PHYS-H-200 Physique quantique et statistique
Chapitre 3: l’´
equation de Schr¨
odinger
Jean-Marc Sparenberg
Universit ´
e Libre de Bruxelles
2011-2012
1 / 10
1´
Equations d’ondes libres : lumi`
ere/mati`
ere
2´
Equation de Schr¨
odinger d’une particule dans un puits potentiel
2 / 10
´
Equations d’ondes libres : lumi`
ere/mati`
ere
´
Electromagn´
etisme : formulation relativiste
Unification ´
electricit ´
e et magn´
etisme en relativit´
e restreinte :
quadrivecteur potentiel A≡V
c,~
A
~
E=−~
∇V−∂~
A
∂t,~
B=~
∇ × ~
A
Quadrigradient ou d´
eriv ´
ee covariante ∇ ≡ ∂
c∂t,~
∇
Quadrilaplacien ou d’Alembertien ≡ ∇2
=∂
c∂t,~
∇◦∂
c∂t,~
∇=∂2
c2∂t2−∆ = 0µ0∂2
∂t2−∂2
∂x2−∂2
∂y2−∂2
∂z2
´
Equations d’ondes ~
B=0,0µ0∂2
∂t2−∂2
∂x2−∂2
∂y2−∂2
∂z2~
B=0
Iinvariantes relativistes ⇒invariance cdans le vide
Ivectorielles (idem pour ~
E) et r´
eelles
Ilin´
eaires ⇒combinaison lin´
eaire de solutions = solution
Iaux d´
eriv ´
ees partielles ⇒r´
esolution par transform´
ee de Fourier
(phaseurs), ~
k=nombre d’onde, ω=fr´
equence angulaire/pulsation
~
B~
k(~r,t)=Re ~
B0ei~
k·~r−ωt
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´
Equations d’ondes libres : lumi`
ere/mati`
ere
´
Electromagn´
etisme : ondes planes et paquets d’ondes
Transform´
ee Fourier : ∂
∂t→ ×(−iω),~
∇→×i~
k
´
equation d´
eriv ´
ees partielles →´
equation alg´
ebrique (rel. dispersion)
~
B=0→ − ω2
c2+k2=0⇐⇒ ω(k)=kc ⇐⇒ ν=c
λ
Solutions particuli`
eres (s´
eparables, factorisables) : ondes planes
infinies, monochromatiques, vitesse de phase vϕ=ω(k)
k=c
~
B~
k~r,t=Re ~
B0~
kei~
k·~r−kct
[Citizendium]
Solution g´
en´
erale : paquet d’onde = combili ondes planes
localis´
e, polychromatique, vitesse de groupe vg=dω(k)
dk =c
~
B~r,t=Zd~
k~
B~
k~r,t=Re "Zd~
k B0~
kei~
k·~r−kct#
Dans le vide, pas de dispersion (rel. disp. lin´
eaire) : vg=vϕ=c
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´
Equations d’ondes libres : lumi`
ere/mati`
ere
´
Equations d’onde d’une particule libre
Particule libre : dans le vide, aucune interaction ext´
erieure
Masse nulle :photon ↔onde ´
electromagn´
etique
´
energie-impulsion ⇐⇒ relation dispersion ⇐⇒ ´
equation d’onde
E2−p2c2=0⇐⇒ ω2−k2c2=0⇐⇒ ~
B~r,t=0
⇒sugg`
ere la r`
egle de correspondance E→i~∂
∂t, ~p→ −i~~
∇
Masse non nulle relativiste :´
equation d’onde de Klein-Gordon (1927)
E2−p2c2=m2c4⇐⇒ −~2ψ~r,t=m2c2ψ~r,t
Masse non nulle non relativiste :´
equation de Schr¨
odinger (1925)
E≈p2
2m⇐⇒ i~∂ψ ~r,t
∂t
=−~2
2m
∆ψ~r,t
Iz´
ero des ´
energies = ´
energie de masse
I´
equation lin´
eaire et complexe,ψ=fonction d’onde
Ipremier ordre en t⇒g´
en´
eralisation relativiste par Dirac (1928)
⇒spin 1/2 de l’´
electron, pr´
ediction antimati`
ere
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