sin⁡(nπ/2)=0\sin\left(n\pi/2\right)=0 e resta apenas o primeiro termo. Sempre que nn for ímpar temos cos⁡(nπ/2)=0\cos\left(n\pi/2\right)=0 e resta apenas o segundo termo. Ou seja, sempre que nn for par, temos apenas uma função seno e temos uma solução ímpar então em relação ao centro. Quando nn for ímpar, temos então apenas uma função cosseno e temos uma função par em relação ao centro.

Em segundo lugar, também temos que pra cada vez que aumentamos o estado de energia, temos mais um nó, ou seja um ponto onde a função de onda atravessa o eixo. Para n=1n=1 a função de onda apenas chega em zero nos extremos. Para n=2n=2 ela cruza uma vez o eixo, etc... A terceira característica é que as soluções são mutuamente ortogonais. No sentido:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=0\int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx=0

para m≠nm\neq n. Interessante notar que evidentemente se m=nm=n então temos apenas

∫ψ(x)∗ψ(x)dx=∫∣ψ(x)∣2dx=1\int\psi\left(x\right)^{*}\psi\left(x\right)dx=\int\left|\psi\left(x\right)\right|^{2}dx=1

Ou seja:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=δmn\int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx=\delta_{mn}

de forma geral, ou seja, são ortonormais. Onde δmn\delta_{mn} é a delta de Kronecker:

δmn={0,m≠n1,m=n\delta_{mn}=\begin{cases} 0, & m\neq n\\ 1, & m=n \end{cases}

Exemplo: Prove a ortogonalidade da função de onda ψn(x)\psi_{n}\left(x\right).

Podemos provar a ortogonalidade:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=∫(2asin⁡(mπax))∗(2asin⁡(nπax))dx=2a∫sin⁡(mπax)sin⁡(nπax)dx\begin{align} \int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx & =\int\left(\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{m\pi}{a}x\right)\right)^{*}\left(\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\right)dx\\ & =\frac{2}{a}\int\sin\left(\frac{m\pi}{a}x\right)\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx \end{align}

Vamos usar outra propriedade trigonométrica agora:

cos⁡(a±b)=cos⁡acos⁡b∓sin⁡asin⁡b\begin{align} \cos\left(a\pm b\right) & =\cos a\cos b\mp\sin a\sin b \end{align}

Então:

cos⁡(a−b)−cos⁡(a+b)=(cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b)−(cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b)=2sin⁡asin⁡b\begin{align} \cos\left(a-b\right)-\cos\left(a+b\right) & =\left(\cos a\cos b+\sin a\sin b\right)-\left(\cos a\cos b-\sin a\sin b\right)\\ & =2\sin a\sin b \end{align}

Então:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=1a∫[cos⁡(mπax−nπax)−cos⁡(mπax+nπax)]dx=1a∫[cos⁡((m−n)πxa)−cos⁡((m+n)πxa)]dx\begin{align} \int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx & =\frac{1}{a}\int\left[\cos\left(\frac{m\pi}{a}x-\frac{n\pi}{a}x\right)-\cos\left(\frac{m\pi}{a}x+\frac{n\pi}{a}x\right)\right]dx\\ & =\frac{1}{a}\int\left[\cos\left(\left(m-n\right)\frac{\pi x}{a}\right)-\cos\left(\left(m+n\right)\frac{\pi x}{a}\right)\right]dx \end{align}

Substituindo u=α±πxau=\frac{\alpha_{\pm}\pi x}{a} onde α−=m−n\alpha_{-}=m-n para a primeira integral e α+=m+n\alpha_{+}=m+n para a segunda, então lembrando que estamos integrando entre 0 e aa, então agora os novos limites são 0 e α±πaa=α±π\alpha_{\pm}\pi\frac{a}{a}=\alpha_{\pm}\pi , além de que dudx=α±πa\frac{du}{dx}=\frac{\alpha_{\pm}\pi}{a} ou seja aα±πdu=dx\frac{a}{\alpha_{\pm}\pi}du=dx

∫0acos⁡(α±πxa)dx=aα±π∫0α±πcos⁡(u)du=aα±π[sin⁡(u)]0α±π=aα±π[sin⁡(α±π)−sin⁡(0)]=asin⁡(α±π)α±π\begin{align} \int^{a}_{0}\cos\left(\frac{\alpha_{\pm}\pi x}{a}\right)dx & =\frac{a}{\alpha_{\pm}\pi}\int^{\alpha_{\pm}\pi}_{0}\cos\left(u\right)du\\ & =\frac{a}{\alpha_{\pm}\pi}\left[\sin\left(u\right)\right]^{\alpha_{\pm}\pi}_{0}\\ & =\frac{a}{\alpha_{\pm}\pi}\left[\sin\left(\alpha_{\pm}\pi\right)-\sin\left(0\right)\right]\\ & =\frac{a\sin\left(\alpha_{\pm}\pi\right)}{\alpha_{\pm}\pi} \end{align}

Então:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=1a∫[cos⁡((m−n)πxa)−cos⁡((m+n)πxa)]dx=1a(asin⁡(α−π)α−π−asin⁡(α+π)α+π)=1π(sin⁡((m−n)π)(m−n)−sin⁡((m+n)π)(m+n))\begin{align} \int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx & =\frac{1}{a}\int\left[\cos\left(\left(m-n\right)\frac{\pi x}{a}\right)-\cos\left(\left(m+n\right)\frac{\pi x}{a}\right)\right]dx\\ & =\frac{1}{a}\left(\frac{a\sin\left(\alpha_{-}\pi\right)}{\alpha_{-}\pi}-\frac{a\sin\left(\alpha_{+}\pi\right)}{\alpha_{+}\pi}\right)\\ & =\frac{1}{\pi}\left(\frac{\sin\left(\left(m-n\right)\pi\right)}{\left(m-n\right)}-\frac{\sin\left(\left(m+n\right)\pi\right)}{\left(m+n\right)}\right) \end{align}

Como mm e nn são inteiros e diferentes, então m±n=lm\pm n=l vai ser inteiro. E qualquer inteiro que seja sin⁡(lπ)\sin\left(l\pi\right) para qualquer valor de ll inteiro, então sin⁡(lπ)=0\sin\left(l\pi\right)=0. De forma que:

∫ψm(x)∗ψn(x)dx=0\int\psi_{m}\left(x\right)^{*}\psi_{n}\left(x\right)dx=0

E a quarta e última característica que queremos destacar é que o conjunto de soluções é dito também completo no sentido de que qualquer outra função f(x)f\left(x\right) pode ser expressa como uma combinação linear da seguinte forma:

f(x)=∑n=1∞cnψn(x)=∑n=1∞cn2asin⁡(nπax)=∑n=1∞cnsin⁡(nπax)f\left(x\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)

Não vamos provar aqui, mas esta é basicamente a série de Fourier para f(x)f\left(x\right), e o fato de qualquer função poder ser expandido dessa forma é chamado de teorema de Dirichlet. Os coeficientes cnc_{n} podem ser avaliados para uma dada função f(x)f\left(x\right) por um método chamado truque de Fourier. Multiplicando ambos os lados por ψ\psi∗^{*} e integrando :

f(x)=∑n=1∞cnψn∫ψm∗f(x)dx=∫ψm∗∑n=1∞cnψndx∫ψm∗f(x)dx=∑n=1∞cn(∫ψm∗ψndx)∫ψm∗f(x)dx=∑n=1∞cnδmn∫ψm∗f(x)dx=cm\begin{align} f\left(x\right) & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\\ \int\psi^{*}_{m}f\left(x\right)dx & =\int\psi^{*}_{m}\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}dx\\ \int\psi^{*}_{m}f\left(x\right)dx & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\left(\int\psi^{*}_{m}\psi_{n}dx\right)\\ \int\psi^{*}_{m}f\left(x\right)dx & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\delta_{mn}\\ \int\psi^{*}_{m}f\left(x\right)dx & =c_{m} \end{align}

Ou como são apenas rótulos sem significados , podemos mudar os termos m→nm\rightarrow n e obter na forma mais conhecida:

∫ψn∗f(x)dx=cn\int\psi^{*}_{n}f\left(x\right)dx=c_{n}

Essas propriedades não se restringem ao problema do poço quadrado infinito.

Uma solução então da equação de Schrödinger pode ser dada por:

Ψn(t)=ψn(x)φn(t)=2asin⁡(nπax)e−iEnt/ℏ=2asin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2h2t2ma2ℏ]=2asin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]\begin{align} \Psi_{n}\left(t\right) & =\psi_{n}\left(x\right)\varphi_{n}\left(t\right)\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)e^{-iE_{n}t/\hbar}\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}h^{2}t}{2ma^{2}\hbar}\right]\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right] \end{align}

E a solução mais geral é então:

Ψ(x.t)=∑n=1∞cnΨn(x,t)=∑n=1∞cnψn(x)φn(t)=∑n=1∞cn2asin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]\Psi\left(x.t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\Psi_{n}\left(x,t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)\varphi_{n}\left(t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right]

Resta então apenas demonstrar que sempre podemos expressar a condição inicial Ψ(x,0)\Psi\left(x,0\right) utilizando uma escolha apropriada de coeficientes cnc_{n}. Então a completude dos ψ\psi (que é confirmado pelo teorema de Dirichlet) é que me garante que podemos fazer isso e a ortonormalidade nos permite usar o truque de Fourier para determinar os coeficiente da seguinte forma:

cn=∫ψn∗f(x)dx=∫0a2asin⁡(nπax)Ψ(x,0)dxc_{n}=\int\psi^{*}_{n}f\left(x\right)dx=\int^{a}_{0}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\Psi\left(x,0\right)dx

Poderíamos facilmente reescrever tudo de forma que cnc_{n} absorva 2/a\sqrt{2/a}, escrevendo por exemplo an=2/acna_{n}=\sqrt{2/a}c_{n}e consequentemente também ψ′=a/2ψ\psi'=\sqrt{a/2}\psi, mas é apenas uma manipulação matemática.

Exemplo: Uma partícula no potencial quadrado infinito possui a seguinte função de onda inicial

Ψ(x,0)=Ax(a−x)\Psi\left(x,0\right)=Ax\left(a-x\right)

Queremos achar a Ψ(x,t)\Psi\left(x,t\right).

