Notas de Mecˆ anica Quˆ antica Carlos A. R. Herdeiro Departamento de F´ ısica Faculdade de Ciˆ encias da Universidade do Porto 2007-08 v4.0
Notas deMecanica Quantica
Carlos A. R. Herdeiro
Departamento de Fısica
Faculdade de Ciencias da Universidade do Porto
2007-08
v4.0
Agradecimentos
E um prazer agradecer a Professora Renata Arala Chaves, ao Professor Eduardo Lage e
ao Professor Joao Lopes dos Santos a oportunidade de leccionar as cadeiras de Mecanica
Quantica I e Mecanica Quantica II como Professor Auxiliar Convidado, durante os anos
lectivos 2003/2004 a 2006/2007, no Departamento de Fısica da Faculdade de Ciencias da
Universidade do Porto. Uma palavra muito especial a Professora Fatima Mota pelo apoio
sempre presente.
Junho de 2007
Carlos Herdeiro
(Alguma) Cronologia relacionada com o Nascimento da Mecanica Quantica
1678 - Christian Huygens publica o seu livro Traite de la lumiere onde defendia a natureza
ondulatoria da luz;
1687 - Isaac Newton publica o seu tratado Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
onde expoe as suas leis da mecanica (hoje dita mecanica classica);
1703 - Newton publica o seu livro sobre a luz Opticks, onde defende que a luz e um fluxo
de pequenos corpusculos;
1803 - Thomas Young anuncia numa ‘Bakerian Lecture’ intitulada Experiments and Cal-
culations Relative to Physical Optics a observacao da difraccao da luz, provando assim
que a luz tem propriedades ondulatorias e portanto validando a tese de Huygens e
invalidando a de Newton;
1873 - James Maxwell publica a sua obra A Treatise on Electricity and Magnetism onde
apresenta as suas equacoes do campo electromagnetico e mostra que a sua teoria
preve a existencia de ondas electromagneticas viajando ‘a velocidade da luz’;
1887 - Heinrich Hertz produz e detecta ondas electromagneticas, validando a teoria de
Maxwell; descobre tambem, acidentalmente, o efeito fotoelectrico;
1900 - Max Planck explica a radiacao de corpo negro usando a quantificacao de energia e
introduzindo uma nova constante h (hoje dita constante de Planck). A sua descoberta
foi apresentada num encontro da Sociedade Alema de Fısica, em 14 de Dezembro de
1900, a data de nascimento da Mecanica Quantica;
1905 - Albert Einstein sugera a quantificacao da radiacao para explicar algumas carac-
terısticas do efeito fotoelectrico descobertas em 1900 por Philip Lenard;
1911 - Ernest Rutherford propoe o modelo nuclear do atomo baseado nas experiencias de
scattering de partıculas α de Hans Geiger e Ernest Marsden;
1913 - Niels Bohr propoe o seu modelo do atomo de hidrogenio num artigo intitulado
Sobre a constituicao de atomos e moleculas;
1916 - Robert Milikan verifica a equacao de Einstein relativa ao efeito fotoelectrico;
1923 - Arthur Compton explica o scattering de raios x por electroes como uma colisao
entre electroes e fotoes verificando experimentalmente as suas conclusoes;
1924 - Louis De Broglie propoe que o electrao tenha ondas electronicas associadas com
comprimento de onda h/p;
1925 - Erwin Schrodinger propoe a sua equacao de onda para descrever as ondas associ-
adas a materia;
1925 - Werner Heisenberg inventa a mecanica de matrizes para descrever fenomenos quanticos;
1925 - Wolfgang Pauli apresenta o seu princıpio de exclusao;
1927 - Heisenberg formula o princıpio da incerteza;
1927 - Clinton Davisson e Lester Germer e independentemente, George Thomson, obser-
vam difraccao devido a ondas electronicas;
1928 - Paul Dirac desenvolve a mecanica quantica relativista e preve a existencia de
positroes, descobertos em 1932 por Carl Anderson;
“Quem nao se sentiu chocado com a teoria quantica
nao pode te-la compreendido.”
Niels Bohr
(1885-1962),
Conteudo
I Problemas exactamente soluveis e quantificacao canonica de
sistemas classicos 1
1 Topicos de Mecanica Classica 2
1.1 Mecanica Newtoniana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Mecanica Lagrangeana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Equacoes de Euler-Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Teorema de Noether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Mecanica Hamiltoniana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 O Espaco de Fase e os Parentesis de Poisson . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 A Equacao de Hamilton-Jacobi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 O perıodo de Transicao 25
2.1 A luz: ondas versus corpusculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 Experiencias de Young (1801): ondas triunfam . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2 A radiacao do corpo negro, Planck e o quantum (1900) . . . . . . . 33
2.1.3 O efeito fotoelectrico (Einstein 1905) . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Materia: corpusculos versus ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 O Espectro do atomo de Hidrogenio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2 O modelo atomico de Bohr (1913) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.3 As ondas electronicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da Mecanica
Quantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Experiencia de Young com luz de baixa intensidade . . . . . . . . . 51
2.3.2 O princıpio da incerteza de Heisenberg . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.3 Experiencia com a polarizacao da luz . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4 A aplicabilidade da Mecanica Quantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3 A equacao de Schrodinger 63
3.1 Descricao Quantica de uma partıcula livre - Trem de Ondas . . . . . . . . 64
3.1.1 Sobreposicao discreta de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.2 Sobreposicao contınua de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1 Caracterısticas gerais num potencial em escada . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Salto de potencial (E > V0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.3 Salto de potencial (E < V0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.4 Barreira de potencial (E > V0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.5 Barreira de potencial (E < V0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.6 Poco de potencial de profundidade finita (E < 0) . . . . . . . . . . 88
3.2.7 Poco de potencial de profundidade infinita . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3 Evolucao de um trem de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.1 Trem de ondas Gaussiano livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3.2 Trem de ondas incidente num salto de potencial (E < V0) . . . . . . 93
3.4 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica 97
4.1 Funcoes de onda e operadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 Estrutura de F e produto escalar em F . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.1.2 Bases de F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1.3 Operadores Lineares a actuar em F . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 A notacao de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 Produto escalar e espaco dual a E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.2 Accao de operadores lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.3 O operador adjunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.4 A operacao adjunta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.5 Notacao de Dirac numa dada base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.6 Valores proprios e vectores proprios de um operador . . . . . . . . . 113
4.2.7 Observaveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3 Os postulados da Mecanica Quantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4 Quantificacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.1 Variaveis compatıveis, incompatıveis e C.C.O.C. . . . . . . . . . . . 119
4.4.2 Os operadores X e P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.3 Regras de Quantificacao canonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.4 Comentarios sobre a evolucao de um sistema quantico . . . . . . . . 128
4.4.5 Evolucao do valor medio de uma variavel . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5.1 O operador de densidade para um estado puro . . . . . . . . . . . . 133
4.5.2 O operador de densidade para uma mistura estatıstica de estados . 134
4.5.3 O operador de evolucao e a evolucao de um estado puro . . . . . . . 137
4.6 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 Exemplos de Quantificacao Canonica 141
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.1 O espectro de energia do Oscilador Harmonico Quantico . . . . . . 142
5.1.2 As funcoes de onda para o oscilador harmonico . . . . . . . . . . . 146
5.1.3 Resolucao directa da equacao de Schrodinger . . . . . . . . . . . . . 149
5.1.4 Valor medio e desvio padrao de x e p . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2 O Oscilador Harmonico Quantico em Duas Dimensoes . . . . . . . . . . . . 155
5.2.1 Quantoes lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.2.2 Quantoes circulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.3 Funcoes de Onda para quantoes circulares . . . . . . . . . . . . . . 158
5.3 O problema de Landau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio 167
6.1 Operadores de momento angular orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2 Os Harmonicos Esfericos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3 Partıcula numa forca central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico . . . . . . . . . . 189
6.5.1 Deducao dos varios termos do Hamiltoniano . . . . . . . . . . . . . 189
6.5.2 Interpretacao dos varios termos do Hamiltoniano . . . . . . . . . . 191
6.5.3 Comparacao dos varios termos no Hamiltoniano . . . . . . . . . . . 195
6.5.4 Espectro de Energias aproximado: efeito Zeeman . . . . . . . . . . 196
6.6 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger 205
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.1.1 Estados Ligados em Pocos infinitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.1.2 Densidade de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.1.3 Estados Ligados em Pocos finitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante . . . . . . . . . . . 220
7.2.1 O superpotencial e potenciais parceiros . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.2.2 Hierarquia de Hamiltonianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.2.3 Potenciais de forma invariante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.2.4 Potenciais de forma invariante relacionados por translacao . . . . . 229
7.3 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
II Metodos de aproximacao e Spin 237
8 A aproximacao WKB 238
8.1 O metodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.2 Interpretacao da validade da aproximacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.3 Formulas de ligacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.4 Aplicacao ao calculo de estados ligados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.5 Aplicacao ao calculo do factor de transmissao . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.6 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9 Teoria Geral do Momento Angular e Spin 253
9.1 Representacoes da algebra do momento angular . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.2 Emergencia Fısica do Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.3 Postulados da teoria de Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
. . . . . . . . . . . . . . . 274
9.4.1 Juntando os graus de liberdade de spin aos orbitais . . . . . . . . . 276
9.5 Adicao de momento angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.5.1 Calculo dos vectores proprios comuns a J2 e a Jz . . . . . . . . . . 287
9.6 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10 Teoria da Difusao 293
10.1 Formalismo para descrever processos de difusao . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.1.1 Definicao da seccao eficaz de difusao . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.1.2 Estados estacionarios de difusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.1.3 Relacao entre amplitude e seccao eficaz de difusao . . . . . . . . . . 300
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.2.1 Escolha da funcao de Green e de Φ0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.2.2 A aproximacao de Born . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.2.3 Interpretacao da aproximacao de Born . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.2.4 A aproximacao de Born para potenciais centrais . . . . . . . . . . . 309
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central . . . . . 316
10.3.1 Ondas esfericas versus ondas planas para uma partıcula livre . . . . 317
10.3.2 Deducao da forma explıcita das ondas esfericas livres . . . . . . . . 319
10.3.3 Propriedades das ondas esfericas livres . . . . . . . . . . . . . . . . 323
10.3.4 Ondas parciais num potencial V (r) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.4 Difusao Inelastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
10.4.1 Seccoes eficazes de difusao elastica e de absorcao . . . . . . . . . . . 337
10.4.2 Seccao eficaz total e o teorema optico . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
10.5 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo 343
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
11.1.1 Perturbacao de um nıvel nao degenerado . . . . . . . . . . . . . . . 347
11.1.2 Perturbacao a um nıvel degenerado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
11.1.3 Perturbacoes X, X2 e X3 a um potencial harmonico . . . . . . . . 352
11.1.4 Estrutura fina do atomo de Hidrogenio . . . . . . . . . . . . . . . . 357
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.2.1 Formulacao do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
11.2.2 Solucao aproximada da equacao de Schrodinger . . . . . . . . . . . 369
11.2.3 Aplicacao a uma perturbacao sinusoidal ou constante . . . . . . . . 373
11.2.4 Probabilidade de transicao via operador de evolucao . . . . . . . . . 385
11.3 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
12 Sistemas de partıculas identicas 397
12.1 Origem do Problema: a degenerescencia de troca . . . . . . . . . . . . . . 397
12.2 Operadores de permutacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
12.2.1 Sistema de duas partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
12.2.2 Sistema de tres partıculas e generalizacao para N partıculas . . . . 405
12.3 O postulado de simetrizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
12.3.1 Levantamento da degenerescencia de troca . . . . . . . . . . . . . . 411
12.3.2 Observaveis e evolucao temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
12.4.1 Diferencas entre bosoes e fermioes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
12.4.2 Efeitos de interferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
12.4.3 Difusao de duas partıculas identicas com spin . . . . . . . . . . . . 424
12.5 Atomos com varios electroes - A tabela periodica . . . . . . . . . . . . . . 428
12.5.1 Nıveis de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
12.5.2 Configuracoes electronicas e princıpio da exclusao de Pauli . . . . . 432
12.6 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
13 Introducao a Mecanica Quantica Relativista 437
13.1 A teoria de Klein-Gordon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
13.2.1 Energias negativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
13.2.2 Probabilidades negativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
13.2.3 Inexistencia de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
13.3 A teoria de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
13.3.1 Os sucessos da equacao de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
13.4 Sumario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
III Topicos Avancados e Modernos 453
14 Formulacao de integrais de caminho da Mecanica Quantica 454
15 Mecanica Quantica Super-simetrica 455
16 Introducao a teoria da Informacao Quantica 457
IV Apendices 458
A Geometria da Transformada de Legendre 459
B Princıpio do tempo mınimo de Fermat 463
B.1 Reflexao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
B.2 Refraccao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
C Analise de Fourier 467
C.1 Series de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
C.1.1 Representacao em termos de ondas planas . . . . . . . . . . . . . . 469
C.1.2 O Espaco de Hilbert e a Igualdade de Bessel-Parseval . . . . . . . . 470
C.2 Integrais de Fourier e Transformadas de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . 471
C.2.1 A formula de Parseval-Plancherel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
C.2.2 Quantidades estatısticas e a relacao de incerteza . . . . . . . . . . . 474
Parte I
Problemas exactamente soluveis e quantificacao canonica de
sistemas classicos
CAPITULO 1
Topicos de Mecanica Classica
1.1 Mecanica Newtoniana
O principal objectivo da mecanica classica e descrever e explicar o movimento de objectos
macroscopicos. Tal descricao e feita atraves do conceito de trajectoria, que em mecanica
nao relativista e um mapa
Tp(t) : R −→ R3
t −→ ~x(t), (1.1.1)
para cada ponto p do objecto em questao - figura 1.1. Em muitos problemas, a dinamica de
corpos rıgidos e reduzida, em primeira analise, a dinamica do centro de massa e portanto
a de uma partıcula pontual. Assim sendo, a descricao e explicacao do movimento de uma
partıcula pontual e o problema base da mecanica classica.
