Enunciado

a) Calcule os valores esperados da energia cinética e da energia potencial para uma partícula no estado de menor energia de um oscilado harmônico simples, usando a função de onda do exemplo 5-7.

b) Compare com as médias no tempo das energias cinética e potencial para um oscilador harmônico simples clássico com a mesma energia total.

Passo 1

Fala galerinha, beleza?

A função de onda para o estado fundamental do oscilador harmônico foi discutida no exemplo 5-7 do livro:

ψ x , t = A   e - C m 2 ℏ x 2   e - i 2 C m   t ,         A = C m 1 8 π ℏ 1 4

O valor esperado da energia cinética é dado por

K - = ∫ ψ *   p 2 2 m   ψ   d x ,             p = - i ℏ ∂ ∂ x

Assim,

K - = - ℏ 2 2 m   ∫ ψ * ∂ 2 ψ ∂ x 2   d x

Já o valor esperado da energia potencial é

V - = ∫ ψ *   V   ψ   d x ,                 V = C x 2 2

Portanto,

V - = C 2 ∫ ψ *   x 2   ψ   d x

Calcular essas integrais não será tarefa fácil, mas a física do problema acaba aqui, o resto é matemática!

Passo 2

Primeiro vamos derivar ψ com relação a x :

∂ ψ ∂ x = A   e - C m 2 ℏ x 2   e - i 2 C m   t ⋅ - C m ℏ x = - C m ℏ x   ψ

Agora usamos a regra do produto para tomar a segunda derivada:

∂ 2 ψ ∂ x 2 = - C m ℏ ψ + C m ℏ 2 x 2   ψ = - C m ℏ 1 - C m ℏ x 2 ψ

Portanto,

ψ * ∂ 2 ψ ∂ x 2 = - C m ℏ 1 - C m ℏ x 2 ψ * ψ

Mas lembre-se que

ψ * ψ = A 2   e - C m ℏ x 2

Logo,

ψ * ∂ 2 ψ ∂ x 2 = - C m ℏ 1 - C m ℏ x 2   A 2   e - C m ℏ x 2

Assim,

K - = ℏ 2 m   C m   A 2   ∫ - ∞ ∞ 1 - C m ℏ x 2   e - C m ℏ x 2   d x

Para resolver essa integral, vamos fazer a substituição

y 2 = C m ℏ x 2 → y = C m 1 4 ℏ   x → d x = ℏ C m 1 / 4   d y

Assim,

K - = ℏ   C m   A 2 h C m 1 / 4   ∫ - ∞ ∞ 1 - y 2   e - y 2   d y

Substituindo a expressão de A :

K - = ℏ 2 m   C m C m 1 4 π   ℏ h C m 1 / 4 ∫ - ∞ ∞ 1 - y 2   e - y 2   d y

Portanto,

K - = ℏ C m 2 m π ∫ - ∞ ∞ 1 - y 2   e - y 2   d y

Para fazer a integral, recorremos ao WOLFRAM digitando

Ele nos devolve:

Assim,

K - = ℏ C m 2 m π π 2 = ℏ C m 4 m

Ou ainda,

K - = 1 2 ⋅ ℏ 2 C m = E 2

Lembre-se que a energia do estado fundamental do oscilador harmônico obtida no exemplo 5-7 é

E = ℏ 2 C m

Passo 3

Já para o potencial, temos

V - = C 2 ∫ ψ *   x 2   ψ   d x = C A 2 2 ∫ - ∞ ∞ x 2   e - C m ℏ x 2   d x

Fazemos novamente a substituição

y 2 = C m ℏ x 2 → y = C m 1 4 ℏ   x → d x = ℏ C m 1 / 4   d y

Assim,

V - = C 2 ⋅ C m 1 4 π   ℏ ⋅ h C m 1 4 ⋅ ℏ C m   ∫ - ∞ ∞ y 2   e - y 2   d y

Ou ainda,

V - = ℏ 2 C m ⋅ 1 π ∫ - ∞ ∞ y 2   e - y 2   d y

Novamente, recorremos ao WOLFRAM:

Assim,

V - = ℏ 2 C m ⋅ 1 π ⋅ π 2 = 1 2 ⋅ ℏ 2 C m = E 2

Passo 4

Observe que

K - = V - = E 2

Os valores esperados da energia cinética e potencial são iguais entre si e, consequentemente, são iguais a metade da energia total pois

K - + V - = E

Para um oscilador harmônico clássico com solução x t = A   s e n   ω t e v t = A ω cos ⁡ ω t , temos

K = m v 2 2 = m ω 2 A 2 cos 2 ⁡ ω t 2 = C A 2 cos 2 ⁡ ω t 2

V = C x 2 2 = C A 2   s e n 2 ω t 2

Lembre-se que C = m ω 2 . Assim, a energia total é dada por

E = K + V = C A 2 2 cos 2 ⁡ ω t + s e n 2 ω t = C A 2 2

Considerando as médias temporais e que   cos 2 ⁡ ω t - = s e n 2 ω t - = 1 / 2 , temos

K - = V - = C A 2 4 = E 2

Portanto, a relação K - = V - = E / 2 vale tanto para o sistema clássico como para o sistema quântico.

Resposta

K - = V - = ℏ 4 C m = E 2

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