Precisamos começar achando a constante de normalização

∫0a∣Ψ(x,0)∣2dx=∫0aA2x2(a−x)2dx1=A2∫x2(a2−2ax+x2)dx=A2(a2∫0ax2dx−2a∫0ax3dx+∫0ax4dx)=A2(a2x33−2ax44+x55)0a=A2(a2a33−2a5a44⋅5+4a54⋅5)=A2a5(13+4−1020)=A2a5(203⋅20−3⋅620⋅3)1=A2a5260\begin{align} \int^{a}_{0}\left|\Psi\left(x,0\right)\right|^{2}dx & =\int^{a}_{0}A^{2}x^{2}\left(a-x\right)^{2}dx\\ 1 & =A^{2}\int x^{2}\left(a^{2}-2ax+x^{2}\right)dx\\ & =A^{2}\left(a^{2}\int^{a}_{0}x^{2}dx-2a\int^{a}_{0}x^{3}dx+\int^{a}_{0}x^{4}dx\right)\\ & =A^{2}\left(a^{2}\frac{x^{3}}{3}-2a\frac{x^{4}}{4}+\frac{x^{5}}{5}\right)^{a}_{0}\\ & =A^{2}\left(a^{2}\frac{a^{3}}{3}-2a\frac{5a^{4}}{4\cdot5}+\frac{4a^{5}}{4\cdot5}\right)\\ & =A^{2}a^{5}\left(\frac{1}{3}+\frac{4-10}{20}\right)\\ & =A^{2}a^{5}\left(\frac{20}{3\cdot20}-\frac{3\cdot6}{20\cdot3}\right)\\ 1 & =A^{2}a^{5}\frac{2}{60} \end{align}

Então:

A2=602a5→A=30a5A^{2}=\frac{60}{2a^{5}}\rightarrow A=\sqrt{\frac{30}{a^{5}}}

E então o coeficiente da equação é dado por:

cn=∫ψn∗f(x)dx=∫0a2asin⁡(nπax)Ψ(x,0)dx=30a5∫0a2asin⁡(nπax)x(a−x)dx=60a6∫0asin⁡(nπax)(xa−x2)dx=60a6(a∫0axsin⁡(nπax)dx−∫0ax2sin⁡(nπax)dx)=60a6(a∫0nπu(anπ)sin⁡(u)(anπ)du−∫0nπu2(anπ)2sin⁡(u)(anπ)du)=60a3(a3n2π2∫0nπusin⁡(u)du−a3n3π3∫0nπu2sin⁡(u)du)=60n2π2(∫0nπusin⁡(u)du−1nπ∫0nπu2sin⁡(u)du)\begin{align} c_{n} & =\int\psi^{*}_{n}f\left(x\right)dx\\ & =\int^{a}_{0}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\Psi\left(x,0\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{30}{a^{5}}}\int^{a}_{0}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)x\left(a-x\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{60}{a^{6}}}\int^{a}_{0}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\left(xa-x^{2}\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{60}{a^{6}}}\left(a\int^{a}_{0}x\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx-\int^{a}_{0}x^{2}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx\right)\\ & =\sqrt{\frac{60}{a^{6}}}\left(a\int^{n\pi}_{0}u\left(\frac{a}{n\pi}\right)\sin\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du-\int^{n\pi}_{0}u^{2}\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\sin\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{a^{3}}\left(\frac{a^{3}}{n^{2}\pi^{2}}\int^{n\pi}_{0}u\sin\left(u\right)du-\frac{a^{3}}{n^{3}\pi^{3}}\int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin\left(u\right)du\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(\int^{n\pi}_{0}u\sin\left(u\right)du-\frac{1}{n\pi}\int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin\left(u\right)du\right) \end{align}

Primeiro fizemos a substituição nπax=u\frac{n\pi}{a}x=u então dx=anπdudx=\frac{a}{n\pi}du e x2=u2(a/nπ)2x^{2}=u^{2}(a/n\pi)^{2}, onde os limites também foram de 0 a u=a(nπ/a)=nπu=a(n\pi/a)=n\pi. Vamos aplicar o método da integral por partes onde f(u)=u2f\left(u\right)=u^{2} e g′(x)=sin⁡(u)g'\left(x\right)=\sin\left(u\right)

∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x)dx∫0nπu2sin⁡(u)du=−u2cos⁡(u)∣0nπ+2∫0nπcos⁡(u)udu=−n2π2cos⁡(nπ)+2∫0nπucos⁡(u)du\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}g\left(x\right)f'\left(x\right)dx\\ \int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin\left(u\right)du & =\left.-u^{2}\cos\left(u\right)\right|^{n\pi}_{0}+2\int^{n\pi}_{0}\cos\left(u\right)udu\\ & =-n^{2}\pi^{2}\cos\left(n\pi\right)+2\int^{n\pi}_{0}u\cos\left(u\right)du \end{align}

Precisamos aplicar novamente na segunda integral agora f(u)=uf\left(u\right)=u

∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x)dx∫0nπcos⁡(u)udu=usin⁡(u)∣0nπ−∫0nπsin⁡(u)du=[cos⁡(u)]0nπ=[cos⁡(nπ)−cos⁡(0)]=cos⁡(nπ)−1\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}g\left(x\right)f'\left(x\right)dx\\ \int^{n\pi}_{0}\cos\left(u\right)udu & =\left.u\sin\left(u\right)\right|^{n\pi}_{0}-\int^{n\pi}_{0}\sin\left(u\right)du\\ & =\left[\cos\left(u\right)\right]^{n\pi}_{0}\\ & =\left[\cos\left(n\pi\right)-\cos\left(0\right)\right]\\ & =\cos\left(n\pi\right)-1 \end{align}

Então a segunda integral é:

∫0nπu2sin⁡(u)du=−n2π2cos⁡(nπ)+2(cos⁡(nπ)−1)=−n2π2cos⁡(nπ)+2cos⁡(nπ)−2=(−n2π2+2)cos⁡(nπ)−2\begin{align} \int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin\left(u\right)du= & -n^{2}\pi^{2}\cos\left(n\pi\right)+2\left(\cos\left(n\pi\right)-1\right)\\ & =-n^{2}\pi^{2}\cos\left(n\pi\right)+2\cos\left(n\pi\right)-2\\ & =\left(-n^{2}\pi^{2}+2\right)\cos\left(n\pi\right)-2 \end{align}

E a primeira integral é dada por, onde f(x)=uf\left(x\right)=u:

∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x)dx∫0nπsin⁡(u)udu=−ucos⁡(u)∣0nπ+∫0nπcos⁡(u)du=−nπcos⁡(nπ)+[sin⁡(u)]0nπ=−nπcos⁡(nπ)\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}g\left(x\right)f'\left(x\right)dx\\ \int^{n\pi}_{0}\sin\left(u\right)udu & =\left.-u\cos\left(u\right)\right|^{n\pi}_{0}+\int^{n\pi}_{0}\cos\left(u\right)du\\ & =-n\pi\cos\left(n\pi\right)+\left[\sin\left(u\right)\right]^{n\pi}_{0}\\ & =-n\pi\cos\left(n\pi\right) \end{align}

Então o coeficiente pode ser dado por:

cn=60n2π2(∫0nπusin⁡(u)du−1nπ∫0nπu2sin⁡(u)du)=60n2π2(−nπcos⁡(nπ)−1nπ[(−n2π2+2)cos⁡(nπ)−2])=60n2π2(−nπcos⁡(nπ)+(n2π2−2)nπcos⁡(nπ)+2nπ)=60n2π2((−n2π2+n2π2−2)nπcos⁡(nπ)+2nπ)=60n2π2(−2nπcos⁡(nπ)+2nπ)=260n3π3(1−cos⁡(nπ))=260n3π3(1−(−1)n)\begin{align} c_{n} & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(\int^{n\pi}_{0}u\sin\left(u\right)du-\frac{1}{n\pi}\int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin\left(u\right)du\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(-n\pi\cos\left(n\pi\right)-\frac{1}{n\pi}\left[\left(-n^{2}\pi^{2}+2\right)\cos\left(n\pi\right)-2\right]\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(-n\pi\cos\left(n\pi\right)+\frac{\left(n^{2}\pi^{2}-2\right)}{n\pi}\cos\left(n\pi\right)+\frac{2}{n\pi}\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(\frac{\left(-n^{2}\pi^{2}+n^{2}\pi^{2}-2\right)}{n\pi}\cos\left(n\pi\right)+\frac{2}{n\pi}\right)\\ & =\frac{\sqrt{60}}{n^{2}\pi^{2}}\left(\frac{-2}{n\pi}\cos\left(n\pi\right)+\frac{2}{n\pi}\right)\\ & =\frac{2\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}}\left(1-\cos\left(n\pi\right)\right)\\ & =\frac{2\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}}\left(1-\left(-1\right)^{n}\right) \end{align}

Então se nn é ímpar temos cos⁡(nπ)=−1\cos\left(n\pi\right)=-1, se nn é par temos cos⁡(nπ)=1\cos\left(n\pi\right)=1 temos escrever então cos⁡(nπ)=(−1)n\cos\left(n\pi\right)=\left(-1\right)^{n}. Mas então:

cn={0,se n par460n3π3,se n ıˊmparc_{n}=\begin{cases} 0 & \text{,se n par}\\ \frac{4\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}} & \text{,se n ímpar} \end{cases}

Então a solução é:

Ψ(x.t)=∑n=1∞cnΨn(x,t)=∑n=1∞cn2asin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]=∑n=1,3,5∞460n3π32asin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]=4π3120a∑n=1,3,5∞1n3sin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]\begin{align} \Psi\left(x.t\right) & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\Psi_{n}\left(x,t\right)\\ & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right]\\ & =\sum^{\infty}_{n=1,3,5}\frac{4\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right]\\ & =\frac{4}{\pi^{3}}\sqrt{\frac{120}{a}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5}\frac{1}{n^{3}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right] \end{align}

Ou se 120=4⋅30=22⋅30120=4\cdot30=2^{2}\cdot30 então 120=22⋅30=22\sqrt{120}=\sqrt{2^{2}\cdot30}=\sqrt{2^{2}}30=230\sqrt{30}=2\sqrt{30}. De forma que podemos reescrever 4120=8304\sqrt{120}=8\sqrt{30} e 8=238=2^{3}. Assim obtemos a solução do livro:

Ψ(x,t)=30a(2π)3∑n=1,3,5∞1n3sin⁡(nπax)exp⁡[−in2π2ht2ma2]\Psi\left(x,t\right)=\sqrt{\frac{30}{a}}\left(\frac{2}{\pi}\right)^{3}\sum^{\infty}_{n=1,3,5}\frac{1}{n^{3}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-\frac{in^{2}\pi^{2}ht}{2ma^{2}}\right]

Exemplo: Mostre que ∑n=1∞∣cn∣2=1\sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2}=1 é satisfeito no exemplo anterior. Se medir a energia de uma partícula neste estado, qual é o resultado mais provável? Qual é o valor esperado de energia?