Em 1686-87, Isaac Newton (1642-1727) apresentou na sua principal obra Philosophiae
Naturalis Principia Mathematica as leis da Mecanica Newtoniana e em particular a sua
equacao do movimento (2a lei de Newton) que relaciona a forca com a variacao da quanti-
dade de movimento
~F =d~p
dt, ~p ≡ m~v ≡ m
d~x
dt. (1.1.2)
1.1 Mecanica Newtoniana 3
Tp(t1)
Tp(t2)
x
y
z
Figura 1.1: A trajectoria e um mapa da linha real para R3.
Se a massa m e fixa,
~F = md2~x
dt2≡ m~x . (1.1.3)
Exemplo 1 : Oscilador Harmonico (ex: pequenas oscilacoes de um pendulo, mola,...)
Um oscilador harmonico e um sistema em que a forca e proporcional ao deslocamento
a partir de um ponto de equilıbrio e dirigida para o ponto de equilıbrio (Lei de Hooke).
Rotulando o ponto de equilıbrio como ~x = 0, temos
~F = −k~x . (1.1.4)
Consideremos o oscilador harmonico em uma dimensao, com uma massa m e uma constante
de oscilador k. Pela segunda lei
x+k
mx = 0 , (1.1.5)
que e uma equacao diferencial ordinaria de segunda ordem com solucao
x(t) = A cos
(√
k
mt+ φ0
)
, (1.1.6)
de onde se le a frequencia de oscilacao: ω =√
k/m. A e φ0 sao constantes de integracao
interpretadas como amplitude e fase inicial do movimento que fisicamente sao determinadas
pelas condicoes iniciais.
Exemplo 2 : Problema de Larmor O problema de Larmor e o problema de uma
partıcula de massa m e carga electrica q num campo magnetico constante que tomamos
como sendo ~B = Bez.
4 Topicos de Mecanica Classica
A forca que uma partıcula sente devido a interaccao com o campo electromagnetico e
dada pela forca de Lorentz
~F = q( ~E + ~v × ~B) . (1.1.7)
Aplicando ao nosso caso e usando a segunda lei de Newton obtemos a equacao do movi-
mento (~x = (x, y, z))
~x = ωc~x× ez⇔
x = ωcy
y = −ωcx
z = 0
⇒
d3x
dt3+ ω2
c x = 0
d3y
dt3+ ω2
c y = 0
z = 0
, (1.1.8)
onde definimos a frequencia ciclotronica e
ωc =qB
m. (1.1.9)
As equacoes de terceira ordem sao de segunda ordem nas velocidades e equivalentes a
osciladores harmonicos. Logo a solucao e
x = A cos (ωct+ φ0)
y = A cos(
ωct+ φ0
)
z = z0 + vzt
, (1.1.10)
onde A, A, φ, φ, z0, vz sao constantes de integracao. As equacoes de segunda ordem em
(1.1.8) relacionam as constantes de integracao
A = A , φ0 = φ0 +π
2. (1.1.11)
Como tal a solucao final e
x(t) = x0 +A
ωcsin (ωct+ φ0)
y(t) = y0 +A
ωc
cos (ωct+ φ0)
z = z0 + vzt
. (1.1.12)
Assim, x(t) e y(t) obedecem a
(x(t)− x0)2 + (y(t)− y0)
2 =
(
A
ωc
)2
, (1.1.13)
1.2 Mecanica Lagrangeana 5
~B
x
y
z
Figura 1.2: Trajectorias no problema de Larmor. Apenas a trajectoria mais a direita temvz 6= 0.
e interpretamos as trajectorias projectadas no plano x-y como sendo circunferencias com
centro em (x0, y0) e raio Am/qB - figura 1.2. Lemos tambem que a frequencia das orbitas
e a frequencia ciclotronica.
Nota: Este movimento corresponde a dois osciladores harmonicos nas direccoes x e y
em oposicao de fase.
1.2 Mecanica Lagrangeana
Existem algumas forcas, ditas conservativas, que podem ser derivadas de um potencial,
atraves de:1
~F = −∇V ⇔ ∇× ~F = 0 . (1.2.1)
Dada uma forca, a ultima equacao pode ser utilizada como teste para ver se a forca e
conservativa. Por exemplo, para a forca do exemplo 1,
~F = −kx ⇔ V (x) =kx2
2. (1.2.2)
Ao desenharmos o potencial - figura 1.3 - ficamos com uma ideia da dinamica usando a
nossa intuicao gravitacional: a partıcula quer descer o potencial e ‘custa-lhe’ a subi-lo.
Como a energia total da partıcula e conservada
Etotal = Ecinetica + Epotencial =1
2mv2 +
1
2kx2 , (1.2.3)
1A implicacao da direita para a esquerda nao e sempre valida e depende de consideracoes topologicas,nomeadamente a co-homologia de de Rham da variedade. Para a generalidade das aplicacoes em Fısicaelementar, onde a topologia do espaco-tempo e trivial, pode-se considerar a equivalencia valida em geral.
6 Topicos de Mecanica Classica
x
E
V(x)
a−a
Figura 1.3: Potencial do oscilador harmonico; uma partıcula com energia E oscila entrepontos −a e a tais que V (−a) = V (a) = E.
q1(t)
q2(t)
qreal(t)
(qi, ti)
(qf , tf )
Figura 1.4: Tres percursos alternativos entre o ponto qi no instante ti e qf no instante tf . A
trajectoria real, qreal(t) e um extremo da accao S[q(t)]tfti . Se, por exemplo, for um mınimo,
S[qreal(t)]tfti < S[q1(t)]
tfti , S[q2(t)]
tfti .
uma partıcula com energia total E sobe ate uma altura do potencial dada por V = E, onde
a velocidade se anula; a velocidade e maxima em x = 0, onde toda a energia e cinetica.
Dado um qualquer potencial, correspondendo a uma forca, podemos de imediato deduzir
um conjunto particular de trajectorias fısicas, i.e. solucoes das equacoes do movimento:
sao as trajectorias constantes, correspondentes aos extremos do potencial. Os extremos
sao definidos por
∇V (x0) = 0 ⇔ ~F = 0 em x0 , (1.2.4)
o que significa que se a partıcula estiver inicialmente em repouso em x0 aı ficara. No caso
do oscilador harmonico a unica solucao deste tipo e quando a partıcula esta em repouso
na posicao de equilıbrio, que e trivial. Mas origina a seguinte pergunta:
‘Dado que estas trajectorias extremizam uma quantidade escalar (o potencial), havera
uma quantidade escalar mais geral extremizada por todas as trajectorias?’
1.2 Mecanica Lagrangeana 7
Isto e consideremos um movimento com inıcio em ti na posicao qi e com fim em tf
na posicao qf , como na figura 1.4.2 Existe uma quantidade que a trajectoria verdadeira,
qreal(t), extremize comparativamente a todas as outras trajectorias, como q1(t) ou q2(t)? Se
tal quantidade existir nao e uma funcao, mas sim uma ‘maquina’ que transforma funcoes -
como a trajectoria - em numeros (note que uma funcao transforma numeros em numeros),
denominada funcional :
S[. . .]tfti : F −→ R
q(t) −→ S[q(t)]tfti
. (1.2.5)
F e o espaco de todas as funcoes de variavel real. Um dos princıpios mais importantes em
toda a fısica e o princıpio da accao mınima3 ou princıpio de Hamilton:
Num sistema fısico com Lagrangeano L(q, q, t), as trajectorias reais, qreal(t), sao as que
extremizam o funcional accao, definido como
S[q(t)]tfti =
∫ tf
ti
dtL(q, q, t) , (1.2.6)
onde o Lagrangeano se define como a diferenca entre a energia cinetica, T (q) e a energia
potencial, V (q, t)4
L(q, q, t) ≡ T (q)− V (q, t) . (1.2.7)
Para o princıpio de Hamilton fazer sentido tem que dar origem a um conjunto de
equacoes do movimento equivalentes as da mecanica Newtoniana. Essas equacoes chamam-
se Equacoes de Euler-Lagrange, que agora deduzimos.
1.2.1 Equacoes de Euler-Lagrange
Os extremos de uma funcao sao encontrados requerendo que a derivada da funcao seja
zero. Analogamente, os extremos de um funcional encontram-se requerendo que a variacao
do funcional se anule. Variar um funcional consiste em comparar o valor do funcional para
2E convencional utilizar a variavel ‘q’ para designar um sistema arbitrario de coordenadas, por issodenominadas coordenadas generalizadas.
3Embora esta designacao seja comum, as trajectorias reais nao sao sempre um mınimo da accao, massim um extremo.
4Curiosidade: A designacao de energia cinetica por T e da energia potencial por V tem origem naspalavras alemas tatkraft e verk, que significam, respectivamente ‘energia’ e ‘potencial’.
8 Topicos de Mecanica Classica
funcoes ligeiramente distintas, mas mantendo fixos os pontos inicial e final da funcao, que
no nosso caso e a trajectoria. Denotando esta operacao de variacao por ‘δ’ obtemos
δS = S[q(t) + δq(t)]tfti − S[q(t)]
tfti =
∫ tf
ti
dt
[
∂L∂qδq +
∂L∂qδq
]
, (1.2.8)
e assumindo que a operacao de variacao comuta com diferenciacao,
δq = δdq
dt=
d
dtδq , (1.2.9)
de onde, integrando por partes
δS =
∫ tf
ti
dt
[
∂L∂q− d
dt
∂L∂q
]
δq +∂L∂qδq∣
∣
∣
tf
ti. (1.2.10)
O ultimo termo e zero, pois corresponde a variacao da trajectoria nos pontos inicial e final,
que assumimos ser zero. Como queremos garantir que δS = 0 para uma variacao arbitraria,
o integrando do termo restante tem de ser zero, isto e,
d
dt
∂L∂q− ∂L∂q
= 0 , (1.2.11)
para cada coordenada q. Estas sao as equacoes de Euler-Lagrange (Joseph Lagrange 1736-
1813, Leonhard Euler 1707-1783). Usando (1.2.7) estas equacoes escrevem-se
d
dt
∂L∂q
= −∂V∂q
⇔ d
dt
∂L∂~q
= ~F . (1.2.12)
Usamos ~q para denotar a possibilidade de haver varios graus de liberdade e correspondentes
coordenadas. Para uma partıcula pontual num potencial V (~q),
L =1
2m~q
2 − V (~q) , (1.2.13)
e (1.2.12) reduz-se a ~F = m~q, i.e. a segunda lei de Newton. Em geral define-se o momento
canonico conjugado a variavel ‘q’ como ‘p’
~p ≡ ∂L∂~q
. (1.2.14)
Deste modo, com toda a generalidade, (1.2.12) implica
~F =d
dt~p , (1.2.15)
1.2 Mecanica Lagrangeana 9
mostrando que o formalismo Lagraneano reproduz o Newtoniano.
Exemplo 1, Versao b) : Tratamos agora o oscilador harmonico no formalismo La-
grangiano. De (1.2.2) vemos facilmente que o Lagrangeano e
L =1
2mx2 − 1
2kx2 , (1.2.16)
e as equacoes de Euler-Lagrange dao
x+k
mx = 0 , (1.2.17)
em concordancia com (1.1.5).
Exemplo 2, Versao b) : Para tratarmos a versao Lagrangeana do problema de Lar-
mor, comecemos por discutir se existe um potencial para a forca de Lorentz. Recordemos
as equacoes de Maxwell (no sistema internacional de unidades)
(i) ∇ · ~B = 0 (ii) ∇ · ~E =ρ
ǫ0
(iii) ∇× ~E = −∂~B
∂t(iv) c2∇× ~B =
~i
ǫ0+∂ ~E
∂t
. (1.2.18)
Uma condicao necessaria para existir o potencial de uma forca e (1.2.1). Calculemos pois
o rotacional de ~FLorentz
∇× ~FLorentz = q(∇× ~E +∇× (~v × ~B)) , (1.2.19)
ou, usando as equacoes de Maxwell e o facto que
∇× (~α× ~β) = (~β · ∇)~α− ~β(∇ · ~α)− (~α · ∇)~β + ~α(∇ · ~β) , (1.2.20)
obtemos (~v nao e um campo de velocidades; logo as suas derivadas desaparecem)
∇× ~FLorentz = q
(
−∂~B
∂t− (~v · ∇) ~B
)
= −qd~B
dt. (1.2.21)
Assim, em geral, a forca de Lorentz nao e derivavel de um potencial. So o e se o campo
magnetico sentido pela partıcula for constante.
