PHYS-H-200 Physique quantique et statistique Chapitre 6: équation

PHYS-H-200 Physique quantique et statistique
Chapitre 6: ´
equation de Schr¨
odinger `
a trois
dimensions
Jean-Marc Sparenberg
Universit´
e Libre de Bruxelles
2011-2012
1 / 17
1Potentiel central
2Potentiel coulombien attractif
2 / 17
Potentiel central
´
Equation de Schr¨
odinger en coordonn´
ees sph´
eriques
´
Equation de Schr¨
odinger stationnaire (une particule, trois dimensions)
Hψ(~r)=Eψ(~r) ~2
2m∆ + V(~r)!ψ(~r)=Eψ(~r)
o`
uV(~r)=V(k~rk)=V(r)=potentiel central (`
asym´
etrie sph´
erique)
Coordonn´
ees sph´
eriques
Icoordonn´
ee radiale : r>0
Icolatitude : 0θπ
Iangle azimutal : 0ϕ<2π
x=rsin θcos ϕ, y=rsin θsin ϕ,
z=rcos θ
0
θr
~r
ϕ
y
x
z
*
U
Fonction d’onde born´
ee et norm´
ee
Z|ψ(~r)|2d~r=Z
0
dr r2Z2π
0
dϕZπ
0
dθsin θ|ψ(r, θ, ϕ)|2=1
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Potentiel central
Laplacien et moment cin´
etique orbital
Laplacien en sph´
eriques sugg`
ere s´
eparation variable radiale
∆ = 2
x2+2
y2+2
z2=1
r
2
r2r+1
r21
sin θ
∂θ sin θ
∂θ +1
sin2θ
2
∂ϕ2
Moment cin´
etique orbital (classique et quantique) ~
L=~r×~p
Idimensions = action
Icomposantes quantiques = op´
erateurs diff´
erentiels hermitiques
(r`
egle de correspondance : ~p=i~~
∇ ⇒ ~
L=i~~r×~
)
Lx=ypzzpy=i~y
zz
y=i~sin ϕ
∂θ cos ϕ
tan θ
∂ϕ ,
Ly=zpxxpz=i~z
xx
z=i~cos ϕ
∂θ sin ϕ
tan θ
∂ϕ ,
Lz=xpyypx=i~x
yy
x=i~
∂ϕ
Icarr´
e~
L2=L2
x+L2
y+L2
z=~2h1
sin θ
∂θ sin θ
∂θ +1
sin2θ
2
∂ϕ2i
´
Energie cin´
etique = ´
energie radiale +´
energie centrifuge (cf classique)
∆ = 1
r
2
r2r~
L2
~2r2
´
etude pr´
ealable de ~
L2et des variables angulaires θ, ϕ
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Potentiel central
(Non-)commutation et fonctions propres de ~
L
[Lx,Ly]=LxLyLyLx=i~Lz,0
Iidem pour xz et yz : [Lj,Lk]=jkli~Ll(j,k,l=x,y,z)~
L×~
L=i~~
L
Irelations d’incertitude (g´
en´
eralis´
ees) pour composantes de ~
L
moment cin´
etique orbital pas connu compl`
etement (,classique)
[~
L2,Lz]=[L2
x,Lz]+[L2
y,Lz]=Lx[Lx,Lz]+[Lx,Lz]Lx+Lyi~Lx+i~LxLy=0
Iidem pour xet y[~
L2,Li]=0 (i=x,y,z)
Ion peut connaitre simultan´
ement le module et une composante de ~
L
Observables qui commutent fonctions propres communes Y(θ, ϕ)
~
L2Y(θ, ϕ)=~2λY(θ, ϕ),LzY(θ, ϕ)=i~
∂ϕ Y(θ, ϕ)=~µY(θ, ϕ)
R´
esolution par s´
eparation des variables :Y(θ, ϕ)= Θ(θ)Φ(ϕ)
´
Equation en ϕ(Lz) : dΦ
dϕ=iµΦΦ(ϕ)=C eiµϕ
Icontinues en ϕ=0 : Φ(2π)= Φ(0) quantification µmZ
Iorthonorm´
ees : Φm(ϕ)=1
2πeimϕ,R2π
0Φ
m(ϕ)Φm0(ϕ)dϕ=δmm0
´
Equation en θ(~
L2, annexe 6C) : solution par s´
erie
Iconverge tronqu´
ee quantification λ=l(l+1),lN
Ifonctions propres associ´
ees aux polynˆ
omes de Legendre
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