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Octava Sesión Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

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Page 1: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Octava SesiónOctava Sesión

Postulados de la Mecánica Cuántica (2)Resolución de la ecuación de

Schrödinger en problemas particulares

Page 2: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

ResumenResumen

• Parámetros característicos de las Parámetros característicos de las ondasondas

• Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético• Espectros de absorción y de emisión Espectros de absorción y de emisión

de los átomosde los átomos• Radiación de un cuerpo negroRadiación de un cuerpo negro• Efecto fotoeléctrico: fotónEfecto fotoeléctrico: fotón• CuantizaciónCuantización

Page 3: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resumen 2Resumen 2

• Modelo Atómico de BohrModelo Atómico de Bohr– Átomos hidrogenoides.Átomos hidrogenoides.– Es un modelo nuclear.Es un modelo nuclear.– Cuantización del momento angular del Cuantización del momento angular del

electrón.electrón.– Cuantización del radio de las órbitasCuantización del radio de las órbitas– Cuantización de la energía del electrón.Cuantización de la energía del electrón.– Niveles de energía.Niveles de energía.– Energías de ionización.Energías de ionización.– Transiciones electrónicas. Espectros.Transiciones electrónicas. Espectros.

Page 4: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resumen 3Resumen 3

• Antecedentes de la Teoría Cuántica Antecedentes de la Teoría Cuántica ModernaModerna– Hipótesis de De BroglieHipótesis de De Broglie– Principio de Incertidumbre de HeisenbergPrincipio de Incertidumbre de Heisenberg

• Postulados de la Mecánica CuánticaPostulados de la Mecánica Cuántica– 1. Función de onda.1. Función de onda.– 2. Operadores. La ecuación de 2. Operadores. La ecuación de

Schrödinger.Schrödinger.– 3. Significado físico del cuadrado de la 3. Significado físico del cuadrado de la

función de onda.función de onda.

Page 5: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Postulado 3Postulado 3

• ““El cuadrado de la función de El cuadrado de la función de onda está relacionado con la onda está relacionado con la probabilidad de encontrar a las probabilidad de encontrar a las partículas en una cierta región partículas en una cierta región del espacio”.del espacio”.

Page 6: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

ComentarioComentario

• El cuadrado de la función de El cuadrado de la función de onda es una densidad de onda es una densidad de probabilidad.probabilidad.

• Por lo tanto la función de onda Por lo tanto la función de onda debe ser:debe ser: Continua.Continua. Univaluada.Univaluada. Finita (cuadrado integrable).Finita (cuadrado integrable).

Page 7: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Postulado de BornPostulado de Born

1d2

Page 8: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resolución de Problemas Resolución de Problemas ParticularesParticulares

1.1. Se substituye la masa de la Se substituye la masa de la partícula.partícula.

2.2. Se substituye el potencial V Se substituye el potencial V para el caso del problema para el caso del problema particular.particular.

3.3. Se resuelve el problema para Se resuelve el problema para ΨΨ y para E.y para E.

Page 9: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resolución de Problemas Resolución de Problemas Particulares (2)Particulares (2)

• En general hay varias funciones En general hay varias funciones ΨΨ que matemáticamente que matemáticamente cumple con ser solución de la cumple con ser solución de la ecuación de Schrödinger.ecuación de Schrödinger.

• Se escogen aquellas que Se escogen aquellas que además de cumplir con las además de cumplir con las restricciones físicas del restricciones físicas del problema cumplen con:problema cumplen con:

Page 10: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resolución de Problemas Resolución de Problemas Particulares (3)Particulares (3)

• O sea, aquellas que sean:O sea, aquellas que sean:– Continuas.Continuas.– Univaluadas.Univaluadas.– Finitas.Finitas.

1d2

Page 11: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Resolución de Problemas Resolución de Problemas Particulares (4)Particulares (4)

• Con Con ΨΨ22 se pueden encontrar se pueden encontrar zonas del espacio donde existe zonas del espacio donde existe mayor probabilidad de encontrar mayor probabilidad de encontrar a las partículas.a las partículas.