10 Topicos de Mecanica Classica
Ainda assim, e possıvel definir um Lagrangeano cujas equacoes do movimento sao as
de uma partıcula actuada pela forca de Lorentz, mas que nao tem a forma (1.2.7). Para
vermos esse Lagrangeano recordemos os potenciais electromagneticos.
A equacao (i) permite-nos definir o potencial magnetico, ~A,
∇ · ~B = 0 ⇒ ~B = ∇× ~A , (1.2.22)
que usando na equacao de Maxwell-Faraday (iii) nos permite escrever esta como
∇× ( ~E +∂ ~A
∂t) = 0 ⇒ ~E = −∇φ− ∂ ~A
∂t, (1.2.23)
onde φ e o potencial electrostatico. As duas equacoes (1.2.22) e (1.2.23) definem os poten-
ciais electromagneticos (φ, ~A). Note-se que estes nao sao unicos. Isto e, para os mesmos
~E, ~B existe uma classe de equivalencia de diferentes escolhas para φ e ~A a que se chama
“equivalencia de gauge”.
Lema: O Lagrangeano
L =1
2m~x
2+ q~x · ~A(t, ~x)− qφ(t, ~x) , (1.2.24)
reproduz as equacoes do movimento de uma partıcula actuada pela forca de Lorentz.
Demonstracao: As equacoes de Euler-Lagrange para este Lagrangeano
∂L∂xi− d
dt
∂L∂xi
= 0 ⇒ q~x · ∂~A
∂xi− q ∂φ
∂xi− d
dt(mxi + qAi) = 0 . (1.2.25)
Note-se que a derivada em ordem ao tempo e total e que ~A depende do tempo tanto
explicitamente como atraves da dependencia em ~x. Assim a equacao fica
q
(
x1∂A1
∂xi+ x2∂A2
∂xi+ x3∂A3
∂xi− ∂φ
∂xi− ∂Ai
∂t− ∂Ai
∂xj
∂xj
∂t
)
= mxi . (1.2.26)
Usando (1.2.23) reescrevemos a equacao
q
[
v1
(
∂A1
∂xi− ∂Ai
∂x1
)
+ v2
(
∂A2
∂xi− ∂Ai
∂x2
)
+ v3
(
∂A3
∂xi− ∂Ai
∂x3
)
+ ( ~E)i
]
= mxi . (1.2.27)
Tomando como exemplo a componente i = 1 desta equacao, reescrevemo-la como
q[
v2(
∇× ~A)
3− v3
(
∇× ~A)
2+ ( ~E)1
]
= mx1 ⇔ q[
~E + ~v × ~B]
1= mx1 , (1.2.28)
1.2 Mecanica Lagrangeana 11
e analogamente para as outras componentes, o que demonstra o Lema. (q.e.d.)
Voltemos entao ao problema de Larmor. Podemos escolher os seguintes potenciais
electromagneticos para o problema
~E = 0
~B = Bez
⇐
φ = 0
~A =B
2(−y, x, 0)
, (1.2.29)
originando o Lagrangeano
L(~x, ~x, t) =1
2m(x2 + y2 + z2) +
Bq
2(xy − yx) , (1.2.30)
e as equacoes de Euler-Lagrange
Bq
2y − d
dt
(
−Bq2y +mx
)
= 0
−Bq2x− d
dt
(
Bq
2x+my
)
= 0
− d
dt(mz) = 0
x =qB
my
y = −qBmx
z = 0
, (1.2.31)
que sao as mesmas equacoes obtidas no formalismo Newtoniano (1.1.8).
1.2.2 Teorema de Noether
Neste ultimo exemplo obtivemos uma equacao do movimento da forma
d
dt(mz) = 0 ⇒ pz ≡ mz = constante , (1.2.32)
o que significa existir uma quantidade conservada no movimento, pz. A existencia desta
quantidade conservada e consequencia directa de neste problema haver uma simetria na
direccao z e, como tal, de o Lagrangeano nao depender de z. A generalizacao deste re-
sultado e conhecida como Teorema de Noether, (Emmy Noether 1882-1935) um dos mais
importantes em mecanica Lagrangeana:
Teorema (Noether): Se o Lagrangeano de um sistema fısico L(~q, ~q, t) e invariante
pela accao de transformacoes do tipo
~q −→ ~q + δ~q , (1.2.33)
12 Topicos de Mecanica Classica
para algum δ~q, isto e, possui uma simetria na direccao definida por δ~q, entao existe uma
quantidade conservada no movimento desse sistema fısico associada com essa simetria.
Demonstracao: Escolher uma coordenada y tal que as suas linhas integrais sejam
tangentes a δ~q; a invariancia de L significa que L nao depende da coordenada y, ∂L/∂y = 0;
logo, a equacao do movimento de y e
d
dt
(
∂L∂y
)
= 0 ⇒ ∂L∂y≡ py = constante , (1.2.34)
o que significa que py e uma constante do movimento.
1.3 Mecanica Hamiltoniana
Tanto no formalismo Newtoniano como Lagrangeano, as equacoes do movimento sao equacoes
diferenciais de segunda ordem. Quer para implementacao numerica, quer para uso de
metodos analıticos e, em muitas circunstancias, mais conveniente resolver um conjunto de
2n equacoes diferenciais de primeira ordem do que um conjunto de n equacoes diferenciais
equivalentes de segunda ordem. Isto sugere a introducao de um formalismo em que as
equacoes do movimento sao de primeira ordem, que e o caso do formalismo Hamiltoniano
(William Hamilton 1805-1865). Este formalismo e tambem o caminho canonico para a
quantificacao de um sistema fısico.
No formalismo Lagrangeano, as variaveis independentes sao
(q, q, t), (1.3.1)
e o Lagrangeano e visto como uma funcao destas variaveis
L = L(q, q, t) . (1.3.2)
Anteriormente ja introduzimos uma nova variavel que em geral depende de q, que e o
momento canonico conjugado a q,
p ≡ ∂L∂q
. (1.3.3)
1.3 Mecanica Hamiltoniana 13
E pois natural, para obter equacoes de primeira ordem, tomar como variaveis independentes
(q, p, t), (1.3.4)
e pensar no Lagrangeano como uma nova funcao em que as variaveis independentes sao
estas
L = L(q, q(q, p, t), t) . (1.3.5)
As equacoes de Euler-Lagrange
∂L∂q− d
dt
∂L∂q
= 0 ⇔ p =∂L∂q
, (1.3.6)
tem de ser expressas em termos da funcao L. Note-se que em geral
∂L∂q6= ∂L∂q
, (1.3.7)
pois estas sao derivadas parciais. De facto
∂
∂qL(q, q(q, p, t), t) =
∂L∂q
+∂L∂q
∂
∂qq(q, p, t) ⇔ ∂L
∂q=
∂
∂qL(q, p, t)−p ∂
∂qq(q, p, t) . (1.3.8)
Usando (1.3.6) e notando que o lado direito da ultima equacao ja esta totalmente expresso
em termos de funcoes das novas variaveis (q, p, t), obtemos
p = − ∂
∂q
(
pq(q, p, t)− L(q, p, t))
. (1.3.9)
Por outro lado calculemos tambem
∂
∂pL(q, p, t) =
∂
∂qL(q, q, t)
∂q
∂p= p
∂
∂pq(q, p, t) =
∂
∂p(pq(q, p, t))− q(q, p, t) , (1.3.10)
ou
q =∂
∂p(pq(q, p, t)− L(q, p, t)) . (1.3.11)
Para simplificar a forma das equacoes (1.3.9) e (1.3.11), introduzimos o Hamiltoniano
definido como
H(q, p, t) ≡ pq(q, p, t)− L(q, q(q, p, t), t) , (1.3.12)
14 Topicos de Mecanica Classica
em termos do qual, as equacoes (1.3.9) e (1.3.11) reescrevem-se como
q =∂H
∂p, p = −∂H
∂q, (1.3.13)
denominadas equacoes de Hamilton ou equacoes canonicas. Estas equacoes contem a
mesma informacao que as equacoes de Euler-Lagrange, mas em vez de uma (ou n para
n coordenadas) equacao de segunda ordem temos agora duas (2n) equacoes de primeira
ordem. Note-se que tudo o que fizemos para ir do formalismo Lagrangeano para o Hamil-
toniano foi uma mudanca de variaveis independentes
(q, q, t) −→ (q, p, t) , (1.3.14)
o que motivou a substituicao do Lagrangeano por uma outra funcao, o Hamiltoniano
L(q, q, t) −→ H(q, p, t) . (1.3.15)
Esta ultima transformacao, que aparece associada a uma mudanca de variaveis toma o
nome de transformada de Legendre, cuja interpretacao geometrica e dada no apendice A.
Calculemos agora o Hamiltoniano para cada um dos nossos dois exemplos.
Exemplo 1, Versao c): Dado que o Lagrangeano para o oscilador harmonico e (1.2.16)
temos
L =1
2mx2 − 1
2kx2 ⇒ p ≡ ∂L
∂x= mx , (1.3.16)
o que significa que o momento canonico conjugado a x e o momento dinamico usual, isto
e, a quantidade de movimento. Logo
H = px− L =p2
2m+
1
2kx2 = T + V , (1.3.17)
isto e, o Hamiltoniano e a energia cinetica mais a energia potencial, ou seja, a energia total
do sistema. Como exercıcio pode verificar que as equacoes de Hamilton deste Hamiltoniano
sao equivalentes a (1.1.5). Em geral, um Lagrangeano do tipo
L =1
2mx2 − V (x) ⇒ H =
p2
2m+ V (x) , (1.3.18)
1.3 Mecanica Hamiltoniana 15
o que e ainda a energia total.
Exemplo 2, Versao c): Comecemos por deduzir o Hamiltoniano para uma partıcula a
interagir com um campo electromagnetico arbitrario, cujo Lagrangeano vimos ser (1.2.24)
L =1
2m~x
2+ q~x · ~A(t, ~x)− qφ(t, ~x) ⇒ ~p = m~x+ q ~A . (1.3.19)
Neste caso o momento canonico conjugado a ~x nao e o momento dinamico usual o que
mostra que estas duas quantidades nao tem de coincidir. O Hamiltoniano resultante e
H = ~p · ~x− L =(~p− q ~A)2
2m+ qφ . (1.3.20)
Notando que ~p− q ~A = m~x concluimos que o Hamiltoniano e ainda a energia cinetica mais
a energia potencial devido ao potencial φ. Esta e a energia total em jogo. O efeito do
potencial magnetico e levado em conta usando a regra de substituir no Hamiltoniano
~p −→ ~p− q ~A , (1.3.21)
a que se chama acoplamento minimal. Mas note-se que esta regra, corresponde a manter o
termo cinetico como sendo m~x2/2. Assim, numa situacao em que o potencial φ seja nulo
(ou constante) concluimos que a energia cinetica da partıcula tem de ser constante e como
tal tambem a norma da sua velocidade.5 Isso e exactamente o que acontece no problema
de Larmor para as trajectorias da figura 1.2.
Especializando (1.3.20) para os potenciais (1.2.29) obtemos o Hamiltoniano
H =1
2m
(
px +qBy
2
)2
+1
2m
(
py −qBx
2
)2
+p2
z
2m. (1.3.22)
Como exercıcio pode verificar que as equacoes de Hamilton deste Hamiltoniano sao equiv-
alentes a (1.1.8) - Folha de Problemas 8, exercıcio 1d).
5A menos de efeitos de irradiacao de ondas electromagneticas e correspondente perda de energia, con-forme o problema 2 da Folha de Problemas 1.
16 Topicos de Mecanica Classica
1.3.1 O Espaco de Fase e os Parentesis de Poisson
O formalismo Hamiltoniano desenrola-se no espaco de fase, que e o espaco parameterizado
por (q, p), que sao as variaveis independentes neste formalismo. A simetria das equacoes
canonicas (1.3.13) sugere a introducao de coordenadas unificadas
ξi = (q, p) ⇔ ξ1 = q , ξ2 = p , (1.3.23)
de modo que as equacoes canonicas sao reescritas
ξi = ωij ∂H
∂ξj, (1.3.24)
onde ωij sao as componentes de uma matriz anti-simetrica (dita simpletica)
ωij =
0 1
−1 0
. (1.3.25)
Na equacao (1.3.24) usamos a chamada convencao de Einstein, que significa que quando
um ındice aparece repetido num produto, denota uma soma de termos correspondendo a
todos os valores possıveis desse ındice.6 Em (1.3.24) o ındice j aparece repetido no produto
do lado direito. Logo temos de somar sobre todos os valores possıveis de j, ou seja 1, 2.
Por exemplo, a componente i = 1 de (1.3.24) fica
ξ1 = ω11∂H
∂ξ1+ ω12∂H
∂ξ2⇔ q =
∂H
∂p, (1.3.26)
que e uma das equacoes canonicas.