Recebemos a sugestão de utilizar as seguintes séries:

116+136+156+⋯=π6960114+134+154+⋯=π496\frac{1}{1^{6}}+\frac{1}{3^{6}}+\frac{1}{5^{6}}+\dots=\frac{\pi^{6}}{960}\qquad\frac{1}{1^{4}}+\frac{1}{3^{4}}+\frac{1}{5^{4}}+\dots=\frac{\pi^{4}}{96}

Queremos demonstrar que ∑n=1∞∣cn∣2=1\sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2}=1 é satisfeito no exemplo anterior. Então:

∑n=1∞∣cn∣2=∑n=1,3,5…∞(460n3π3)2=(460π3)2∑n=1,3,5…∞1n6=16⋅60π6∑n=1,3,5…∞1n6=960π6∑n=1,3,5…∞1n6\begin{align} \sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2} & =\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\left(\frac{4\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}}\right)^{2}=\left(\frac{4\sqrt{60}}{\pi^{3}}\right)^{2}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{6}}=\frac{16\cdot60}{\pi^{6}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{6}}=\frac{960}{\pi^{6}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{6}} \end{align}

Então usando a série que nos foi fornecida:

∑n=1∞∣cn∣2=960π6(π6960)=1\begin{align} \sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2} & =\frac{960}{\pi^{6}}\left(\frac{\pi^{6}}{960}\right)=1 \end{align}

E o valor esperado da anergia , sendo En=ℏ2n2π22mE_{n}=\frac{\hbar^{2}n^{2}\pi^{2}}{2m}

⟨H⟩=∑n=1∞En∣cn∣2=∑n=1,3,5…∞ℏ2n2π22m(460n3π3)2=ℏ2π22m960π6∑n=1,3,5…∞n2n6\left\langle H\right\rangle =\sum^{\infty}_{n=1}E_{n}\left|c_{n}\right|^{2}=\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{\hbar^{2}n^{2}\pi^{2}}{2m}\left(\frac{4\sqrt{60}}{n^{3}\pi^{3}}\right)^{2}=\frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2m}\frac{960}{\pi^{6}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{n^{2}}{n^{6}}

Usando a série que nos foi fornecida:

⟨H⟩=ℏ2π22m(10π2)(96π4)(π496)=ℏ2π22m(10π2)\left\langle H\right\rangle =\frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2m}\left(\frac{10}{\pi^{2}}\right)\left(\frac{96}{\pi^{4}}\right)\left(\frac{\pi^{4}}{96}\right)=\frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2m}\left(\frac{10}{\pi^{2}}\right)

Isso é muito próximo da energia para n=1n=1 que é E1=ℏ2π22mE_{1}=\frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2m}, ou seja:

⟨H⟩=10π2E1=1,01E1\left\langle H\right\rangle =\frac{10}{\pi^{2}}E_{1}=1,01E_{1}

Isso também pode ser visto fazendo:

∣c1∣2=(460π3)2=960π6=0.998\left|c_{1}\right|^{2}=\left(\frac{4\sqrt{60}}{\pi^{3}}\right)^{2}=\frac{960}{\pi^{6}}=0.998

Ou seja, isso indica que o primeiro termo ’domina’ nosso somatório de soluções, já que todos os outros termos farão a diferença para garantir a normalização. Digamos que cnc_{n} nos diz a “quantidade” de ψn\psi_{n}em Ψ\Psi, podemos esperar que 99.8%99.8\%das medições de energia nos retornarão E1E_{1}.

Podemos verificar a normalização do somatório de ∣cn∣2\left|c_{n}\right|^{2} diretamente, seguindo a orientação do livro vamos fazer a prova pra t=0t=0, mas é facilmente generalizável para qualquer tt arbitrário.

1=∫∣Ψ(x,0)∣2dx=∫Ψ∗(x,0)Ψ(x,0)dx=∫(∑n=1∞cnψn)∗(∑m=1∞cmψm)dx=∑n=1∞∑m=1∞∫cn∗ψn∗cmψmdx=∑n=1∞∑m=1∞cn∗cm∫ψn∗ψmdx=∑n,m=1∞cn∗cmδnm=∑n=1∞cn∗cn\begin{align} 1 & =\int\left|\Psi\left(x,0\right)\right|^{2}dx\\ & =\int\Psi^{*}\left(x,0\right)\Psi\left(x,0\right)dx\\ & =\int\left(\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\right)^{*}\left(\sum^{\infty}_{m=1}c_{m}\psi_{m}\right)dx\\ & =\sum^{\infty}_{n=1}\sum^{\infty}_{m=1}\int c^{*}_{n}\psi^{*}_{n}c_{m}\psi_{m}dx\\ & =\sum^{\infty}_{n=1}\sum^{\infty}_{m=1}c^{*}_{n}c_{m}\int\psi^{*}_{n}\psi_{m}dx\\ & =\sum^{\infty}_{n,m=1}c^{*}_{n}c_{m}\delta_{nm}\\ & =\sum^{\infty}_{n=1}c^{*}_{n}c_{n} \end{align}

Então:

∑n=1∞∣cn∣2=1\sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2}=1

De modo análogo podemos checar o valor esperado de energia, utilizando equação de Schrödinger independente do tempo H^ψn=Enψn\widehat{H}\psi_{n}=E_{n}\psi_{n} então:

⟨H⟩=∫ΨH^Ψdx=∫(∑n=1∞cnψn)∗H^(∑m=1∞cmψm)dx=∑n,m=1∞cn∗cm∫ψn∗(H^ψm)dx=∑n,m=1∞cn∗cm∫ψn∗(Emψm)dx=∑n,m=1∞cn∗cmEm∫ψn∗ψmdx=∑n,m=1∞cn∗cmEmδnm\begin{align} \left\langle H\right\rangle & =\int\Psi\widehat{H}\Psi dx\\ & =\int\left(\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\right)^{*}\widehat{H}\left(\sum^{\infty}_{m=1}c_{m}\psi_{m}\right)dx\\ & =\sum^{\infty}_{n,m=1}c^{*}_{n}c_{m}\int\psi^{*}_{n}\left(\widehat{H}\psi_{m}\right)dx\\ & =\sum^{\infty}_{n,m=1}c^{*}_{n}c_{m}\int\psi^{*}_{n}\left(E_{m}\psi_{m}\right)dx\\ & =\sum^{\infty}_{n,m=1}c^{*}_{n}c_{m}E_{m}\int\psi^{*}_{n}\psi_{m}dx\\ & =\sum^{\infty}_{n,m=1}c^{*}_{n}c_{m}E_{m}\delta_{nm} \end{align}

Então:

⟨H⟩=∑n∞∣cn∣2En\left\langle H\right\rangle =\sum^{\infty}_{n}\left|c_{n}\right|^{2}E_{n}

Exemplo: Calcule ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle, ⟨x2⟩\left\langle x^{2}\right\rangle,⟨p⟩\left\langle p\right\rangle, ⟨p⟩2\left\langle p\right\rangle ^{2}, σx\sigma_{x} e σp\sigma_{p} para o enésimo estado estacionário para o poço quadrado infinito. Então verifique se o princípio da incerteza é satisfeito e aponte qual é o estado que chega mais perto do limite.

Primeiro vamos recuperar a solução já conhecida no interior do poço que é 17:

ψn(x)=2asin⁡(nπax)\psi_{n}\left(x\right)=\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)

Então:

⟨x⟩=∫0ax∣ψn∣2dx=2a∫0axsin⁡2(nπax)dx=2a∫0a(anπ)usin⁡2(u)(anπ)du=2an2π2∫0nπusin⁡2udu\begin{align} \left\langle x\right\rangle & =\int^{a}_{0}x\left|\psi_{n}\right|^{2}dx\\ & =\frac{2}{a}\int^{a}_{0}x\sin^{2}\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx\\ & =\frac{2}{a}\int^{a}_{0}\left(\frac{a}{n\pi}\right)u\sin^{2}\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du\\ & =\frac{2a}{n^{2}\pi^{2}}\int^{n\pi}_{0}u\sin^{2}udu \end{align}

Onde substituímos u=nπaxu=\frac{n\pi}{a}x então x=anπux=\frac{a}{n\pi}u e dx=anπdudx=\frac{a}{n\pi}du, além de que os limites vão de x=0→u=0x=0\rightarrow u=0 até x=a→u=nπx=a\rightarrow u=n\pi. Utilizando então integração por partes sendo f(u)=uf\left(u\right)=u, e sendo que já calculamos a integral de sin⁡2(x)\sin^{2}\left(x\right) utilizando a propriedade trigonométrica 2sin⁡2(x)=1−cos⁡(2x)2\sin^{2}\left(x\right)=1-\cos\left(2x\right) em 12 sendo ∫sin⁡2xdx=x/2−sin⁡(2x)/4+C\int\sin^{2}xdx=x/2-\sin\left(2x\right)/4+C então:

∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x)dx∫0nπusin⁡2udu=u(u2−sin⁡(2u)4)∣0nπ−∫0nπ(u2−sin⁡(2u)4)du=(n2π22−nπsin⁡(2nπ)4)−12∫0nπudu+14∫0nπsin⁡(2u)du=n2π22−14[u2]0nπ+14∫02nπsin⁡(v)dv=2n2π24−n2π24−14[cos⁡v]02nπ=n2π24−14[cos⁡2π−cos⁡0]=n2π24−14(1−1)=n2π24\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}g\left(x\right)f'\left(x\right)dx\\ \int^{n\pi}_{0}u\sin^{2}udu & =\left.u\left(\frac{u}{2}-\frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right)\right|^{n\pi}_{0}-\int^{n\pi}_{0}\left(\frac{u}{2}-\frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right)du\\ & =\left(\frac{n^{2}\pi^{2}}{2}-\frac{n\pi\sin\left(2n\pi\right)}{4}\right)-\frac{1}{2}\int^{n\pi}_{0}udu+\frac{1}{4}\int^{n\pi}_{0}\sin\left(2u\right)du\\ & =\frac{n^{2}\pi^{2}}{2}-\frac{1}{4}\left[u^{2}\right]^{n\pi}_{0}+\frac{1}{4}\int^{2n\pi}_{0}\sin\left(v\right)dv\\ & =\frac{2n^{2}\pi^{2}}{4}-\frac{n^{2}\pi^{2}}{4}-\frac{1}{4}\left[\cos v\right]^{2n\pi}_{0}\\ & =\frac{n^{2}\pi^{2}}{4}-\frac{1}{4}\left[\cos2\pi-\cos0\right]\\ & =\frac{n^{2}\pi^{2}}{4}-\frac{1}{4}\left(1-1\right)\\ & =\frac{n^{2}\pi^{2}}{4} \end{align}

Onde na integral foi substituído v=2uv=2u então dv2=du\frac{dv}{2}=du e consequentemente os limites são 0 e 2nπ2n\pi. Substituindo então:

⟨x⟩=2an2π2∫0nπusin⁡2udu=2an2π2(n2π24)=a2\begin{align} \left\langle x\right\rangle & =\frac{2a}{n^{2}\pi^{2}}\int^{n\pi}_{0}u\sin^{2}udu=\frac{2a}{n^{2}\pi^{2}}\left(\frac{n^{2}\pi^{2}}{4}\right)=\frac{a}{2} \end{align}

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

⟨x2⟩=∫0ax2sin⁡2(nπax)dx=2a∫0a(anπ)2usin⁡2(u)(anπ)du=2a2n3π3∫0nπu2sin⁡2udu\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\int^{a}_{0}x^{2}\sin^{2}\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx=\frac{2}{a}\int^{a}_{0}\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}u\sin^{2}\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du=\frac{2a^{2}}{n^{3}\pi^{3}}\int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin^{2}udu \end{align}

Onde fizemos a mesma substituição u=nπaxu=\frac{n\pi}{a}x. Fazendo separação de variáveis novamente sendo f(u)=u2:f\left(u\right)=u^{2}:

∫abf(x)g′(x)dx=f(x)g(x)∣ab−∫abg(x)f′(x)dx∫0nπu2sin⁡2udu=u2(u2−sin⁡(2u)4)∣0nπ−∫0nπ2u(u2−sin⁡(2u)4)du=n3π32−n2π2sin⁡(2nπ)4−∫0nπu2du+12∫0nπusin⁡(2u)du=n3π32−[u33]0nπ+12∫02nπv2sin⁡(v)dv2=3n3π36−2n3π36+18∫02nπvsin⁡(v)dv=n3π36+18∫02nπvsin⁡(v)dv\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}g\left(x\right)f'\left(x\right)dx\\ \int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin^{2}udu & =\left.u^{2}\left(\frac{u}{2}-\frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right)\right|^{n\pi}_{0}-\int^{n\pi}_{0}2u\left(\frac{u}{2}-\frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right)du\\ & =\frac{n^{3}\pi^{3}}{2}-\frac{n^{2}\pi^{2}\sin\left(2n\pi\right)}{4}-\int^{n\pi}_{0}u^{2}du+\frac{1}{2}\int^{n\pi}_{0}u\sin\left(2u\right)du\\ & =\frac{n^{3}\pi^{3}}{2}-\left[\frac{u^{3}}{3}\right]^{n\pi}_{0}+\frac{1}{2}\int^{2n\pi}_{0}\frac{v}{2}\sin\left(v\right)\frac{dv}{2}\\ & =\frac{3n^{3}\pi^{3}}{6}-\frac{2n^{3}\pi^{3}}{6}+\frac{1}{8}\int^{2n\pi}_{0}v\sin\left(v\right)dv\\ & =\frac{n^{3}\pi^{3}}{6}+\frac{1}{8}\int^{2n\pi}_{0}v\sin\left(v\right)dv \end{align}

Onde fizemos v=2uv=2u e du=dv/2du=dv/2, alterando também os limites pra 0 e 2nπ2n\pi, mas já calculamos a segunda integral ∫0ausin⁡(u)du=−acos⁡(a)\int^{a}_{0}u\sin\left(u\right)du=-a\cos\left(a\right) em 44, então:

∫0nπu2sin⁡2udu=n3π36+18(−2nπcos⁡(2nπ))=n3π36−nπ4\begin{align} \int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin^{2}udu & =\frac{n^{3}\pi^{3}}{6}+\frac{1}{8}\left(-2n\pi\cos\left(2n\pi\right)\right)\\ & =\frac{n^{3}\pi^{3}}{6}-\frac{n\pi}{4} \end{align}

Então:

⟨x2⟩=2a2n3π3∫0nπu2sin⁡2udu=2a2n3π3(n3π36−nπ4)=a2(13−12n2π2)\begin{align} \left\langle x^{2}\right\rangle & =\frac{2a^{2}}{n^{3}\pi^{3}}\int^{n\pi}_{0}u^{2}\sin^{2}udu=\frac{2a^{2}}{n^{3}\pi^{3}}\left(\frac{n^{3}\pi^{3}}{6}-\frac{n\pi}{4}\right)=a^{2}\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{2n^{2}\pi^{2}}\right) \end{align}

A forma mais fácil de calcularmos ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle é utilizando:

⟨p⟩=md⟨x⟩dt=mddt(a2)=0\left\langle p\right\rangle =m\frac{d\left\langle x\right\rangle }{dt}=m\frac{d}{dt}\left(\frac{a}{2}\right)=0

E por fim então:

⟨p2⟩=∫ψn∗(ℏiddx)2ψndx=−ℏ2∫ψn∗d2ψndx2dx\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =\int\psi^{*}_{n}\left(\frac{\hbar}{i}\frac{d}{dx}\right)^{2}\psi_{n}dx=-\hbar^{2}\int\psi^{*}_{n}\frac{d^{2}\psi_{n}}{dx^{2}}dx \end{align}

E sendo a equação de Schrödinger neste caso dado pela combinação das equações 2 e 10:

∂2ψn∂x2=−kn2ψn=−(nπa)2ψn\frac{\partial^{2}\psi_{n}}{\partial x^{2}}=-k^{2}_{n}\psi_{n}=-\left(\frac{n\pi}{a}\right)^{2}\psi_{n}

Então:

⟨p2⟩=−ℏ2∫ψn∗d2ψndx2dx=−ℏ2∫ψn∗(−(nπa)2)ψndx=(ℏnπa)2∫ψn∗ψndx=(ℏnπa)2\begin{align} \left\langle p^{2}\right\rangle & =-\hbar^{2}\int\psi^{*}_{n}\frac{d^{2}\psi_{n}}{dx^{2}}dx=-\hbar^{2}\int\psi^{*}_{n}\left(-\left(\frac{n\pi}{a}\right)^{2}\right)\psi_{n}dx=\left(\frac{\hbar n\pi}{a}\right)^{2}\int\psi^{*}_{n}\psi_{n}dx=\left(\frac{\hbar n\pi}{a}\right)^{2} \end{align}

Então o desvio padrão da posição é dado por:

σx=⟨x2⟩−⟨x⟩2=a2(13−12n2π2)−(a2)2=a412−24n2π2−312=a14⋅3−24n2π2\begin{align} \sigma_{x} & =\sqrt{\left\langle x^{2}\right\rangle -\left\langle x\right\rangle ^{2}}\\ & =\sqrt{a^{2}\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{2n^{2}\pi^{2}}\right)-\left(\frac{a}{2}\right)^{2}}\\ & =a\sqrt{\frac{4}{12}-\frac{2}{4n^{2}\pi^{2}}-\frac{3}{12}}\\ & =a\sqrt{\frac{1}{4\cdot3}-\frac{2}{4n^{2}\pi^{2}}} \end{align}

Ou seja:

σx=a213−2n2π2\sigma_{x}=\frac{a}{2}\sqrt{\frac{1}{3}-\frac{2}{n^{2}\pi^{2}}}

De modo análogo temos para σp\sigma_{p}:

σp=⟨p2⟩−⟨p⟩2=(ℏnπa)2−(0)2=(ℏnπa)2=ℏnπa\begin{align} \sigma_{p} & =\sqrt{\left\langle p^{2}\right\rangle -\left\langle p\right\rangle ^{2}}=\sqrt{\left(\frac{\hbar n\pi}{a}\right)^{2}-\left(0\right)^{2}}=\sqrt{\left(\frac{\hbar n\pi}{a}\right)^{2}}=\frac{\hbar n\pi}{a} \end{align}

A relação de incerteza é então:

σxσp=a213−2n2π2ℏnπa=ℏnπ213−2n2π2=ℏ2(nπ)2(13−2n2π2)\sigma_{x}\sigma_{p}=\frac{a}{2}\sqrt{\frac{1}{3}-\frac{2}{n^{2}\pi^{2}}}\frac{\hbar n\pi}{a}=\frac{\hbar n\pi}{2}\sqrt{\frac{1}{3}-\frac{2}{n^{2}\pi^{2}}}=\frac{\hbar}{2}\sqrt{\left(n\pi\right)^{2}\left(\frac{1}{3}-\frac{2}{n^{2}\pi^{2}}\right)}

Então:

σxσp=ℏ2n2π23−2\sigma_{x}\sigma_{p}=\frac{\hbar}{2}\sqrt{\frac{n^{2}\pi^{2}}{3}-2}

E podemos ver que quanto maior nn maior será o produto dos desvios. Como a relação de incerteza é um limite inferior, então o valor mais próximo do limite é para n=1n=1. Neste caso temos:

σxσp=ℏ2π23−2\sigma_{x}\sigma_{p}=\frac{\hbar}{2}\sqrt{\frac{\pi^{2}}{3}-2}

E como temos π23−2=1.13\sqrt{\frac{\pi^{2}}{3}-2}=1.13 então σxσp=1.14ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}=1.14\frac{\hbar}{2}, um resultado que obviamente respeita a relação de incerteza dada por σxσp≥ℏ2\sigma_{x}\sigma_{p}\geq\frac{\hbar}{2}.