Page 12: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Partícula en un pozo de Partícula en un pozo de potencial unidimensionalpotencial unidimensional

00 aa x x

V=V=

V=V=

V=0V=0

Page 13: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

22

2m-T

VTH

EH

Page 14: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

0)()(V-Edx

)(d

m2

)(E)()(V)(dx

d

2m-

de depende solo V

dx

d

2m-T

:dimensión unaEn

2

22

2

22

2

22

xxx

xxxx

x

Page 15: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

0(x) dx

)(d1)(

)(dx

)(d

0)(Edx

)(d

2m

)(V

:caja la de Fuera

2

2

2

2

2

22

fuera

xx

xx

xx

x

Page 16: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

ResumenResumen

ΨΨ(x) = 0(x) = 0 (-(- < x < 0)< x < 0)

No sabemosNo sabemos (0 (0 x x a) a)

ΨΨ(x) = 0(x) = 0 (a (a < x < < x < ))

Page 17: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Gráfica de Gráfica de (x)(x)

(x(x))

xx00 aa

Page 18: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuál es la probabilidad de ¿Cuál es la probabilidad de encontrar a la partícula fuera encontrar a la partícula fuera

de la caja?de la caja?

Page 19: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuál es la probabilidad ¿Cuál es la probabilidad de encontrar a la de encontrar a la

partícula fuera de la caja?partícula fuera de la caja?

ΨΨfuerafuera = 0 = 0

ΨΨ22fuerafuera = 0 = 0

PPfuerafuera = 0 = 0

Page 20: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la cajaDentro de la caja

)(mE2

dx

)(d

0)(Edx

)(d

2m

0)(0-Edx

)(d

2m

0V

22

2

2

22

2

22

xx

xx

xx

Page 21: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (2)Dentro de la caja (2)

2

mE2

• Es una constante.Es una constante.• Le pongo nombre: - Le pongo nombre: -

Constante, yo te bautizo como Constante, yo te bautizo como 22..

Page 22: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (3)Dentro de la caja (3)

)()(dx

d

mE2

22

2

22

xx

• Debemos resolver esta Debemos resolver esta ecuación ecuación diferencial de orden 2diferencial de orden 2..

• O sea, necesitamos encontrar una O sea, necesitamos encontrar una función que derivada dos veces sea función que derivada dos veces sea igual a menos igual a menos 22 por ella misma. por ella misma.

Page 23: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (4)Dentro de la caja (4)• Toda ecuación diferencial de orden Toda ecuación diferencial de orden

nn tiene tiene nn soluciones (linealmente soluciones (linealmente independientes).independientes).

• Les propongo estás dos soluciones:Les propongo estás dos soluciones:

xBcos)(

xAsen)(

x

x

II

I

Page 24: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (5)Dentro de la caja (5)

• A ver si es ciertoA ver si es cierto

xAsenxAsendx

d

xAcosxAsendx

d

xAsen)(

22

2

xI

xBcos-xBcosdx

d

xBsen-xBcosdx

d

xBcos)(

22

2

xII

encontramos dos funciones que encontramos dos funciones que cumplen con que derivadas dos cumplen con que derivadas dos veces son iguales a -veces son iguales a -22 por ellas por ellas mismas.mismas.

Page 25: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (6)Dentro de la caja (6)

• Por lo tanto: Por lo tanto:

)()(dx

d

:ldiferenciaecuación la de solucionesSon

xBcos)(

xAsen)(

22

2

xx

x

x

II

I

Page 26: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (7)Dentro de la caja (7)

• Pero ¿cumplen con ser funciones Pero ¿cumplen con ser funciones de onda aceptables?de onda aceptables?

• ¿Cumplen con el postulado de ¿Cumplen con el postulado de Born?Born?

• ¿Son continuas, univaluadas y ¿Son continuas, univaluadas y finitas?finitas?

Page 27: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Gráfica de Gráfica de (x)(x)

(x)(x)

xx00 aa

Page 28: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuánto debe valer ¿Cuánto debe valer (0)?(0)?

Page 29: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuánto debe valer ¿Cuánto debe valer (0)?(0)?

ΨΨ(0) = 0(0) = 0Para que la función sea Para que la función sea

continua en x = 0continua en x = 0

Page 30: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Dentro de la caja (8)Dentro de la caja (8)

• Por lo tanto:Por lo tanto:

0ser que tendría(0)Bcos)0(

0ser que tendría(0)Asen)0(

II

I

Page 31: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Función SenoFunción Seno

• La función seno cumple La función seno cumple con ser cero en x=0.con ser cero en x=0.

Page 32: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Función CosenoFunción Coseno

La función coseno no cumple La función coseno no cumple con ser cero en x=0. El coseno con ser cero en x=0. El coseno no es una función de onda no es una función de onda aceptable para este problema.aceptable para este problema.