Consideremos a evolucao de uma determinada variavel dinamica f = f(q, p, t). A sua
evolucao temporal e dada por
df
dt=∂f
∂t+∂f
∂qq +
∂f
∂pp =
∂f
∂t+∂f
∂q
∂H
∂p− ∂f
∂p
∂H
∂q, (1.3.27)
ou em termos das coordenadas unificadas
df
dt=∂f
∂t+ ωij ∂f
∂ξi
∂H
∂ξj⇔ df
dt=∂f
∂t+ f,H , (1.3.28)
6Rigorosamente, o ındice repetido tem que aparecer uma vez como covariante que corresponde a estarem baixo na variavel (ou em cima quando a variavel esta no denominador) e uma vez como contravariante
que corresponde a estar em cima na variavel (ou em baixo quando no denominador).
1.3 Mecanica Hamiltoniana 17
onde introduzimos os Parentesis de Poisson, definidos como
A,B ≡ ωij ∂A
∂ξi
∂B
∂ξj=∂A
∂q
∂B
∂p− ∂B
∂q
∂A
∂p. (1.3.29)
Os parentesis de Poisson tem 3 importantes propriedades
i) Bi-linearidade
α1A1 + α2A2, B = α1A1, B+ α2A2, B , (1.3.30)
onde α1,2 sao constantes e uma expressao analoga pode ser escrita para o segundo
argumento nos parentesis.
ii) Anti-simetria
A,B = −B,A . (1.3.31)
iii) Identidade de Jacobi
A, B,C+ B, C,A+ C, A,B = 0 . (1.3.32)
Devido a estas propriedades, os parentesis de Poisson sao um exemplo de parentesis de
Lie e a algebra de funcoes no espaco de fase por eles originada e uma algebra de Lie,
que sera definida na seccao 9.1. Os parentesis de Poisson sao um objecto fundamental na
quantificacao canonica de um sistema fısico.
Apliquemos a equacao de evolucao (1.3.28):
• As coordenadas unificadas ξi
ξi = ξi, H . (1.3.33)
Estas sao exactamente as equacoes canonicas.
• Ao Hamiltoniano
H =∂H
∂t. (1.3.34)
O Hamiltoniano e uma quantidade conservada no movimento a menos que dependa
explicitamente do tempo. Como se pode mostrar directamente da definicao de Hamil-
toniano que∂H
∂t= −∂L
∂t, (1.3.35)
18 Topicos de Mecanica Classica
isto reflecte a conservacao de energia para Lagrangianos independentes do tempo.
• A uma variavel dinamica g que nao tenha dependencia explıcita no tempo
g = g,H . (1.3.36)
Ou seja, g e uma constante do movimento se e so se comutar com o Hamiltoniano
em termos dos parentesis de Poisson.
1.3.2 A Equacao de Hamilton-Jacobi
Como vimos, a mudanca do formalismo Lagrangeano para o formalismo Hamiltoniano
corresponde a uma mudanca de variaveis independentes descrita por (1.3.14), tornando-se
depois natural mudar a funcao dinamica de Lagrangeano para Hamiltoniano. Dentro do
formalismo Hamiltoniano, podem-se fazer mudancas de variaveis independentes do tipo
(q, p, t) −→ (Q(q, p, t), P (q, p, t), t) , (1.3.37)
ou seja mudar de coordenadas no espaco de fase, requerendo que as equacoes canonicas
mantenham a sua forma. Isto e, que haja uma funcao K = K(Q,P, t) que desempenha o
papel de novo Hamiltoniano7 e que nas novas coordenadas se possam escrever equacoes do
movimento do tipo canonico
P = −∂K∂Q
, Q =∂K
∂P. (1.3.38)
Nem todas as transformacoes do tipo (1.3.37) permitem escrever equacoes do movimento
do tipo (1.3.38). Transformacoes que o permitem designam-se canonicas. Depois de uma
transformacao canonica ainda temos um Hamiltoniano, K = K(Q,P, t), ao qual podemos
associar um Lagrangiano, PQ −K e como tal deduzir as trajectorias fısicas entre t1 e t2
pelo princıpio variacional
δ
∫ t2
t1
[
PQ−K(Q,P, t)]
dt = 0 . (1.3.39)
7Para distinguir do Hamiltoniano original, e porque e convencional usar a letra K, designa-se por vezesesta funcao de ‘Kamiltoniano’.
1.3 Mecanica Hamiltoniana 19
Mas nas coordenadas originais existe, obviamente, um princıpio semelhante
δ
∫ t2
t1
[pq −H(q, p, t)] dt = 0 . (1.3.40)
Uma condicao suficiente8 para a mudanca de coordenadas (1.3.37) de modo a que (1.3.39)
seja consistente com (1.3.40), e
pq −H = PQ−K +dF
dt, (1.3.41)
onde F e uma funcao no espaco de fase, denominada funcao geradora, que pode ser expressa
nas coordenadas velhas, novas ou numa combinacao de novas e velhas. Este ultimo caso,
quando possıvel, e particularmente util, pois F funciona como uma ponte de ligacao na
mudanca de coordenadas. Temos entao quatro hipoteses
a) F = F1(q, Q, t) b) F = F2(q, P, t) c) F = F3(p,Q, t) d) F = F4(p, P, t) .
(1.3.42)
Tomando a hipotese a), (1.3.41) fica
pq −H = PQ−K +∂F1
∂t+∂F1
∂qq +
∂F1
∂QQ , (1.3.43)
e como estamos a tomar q e Q como variaveis independentes obtemos que para esta equacao
ser obedecida
(i)∂F1
∂q= p , (ii)
∂F1
∂Q= −P , (iii) K = H +
∂F1
∂t. (1.3.44)
Dada uma funcao geradora, (i) da-nos p = p(q, Q, t), que se for possıvel inverter da Q =
Q(q, p, t). Entao, (ii) da P = P (q, Q(q, p, t), t) e (iii) da-nos o novo Hamiltoniano. Note-se
que os dois Hamiltonianos so diferem se F1 depender explicitamente do tempo.
Para fazer um raciocınio semelhante com a hipotese b) em (1.3.42), temos de tomar
F = F2(q, P, t)−QP . (1.3.45)
8Esta condicao nao e necessaria para que a transformacao seja canonica; existem transformacoescanonicas mais gerais.
20 Topicos de Mecanica Classica
(q, p, t) −→ (Q,P, t)
p
q
(q(t),p(t))
P
(Q(t),P(t))=(const.,const.)
Q
Figura 1.5: O formalismo de Hamilton-Jacobi e definido por uma funcao geradora associadaa uma mudanca para coordenadas ‘co-moveis’ com a partıcula no espaco de fase.
Neste caso (1.3.43) e (1.3.44) sao substituidas por
pq −H = −QP −K +∂F2
∂t+∂F2
∂qq +
∂F2
∂PP , (1.3.46)
(i)∂F2
∂q= p , (ii)
∂F2
∂P= Q , (iii) K = H +
∂F2
∂t. (1.3.47)
respectivamente. Mais uma vez, (i) da-nos p = p(q, P, t), que se for possıvel inverter da
P = P (q, p, t). Entao, (ii) da Q = Q(q, P (q, p, t), t) e (iii) da-nos o novo Hamiltoniano.
Raciocınios semelhantes existem para c) e d) em (1.3.42), mas o caso b) e o mais util para
o formalismo de Hamilton-Jacobi que vamos agora deduzir.
Uma escolha muito particular de novas coordenadas no espaco de fase, Q e P , e um
sistema de coordenadas onde a partıcula esta parada - figura 1.5
Q = constante P = constante , (1.3.48)
e o novo Hamiltoniano e tambem uma constante, que podemos tomar como sendo zero.
As novas equacoes canonicas (1.3.38) sao trivialmente obedecidas e toda a dinamica fica
contida na transformacao de coordenadas, em particular na funcao geradora. Se escolher-
mos uma funcao geradora do tipo 2, toda a informacao sobre a dinamica fica contida nas
equacoes (1.3.47). Neste caso, constuma-se representar F2 pela letra S = S(q, P, t) que se
designa funcao principal de Hamilton ou funcao accao e que obedece a
∂S
∂q= p , (1.3.49)
1.3 Mecanica Hamiltoniana 21
o que significa que o momento e o gradiente da funcao accao,
∂S
∂P= Q , (1.3.50)
cujo significado veremos em baixo e ainda
H
(
q, p =∂S
∂q, t
)
= −∂S∂t
, (1.3.51)
que e a equacao de Hamilton-Jacobi (H-J). Esta equacao foi primeiramente estudada por
Hamilton em optica e so depois usada por Karl Jacobi (1804-1851) em mecanica.
O formalismo de Hamilton-Jacobi pode ser interpretado da seguinte forma. Fisica-
mente, mudamos para coordenadas ‘co-moveis’ com a partıcula e portanto, ao descobrir
essa mudanca de coordenadas resolvemos, simultaneamente, o movimento da partıcula.
Em termos matematicos, estabelecemos a equivalencia entre resolver um sistema de 2n
equacoes diferenciais ordinarias de primeira ordem (para o caso de n graus de liberdade qi,
i = 1...n) e resolver uma equacao diferencial com n + 1 (correspondendo a qi, t) derivadas
parciais.
Uma solucao da equacao de H-J com n + 1 variaveis, tera n + 1 constantes de inte-
gracao. Mas uma dessas constantes sera irrelevante, pois na equacao de H-J so entram as
derivadas de S e como tal se S e solucao, S ′ = S + constante, tambem e solucao. Assim,
havera n constantes relevantes de integracao, que podemos identificar com as constantes
Pi. Daı concluimos que o significado de (1.3.50) e que a derivada da funcao accao em
ordem as constantes de integracao pode ser considerada constante, uma ferramenta muito
util quando usamos o metodo de Hamilton-Jacobi na pratica.
A razao pela qual se chama funcao accao a S(q, P, t) e a seguinte. Da accao definida
em (1.2.6), que e um funcional, constroi-se uma funcao que obedece a equacao de Hamiton-
Jacobi. De facto, a funcao accao
S = S(q, P, t) ⇒ dS
dt=∂S
∂qq +
∂S
∂t, (1.3.52)
pois P e constante, ou usando (1.3.49) e (1.3.51),
dS
dt= pq −H = L , ⇒ S(t) =
∫ t
t0
Ldt′ + constante , (1.3.53)
22 Topicos de Mecanica Classica
que e uma funcao - dado que o limite superior do integral nao esta fixo - construida da
accao.
Hamiltonianos independentes do tempo
Se o Hamiltoniano nao depende explicitamente do tempo, o lado direito da equacao de
Hamilton-Jacobi tambem nao devera depender do tempo pelo que podemos tomar a funcao
accao como sendo
S = −Et+ h(q) , (1.3.54)
onde E tem a interpretacao de energia, pois e igual ao Hamiltoniano. Para um Hamiltoni-
ano do tipo
H =p2
2m+ V (q) , (1.3.55)
a equacao de Hamilton-Jacobi reduz-se a
(
∂h
∂q
)2
= 2m(E − V (q)) , (1.3.56)
de onde se extrai imediatamente uma assinatura caracterıstica da mecanica classica: esta
equacao so tem solucao real se E > V (q); logo o movimento e proibido onde a energia da
partıcula e menor que o potencial. Integrando e substituindo em (1.3.54) obtemos
S = −Et±∫
√
2m(E − V (q))dq . (1.3.57)
Para resolver o problema dinamico usamos o facto, anteriormente mencionado, que
as derivadas da funcao accao relativamente as constantes de integracao sao tambem con-
stantes. Assim,
∂S
∂E= const.
(1.3.57)⇒ t = ±√
m
2
∫
dq√
E − V (q)+ constante . (1.3.58)
Substituindo pelo potencial do problema em questao obtem-se t = t(q), que invertendo
nos da q = q(t), e portanto a solucao do problema dinamico. Voltaremos a encontrar a
equacao de Hamilton-Jacobi, no limite classico da equacao de Schrodinger (seccao 8.4).
1.4 Sumario 23
1.4 Sumario
Vimos os varios tipos de equacoes da mecanica classica:
• Newtonianas,
~F =d~p
dt; (1.4.1)
• Euler-Lagrange, para o Lagrangeano L = L(q, q, t),
d
dt
∂L∂q− ∂L∂q
= 0 ; (1.4.2)
• Hamiltonianas, para o Hamiltoniano H = H(q, p, t),
q =∂H
∂p, p = −∂H
∂q, (1.4.3)
ou, de um modo mais geral, a evolucao de uma variavel dinamica f = f(q, p, t) e
dada pordf
dt=∂f
∂t+ f,H ; (1.4.4)
• Hamilton-Jacobi, para uma funcao accao S = S(q, P, t),
∂S
∂P= Q , H
(
q, p =∂S
∂q, t
)
= −∂S∂t
. (1.4.5)
Dadas condicoes iniciais, qualquer um destes conjuntos de equacoes determina exacta-
mente a trajectoria da partıcula tal e qual a podemos medir num instante posterior. Este
determinismo e o paradigma da mecanica classica.
