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Si uno pone un pico de función delta dentro de un pozo cuadrado infinito, ¿el potencial resultante es solucionable analíticamente?

Recientemente se ha flotado en el chat de que una partícula en una caja con una delta-función de la espiga en su interior, con hamilton $$ H = -\frac{\manejadores^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x^2} + V_0\delta(x-a) $$ y con la caja de muros en $x=0$ e $x=L$, podría hacer un interesante ejemplo para enseñar la teoría de la perturbación si es exactamente solucionable, ya que permitiría una completa solución de ambos el potencial así como la teoría de la perturbación, de forma similar a la modelo en esta última pregunta.

Es este modelo de solucionable? Si es así, ¿cuáles son las funciones propias y los autovalores de la energía?

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Nathan Feger Puntos 7675

Hay mucho que usted puede hacer, pero el corto de él es que los eigen-cuantización de la energía condición aún se reduce a una ecuación trascendental que debe ser resuelto numéricamente.

Comience con la función de onda Ansatz $$ \psi(x) = \begin{cases} A \sin(kx) & 0<x<a \\ B \sin(k(L-x)) & a<x<L \end{casos} $$ donde $E = \hbar^2 k^2/2m$.

Para encontrar el efecto de la delta-función potencial, comience con la ecuación de Schrödinger, $$ \left[-\frac{\manejadores^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x^2} + V_0\delta(x-a)\right] \psi(x) = E\psi(x), $$ y que la integran entre $a-\epsilon$ e $a+\epsilon$ a obtener, en el $\epsilon\to0$límite, $$ -\frac{\manejadores^2}{2m}(\psi'(a^+)-\psi'(^ -)) + V_0 \psi(a) = 0. $$ A la hora de poner en nuestro Ansatz, este lee $$ -\frac{\manejadores^2}{2m}(-Bk\cos(k(L-a))-Ak\cos(ka)) + V_0 \frac12 (\sin(ka) + B\sin(k(L-a)) = 0, $$ cual es complementada por la ecuación de continuidad $$ Un\sin(ka) = B\sin(k(L-a)) $$ para producir el acoplamiento conjunto de ecuaciones \begin{align} A\sin(ka) - B\sin(k(L-a)) &= 0 \\ \left[\frac{\hbar^2}{2m}k\cos(ka) + \frac12V_0\sin(ka)\right]A + \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad & \\ +\left[\frac{\hbar^2}{2m}k\cos(k(L-a))+\frac12V_0\sin(k(L-a))\right] B &= 0, \end{align} o un poco más simple \begin{align} A\sin(ka) - B\sin(k(L-a)) &= 0 \\ \left[\frac{\hbar^2}{2m}k\cos(ka) + V_0\sin(ka)\right]A +\frac{\hbar^2}{2m}k\cos(k(L-a)) B &= 0, \end{align} que se expresa mejor en la forma de la matriz, como $$ \begin{pmatrix} \sin(ka) & - \sin(k(L-a)) \\ \frac{\hbar^2}{2m}k\cos(ka) +V_0\sin(ka) & \frac{\hbar^2}{2m}k\cos(k(L-a)) \end{pmatrix} \begin{pmatrix}A \\ B\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0\\0 \end{pmatrix}. $$ Ya estamos buscando una solución distinto de cero, se requiere este sistema para ser singular, que significa que se requiere el factor determinante a desaparecer, $$ \det\mathopen{} \begin{pmatrix} \sin(ka) & - \sin(k(L-a)) \\ \frac{\hbar^2}{2m}k\cos(ka) +V_0\sin(ka) & \frac{\hbar^2}{2m}k\cos(k(L-a)) \end{pmatrix} \mathclose{} = 0, $$ y esto es lo que constituye la condición de cuantización.

Para ver su forma explícita, comenzamos desarrollando el determinante: $$ \sin(ka)\frac{\manejadores^2}{2m}k\cos(k(L-a))+ \sin(k(L-a))\left(\frac{\manejadores^2}{2m}k\cos(ka) +V_0\sin(ka)\right) = 0, $$ o un poco más limpia, en términos de la característica wavevector $\kappa = 2mV_0/\hbar^2$, $$ k\sin(ka)\cos(k(L-a))+ \sin(k(L-a))\left(k\cos(ka) +\kappa\sin(ka)\right) = 0, $$ y parece que este es casi tan lejos como usted puede ir a la simplificación de esta condición de cuantización.


Usted puede hacer un poco de extra avance si se supone que el delta-función potencial es en el medio del bien, por lo $a=L-a = L/2$. En este caso usted tiene $$ k\sin(kL/2)\cos(kL/2)+ \sin(kL/2)\left(k\cos(kL/2) +\kappa\sin(kL/2)\right) = 0, $$ así las cosas factorizar, $$ \sin(kL/2) \left[ 2 k\cos(kL/2) +\kappa\sin(kL/2)\right] = 0. $$ Esto significa que usted tiene pleno imperturbable $$ \sin(kL/2) = 0 $$ (lo cual es natural - las funciones propias del problema original donde $kL/\pi$ es incluso tendrá un cero en el centro, para que no se vea el delta-función potencial), o que tienen $$ 2 k\cos(kL/2) +\kappa\sin(kL/2) = 0, $$ que se simplifica a $$ \cuna(kL/2) = -\frac{\kappa}{2k}, $$ pero esto no es todavía muy dentro de exactamente-solucionable territorio. Esto puede ser fácilmente resuelto numéricamente, pero todavía fuera de la gama de lo que se puede tratar con el uso de métodos analíticos.

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