Exemplo: Uma partícula em um poço quadrado infinito tem a seguinte função de onda inicial:

ψ(x,0)=A[ψ1(x)+ψ2(x)]\psi\left(x,0\right)=A\left[\psi_{1}\left(x\right)+\psi_{2}\left(x\right)\right]

a) Normalize ψ(x,0)\psi\left(x,0\right).

b) Encontre ψ\psi(x,t)\left(x,t\right) e ∣ψ(x,t)∣2\left|\psi\left(x,t\right)\right|^{2}. Expresse o último como uma função senoidal no tempo e para simplificar use ω≡π2h/2ma2\omega\equiv\pi^{2}h/2ma^{2}.

c) Calcule ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle. Verifique se oscila no tempo. Qual é a frequência angular da oscilação? Qual é a amplitude de oscilação?

d) Calcular ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle.

e) Se você medir a energia dessa partícula, quais valores você espera obter e com qual probabilidade? Encontre o valor esperado de HH e como ele se compara a E1E_{1} e E2E_{2}.

Pela notação podemos assumir que ψn(x)\psi_{n}\left(x\right) são as soluções estacionárias de Ψ(x,t)\Psi\left(x,t\right). Primeiro queremos normalizar Ψ(x,0)\Psi\left(x,0\right). Então:

∣Ψ∣2=(A[ψ1(x)+ψ2(x)])∗(A[ψ1(x)+ψ2(x)])=A∗[ψ1∗+ψ2∗]A[ψ1+ψ2]=A∗A(ψ1∗ψ1+ψ1∗ψ2+ψ2∗ψ1+ψ2∗ψ2)=∣A∣2(∣ψ1∣2+∣ψ∣22+ψ1∗ψ2+ψ2∗ψ1)\begin{align} \left|\Psi\right|^{2} & =\left(A\left[\psi_{1}\left(x\right)+\psi_{2}\left(x\right)\right]\right)^{*}\left(A\left[\psi_{1}\left(x\right)+\psi_{2}\left(x\right)\right]\right)\\ & =A^{*}\left[\psi^{*}_{1}+\psi^{*}_{2}\right]A\left[\psi_{1}+\psi_{2}\right]\\ & =A^{*}A\left(\psi^{*}_{1}\psi_{1}+\psi^{*}_{1}\psi_{2}+\psi^{*}_{2}\psi_{1}+\psi^{*}_{2}\psi_{2}\right)\\ & =\left|A\right|^{2}\left(\left|\psi_{1}\right|^{2}+\left|\psi\right|^{2}_{2}+\psi^{*}_{1}\psi_{2}+\psi^{*}_{2}\psi_{1}\right) \end{align}

Integrando então, pela condição de normalização:

1=∫∣Ψ∣2dx=∣A∣2(∫∣ψ1∣2dx+∫∣ψ∣22dx+∫ψ1∗ψ2dx+∫ψ2∗ψ1dx)=∣A∣2(1+1)=2∣A∣21=\int\left|\Psi\right|^{2}dx=\left|A\right|^{2}\left(\int\left|\psi_{1}\right|^{2}dx+\int\left|\psi\right|^{2}_{2}dx+\int\psi^{*}_{1}\psi_{2}dx+\int\psi^{*}_{2}\psi_{1}dx\right)=\left|A\right|^{2}\left(1+1\right)=2\left|A\right|^{2}

Então:

A=12A=\frac{1}{\sqrt{2}}

Queremos agora calcular Ψ(x,t)\Psi\left(x,t\right). Uma vez que

Ψ(x,0)=∑n=1∞cnψn(x)\Psi\left(x,0\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)

temos claramente c1=c2=1/2c_{1}=c_{2}=1/\sqrt{2} e cn=0c_{n}=0 para n>2n>2. E como vimos que:

Ψ(x,t)=∑n=1∞cnΨn(x,t)=∑n=1∞cnψn(x)e−iEnt/ℏ\Psi\left(x,t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\Psi_{n}\left(x,t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)e^{-iE_{n}t/\hbar}

Uma vez que cnc_{n} são constantes, assim como ψn(x)\psi_{n}\left(x\right) são as soluções espaciais constante no tempo, então não pode haver nenhum ψn\psi_{n} para n>2n>2, então a função de onda deve ter a seguinte forma:

Ψ(x,t)=c1ψ1(x)e−iE1t/ℏ+c2ψ2(x)e−iE2t/ℏ\Psi\left(x,t\right)=c_{1}\psi_{1}\left(x\right)e^{-iE_{1}t/\hbar}+c_{2}\psi_{2}\left(x\right)e^{-iE_{2}t/\hbar}

Usando os valores de c1c_{1} calculados e a definição de frequência angular dada pelo enunciado ω≡π2ℏ/2ma2\omega\equiv\pi^{2}\hbar/2ma^{2}, uma vez que já vimos que:

En=n2π2ℏ22ma2=ωℏn2E_{n}=\frac{n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}=\omega\hbar n^{2}

Então:

Ψ(x,t)=12ψ1(x)e−iωℏ12t/ℏ+12ψ2(x)e−iωℏ22t/ℏ=12(ψ1(x)e−iωt+ψ2(x)e−i4ωt)=e−iωt2(ψ1(x)+ψ2(x)e−i3ωt)\begin{align} \Psi\left(x,t\right) & =\frac{1}{\sqrt{2}}\psi_{1}\left(x\right)e^{-i\omega\hbar1^{2}t/\hbar}+\frac{1}{\sqrt{2}}\psi_{2}\left(x\right)e^{-i\omega\hbar2^{2}t/\hbar}\\ & =\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\psi_{1}\left(x\right)e^{-i\omega t}+\psi_{2}\left(x\right)e^{-i4\omega t}\right)\\ & =\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{2}}\left(\psi_{1}\left(x\right)+\psi_{2}\left(x\right)e^{-i3\omega t}\right) \end{align}

Também já calculamos que ψn(x)=2asin⁡(nπxa)\psi_{n}\left(x\right)=\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi x}{a}\right)então:

Ψ(x,t)=e−iωt2(2asin⁡(πxa)+2asin⁡(2πxa)e−i3ωt)=e−iωta(sin⁡(πxa)+sin⁡(2πxa)e−i3ωt)\begin{align} \Psi\left(x,t\right) & =\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{2}}\left(\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{-i3\omega t}\right)\\ & =\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{a}}\left(\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{-i3\omega t}\right) \end{align}

Então:

∣Ψ∣2=[e−iωta(sin⁡(πxa)+sin⁡(2πxa)e−i3ωt)]∗[e−iωta(sin⁡(πxa)+sin⁡(2πxa)e−i3ωt)]=e+iωta(sin⁡(πxa)+sin⁡(2πxa)e+i3ωt)e−iωta(sin⁡(πxa)+sin⁡(2πxa)e−i3ωt)=1a(sin⁡2(πxa)+sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)(e−i3ωt+e+i3ωt)+sin⁡2(2πxa))\begin{align} \left|\Psi\right|^{2} & =\left[\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{a}}\left(\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{-i3\omega t}\right)\right]^{*}\left[\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{a}}\left(\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{-i3\omega t}\right)\right]\\ & =\frac{e^{+i\omega t}}{\sqrt{a}}\left(\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{+i3\omega t}\right)\frac{e^{-i\omega t}}{\sqrt{a}}\left(\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)e^{-i3\omega t}\right)\\ & =\frac{1}{a}\left(\sin^{2}\left(\frac{\pi x}{a}\right)+\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\left(e^{-i3\omega t}+e^{+i3\omega t}\right)+\sin^{2}\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\right) \end{align}

E sendo cos⁡(x)=eix+eix2\cos\left(x\right)=\frac{e^{ix}+e^{ix}}{2}:

∣Ψ∣2=1a(sin⁡2(πxa)+2sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)cos⁡(3ωt)+sin⁡2(2πxa))\begin{align} \left|\Psi\right|^{2} & =\frac{1}{a}\left(\sin^{2}\left(\frac{\pi x}{a}\right)+2\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\cos\left(3\omega t\right)+\sin^{2}\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\right) \end{align}

Queremos então computar ⟨x⟩\left\langle x\right\rangle:

⟨x⟩=∫x∣Ψ∣2dx=1a(∫xsin⁡2(πxa)dx+∫2sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)cos⁡(3ωt)dx+∫xsin⁡2(2πxa)dx)=1a(∫xsin⁡2(πxa)dx+2cos⁡(3ωt)∫xsin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)dx+∫xsin⁡2(2πxa)dx)\begin{align} \left\langle x\right\rangle & =\int x\left|\Psi\right|^{2}dx\\ & =\frac{1}{a}\left(\int x\sin^{2}\left(\frac{\pi x}{a}\right)dx+\int2\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\cos\left(3\omega t\right)dx+\int x\sin^{2}\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx\right)\\ & =\frac{1}{a}\left(\int x\sin^{2}\left(\frac{\pi x}{a}\right)dx+2\cos\left(3\omega t\right)\int x\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx+\int x\sin^{2}\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx\right) \end{align}

Onde lembramos que a integral é na posição, logo cos⁡(3ωt)\cos\left(3\omega t\right) pode ser retirado para fora do integrando. Vamos calcular uma integral por vez. Primeiro vamos substituir u=πxau=\frac{\pi x}{a} e então os limites x=0→u=0x=0\rightarrow u=0 e x=a→u=πx=a\rightarrow u=\pi:

∫0πu(aπ)sin⁡2(u)(aπ)dx=a2π2∫0πusin⁡2(u)dx=a2π2π24=(a2)2\int^{\pi}_{0}u\left(\frac{a}{\pi}\right)\sin^{2}\left(u\right)\left(\frac{a}{\pi}\right)dx=\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\int^{\pi}_{0}u\sin^{2}\left(u\right)dx=\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\frac{\pi^{2}}{4}=\left(\frac{a}{2}\right)^{2}

Essa é uma integral que já tínhamos calculado 62. A terceira integral fazemos algo análogo substituindo u=2πxau=\frac{2\pi x}{a}, então os limites ficam entre 0 e 2π2\pi:

∫02πu(a2π)sin⁡2(u)(a2π)du=a24π2∫02πusin⁡2(u)du=a24π2(2π)24=(a2)2\int^{2\pi}_{0}u\left(\frac{a}{2\pi}\right)\sin^{2}\left(u\right)\left(\frac{a}{2\pi}\right)du=\frac{a^{2}}{4\pi^{2}}\int^{2\pi}_{0}u\sin^{2}\left(u\right)du=\frac{a^{2}}{4\pi^{2}}\frac{\left(2\pi\right)^{2}}{4}=\left(\frac{a}{2}\right)^{2}