CAPITULO 2
O perıodo de Transicao
Historicamente podemos atribuir uma data de nascimento a Mecanica Quantica. No dia
14 de Dezembro de 1900, Max Planck (1858-1947), apresentou uma solucao inovadora para
explicar as caracterısticas observadas da radiacao do corpo negro. O modelo de Planck
continha a genese das ideias quanticas bem como introduzia aquela que viria a ser chamada
constante de Planck, a constante fundamental da Mecanica Quantica. No entanto, somente
26 anos depois a Mecanica Quantica emergiria na sua forma final. No perıodo intermedio,
entre 1900 e 1926 viveu-se um perıodo de transicao em que, para explicar certos resultados
experimentais, se introduziu na fısica os conceitos de
i) Quantificacao de grandezas fısicas;
ii) Dualidade onda-partıcula;
iii) Interpretacao probabilıstica de fenomenos.
Para muitos dos fısicos envolvidos neste processo, estas ideias nao seriam mais do que
conceitos temporarios, que a devida altura deveriam ser substituidos por ideias mais con-
vencionais. Em particular, o ponto iii) aparecia como altamente indesejavel para a maioria
da comunidade cientıfica, sendo a reluctancia desta espelhada na famosa frase de Einstein
26 O perıodo de Transicao
θ2
θ1θi
y
x
MEIO 1
MEIO 2
Figura 2.1: Um raio de luz proveniente do meio 1, incidente na superfıcie y = 0 com angulode incidencia θi tem uma componente reflectida, angulo de reflexao θ1 e uma componenterefractada, emergente no meio 2 na direccao definida por θ2.
‘Deus nao joga aos dados...’ . No entanto e no ponto ii) que se encontra quer a origem do
ponto i) e do ponto iii) quer a essencia da mecanica quantica. Vamos discutir algumas das
experiencias que motivaram a introducao destas ideias e terminamos este capıtulo com o
quadro conceptual que delas emergiu.
2.1 A luz: ondas versus corpusculos
Para alem do conceito de partıcula discutido anteriormente (i.e. pequenas “bolas de bil-
har”), tambem o conceito de onda nos e familiar. As ondas circulares que se propagam
num lago calmo onde cai uma pedra ou as ondas numa corda de guitarra a vibrar sao dois
exemplos familiares.
Entre o seculo XVII e o seculo XIX, duas correntes antagonicas disputavam qual a
natureza da luz. Newton (e os seus seguidores), naturalmente inspirado pelo sucesso da sua
mecanica de partıculas, defendia que a luz e um fluxo de pequenos corpusculos. Christian
Huyghens (1629-1695) concebeu a ideia de a luz ser uma onda, a propagar-se atraves de
um suporte invisıvel baptizado de eter.
A discussao centrava-se nos seguintes fenomenos fısicos:
• Reflexao; como a verificada num espelho ou numa superfıcie de agua. Obviamente
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 27
este fenomeno era observado para a luz. Era explicado pela teoria corpuscular por
conservacao da quantidade de movimento que previa (ver figura 2.1)
θi = θ1 (lei da reflexao) , (2.1.1)
mas podia tambem ser quantitativamente explicado pela teoria ondulatoria pelo
princıpio de Huygens, ou, em optica geometrica pelo princıpio do tempo mınimo
de Fermat - apendice B;
• Refraccao; ou seja, uma mudanca (normalmente) brusca na direccao de propagacao da
luz, em geral devido a mudanca de meio, um fenomeno tambem observado para a
luz. Se a luz fosse feita de pequenos corpusculos poder-se-ia invocar conservacao de
momento para explicar a refraccao do seguinte modo: consideremos que o meio 1
esta a um potencial V1 e o meio 2 a um potencial V2, no ‘setup’ da figura 2.1. Na
transicao de meio por uma partıcula existe uma forca que nela actua que tem apenas
componente Fy. Logo px e conservada ou seja
sin θi
sin θ2=v2
v1(‘Lei da refraccao corpuscular′) . (2.1.2)
Por outro lado, se a luz fosse uma onda, o princıpio de Huygens (ou o princıpio do
tempo mınimo de Fermat - apendice B) implica
sin θi
sin θ2=v1
v2
(lei de Snell) . (2.1.3)
Mas devido a dificuldade em medir a velocidade de luz num meio, esta diferenca nao
foi suficiente para decidir qual a verdadeira natureza da luz ate ao seculo XIX. (Note
que Jean Bernard Leon Foucault (1819-1868) fez as primeiras medicoes da velocidade
da luz em meados do sec. XIX.)
• Difraccao; Fenomeno ondulatorio; capacidade de ondas rodearem obstaculos - como a
agua do mar rodeia uma rocha - e por isso nao produzirem ‘sombras’ bem definidas -
figura 2.2. Pelo contrario, corpusculos nao sao difractados - figura 2.3; se a luz fosse
corpuscular deixaria uma sombra bem definida. Mas todos sabemos que a luz de
28 O perıodo de Transicao
ECRA
obstaculo
sombra mal definida
Frentes de onda em t=0 Frentes de onda em t>0
Figura 2.2: Ondas sofrem difraccao, isto e, rodeiam o obstaculo. As duas frentes deonda - uma proveniente de cada um dos lados do obstaculo - interferem. A sua fase numdeterminado ponto depende da distancia que cada uma teve de viajar para chegar a esseponto; por exemplo, no meio a interferencia e construtiva. Este e o padrao de difraccao doobstaculo, que estraga a sombra. Na figura nao esta representada a onda reflectida.
uma lanterna ou do sol deixa sombras bem definidas; este argumento levou a que a
teoria corpuscular fosse dominante durante todo o seculo XVIII.
Embora com diferencas quantitativas, tanto a perspectiva ondulatoria como corpuscu-
lar da luz explicam os fenomenos de reflexao e refraccao, enquanto que apenas a teoria
ondulatoria explica o fenomeno de difraccao (ou de interferencia em geral). Em optica, os
primeiros dois costumam ser tratados por optica geometrica,1 onde se lida com raios de luz
e nao frentes de onda, que por sua vez sao essenciais para a optica fısica que lida com os
fenomenos puramente ondulatorios.
2.1.1 Experiencias de Young (1801): ondas triunfam
Quando temos uma situacao em que ondas encontram um obstaculo existem duas escalas
relevantes: λ=comprimento de onda, e l=largura do obstaculo. Thomas Young (1773-1829)
observou que as ondas na agua so tinham uma difraccao apreciavel e como tal “sombras”
mal definidas imediatamente atras do obstaculo se
l . λ . (2.1.4)
1A optica geometrica e uma aproximacao quase corpuscular da optica que e valida quando l ≫ λ, nanotacao da proxima seccao.
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 29
obstaculo
sombra bem definida
corpusculos em t=0 t>0
ECRA
Figura 2.3: Corpusculos nao sofrem difraccao; assim, foi argumentado que se a luz fossecorpuscular as sombras deveriam ser bem definidas.
ECRA
obstaculo
Frentes de onda em t=0 Frentes de onda em t>0
sombra bem definida
Figura 2.4: Ondas sofrem uma difraccao negligenciavel se o obstaculo e grande relativa-mente ao comprimento de onda. Note-se que mais uma vez nao representamos a ondareflectida.
Se l ≫ λ ha uma zona atras do obstaculo onde a sombra esta bem definida, tal como
na teoria corpuscular, isto e, a difraccao e negligenciavel - figura 2.4. Assim, a nossa ex-
periencia diaria de sombras bem definidas seria consistente com uma teoria ondulatoria da
luz se os objectos cujas sombras vemos tivessem largura muito maior do que o comprimento
de onda da luz.
Podemos tambem considerar a experiencia contraria, isto e, consideremos uma onda
plana com comprimento de onda λ que em vez de encontrar um obstaculo passa por uma
fenda de tamanho l. Se l ≃ λ a difraccao da onda e grande, pelo que a fenda se comporta
como uma fonte de ondas circulares.
Para testar a verdadeira natureza da luz contraste-se a experiencia na figura 2.5 com a
30 O perıodo de Transicao
Figura 2.5: Experiencia de Young com ondas (extraıdo das Feynman lectures on Physics -Vol 3 ).
experiencia na figura 2.6.
Experiencia de Young com ondas
Como explicado anteriormente, as duas fendas na parede (a) da figura 2.5, funcionam
(quase) como fontes de ondas circulares, ou mais rigorosamente, semi-circulares. Existe
um detector que mede a altura instantanea da agua num ponto x - coordenada paralela ao
detector - medindo
A1(x)ei(ωt+φ1(x)) ≡ h1(x)e
iωt , se apenas a fenda 1 estiver aberta
A2(x)ei(ωt+φ2(x)) ≡ h2(x)e
iωt , se apenas a fenda 2 estiver aberta, (2.1.5)
onde Ai sao as amplitudes e φi sao fases, cuja informacao se condensa nas amplitudes com-
plexas hi(x). O detector pode ainda calcular a intensidade das ondas, que por analogia com
as ondas electromagneticas (para as quais corresponde a energia que passa pelo detector
por unidade de tempo e de area perpendicular a direccao de propagacao), e o quadrado do
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 31
modulo da amplitude, obtendo
I1 = |h1(x)|2 , se apenas a fenda 1 estiver aberta
I2 = |h2(x)|2 , se apenas a fenda 2 estiver aberta, (2.1.6)
que sao dados pelos padroes em (c) na figura.
Consideremos agora que as duas fendas estao abertas. As ondas ‘emitidas’ a partir das
duas fendas tem a mesma fase no mesmo instante de tempo, pois provem de uma mesma
onda antes da parede. Neste caso, a altura da agua no detector e a intensidade das ondas
sao dados respectivamente por
(h1(x) + h2(x))eiωt , I1+2 = |h1(x) + h2(x)|2 . (2.1.7)
Dependendo da coordenada x, as ondas poderao estar em fase ou nao. Por exemplo,
exactamente no meio do detector (correspondente a igual distancia das duas fendas), as
ondas vao estar em fase pois demoram o mesmo tempo a chegar la. Em geral
I1+2 = |h1(x) + h2(x)|2 = |h1(x)|2 + |h2(x)|2 + 2|h1(x)||h2(x)| cos δ(x) , (2.1.8)
onde δ e o angulo entre eiφ1(x) e eiφ2(x). Este fenomeno de interferencia explica o padrao
(c) na figura 2.5.
Uma ‘experiencia de Young’ com corpusculos
Imaginemos uma pistola que atira balas aleatoriamente como na figura 2.6. A variavel
x pode ser vista como uma variavel aleatoria, correspondendo a posicao de chegada das
balas. O detector obtem as seguintes funcoes de distribuicao de probabilidades:
P1(x) , se apenas a fenda 1 estiver aberta
P2(x) , se apenas a fenda 2 estiver aberta
P1+2(x) = P1(x) + P2(x) , se as duas fendas estiverem abertas
. (2.1.9)
Em particular, nao ha interferencia entre corpusculos. Note-se a diferenca fundamental
entre corpusculos e ondas, expressa em (2.1.9) versus (2.1.6) e (2.1.8). A probabilidade
para corpusculos e a soma das probabilidades individuais. A intensidade das ondas - que no
32 O perıodo de Transicao
Figura 2.6: Experiencia de Young com ‘balas’ (extraıdo das Feynman lectures on Physics- Vol 3 ).
final do capıtulo faremos corresponder a uma probabilidade - nao e a soma das intensidades
individuais; de facto resulta da soma das amplitudes individuais.
Fazendo este tipo de experiencia com luz, com duas fendas muito finas (e pequena
distancia entre elas), Young observou um padrao de interferencia semelhante ao da figura
2.5 (c), e concluiu que a luz era uma onda. Esta perspectiva foi reforcada pela teoria de
Maxwell que tem solucoes ondulatorias para o campo electromagnetico - ondas electro-
magneticas, descobertas posteriormente - em 1887 - por Hertz, das quais a luz visıvel e um
exemplo. Mais ainda, (2.1.3) foi derivado da teoria de Maxwell e medida em experiencias
com radiacao electromagnetica (e nao (2.1.2)). Assim, no final do seculo XIX a comunidade
cientıfica concordava que a luz (e toda a radiacao electromagnetica) seria um fenomeno
ondulatorio.
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 33
Figura 2.7: Distribuicao espectral da radiacao de um corpo negro; formula classica deRayleigh-Jeans versus resultados experimentais (extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘QuantumPhysics’ ).
2.1.2 A radiacao do corpo negro, Planck e o quantum (1900)
Consideremos um corpo que absorve toda a radiacao electromagnetica nele incidente, isto
e, um absorsor perfeito. Como, em particular, ele absorve o espectro visıvel, este e um
corpo negro.
Se um corpo negro esta em equilıbrio termico a temperatura T , ele tera de emitir tanta
energia por unidade de tempo quanto aquela que recebe - o corpo negro e tambem um emis-
sor perfeito. Mas ao contrario da energia recebida, que pode ser arbitrariamente distribuida
pelas diversas frequencias no espectro electromagnetico, verifica-se experimentalmente que
a energia emitida tem um distribuicao espectral ρT (ν)dν, muito bem definida, que so de-
pende da temperatura do corpo negro. A curva experimental ρT (ν)dν tem a forma de uma
‘montanha assimetrica’ - figura 2.7.