Page 33: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Gráfica de Gráfica de (x)(x)

(x)(x)

xx00 aa

Page 34: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuánto debe valer ¿Cuánto debe valer (a)?(a)?

Page 35: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿Cuánto debe valer ¿Cuánto debe valer (a)?(a)?

ΨΨ(a) = 0(a) = 0Para que la función sea Para que la función sea

continua en x = acontinua en x = a

Page 36: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Por lo tantoPor lo tanto

0ser que tendría(a)Asen)a(

Le quito el subíndice porque ya solo me Le quito el subíndice porque ya solo me quedé con una funciónquedé con una función

Page 37: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Función SenoFunción Seno• ¿Dónde se hace cero la función seno?¿Dónde se hace cero la función seno?

Page 38: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Función SenoFunción Seno• ¿Dónde se hace cero la función seno?¿Dónde se hace cero la función seno?• En 0 y en múltiplo enteros de En 0 y en múltiplo enteros de ..• Por lo tanto, para que la función sea Por lo tanto, para que la función sea

aceptable, su argumento debe cumplir aceptable, su argumento debe cumplir con:con:

Zn ;na

Page 39: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

22

22

22

mE2

a

n

mE2

Pero

Zn;a

n

:donde De

Page 40: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Despejando la energíaDespejando la energía

Zn;ma8h

nE

h)4(mE2

an

2h

2

22

2

2

22

La energía de una partícula La energía de una partícula en un pozo de potencial en un pozo de potencial está cuantizadaestá cuantizada

Page 41: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Energía de la partículaEnergía de la partícula

Zn;

ma8h

nE 2

22

La energía de una partícula La energía de una partícula en un pozo de potencial en un pozo de potencial está cuantizadaestá cuantizada

Page 42: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

¿De dónde surgen los ¿De dónde surgen los números cuánticos?números cuánticos?

• De las restricciones físicas al De las restricciones físicas al movimiento de las partículas. (Si movimiento de las partículas. (Si fuera matemático diría: -De las fuera matemático diría: -De las condiciones a la frontera de la condiciones a la frontera de la ecuación diferencial).ecuación diferencial).

• Si la partícula se moviera Si la partícula se moviera libremente, no habría libremente, no habría cuantización.cuantización.

Page 43: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

12

2

3

12

2

2

2

2

2

2

1

2

22

n

E9ma8h

9E

E4ma8h

4E

ma8h

ma8h

1E

Zn;ma8h

nE

Niveles de EnergíaNiveles de Energía

Page 44: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Energías positivas porque es Energías positivas porque es pura energía cinética.pura energía cinética.

Page 45: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

El número cuántico también El número cuántico también aparece en la función de ondaaparece en la función de onda

xa

nAsen)(

;a

n Pero

xAsen)(

x

x

Pues si, porque…

Page 46: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Postulado 1Postulado 1• “Para cada estado de un

sistema dinámico de N partículas existe una función de onda Ψ que depende de las coordenadas de las N partículas y del tiempo. Dicha función de onda describe al sistema tan completamente como es posible”

Ψ(x1,y1,z1,x2,y2,z2,…,xN,yN,zN,t)

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xa

3Asen)(

xa

2Asen)(

xa

Asen)(

xa

nAsen)(

3

2

1

n

x

x

x

x

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xa

Asen)(

xa

2Asen)(

xa

3Asen)(

xa

4Asen)(

xa

5Asen)(

1

2

3

4

5

x

x

x

x

x

Page 49: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

Ahora tenemos que garantizar Ahora tenemos que garantizar queque

1d2

Page 50: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

1dxa

nAsen

1dxa

nAsen

1d

2

0

2

2

a

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2

1

0

2

0

22

0

22

dxxa

nsen

1A

1dxxa

nsenA

1dxxa

nsenA

a

a

a

Page 52: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

• Y, con ayuda de una tabla de integrales:

xa

nsen

a

2x)(

a

2A

2

1

n

2

1

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x

x

x

x

a

4sen

a

2x)(

a

3sen

a

2x)(

a

2sen

a

2x)(

asen

a

2x)(

2

1

4

2

1

3

2

1

2

2

1

1

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Page 55: Octava Sesión Postulados de la Mecánica Cuántica (2) Resolución de la ecuación de Schrödinger en problemas particulares

• Los números cuánticos surgen de las restricciones físicas al movimiento.

• A mayor energía, mayor es el número de nodos en la función de onda.

• La función de onda no tiene significado físico. Su cuadrado es una densidad de probabilidad.