Onde obtemos a mesma integral e o mesmo resultado. Agora para a integral do meio, vamos utilizar a seguinte propriedade trigonométrica:

cos⁡(A±B)=cos⁡Acos⁡B∓sin⁡Asin⁡B\begin{align} \cos\left(A\pm B\right) & =\cos A\cos B\mp\sin A\sin B \end{align}

Então:

cos⁡(A+B)−cos⁡(A−B)=[(cos⁡Acos⁡B−sin⁡Asin⁡B)+… ⋯−(cos⁡Acos⁡B+sin⁡Asin⁡B)]cos⁡(A+B)−cos⁡(A−B)=−2sin⁡Asin⁡B(cos⁡(A−B)−cos⁡(A+B))12=sin⁡Asin⁡B(cos⁡(πxa−2πxa)−cos⁡(πxa+2πxa))12=sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)(cos⁡(−πxa)−cos⁡(4πxa))12=sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)(cos⁡(πxa)−cos⁡(3πxa))12=sin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)\begin{align} \cos\left(A+B\right)-\cos\left(A-B\right) & =\left[\left(\cos A\cos B-\sin A\sin B\right)+\dots\right.\\ & \left.\dots-\left(\cos A\cos B+\sin A\sin B\right)\right]\\ \cos\left(A+B\right)-\cos\left(A-B\right) & =-2\sin A\sin B\\ \left(\cos\left(A-B\right)-\cos\left(A+B\right)\right)\frac{1}{2} & =\sin A\sin B\\ \left(\cos\left(\frac{\pi x}{a}-\frac{2\pi x}{a}\right)-\cos\left(\frac{\pi x}{a}+\frac{2\pi x}{a}\right)\right)\frac{1}{2} & =\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\\ \left(\cos\left(-\frac{\pi x}{a}\right)-\cos\left(\frac{4\pi x}{a}\right)\right)\frac{1}{2} & =\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)\\ \left(\cos\left(\frac{\pi x}{a}\right)-\cos\left(\frac{3\pi x}{a}\right)\right)\frac{1}{2} & =\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right) \end{align}

Então a segunda integral se torna:

∫xsin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)dx=12(∫xcos⁡(πxa)dx−∫xcos⁡(3πxa)dx)2∫xsin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)d=∫0πu(aπ)cos⁡(u)(aπ)dx−∫03πu(a3π)cos⁡(u)(a3π)du=a2π2∫0πucos⁡(u)dx−a232π2∫03πucos⁡(u)du\begin{align} \int x\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx & =\frac{1}{2}\left(\int x\cos\left(\frac{\pi x}{a}\right)dx-\int x\cos\left(\frac{3\pi x}{a}\right)dx\right)\\ 2\int x\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)d & =\int^{\pi}_{0}u\left(\frac{a}{\pi}\right)\cos\left(u\right)\left(\frac{a}{\pi}\right)dx-\int^{3\pi}_{0}u\left(\frac{a}{3\pi}\right)\cos\left(u\right)\left(\frac{a}{3\pi}\right)du\\ & =\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\int^{\pi}_{0}u\cos\left(u\right)dx-\frac{a^{2}}{3^{2}\pi^{2}}\int^{3\pi}_{0}u\cos\left(u\right)du \end{align}

Onde fizemos a substituição u=πxau=\frac{\pi x}{a} (com limites entre 0e π\pi) e u=4πxau=\frac{4\pi x}{a} (com limites entre 0 e 4π4\pi). A solução dessa integral já vimos em 42:

2∫xsin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)dx=a2π2∫0πucos⁡(u)dx−a232π2∫03πucos⁡(u)du=a2π2(cos⁡(π)−1)−a232π2(cos⁡(3π)−1)=a2π2(−1−1)−a232π2(−1−1)=−2[9a29π2−a29π2]=−28a29π2=−16a29π2\begin{align} 2\int x\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx & =\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\int^{\pi}_{0}u\cos\left(u\right)dx-\frac{a^{2}}{3^{2}\pi^{2}}\int^{3\pi}_{0}u\cos\left(u\right)du\\ & =\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\left(\cos\left(\pi\right)-1\right)-\frac{a^{2}}{3^{2}\pi^{2}}\left(\cos\left(3\pi\right)-1\right)\\ & =\frac{a^{2}}{\pi^{2}}\left(-1-1\right)-\frac{a^{2}}{3^{2}\pi^{2}}\left(-1-1\right)\\ & =-2\left[\frac{9a^{2}}{9\pi^{2}}-\frac{a^{2}}{9\pi^{2}}\right]\\ & =-2\frac{8a^{2}}{9\pi^{2}}\\ & =-\frac{16a^{2}}{9\pi^{2}} \end{align}

Então:

⟨x⟩=1a(∫xsin⁡2(πxa)dx+cos⁡(3ωt)[2∫xsin⁡(πxa)sin⁡(2πxa)dx]+∫xsin⁡2(2πxa)dx)=1a((a2)2+cos⁡(3ωt)(−16a29π2)+(a2)2)=a2a(14−cos⁡(3ωt)169π2+14)=a(24−cos⁡(3ωt)169π2)=a(12−22cos⁡(3ωt)169π2)=a2(1−329π2cos⁡(3ωt))\begin{align} \left\langle x\right\rangle & =\frac{1}{a}\left(\int x\sin^{2}\left(\frac{\pi x}{a}\right)dx+\cos\left(3\omega t\right)\left[2\int x\sin\left(\frac{\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx\right]+\int x\sin^{2}\left(\frac{2\pi x}{a}\right)dx\right)\\ & =\frac{1}{a}\left(\left(\frac{a}{2}\right)^{2}+\cos\left(3\omega t\right)\left(-\frac{16a^{2}}{9\pi^{2}}\right)+\left(\frac{a}{2}\right)^{2}\right)\\ & =\frac{a^{2}}{a}\left(\frac{1}{4}-\cos\left(3\omega t\right)\frac{16}{9\pi^{2}}+\frac{1}{4}\right)\\ & =a\left(\frac{2}{4}-\cos\left(3\omega t\right)\frac{16}{9\pi^{2}}\right)\\ & =a\left(\frac{1}{2}-\frac{2}{2}\cos\left(3\omega t\right)\frac{16}{9\pi^{2}}\right)\\ & =\frac{a}{2}\left(1-\frac{32}{9\pi^{2}}\cos\left(3\omega t\right)\right) \end{align}

Sobre a amplitude podemos notar que como calculamos anteriormente, a posição da partícula oscila em torno de a2\frac{a}{2}, o centro da caixa. Evidentemente a amplitude deve ser menor que a2\frac{a}{2}. E ela é 329π2a2=0.36a2<a2\frac{32}{9\pi^{2}}\frac{a}{2}=0.36\frac{a}{2}<\frac{a}{2}. Agora a frequência angular é 3ω=3π2ℏ2ma23\omega=\frac{3\pi^{2}\hbar}{2ma^{2}}. E ⟨p⟩\left\langle p\right\rangle é dado por:

⟨p⟩=md⟨x⟩dt=mddt(a2[1−329π2cos⁡(3ωt)])=ma3⋅169π2ωsin⁡(3ωt)=ma163π2ωsin⁡(3ωt)\left\langle p\right\rangle =m\frac{d\left\langle x\right\rangle }{dt}=m\frac{d}{dt}\left(\frac{a}{2}\left[1-\frac{32}{9\pi^{2}}\cos\left(3\omega t\right)\right]\right)=ma\frac{3\cdot16}{9\pi^{2}}\omega\sin\left(3\omega t\right)=ma\frac{16}{3\pi^{2}}\omega\sin\left(3\omega t\right)

E comoω=π2ℏ2ma2\omega=\frac{\pi^{2}\hbar}{2ma^{2}} então:

⟨p⟩=ma163π2π2ℏ2ma2sin⁡(3ωt)=8ℏ3asin⁡(3ωt)\left\langle p\right\rangle =ma\frac{16}{3\pi^{2}}\frac{\pi^{2}\hbar}{2ma^{2}}\sin\left(3\omega t\right)=\frac{8\hbar}{3a}\sin\left(3\omega t\right)

Relembrando nossa função de onda:

Ψ(x,t)=12ψ1(x)e−iωℏ12t/ℏ+12ψ2(x)e−iωℏ22t/ℏ=12Ψ1(x,t)+12Ψ2(x,t)\begin{align} \Psi\left(x,t\right) & =\frac{1}{\sqrt{2}}\psi_{1}\left(x\right)e^{-i\omega\hbar1^{2}t/\hbar}+\frac{1}{\sqrt{2}}\psi_{2}\left(x\right)e^{-i\omega\hbar2^{2}t/\hbar}=\frac{1}{\sqrt{2}}\Psi_{1}\left(x,t\right)+\frac{1}{\sqrt{2}}\Psi_{2}\left(x,t\right) \end{align}

Evidentemente podemos obter então E1E_{1}e E2E_{2}, e as probabilidades de obtermos cada um dos valores é dado por ∣c1∣2=∣c2∣2=(12)2=12\left|c_{1}\right|^{2}=\left|c_{2}\right|^{2}=\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^{2}=\frac{1}{2}.Agora para calcular ⟨H⟩\left\langle H\right\rangle temos:

⟨H⟩=∑∣cn∣2En=E12+E22=12(1π2ℏ22ma2+4π2ℏ22ma2)=5π2ℏ24ma2\left\langle H\right\rangle =\sum\left|c_{n}\right|^{2}E_{n}=\frac{E_{1}}{2}+\frac{E_{2}}{2}=\frac{1}{2}\left(\frac{1\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}+\frac{4\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}\right)=\frac{5\pi^{2}\hbar^{2}}{4ma^{2}}

Onde usamos fato de que En=n2π2ℏ22ma2E_{n}=\frac{n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}. Isto é a média dos valores E1E_{1}e E2E_{2}.