A descricao teorica deste fenomeno em fısica classica, envolvia calcular o numero de
ondas estacionarias numa cavidade (3-dimensional) com frequencia no intervalo dν, multi-
plicando o resultado pela energia media de uma onda, dada pelo teorema da equiparticao
34 O perıodo de Transicao
de energia como sendo KBT , onde KB e a constante de Boltzmann, cujo valor numerico e
KB = 1.38× 10−23Joule/K . (2.1.10)
Deste modo, obtem-se a formula de Rayleigh-Jeans
ρT (ν)dν =8πν2
c3KBTdν . (2.1.11)
Comparando esta lei com a curva experimental - figura 2.7 - verifica-se um desacordo
absoluto para frequencias elevadas, dado que a previsao teorica diverge, que foi baptizado
como catastrofe do ultra-violeta.
Em 1900, Planck mostrou os seguintes dois factos:
• 1) A curva experimental era bem reproduzida pela formula empırica
ρT (ν) =8πν2
c3hν
ehν/KBT − 1, (2.1.12)
hoje chamada Lei de Planck. Nesta formula foi introduzida a constante h, chamada -
constante de Planck com dimensoes de Energia×Tempo (as mesmas da Accao introduzida
em (1.2.6)) e com o valor numerico (actual)
h = 6.626× 10−34Joule× Segundo , (2.1.13)
que foi inicialmente determinada ajustando a lei de Planck a curva experimental da radiacao
do corpo negro. A constante de Planck tornar-se-a a constante fundamental da mecanica
quantica. Para frequencias pequenas, a exponencial na Lei de Planck pode ser aproximada
pelos dois primeiros termos da sua serie de Taylor
ν ≪ KBT
h⇒ ρT (ν) ≃ 8πν2
c3hν
1 + hν/KBT − 1=
8πν2
c3KBT , (2.1.14)
e portanto recuperamos a formula de Rayleigh-Jeans, que de facto dava bons resultados
para frequencias pequenas. Mas para frequencias elevadas, a formula de Planck
ν ≫ KBT
h⇒ ρT (ν) ≃ 8πν2
c3hν
ehν/KBT
ν→∞−→ 0 , (2.1.15)
evitando a catastrofe do ultra-violeta.
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 35
c)
a)
b)
d)
e)
Figura 2.8: a) Distribuicao de Boltzmann; b) Energia media na teoria classica - indepen-dente da frequencia da radiacao - corresponde a area debaixo da curva; c),d),e) Energiamedia na teoria de Planck. Em cada caso, o integral e substituıdo por uma soma de Rie-mann, sendo a frequencia da radiacao o tamanho da base dos rectangulos. Para frequenciaspequenas, a soma de Riemann e praticamente igual ao integral - c). A medida que aumen-tamos a frequencia, a soma de Riemann diminui tendendo asimptoticamente para zero. Nanotacao da figura k = KB e E = 〈E〉 (extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘Quantum Physics’ ).
36 O perıodo de Transicao
• 2) Comparando (2.1.11) com (2.1.12), a diferenca esta no valor da energia media de
uma onda, que classicamente era calculada pela ‘lei de equiparticao da energia’. Esta lei e
deduzida da distribuicao de Boltzmann, que e uma funcao de distribuicao de probabilidade
(portanto ja normalizada) para encontrar um oscilador harmonico com energia E a uma
temperatura T
P(E) =e−E/KBT
KBT. (2.1.16)
Uma onda estacionaria nao e mais do que um oscilador harmonico. A energia media destas
ondas e (conforme (C.40))
〈E〉 =
∫ ∞
0
EP(E)dE = −Ee−E/KBT |∞0 +
∫ ∞
0
e−E/KBTdE = KBT . (2.1.17)
Planck observou que para reproduzir o comportamento experimental a energia media teria
de ter os seguintes comportamentos assimptoticos
〈E〉 ν→0−→ KBT , 〈E〉 ν→∞−→ 0 . (2.1.18)
Isto e, tem de haver um ‘cut-off’ na energia media para frequencias elevadas, de modo a
impedir a catastrofe do ultra-violeta. A grande contribuicao de Planck foi perceber que
isto se podia conseguir discretizando a energia que o corpo negro emite
E = nhν . (2.1.19)
A energia e quantificada, sendo o quantao de energia - a quantidade mınima emitida de cada
vez - hν. Em vez de (2.1.16) temos agora uma distribuicao discreta para a probabilidade
de encontrar uma onda com frequencia ν no n-esimo estado de energia, En,
Pn = P(En = nhν) =e−nhν/KBT
KBT, n = 0, 1, 2, 3, ... (2.1.20)
Esta distribuicao de probabilidade nao esta normalizada. Assim sendo, a energia media e
〈E〉 =
∑∞n=0EnPn∑∞
n=0Pn
=
∑∞n=0 nhνe
−nhν/KBT
∑∞n=0 e
−nhν/KBT= −KBTν
d
dνln
( ∞∑
n=0
e−nhν/KBT
)
, (2.1.21)
mas o ultimo somatorio e apenas uma soma geometrica; logo
〈E〉 = −KBTνd
dνln
(
1
1− e−hν/KBT
)
=hν
ehν/KBT − 1, (2.1.22)
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 37
Figura 2.9: Esquerda: Aparato experimental do efeito fotoelectrico; Direita: Variacao daintensidade de corrente com o potencial entre catodo e anodo para duas intensidades deluz diferentes (Extraıdo de Tipler, ‘Physics’ ).
que e exactamente o necessario para obter a lei de Planck. Assim, a radiacao do corpo
negro e explicada se a energia de um oscilador harmonico, e como tal a energia da radiacao
emitida pelo corpo negro, estiver quantificada. Mas estar quantificada e dizer que vem
em pedacos, o que se assemelha mais a uma descricao corpuscular do que ondulatoria da
radiacao.
2.1.3 O efeito fotoelectrico (Einstein 1905)
O efeito fotoelectrico foi descoberto por Hertz em 1887 e estudado por Lenard em 1900.
Consiste na ejeccao de electroes de um material onde incide luz (ou, mais geralmente,
radiacao electromagnetica). Um aparato experimental possıvel esta representado na figura
2.9, que pode ser descrito do seguinte modo:
• Luz incide no catodo C, ejectando electroes;
• Se algum electrao atinge o anodo A, gera-se uma corrente electrica no circuito externo;
38 O perıodo de Transicao
• O numero de electroes que atinge o anodo pode ser aumentado ou diminuido introduzindo
uma diferenca de potencial entre A e C,
V = VA − VC , (2.1.23)
• Se V > 0, significa que o potencial aumenta (para uma carga positiva; para uma carga
negativa efectivamente diminui) e mais electroes chegam ao anodo;
• Quando V e suficientemente grande, isto e
V > V1 , (2.1.24)
para um certo V1, todos os electroes ejectados atingem o anodo e aumentando ainda
mais V a corrente nao se altera - figura 2.9. Esta corrente limite e designada corrente
de saturacao;
• Lenard observou que a corrente maxima e proporcional a intensidade da luz. Tal facto
era esperado com base na teoria classica: duplicando a intensidade da luz, duplicamos
a energia incidente por unidade de tempo e de area e como tal duplicamos o numero
de electroes ejectados e como tal a corrente;
• Se pelo contrario V e negativo, menos electroes chegam ao anodo (do que se nao houvesse
potencial), pois sao repelidos;
• Se V e suficientemente negativo,
V < V0 , (2.1.25)
para um dado V0, nenhum electrao chega ao anodo. Chama-se a V0 o potencial de
paragem, que esta relacionado com a energia cinetica maxima dos electroes emitidos
por
|eV0| =(
1
2mv2
)
max
, (2.1.26)
onde e,m sao a carga e massa do electrao;
2.1 A luz: ondas versus corpusculos 39
Figura 2.10: Experiencia de Millikan (1916), obtendo a recta prevista por Einstein para avariacao do potencial de paragem entre catodo e anodo com a frequencia da luz (Extraıdode Tipler, ‘Physics).
• V0 nao depende da intensidade luminosa para luz da mesma frequencia, o que nao esta de
acordo com a teoria classica. Pela teoria classica, aumentando a intensidade luminosa,
deveria aumentar a energia cinetica maxima dos electroes e como tal variar V0.
Esta contradicao entre teoria classica e experiencia levou Einstein, em 1905, a propor
que a energia na luz esta distribuıda em pequenos pacotes, posteriormente baptizados de
fotoes, com energia dada pela formula de Planck,
E = hν . (2.1.27)
Variando a intensidade da luz mas nao a sua frequencia, varia o numero de fotoes, mas
nao a energia de cada um deles. Como cada electrao ejectado se-lo-ia por choque com um
fotao, isto explicava porque V0 nao dependia da intensidade luminosa. Se assim fosse,
(
1
2mv2
)
max
= |eV0| = hν − φ , (2.1.28)
40 O perıodo de Transicao
em que φ e a chamada funcao de trabalho, que e a energia necessaria para extrair um
electrao do metal. Daqui se deduz que
|V0| =h
|e|ν −φ
|e| . (2.1.29)
As experiencias de Robert Millikan (1868-1952) em 1914, 1916 mostraram esta relacao
linear - figura 2.10 - sendo o declive consistente com os valores para a constante de Planck
medidos atraves da radiacao do corpo negro.
Uma outra caracterıstica do efeito fotoelectrico que nao pode ser explicada pela teoria
classica e a ausencia de intervalo de tempo entre a incidencia de radiacao e a ejeccao de
electroes. A intensidade da radiacao e a potencia por unidade de area que chega ao catodo.
Podemos diminuir a intensidade de modo a que fossem preciso horas para obter energia
suficiente para superar a funcao de trabalho e ejectar um electrao. Mas experimentalmente
nao se detecta, essencialmente, nenhum intervalo de tempo. Nem este depende da inten-
sidade. A luz da teoria fotonica isto e facilmente explicavel. Diminuindo a intensidade
diminuem os fotoes que chegam por unidade de tempo, mas cada fotao e suficiente para
ejectar um electrao.
A teoria corpuscular da radiacao teve ainda outras vitorias, da qual destacamos o efeito
Compton (demonstrado em 1923), que lida com a difusao de radiacao por electroes. Assim,
mais de um seculo depois das experiencias de Young, era novamente necessario invocar a
teoria corpuscular para descrever o comportamento da luz, sendo que o comportamento
ondulatorio continuava a ser fundamental para explicar os fenomenos de difraccao e inter-
ferencia que vimos anteriormente. Este estado de coisas levou Einstein a escrever, em 1924
“Existem hoje duas teorias sobre a luz, as duas indispensaveis... e sem qualquer ligacao
logica entre si.”. Antes de vermos como lida a mecanica quantica com este aparente para-
doxo, mudemos a discussao da radiacao para a materia.
2.2 Materia: corpusculos versus ondas
Por volta de 1910 sabia-se que o atomo, embora neutro, continha electroes. O efeito
fotoelectrico, por exemplo, demonstrava-o. Mas devido a sua neutralidade, tinha tambem
2.2 Materia: corpusculos versus ondas 41
de conter cargas positivas, pelo que se questionava qual a distribuicao no atomo de cargas
negativas e positivas.
J. J. Thomson (1856-1940) propusera o seu modelo do ‘pudim de passas ’, em que os
electroes se apresentavam como as passas num pudim que, por sua vez, representava a
distribuicao de carga positiva. O conjunto teria um raio da ordem de 10−10 m,2 isto e, 1
Angstrom. Se o atomo estivesse no mınimo da sua energia, os electroes estariam parados
em posicoes de equilıbrio; se o atomo estivesse excitado - por exemplo aquecido -, os
electroes oscilariam em torno dessas posicoes de equilıbrio, emitindo no processo radiacao
electromagnetica. Explicava-se assim qualitativamente - mas nao quantitativamente - os
espectros atomicos.
As experiencias de Ernest Rutherford (1871-1937) em 1911 mostraram que o modelo
de Thompson era inadequado. Rutherford fez incidir numa fina folha metalica um feixe
colimado de partıculas α, isto e, atomos de helio duplamente ionizados. O objectivo era
medir o angulo de desvio dessas partıculas α (dito o angulo de difusao) relativamente a
direccao inicial, devido a interaccao com os atomos na folha metalica. Como este desvio
resulta de uma interaccao electromagnetica poder-se-ia estimar a partir da sua medicao
o potencial a que as partıculas α estavam sujeitas. A surpresa foi encontrar eventos em
que as partıculas α eram desviadas de angulos muito elevados, ate perto de 180o, isto
e, algumas partıculas α voltavam para tras! Nas palavras de Rutherford: ”Era como se
disparassemos uma bala de canhao contra um lenco de papel e a bala voltasse para tras.”.
A conclusao e que essas (poucas) partıculas α que eram muito deflectidas encontravam
um forte potencial repulsivo, o que implica uma forte concentracao de carga positiva num
pequeno espaco. Esta era a contradicao com o modelo de Thomson, em que a carga
positiva se encontrava dispersa em todo o raio atomico - cerca de 10−10 m -, enquanto que
pelas estimativas de Rutherford o potencial repulsivo observado necessitaria que essa carga
estivesse concentrada num raio de 10−14 m.3
2Este numero pode ser estimado considerando a densidade de uma substancia pura, o seu peso atomicoe o numero de Avogadro.
