10. L'oscillatore armonico quantistico.


Il grafico dell'energia potenziale di un oscillatore armonico unidimensionale in funzione della distanza x dal punto di equilibrio, secondo la (2.13), è una parabola con vertice nell'origine e concavità verso l'alto.

fig001.gif

Quindi una particella di energia totale finita Eqn000.gif che si muove di moto armonico è contenuta in una buca di potenziale a pareti infinite; la probabilità di trovarla a distanza infinita dal punto di equilibrio deve essere nulla.

L'equazione di Schroedinger in questo caso è

Eqn001.gif

Esplicitando U(x)

Eqn002.gif

Eqn003.gif

Quest'ultima equazione può essere semplificata con la sostituzione di variabile

Eqn004.gif

per cui

Eqn005.gif

Sostituendo nel primo membro della (10.2)

Eqn006.gif

Eqn007.gif

Si può semplificare ulteriormente la forma di questa equazione ponendo

Eqn008.gif

quindi

Eqn009.gif

La soluzione di questa equazione deve tendere a 0 per x che tende a ±∞: si può congetturare che possa essere espressa dal prodotto

Eqn010.gif

dove φ(ξ) è una funzione da determinare.

Sostituendo questa espressione e la sua derivata seconda rispetto a ξ nella (10.4) si ha

Eqn011.gif

Eqn012.gif

Le soluzioni della (10.7) possono essere individuate supponendo che possano essere espresse da uno sviluppo in serie

Eqn013.gif

per cui

Eqn014.gif

Sostituendo questi sviluppi in serie nella (10.7) si ha

Eqn015.gif

Poiché la funzione non può avere una singolarità per x=0, nella prima sommatoria si evitano gli esponenti negativi

Eqn016.gif

La sommatoria (10.10) è identicamente nulla se sono nulli tutti i suoi coefficienti

Eqn017.gif

Si è così ottenuta una relazione ricorsiva tra i coefficienti dello sviluppo in serie (10.8) di φ(ξ)

Dato che φ(ξ) deve risultare finita per ogni ξ, bisogna che esita un termine n-esimo non nullo dello sviluppo tale che il temine (n+2)esimo sia nullo e quindi siano nulli tutti quelli successivi di ordine (n+4), (n+6), ecc... Dalla (10.11) si vede che ciò si verifica solo se

Eqn018.gif

cioè, per la (10.4)

Eqn019.gif

La (10.13) può essere scritta anche

Eqn020.gif

La (10.14) rappresenta un risultato fondamentale nella storia della Fisica del Novecento, perché fornisce una giustificazione teorica alla congettura di Planck e la migliora: gli oscillatori armonici, diversamente da quanto previsto dalla Meccanica Classica, non possono avere energia qualunque, ma la loro energia è quantizzata. La minima energia possibile si ha dalla (10.14) con n=0. Tutti gli altri possibili valori differiscono da questa per multipli di . Dunque un oscillatore armonico può emettere o assorbire energia solo scambiando con l'esterno blocchi di energia multipli di .