Exemplo: Uma partícula em um poço quadrado infinito tem a seguinte função de onda inicial:

Ψ(x,0)={Ax0≤x≤a/2A(a−x)a/2≤x≤a\Psi\left(x,0\right)=\begin{cases} Ax & 0\leq x\leq a/2\\ A\left(a-x\right) & a/2\leq x\leq a \end{cases}

a) Determine a constante AA.

b) Encontre Ψ(x,t)\Psi\left(x,t\right)

c) Encontre a probabilidade de que a medição de energia retorne o valor E1E_{1}.

d) Qual o valor esperado de energia usando ⟨H⟩=∑n=1∞∣cn∣2En\left\langle H\right\rangle =\sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2}E_{n}.

Vamos começar novamente determinando a constante AA.

1=∫−∞+∞∣Ψ∣2dx=∫0a/2A2x2dx+∫a/2aA2(a−x)2dx=A2[x33]0a/2−A2∫a/20u2du=A2a3233−A2[u33]a/20=A2a3233+A2a3233a/20=A2a312\begin{align} 1= & \int^{+\infty}_{-\infty}\left|\Psi\right|^{2}dx\\ = & \int^{a/2}_{0}A^{2}x^{2}dx+\int^{a}_{a/2}A^{2}\left(a-x\right)^{2}dx\\ = & A^{2}\left[\frac{x^{3}}{3}\right]^{a/2}_{0}-A^{2}\int^{0}_{a/2}u^{2}du\\ = & A^{2}\frac{a^{3}}{2^{3}3}-A^{2}\left[\frac{u^{3}}{3}\right]^{0}_{a/2}\\ = & A^{2}\frac{a^{3}}{2^{3}3}+A^{2}\frac{a^{3}}{2^{3}3}^{0}_{a/2}\\ = & A^{2}\frac{a^{3}}{12} \end{align}

Onde fizemos a substituição u=a−xu=a-x então os limites vão de x=a/2→u=a/2x=a/2\rightarrow u=a/2 até x=a→u=0x=a\rightarrow u=0. além de que du=−dxdu=-dx. Então sendo 12=22⋅312=2^{2}\cdot3, temos:

A=223a3=23a3A=\sqrt{\frac{2^{2}3}{a^{3}}}=2\sqrt{\frac{3}{a^{3}}}

Queremos agora encontrar Ψ(x,t)=∑cnΨn(x,t)=∑n=1∞cnψn(x)e−iEnt/ℏ\Psi\left(x,t\right)=\sum c_{n}\Psi_{n}\left(x,t\right)=\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)e^{-iE_{n}t/\hbar}. Portanto como já calculamos que a solução no interior do posso é 17, ou seja ψn(x)=2asin⁡(nπax)\psi_{n}\left(x\right)=\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right), então precisamos calcular cnc_{n}, lembrando que também já calculamos En=n2π2ℏ22ma2E_{n}=\frac{n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}} anteriormente. Então como vimos36:

cn=2a∫0asin⁡(nπax)Ψ(x,0)dx=2a(∫0a/2sin⁡(nπax)Axdx+∫a/2asin⁡(nπax)A(a−x)dx)=2a(A∫0a/2xsin⁡(nπax)dx+Aa∫a/2asin⁡(nπax)dx−A∫a/2axsin⁡(nπax)dx)\begin{align} c_{n} & =\sqrt{\frac{2}{a}}\int^{a}_{0}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\Psi\left(x,0\right)dx\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\left(\int^{a/2}_{0}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)Axdx+\int^{a}_{a/2}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)A\left(a-x\right)dx\right)\\ & =\sqrt{\frac{2}{a}}\left(A\int^{a/2}_{0}x\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx+Aa\int^{a}_{a/2}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx-A\int^{a}_{a/2}x\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx\right) \end{align}

Temos três integrais pra resolver. Primeiro vamos substituir u=nπaxu=\frac{n\pi}{a}x:

I1=∫0nπ/2u(anπ)sin⁡(u)(anπ)du=(anπ)2∫0nπ/2usin⁡(u)duI_{1}=\int^{n\pi/2}_{0}u\left(\frac{a}{n\pi}\right)\sin\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du=\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\int^{n\pi/2}_{0}u\sin\left(u\right)du

Isso é parecido com o que já calculamos em 44, o limite aqui é nπ2\frac{n\pi}{2} e não nπn\pi e isso faz diferença. Então vamos retomar algumas linhas antes de substituirmos os limites:

∫absin⁡(u)udu=sin⁡(u)−ucos⁡(u)∣ab\int^{b}_{a}\sin\left(u\right)udu=\left.\sin\left(u\right)-u\cos\left(u\right)\right|^{b}_{a}

Com esse resultado temos:

I1=(anπ)2[sin⁡(u)−ucos⁡(u)]∣0nπ/2=a2n2π2[sin⁡(nπ2)−nπ2cos⁡(nπ2)]I_{1}=\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\left.\left[\sin\left(u\right)-u\cos\left(u\right)\right]\right|^{n\pi/2}_{0}=\frac{a^{2}}{n^{2}\pi^{2}}\left[\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right]

Repetindo a substituição, com a diferença que agora os limites serão entre x=a2→u=nπ2x=\frac{a}{2}\rightarrow u=\frac{n\pi}{2} e x=a→u=nπx=a\rightarrow u=n\pi, ficamos então com a terceira integral::

I3=(anπ)2∫nπ/2nπusin⁡(u)du=(anπ)2[−nπcos⁡(nπ)+nπ2cos⁡(nπ2)+sin⁡(nπ)−sin⁡(nπ2)]=(anπ)2[−nπcos⁡(nπ)+nπ2cos⁡(nπ2)−sin⁡(nπ2)]=a2nπ[cos⁡(nπ/2)2−cos⁡(nπ)−sin⁡(nπ/2)nπ]\begin{align} I_{3} & =\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\int^{n\pi}_{n\pi/2}u\sin\left(u\right)du\\ & =\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\left[-n\pi\cos\left(n\pi\right)+\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)+\sin\left(n\pi\right)-\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right]\\ & =\left(\frac{a}{n\pi}\right)^{2}\left[-n\pi\cos\left(n\pi\right)+\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right]\\ & =\frac{a^{2}}{n\pi}\left[\frac{\cos\left(n\pi/2\right)}{2}-\cos\left(n\pi\right)-\frac{\sin\left(n\pi/2\right)}{n\pi}\right] \end{align}

A segunda integral é, com a mesma substituição u=nπaxu=\frac{n\pi}{a}x:

I2=∫nπ/2nπsin⁡(u)(anπ)du=anπ∫nπ/2nπsin⁡(u)dx=−anπ[cos⁡u]nπ/2nπ=anπ[cos⁡(nπ2)−cos⁡nπ]I_{2}=\int^{n\pi}_{n\pi/2}\sin\left(u\right)\left(\frac{a}{n\pi}\right)du=\frac{a}{n\pi}\int^{n\pi}_{n\pi/2}\sin\left(u\right)dx=-\frac{a}{n\pi}\left[\cos u\right]^{n\pi}_{n\pi/2}=\frac{a}{n\pi}\left[\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\cos n\pi\right]

Então:

cn=A2a(∫0a/2xsin⁡(nπax)dx+a∫a/2asin⁡(nπax)dx−∫a/2axsin⁡(nπax)dx)=A2a(a2n2π2[sin⁡(nπ2)−nπ2cos⁡(nπ2)]+aanπ[cos⁡(nπ2)−cos⁡nπ]… ⋯−a2nπ[cos⁡(nπ/2)2−cos⁡(nπ)−sin⁡(nπ/2)nπ])=A2aa2n2π2(sin⁡(nπ2)−nπ2cos⁡(nπ2)+nπcos⁡(nπ2)−nπcos⁡nπ… ⋯−nπ2cos⁡(nπ2)+nπcos⁡(nπ)+sin⁡(nπ2))=A2a3n2π22sin⁡(nπ2)\begin{align} c_{n} & =A\sqrt{\frac{2}{a}}\left(\int^{a/2}_{0}x\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx+a\int^{a}_{a/2}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx-\int^{a}_{a/2}x\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)dx\right)\\ & =A\sqrt{\frac{2}{a}}\left(\frac{a^{2}}{n^{2}\pi^{2}}\left[\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right]+a\frac{a}{n\pi}\left[\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\cos n\pi\right]\dots\right.\\ & \left.\dots-\frac{a^{2}}{n\pi}\left[\frac{\cos\left(n\pi/2\right)}{2}-\cos\left(n\pi\right)-\frac{\sin\left(n\pi/2\right)}{n\pi}\right]\right)\\ & =A\sqrt{\frac{2}{a}}\frac{a^{2}}{n^{2}\pi^{2}}\left(\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)-\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)+n\pi\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)-n\pi\cos n\pi\dots\right.\\ & \left.\dots-\frac{n\pi}{2}\cos\left(\frac{n\pi}{2}\right)+n\pi\cos\left(n\pi\right)+\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)\right)\\ & =A\frac{\sqrt{2a^{3}}}{n^{2}\pi^{2}}2\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right) \end{align}

Substituindo o A=23a3A=2\sqrt{\frac{3}{a^{3}}} calculado temos:

A22a3n2π2=23a322a3n2π2=46n2π2\begin{align} A\frac{2\sqrt{2a^{3}}}{n^{2}\pi^{2}} & =2\sqrt{\frac{3}{a^{3}}}\frac{2\sqrt{2a^{3}}}{n^{2}\pi^{2}}=\frac{4\sqrt{6}}{n^{2}\pi^{2}} \end{align}

Agora quando nn é par temos por exemplo para n=0,2,4,…n=0,2,4,\dots:

sin⁡(0)=sin⁡(nπ)=sin⁡(2nπ)=0\sin\left(0\right)=\sin\left(n\pi\right)=\sin\left(2n\pi\right)=0

Então só resta nn ímpar. E o sinal se altera, começando em positivo, negativo, positivo, etc, por exemplo para n=1,3,5,n=1,3,5,..

sin⁡(π2)=1,sin⁡(3π2)=−1,sin⁡(5π2)=1\sin\left(\frac{\pi}{2}\right)=1,\quad\sin\left(\frac{3\pi}{2}\right)=-1,\quad\sin\left(\frac{5\pi}{2}\right)=1