3Mais rigorosamente, era possıvel num modelo como o de Thomson explicar a existencia de deflexoesperto dos 180o atraves de uma soma de pequenas deflexoes. Contudo, a probabilidade de isso acontecer
42 O perıodo de Transicao
Assim Rutherford sugeriu que a carga positiva de um atomo e como tal a grande maioria
da massa, dado que se sabia que a razao da massa do electrao para a massa do atomo era
muito pequena, estavam concentradas numa pequena zona central chamada nucleo. Deste
modelo, Rutherford deduziu uma expressao para a seccao eficaz diferencial de difusao que
de facto explicava quantitativamente os seus resultados experimentais, validando o modelo
(ver capıtulo 10). Mas deixava em aberto a questao do que fariam os electroes neste
modelo atomico. Se os electroes estivessem inicialmente parados, cairiam rapidamente
para o nucleo, neutralizando-o e eliminando o forte potencial repulsivo necessario para
explicar as experiencias de Rutherford. Era pois necessario estabilizar os electroes longe
do nucleo. Um modelo simples era o analogo do sistema solar. Os electroes encontrar-
se-iam em orbitas circulares ou elıpticas em volta do nucleo (ver Folhas de Problemas).
So que isto implicaria que os electroes tivessem movimentos acelerados. De acordo com
o electromagnetismo classico uma carga acelerada emite radiacao, perdendo gradualmente
energia, o que implicaria que os electroes tivessem orbitas em espiral caindo rapidamente
no nucleo. O tempo que demoraria esse processo pode ser estimado do seguinte modo.
Veremos na proxima seccao que a energia total de uma orbita classica circular de raio r e
dada por (2.2.10). Assumindo que o raio da orbita pode variar com o tempo num processo
‘quase-estatico’4 obtemosdE
dt=
1
8πǫ0
Ze2
r2r . (2.2.1)
Por outro lado, pela formula de Larmor dada no problema 2c) da folha de Problemas 1,
usando para a aceleracao a formula da aceleracao centrıpeta
dE
dt= − e2
6πǫ0c3v4
r2
(2.2.9)= − e2
6πǫ0c3
(
Ze2
4πǫ0mr2
)2
. (2.2.2)
Igualando estas duas expressoes para a derivada temporal da energia obtemos (para Z = 1)
3r2r = −4α2~2
cm2⇒ r3 = −4
c
(
α~
m
)2
(t− t0) . (2.2.3)
neste modelo implicava uma variacao do numero de acontecimentos com a espessura da folha metalica quenao era verificada experimentalmente.
4Esta hipotese podera nao ser muito boa, mas a estimativa do tempo de queda e representativa da fısicado processo.
2.2 Materia: corpusculos versus ondas 43
Figura 2.11: Experiencia para medir um espectro atomico (extraıdo de Eisberg & Resnick,‘Quantum Physics’ ).
Introduzimos a constante de estrutura fina
α ≡ e2
4πǫ0~c. (2.2.4)
Como esperado, o raio diminui com o tempo. Para uma orbita de 10−10 m, pode-se estimar
o tempo de queda em cerca de 10−10 segundos! O atomo nao seria estavel e para alem
disso esta radiacao - que teria um espectro contınuo - emitida na queda era diferente da
radiacao atomica observada que tem um espectro discreto que agora discutimos.
2.2.1 O Espectro do atomo de Hidrogenio
Um espectro atomico pode ser medido com um ‘setup’ experimental do tipo da figura 2.11.
Ha essencialmente dois tipos de espectros:
• No espectro de emissao, a fonte de luz na esquerda da figura 2.11, corresponde ao
gas (monoatomico) cujo espectro se quer medir, no qual se faz descargas electricas. As
descargas electricas excitam os atomos que, ao voltarem para o seu estado de energia
mınima, emitem radiacao. Esta e encaminhada atraves de uma fenda para um prisma, que
dispersa a radiacao nos diversos comprimentos de onda, que sao impressos numa chapa
44 O perıodo de Transicao
Figura 2.12: Fotografia do espectro de emissao do hidrogenio (cima) - serie de Balmer;comprimentos de onda correspondentes (baixo) (extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘QuantumPhysics’ ).
fotografica. Para o hidrogenio obtem-se, na regiao do visıvel, uma fotografia do tipo da
imagem de cima na figura 2.12. Estas linhas sao (parte do) espectro de emissao do atomo
de Hidrogenio.
• No espectro de absorcao, a fonte de luz emite um espectro contınuo que incide num
contentor de vidro onde se encontra o gas a estudar. Este ira absorver alguns comprimentos
de onda particulares. Os restantes seguem para a fenda e daı para o prisma e chapa
fotografica. Assim, na fotografia de um espectro de absorcao teremos algumas riscas onde
falta radiacao, ao contrario do espectro de emissao que corresponde a algumas riscas onde
radiacao foi emitida.
Olhando para a figura 2.12 ha uma regularidade obvia nas riscas do espectro de emissao
do hidrogenio. Em 1885, Johann Balmer (1825-1898) mostrou que a seguinte formula
reproduzia correctamente os comprimentos de onda, λ, das riscas observadas:
1
λ= RH
(
1
22− 1
n2
)
, n = 3, 4, 5, ... (2.2.5)
onde RH e a chamada constante de Rydberg, cujo valor numerico (actual) e
RH = 10967757.6± 1.2 m−1 . (2.2.6)
2.2 Materia: corpusculos versus ondas 45
A serie de comprimentos de onda descritos pela formula de Balmer chama-se serie de
Balmer. Para o hidrogenio existe uma infinidade de series de comprimentos de onda, cada
um descrito por uma formula semelhante a (2.2.5) - as primeiras cinco encontram-se escritas
na tabela seguinte.
Nome da serie Zona de Comprimentos de onda 1/λ Valores de n
Lyman Ultravioleta1
λ= RH
(
1
12− 1
n2
)
n = 2, 3, 4, . . .
Balmer Ultravioleta proximo e visıvel1
λ= RH
(
1
22− 1
n2
)
n = 3, 4, 5, . . .
Paschen Infravermelho1
λ= RH
(
1
32− 1
n2
)
n = 4, 5, 6 . . .
Brackett Infravermelho1
λ= RH
(
1
42− 1
n2
)
n = 5, 6, 7 . . .
Pfund Infravermelho1
λ= RH
(
1
52− 1
n2
)
n = 6, 7, 8, . . .
Era pois necessario um modelo atomico capaz de explicar estas riscas que fosse ao
mesmo tempo consistente com as observacoes de Rutherford.
2.2.2 O modelo atomico de Bohr (1913)
Um tal modelo foi proposto por Niels Bohr (1885-1962), baseado na observacao que, em
mecanica classica, o movimento de uma carga num campo de Coulomb tinha como possıveis
solucoes para orbitas fechadas, elipses e circunferencias. Por simplicidade Bohr escolheu
as ultimas e postulou que:
i) Um electrao num atomo move-se em orbitas circulares em torno do nucleo, sob a in-
fluencia do campo de Coulomb do nucleo, de acordo com as leis da mecanica classica;
ii) Ao contrario das leis da mecanica classica, apesar de acelerado, o electrao nao irradia
energia, mantendo a sua energia E constante;
iii) Ao contrario das leis da mecanica classica, as unicas orbitas possıveis para o movi-
mento do electrao sao aquelas cujo momento angular orbital, L, e um multiplo inteiro
46 O perıodo de Transicao
de h/2π
L = n~⇔ mvr = n~ , ~ ≡ h/2π ; (2.2.7)
iv) Radiacao electromagnetica e emitida sempre que um electrao, inicialmente em movi-
mento numa orbita de energia total Ei muda descontinuamente - impossıvel em
mecanica classica - o seu movimento para uma orbita de energia total Ef . A ra-
diacao emitida tem frequencia
ν =Ei − Ef
h. (2.2.8)
Bohr notou que estes postulados conduziam a uma explicacao quantitativa do atomo
de hidrogenio. Mas generalizemos o argumento para um atomo com numero atomico Z.
O raio de uma orbita circular em mecanica classica e determinado pela igualdade da forca
centrıpeta (Coulomb neste caso) com a forca centrıfuga
1
4πǫ0
Ze2
r2= m
v2
r, (2.2.9)
onde ‘e’ e a carga do electrao (em modulo). A energia total de uma orbita circular no
problema de Coulomb e dada por
E =1
2mv2 − 1
4πǫ0
Ze2
r
(2.2.9)= − 1
8πǫ0
Ze2
r. (2.2.10)
Estes sao os ingredientes necessarios. Usando o terceiro postulado de Bohr em (2.2.9)
obtemos
r =4πǫ0mZe2
n2~
2 , (2.2.11)
o que introduzido em (2.2.10) da
E = −(
Ze2
4πǫ0
)2m
2n2~2. (2.2.12)
A quantificacao do momento angular das orbitas permitidas implica a quantificacao da
energia dessas orbitas. Assim, o quarto postulado de Bohr diz-nos que a radiacao emitida
quando o electrao salta de uma orbita com momento angular ni~ para uma orbita com
momento angular nf~
ν =
(
Ze2
4πǫ0
)2m
4π~3
(
1
n2f
− 1
n2i
)
,c=νλ⇒ 1
λ=
(
Ze2
4πǫ0
)2m
4π~3c
(
1
n2f
− 1
n2i
)
. (2.2.13)
2.2 Materia: corpusculos versus ondas 47
Figura 2.13: ‘Saltos’ correspondendo as varias series do atomo de hidrogenio (extraıdo deEisberg & Resnick, ‘Quantum Physics’ ).
Esta formula reproduz a formula para as varias series do atomo de hidrogenio, se identifi-
carmos5
R∞ = RH , onde R∞ ≡(
Ze2
4πǫ0
)2m
4π~3c. (2.2.14)
O modelo de Bohr da a seguinte interpretacao ao atomo de hidrogenio. Chamemos a
cada valor possıvel de n um estado do electrao. Existe um nıvel de energia mınimo,
chamado estado fundamental, correspondente a n = 1. Todos os outros estados em que o
electrao se pode encontrar sao excitados. Cada serie do atomo de hidrogenio corresponde
a todos os saltos possıveis do electrao para um dado estado. Quando o estado final e o
fundamental (n = 1)/primeiro excitado (n = 2)/segundo excitado (n = 3) essa e a serie de
Lyman/Balmer/Paschen - figura 2.13.
5Rigorosamente, RH = Mm+M R∞, pois o centro de massa do movimento nao e exactamente no nucleo -
que tem massa M . Mas mesmo para o hidrogenio, M/m ≃ 1836, o que torna a aproximacao de consideraro nucleo como o centro de massa boa. Contudo, como a espectroscopia e uma ciencia muito exacta podem-se medir os desvios desta aproximacao. Mas considerando RH = M
m+M R∞ verifica-se concordancia com osdados experimentais ate 3 partes em 100.000, que resulta da estrutura fina.
48 O perıodo de Transicao
2.2.3 As ondas electronicas
Qual o significado e porque funciona a quantificacao do momento angular proposta por
Bohr? Em 1924, Louis de Broglie (1892-1987) propos na sua tese de doutoramento que tal
como a luz tinha comportamentos corpusculares e ondulatorias, talvez tambem a materia
tivesse ambos os comportamentos. Em particular isto deveria ser verdade para os electroes.
Se assim fosse, poderiamos associar tanto a radiacao como a materia quantidades ondu-
latorias - como frequencia (ν) e comprimento de onda (λ) - e quantidades algo mais ‘cor-
pusculares’ - como energia (E) e quantidade de movimento (~p). De Broglie propos que
estas quantidades estariam relacionadas pelas equacoes
E = hν , |~p| = h
λ. (2.2.15)
A primeira e a relacao de Planck usada tambem por Einstein para explicar o efeito fo-
toelectrico. A segunda e consequencia da primeira para a radiacao, dado que para o campo
electromagnetico, E = c|~p|, e, c = νλ; de Broglie propos uma tal relacao para atribuir um
comprimento de onda a uma partıcula de materia. Se assim fosse, o terceiro postulado de
Bohr (2.2.7) ficaria
mvr = nh
2π⇔ 2πr = n
h
|~p| ⇔ 2πr
n= λ . (2.2.16)
Recordemos que o objectivo de Bohr era explicar a estabilidade e os nıveis de energia do
hidrogenio. A ultima relacao diz-nos que a quantificacao do momento angular requerida
por Bohr e equivalente, se aceitarmos a proposta de de Broglie, a condicao de existencia de
ondas estacionarias! Quando uma onda esta encerrada num intervalo fechado de dimensao
L, os estados estacionarios so existem para comprimentos de onda que sejam um divisor de
L. Outros comprimentos de onda nao tem a periodicidade correcta. Esta observacao dava
um significado fısico claro ao postulado de Bohr, se aceitassemos a hipotese de de Broglie.
