Enunciado

Se duas (ou mais) soluções distintas“ para a equação de Schrödinger (independente do tempo) têm a mesma energia E, esses estados são chamados de degenerados. Por exemplo, os estados de partícula livre são duplamente degenerados: uma solução representa o movimento para a direita e, a outra, o movimento para a esquerda. Porém, nunca encontramos soluções degeneradas normalizáveis, e isso não acontece por acaso. Prove o seguinte teorema: em uma dimensão não há estados ligados degenerados. Dica: suponha que haja duas soluções, ý1 e ý2 , com a mesma energia E. Multiplique a equação de Schrödinger para , ý1por ý2 e a equação de Schrödinger para ý2 , por ý1 e subtraia uma da outra para mostrar que (ý2d ý1/ dx - ý1d ý2 /dx) é uma constante. Use as soluções normalizáveis ý 0 em ± ∞ para demonstrar que essa constante é, na verdade, zero. Conclua que ý2, é um múltiplo de ý1 e que, portanto, as duas soluções nao são distintas.

Passo 1

O exercício pede que provemos que, em uma dimensão, não há estados ligados degenerados. Além disso, no enunciado, ele nos indicou como fazer o passo a passo, e seguindo ele iremos provar que esta afirmação é verdadeira, ou seja, provaremos que as duas funções de onda são dependentes uma da outra e, logo, não são distintas.

Vamos iniciar os cálculos com a multiplicação da equação de Schrodinger pela função de onda 1 e 2, tendo:

- h 2 2 m ( d 2 ψ 1 )   d x 2 + V ψ 1 = E ψ 1 ,   m u l t i p l i c a n d o   p o r   ψ 2 → - h 2 2 m ( d 2 ψ 1 )   d x 2 * ψ 2 + V ψ 1 ψ 2 = E ψ 1 ψ 2

E, para ψ 2 :

- h 2 2 m ( d 2 ψ 2 )   d x 2 + V ψ 2 = E ψ 2 ,   m u l t i p l i c a n d o   p o r   ψ 1 → - h 2 2 m ( d 2 ψ 2 )   d x 2 * ψ 1 + V ψ 2 ψ 1 = E ψ 2 ψ 1

Passo 2

Assim, resolvendo as derivadas e retirando as constantes, chegaremos na mesma equação final tanto para a função 1 quanto para a função 2.

- h 2 2 m ( d 2 ψ 1 )   d x 2 * ψ 2 - ( d 2 ψ 2 )   d x 2 * ψ 1 = 0

Agora, vamos resolver o que está entre colchetes. Como sabemos, a derivada segunda de uma função, é a derivada da derivada da mesma. Então, temos que:

d d x ( d ψ 1 )   d x * ψ 2 - ( d ψ 2 )   d x * ψ 1 = d ψ 2 d x * d ψ 1 d x + ψ 2 * d 2 ψ 1 d x 2 - ψ 1 * d 2 ψ 2 d x 2 = ψ 2 * d 2 ψ 1 d x 2 - ψ 1 * d 2 ψ 2 d x 2

Passo 3

Nós sabemos que, como podemos igualar esta equação final a 0, então concluímos que esta equação será sempre constante. Por conta disso, teremos que:

- h 2 2 m ( d 2 ψ 1 )   d x 2 * ψ 2 - ( d 2 ψ 2 )   d x 2 * ψ 1 = 0 →   ψ 2 * d 2 ψ 1 d x 2 - ψ 1 * d 2 ψ 2 d x 2 = 0

Logo, temos:

→ ψ 2 * d 2 ψ 1 d x 2 = ψ 1 * d 2 ψ 2 d x 2  

Pelos conhecimentos em cálculo, fica claro que as funções de onda são dependentes e, não são distintas, já que ψ 2 = c o n s t a n t e * ψ 1 .

Resposta

Provamos que as funções de onda são dependentes e não são distintas, já que ψ 2 = c o n s t a n t e * ψ 1 .

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