Então queremos uma transformação do tipo 1→01\rightarrow0, 3→13\rightarrow1, 5→2…n→p5\rightarrow2\dots n\rightarrow p para que possamos escrever o resultado em termos de (−1)p\left(-1\right)^{p}. Podemos notar que sempre temos n=2p+1n=2p+1. Dessa forma com o 2p2p garantimos que quando avançamos em p=0,1,2,3,…p=0,1,2,3,\dots , então nn avança sempre em 2 unidades, ou seja, se partirmos do ímpar estamos sempre no ímpar. Mas como pp começa em 0 e nn deve começar em 1 para começar em ímpar, então somamos 1. Ou seja:

n=2p+1→p=n−12n=2p+1\rightarrow p=\frac{n-1}{2}

De forma que temos

sin⁡(nπ2)=(−1)n−12\sin\left(\frac{n\pi}{2}\right)=\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}

Então:

cn={0,n par46n2π2(−1)n−12n, ıˊmparc_{n}=\begin{cases} 0 & ,n\text{ par}\\ \frac{4\sqrt{6}}{n^{2}\pi^{2}}\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}} & n,\text{ ímpar} \end{cases}

Como já calculamos que a solução no interior do posso é 17, ou seja ψn(x)=2asin⁡(nπax)\psi_{n}\left(x\right)=\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right), e lembrando que também já calculamos En=n2π2ℏ22ma2E_{n}=\frac{n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}} anteriormente, então:

Ψ(x,t)=∑n=1∞cnψn(x)e−iEnt/ℏ=∑n=1,3,5…∞46n2π2(−1)n−122asin⁡(nπax)exp⁡[−iEnt/ℏ]=46π22a∑n=1,3,5…∞(−1)n−121n2sin⁡(nπax)exp⁡[−iEnt/ℏ]=4π212a∑n=1,3,5…∞(−1)n−121n2sin⁡(nπax)exp⁡[−iEnt/ℏ]\begin{align} \Psi\left(x,t\right) & =\sum^{\infty}_{n=1}c_{n}\psi_{n}\left(x\right)e^{-iE_{n}t/\hbar}\\ & =\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{4\sqrt{6}}{n^{2}\pi^{2}}\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}\sqrt{\frac{2}{a}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-iE_{n}t/\hbar\right]\\ & =\frac{4\sqrt{6}}{\pi^{2}}\sqrt{\frac{2}{a}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}\frac{1}{n^{2}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-iE_{n}t/\hbar\right]\\ & =\frac{4}{\pi^{2}}\sqrt{\frac{12}{a}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}\frac{1}{n^{2}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-iE_{n}t/\hbar\right] \end{align}

Ou como 12=223=23\sqrt{12}=\sqrt{2^{2}3}=2\sqrt{3} então:

Ψ(x,t)=8π23a∑n=1,3,5…∞(−1)(n−1)/21n2sin⁡(nπax)exp⁡[−iEnt/ℏ]\Psi\left(x,t\right)=\frac{8}{\pi^{2}}\sqrt{\frac{3}{a}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\left(-1\right)^{\left(n-1\right)/2}\frac{1}{n^{2}}\sin\left(\frac{n\pi}{a}x\right)\exp\left[-iE_{n}t/\hbar\right]

Para obtermos a probabilidade de que a medida da energia seja E1E_{1}, só precisamos calcular P1=∣c1∣2P_{1}=\left|c_{1}\right|^{2}:

P1=∣c1∣2=∣4612π2(−1)1−12∣2=∣46π2∣2=0.9855\begin{align} P_{1} & =\left|c_{1}\right|^{2}\\ & =\left|\frac{4\sqrt{6}}{1^{2}\pi^{2}}\left(-1\right)^{\frac{1-1}{2}}\right|^{2}\\ & =\left|\frac{4\sqrt{6}}{\pi^{2}}\right|^{2}\\ & =0.9855 \end{align}

Ou seja P1=98,55%P_{1}=98,55\%. E agora então calculando o valor esperado usando a equação:

⟨H⟩=∑n=1∞∣cn∣2En=∑n=1,2,3…∞∣46n2π2(−1)n−12∣2n2π2ℏ22ma2=46π2π2ℏ22ma2∑n=1,3,5…∞∣(−1)n−12n2∣2n2=26ℏ2ma2∑n=1,3,5…∞(−1)n−1n2=26ℏ2ma2((−1)012+(−1)232+(−1)452+… )=26ℏ2ma2(112+132+152+… )\begin{align} \left\langle H\right\rangle & =\sum^{\infty}_{n=1}\left|c_{n}\right|^{2}E_{n}\\ & =\sum^{\infty}_{n=1,2,3\dots}\left|\frac{4\sqrt{6}}{n^{2}\pi^{2}}\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}\right|^{2}\frac{n^{2}\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}\\ & =\frac{4\sqrt{6}}{\pi^{2}}\frac{\pi^{2}\hbar^{2}}{2ma^{2}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\left|\frac{\left(-1\right)^{\frac{n-1}{2}}}{n^{2}}\right|^{2}n^{2}\\ & =\frac{2\sqrt{6}\hbar^{2}}{ma^{2}}\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{\left(-1\right)^{n-1}}{n^{2}}\\ & =\frac{2\sqrt{6}\hbar^{2}}{ma^{2}}\left(\frac{\left(-1\right)^{0}}{1^{2}}+\frac{\left(-1\right)^{2}}{3^{2}}+\frac{\left(-1\right)^{4}}{5^{2}}+\dots\right)\\ & =\frac{2\sqrt{6}\hbar^{2}}{ma^{2}}\left(\frac{1}{1^{2}}+\frac{1}{3^{2}}+\frac{1}{5^{2}}+\dots\right) \end{align}

Onde usamos o valor cnc_{n} já calculado neste caso em particular e o EnE_{n} apresentado anteriormente. Além disso como:

112+132+152+⋯=∑n=1,3,5…∞1n2=π28\frac{1}{1^{2}}+\frac{1}{3^{2}}+\frac{1}{5^{2}}+\dots=\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{8}

Então:

⟨H⟩=26ℏ2ma2π28=π26ℏ28ma2\begin{align} \left\langle H\right\rangle & =\frac{2\sqrt{6}\hbar^{2}}{ma^{2}}\frac{\pi^{2}}{8}\\ & =\frac{\pi^{2}\sqrt{6}\hbar^{2}}{8ma^{2}} \end{align}

Um comentário do livro que acho que vale a pena trazer é que não há restrição sobre o formato da função de onda, ela só precisa ser normalizável. Ψ(x,0)\Psi\left(x,0\right) não precisa sequer ser ter uma derivada contínua. O que surge é que se quisermos calcular ⟨H⟩\left\langle H\right\rangleneste caso, vamos ter dificuldades técnicas porque precisamos da segunda derivada de Ψ(x,0)\Psi\left(x,0\right). Como exercício complementar queremos ver:

S=∑n=1,3,5…∞1nkS=\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{k}}

Começamos com a função Zeta de Riemman dada por:

ζ(k)=∑n=1∞1nk\zeta\left(k\right)=\sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{n^{k}}

Vamos dividir em pares e ímpares:

ζ(k)=∑n=2,4,6…∞1nk+∑n=1,3,5…∞1nk\zeta\left(k\right)=\sum^{\infty}_{n=2,4,6\dots}\frac{1}{n^{k}}+\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{k}}

Vamos reescrever os termos pares como n=2mn=2m, então:

∑n=2,4,6…∞1nk=∑n=1∞1(2m)k\sum^{\infty}_{n=2,4,6\dots}\frac{1}{n^{k}}=\sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{\left(2m\right)^{k}}

Pois em ambos os casos:

∑n=1∞1(2m)k=1(2⋅1)k+1(2⋅2)k+1(2⋅3)k+…=12k+14k+16k+…=∑n=2,4,6…∞1nk\begin{align} \sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{\left(2m\right)^{k}} & =\frac{1}{\left(2\cdot1\right)^{k}}+\frac{1}{\left(2\cdot2\right)^{k}}+\frac{1}{\left(2\cdot3\right)^{k}}+\dots\\ & =\frac{1}{2^{k}}+\frac{1}{4^{k}}+\frac{1}{6^{k}}+\dots\\ & =\sum^{\infty}_{n=2,4,6\dots}\frac{1}{n^{k}} \end{align}

E como:

∑n=1∞1(2m)k=∑n=1∞12kmk=12k∑n=1∞1mk=ζ(k)2k\sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{\left(2m\right)^{k}}=\sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{2^{k}m^{k}}=\frac{1}{2^{k}}\sum^{\infty}_{n=1}\frac{1}{m^{k}}=\frac{\zeta\left(k\right)}{2^{k}}

Então:

ζ(k)=∑n=2,4,6…∞1nk+∑n=1,3,5…∞1nkζ(k)=ζ(k)2k+∑n=1,3,5…∞1nk∑n=1,3,5…∞1nk=ζ(k)−ζ(k)2k=ζ(k)(1−2−k)\begin{align} \zeta\left(k\right) & =\sum^{\infty}_{n=2,4,6\dots}\frac{1}{n^{k}}+\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{k}}\\ \zeta\left(k\right) & =\frac{\zeta\left(k\right)}{2^{k}}+\sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{k}}\\ \sum^{\infty}_{n=1,3,5\dots}\frac{1}{n^{k}} & =\zeta\left(k\right)-\frac{\zeta\left(k\right)}{2^{k}}\\ & =\zeta\left(k\right)\left(1-2^{-k}\right) \end{align}

Agora para obtermos os diferentes valores dos somatórios para diferentes valores de kk, (até aqui já vimos k=2,4k=2,4 e k=6k=6) evidentemente precisamos de ζ(k)\zeta\left(k\right) para cada um destes valores. A função ζ(k)\zeta\left(k\right) tem valores tabelados para diferentes valores específicos de kk,por exemplo, para k=2k=2 é conhecido como problema de Basel, vamos considerar por hora ser suficiente saber disto. Se quisermos uma explicação matemática mais profunda, precisamos reconhecer a generalização do método de Euler para obter os valores de ζ(k)\zeta\left(k\right):

ζ(2n)=(−1)n−1(2π)2n2⋅(2n)!B2n\zeta\left(2n\right)=\frac{\left(-1\right)^{n-1}\left(2\pi\right)^{2n}}{2\cdot\left(2n\right)!}B_{2n}

Mas novamente para obter essa solução, agora precisaríamos ver que é número de Bernoulli. Como meu foco não é a matemática, eu vou aceitar nos resultados que os matemáticos forneceram, se não sinto que estamos entrando em uma toca de coelho infinita.