Em 1926-27 a ideia de de Broglie foi confirmada pela experiencia, atraves da deteccao
de padroes de difraccao de feixes de electroes em experiencias feitas por Clinton Davis-
son (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971) nos EUA e G.P. Thomson (1892-1975)
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da MecanicaQuantica 49
na Escocia.6 Desde essas experiencias ja se mostrou que objectos tao variados como
feixes moleculares de hidrogenio, feixes atomicos de helio ou neutroes tambem apresen-
tam padroes de difraccao. Assim verifica-se a hipotese de de Broglie: Todos os objectos
materiais, que normalmente consideramos partıculas ou aglomerados de partıculas tem
tambem comportamento ondulatorio. A razao porque, por exemplo, uma bola de fute-
bol com a massa de 1 Kg e deslocando-se a velocidade de 10 m/s nao aparenta qualquer
caracterıstica ondulatoria e porque o seu comprimento de onda de de Broglie e
λ =h
mv=
6.6× 10−34
1× 10= 6.6× 10−35 m , (2.2.17)
que e extremamente pequeno; a bola tera uma difraccao completamente irrelevante em
qualquer fenomeno do nosso quotidiano. Pelo contrario, um electrao com energia cinetica
de 100 eV, ou seja, 1.6 × 10−17J (que pode ainda ser considerado nao relativista) tem
comprimento de onda de de Broglie e
λ =h√
2mEc
=6.6× 10−34
√2× 9.1× 10−31 × 100× 1.6× 10−19
= 1.2× 10−10 m , (2.2.18)
que e da ordem do diametro atomico, sendo por isso o electrao difractado por uma rede de
atomos - figura 2.14.
Notemos que introduzindo a frequencia angular ω = 2πν e o vector de onda ~k cujo
modulo e 2π/λ, escrevemos as relacoes de Einstein-de Broglie (2.2.15)
E = ~ω , ~p = ~~k . (2.2.19)
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao
probabilıstica da Mecanica Quantica
Se tanto a materia como a radiacao tem tanto propriedades corpusculares como ondu-
latorias ha duas questoes imediatas
6Existe alguma ironia no facto de J.J. Thomson ter ganho o premio Nobel em 1906 pela sua descobertado electrao em 1897, que caracterizou como uma partıcula, e o seu filho G.P.Thomson ter ganho o premioNobel em 1937 pela descoberta da difraccao do electrao em 1927. Assim, Thomson, o pai, ganhou o Nobelpor ter mostrado que o electrao e uma partıcula e Thomson, o filho, ganhou o Nobel por ter mostrado queo electrao e uma onda...’
50 O perıodo de Transicao
Figura 2.14: Cima: Aparato experimental para a experiencia de Debye-Scherrer para ob-servar a difracao de raios X (baixo esquerda - usa cristais de oxido de zirconio) ou elecroes(baixo direita - usa cristais de ouro). (extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘Quantum Physics’ ).
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da MecanicaQuantica 51
• As propriedades ondulatorias do fotao sao descritas pelas equacoes de Maxwell. Que
equacao descreve as propriedades ondulatorias do electrao?
• Que relacao existe entre estes dois tipos de propriedades?
Historicamente estas perguntas so foram clarificadas com
i) O trabalho de Erwin Schrodinger (1887-1961) que em 1925 postulou uma equacao de
onda para descrever as ondas associadas a uma partıcula de materia, como por ex-
emplo um electrao. As solucoes da sua equacao denominam-se funcoes de onda,
Ψ(x);
ii) O trabalho de Max Born (1882-1970) que, em 1926, sugeriu que a interpretacao a dar
as funcoes de onda de Schrodinger seria de amplitude de probabilidade para encontrar
a partıcula num determinado ponto x e cujo modulo ao quadrado Ψ(x)Ψ(x)∗ seria
uma densidade de probabilidade;7
Estudemos duas experiencias que ilustram esta interpretacao probabilıstica. A primeira
lida com a funcao de onda no espaco de posicoes. Mas a maioria das partıculas tem outros
graus de liberdade que nao apenas a sua posicao ou momento. O spin dos electroes (ver
capıtulo 9) e a polarizacao dos fotoes sao dois exemplos. Assim, a funcao de onda completa
de uma partıcula devera conter informacao acerca desses outros graus de liberdade. No
segundo exemplo ilustramos a parte da ‘funcao de onda’ respeitante a polarizacao de fotoes.
2.3.1 Experiencia de Young com luz de baixa intensidade
Consideremos de novo a experiencia de Young com um setup experimental semelhante ao
da figura 2.5 e com luz monocromatica, frequencia ν. A experiencia original de Young
mostrou que a luz8 apresenta um padrao de interferencia e portanto conclui-se que ela
tem propriedades ondulatorias. Por outro lado, do efeito fotoelectrico sabemos que a
7Ψ(x) sera em geral complexo e ‘∗′ designa o complexo conjugado. Assim a densidade de probabilidadee garantidamente positiva e normalizando esta funcao termos uma funcao de distribuicao de probabilidadeno sentido de (C.39)
8Por luz pode-se entender a partir de agora radiacao electromagnetica.
52 O perıodo de Transicao
intensidade da fonte e um indicador do numero de fotoes emitidos por unidade de tempo,
todos eles tendo a mesma energia hν. Imaginemos que diminuimos a intensidade ao ponto
de ser emitido apenas um fotao de cada vez. No alvo colocamos ao longo da direccao x um
grande numero de pequenos fotomultiplicadores, de modo a identificar com grande precisao
a coordenada x em que o fotao incide no alvo. Observamos o seguinte
i) Os fotodetectores detectam impactos localizados do fotao, isto e, um fotodetector da
sinal de cada vez, de acordo com a descricao corpuscular;
ii) Para pequenos numeros de fotoes, os impactos dos fotoes parecem ter uma distribuicao
aleatoria - figura 2.15 - esquerda;
iii) Para grandes numeros de fotoes, comecamos a recuperar o perfil de interferencia que
vemos na experiencia original de Young - figura 2.15 - direita.
Assim, as propriedades corpusculares sao confirmadas no que toca a deteccao individual
de fotoes - a luz vem em pacotes. E as propriedades ondulatorias sao verificadas no que
toca a deteccao de um padrao de interferencia quando muitos fotoes ja incidiram no alvo.
A localizacao do impacto de cada fotao parece ser aleatoria. Mas reconhecemos que esta-
tisticamente os fotoes distribuem-se de acordo com o padrao de interferencia. Ou seja
• A intensidade da onda descreve a densidade de probabilidades para a localizacao do
impacto.
Mas se o fotao tem um comportamento corpuscular, entao cada fotao passa ou pela
fenda 1 ou ou pela fenda 2 da figura 2.5, correcto? Mas se assim for, bloquearmos uma
das fendas deveria apenas parar cerca de metade dos fotoes continuando os outros a ex-
ibir o padrao de interferencia. Mas nos sabemos da experiencia de Young original que
nao e assim; bloqueando uma das fendas nao ha padrao de interferencia! Mas entao, do
ponto de vista de um fotao individual, ele intefere com que? Nao pode ser com os outros,
na medida em que nos fizemos a experiencia de modo que um fotao passasse de cada vez.
Logo
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da MecanicaQuantica 53
Figura 2.15: Experiencia de Young com fotoes. Esquerda: alguns impactos individuaisparecem aleatoriamente distribuidos; Direita: Estatisticamente comecamos a ver o padraode interferencia a formar-se.
• Cada fotao individual tem de inteferir consigo mesmo e so interfere se as duas fendas
estiverem abertas!
Notemos que se fizessemos uma experiencia de Young com electroes com um setup
tal que o tamanho das fendas seja da ordem do comprimento de onda de de Broglie dos
electroes de modo a que estes sejam apreciavelmente difractados, observarıamos:
- Os electroes apresentam um padrao de difracao semelhante ao da figura 2.5;
- Se enviassemos electroes individualmente, o fenomeno da figura 2.15 repetir-se-ia;
Isto e, tudo o que descrevemos para fotoes podia ser repetido ‘ipsis verbis’ para os electroes.
Tentemos, com a experiencia de electroes responder a seguinte questao: ‘Sera que con-
seguimos ver porque fenda passa o electrao, sem alterar o padrao de difraccao observado?’
O setup experimental e o seu resultado estao representados na figura 2.16. Existe uma
fonte luminosa imediatamente a seguir as fendas de modo a que se note uma variacao
da intensidade recebida por essa fonte devido a passagem do electrao. Se por exemplo o
electrao passar pela fenda 2, observamos uma variacao na luminosidade no ponto A. Assim
54 O perıodo de Transicao
Figura 2.16: Experiencia de Young com electroes onde tentamos ver a fenda pelo qual oelectrao passa. Se o fizermos, necessariamente perdemos o perfil de interferencia (extraıdodas Feynman lectures in Physics - Vol 3 ).
podemos determinar porque lado passou o electrao. Se o fizermos, o padrao de difraccao
desaparece! Temos de concluir que
• Vermos o sistema quantico, implica interagir com ele de um modo que o altera.
• Nao conseguimos ver o comportamento ondulatorio e corpuscular de um sistema si-
multaneamente.
A interpretacao canonica em Mecanica Quantica (dita interpretacao de Copenhaga)
destas estranhas conclusoes e a seguinte:
i) Enquanto nao e medido, o fotao/electrao nao existe como entidade localizada, como
corpusculo, mas encontra-se antes diluıdo por todo o espaco com uma amplitude de
probabilidade que e dada pela funcao de onda;
ii) Apenas quando se efectua uma medicao se da o colapso da funcao de onda, apos o qual
detectamos o fotao/electrao como corpusculo localizado e cuja localizacao apenas
pode ser prevista probabilisticamente com a funcao de distribuicao de probabilidade
sendo o quadrado do modulo da funcao de onda (normalizada).
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da MecanicaQuantica 55
De acordo com esta interpretacao, as caracterısticas ondulatorias do fotao/electrao
resultam da sua amplitude de probabilidade se comportar como uma onda. Quando
interferimos de algum modo com esta onda, de modo a poder detectar onde se encon-
tra a partıcula a ela associada, mudamo-la, de modo a nao podermos mais ver os as-
pectos ondulatorios. Assim aspectos ondulatorios e corpusculares sao complementares -
princıpio da complementaridade. Note-se que classicamente estes aspectos eram vistos
como incompatıveis.
2.3.2 O princıpio da incerteza de Heisenberg
Existe uma expressao matematica para a incapacidade de, num sistema fısico, vermos
simultaneamente as propriedades ondulatorias e corpusculares de um electrao ou de um
fotao ou de qualquer outro objecto.
• Por partıcula (pontual) entendemos algo que tem uma posicao bem definida x;
• Por onda, entendemos um objecto que tem um comprimento de onda, λ, bem definido.
Note-se que quando sobrepomos ondas com diferentes comprimentos de onda (proximos)
e amplitudes semelhantes os padroes de interferencia comecam a ficar mal definidos.
Assim, deve haver uma expressao matematica que nos diga que a precisao com que con-
hecemos x e λ nao pode ser, simultaneamente, arbitrariamente pequena. Uma expressao
quantitativa pode ser deduzida da seguinte maneira. Consideremos uma partıcula descrita,
num determinado instante, por uma funcao de onda Ψ(x). A funcao de onda determina
uma funcao de distribuicao de probabilidade P(x), dada por
P(x) =Ψ(x)Ψ(x)∗
‖Ψ‖2 , onde ‖Ψ‖2 =
∫
dxΨ(x)Ψ(x)∗ . (2.3.1)
Quanto menor for o desvio padrao de x, ∆x, sendo x tratado como uma variavel aleatoria
relativamente a densidade de probabilidade P(x), mais parecida fica a partıcula com uma
partıcula classica. Por outro lado, podemos exprimir a funcao de onda como uma com-
binacao linear de ondas planas monocromaticas, usando um integral de Fourier
Ψ(x) =1√2π
∫ +∞
−∞Ψ(k)eikxdk , (2.3.2)
56 O perıodo de Transicao
onde a transformada de Fourier e
Ψ(k) ≡ 1√2π
∫ +∞
−∞Ψ(x)e−ikxdx . (2.3.3)
Podemos encarar Ψ como sendo a funcao de onda no espaco de Fourier, cujo quadrado
do modulo nos da uma densidade de probabilidade para a distribuicao do vector de onda
k = 2π/λ. A nossa partıcula sera tanto mais parecida com uma onda quanto menor
for o desvio padrao da variavel aleatoria k, ∆k, calculada relativamente a densidade de
probabilidade
P (k) =Ψ(k)Ψ(k)∗
‖Ψ‖2, onde ‖Ψ‖2 =
∫
dkΨ(k)Ψ(k)∗ . (2.3.4)
Mas e uma propriedade das transformadas de Fourier que (em uma dimensao)
∆x∆k ≥ 1
2, (2.3.5)
ou, usando a relacao de de Broglie p = h/λ = ~k,
∆x∆p ≥ ~
2. (2.3.6)
Esta e a relacao de incerteza de Heisenberg. O coeficiente do ~ nesta equacao e n/2 quando
usamos transformadas de Fourier para funcoes em n dimensoes. Por isso exprime-se em
geral o princıpio da incerteza como
∆x∆p & ~ . (2.3.7)
Note-se que as grandes implicacoes fısicas estao contidas na passagem de (2.3.5) para
(2.3.6). A primeira destas expressoes refere-se apenas a uma relacao entre a dispersao
de uma funcao espacial e a dispersao dos comprimentos de onda das funcoes sinusoidais
que a descrevem no espaco de Fourier. E quando usamos a relacao de de Broglie, que
transformamos esta expressao em termos de quantidades puramente corpusculares, x e p.
Obtemos entao uma limitacao ao conhecimento de duas variaveis que associamos a uma
partıcula pontual e que em termos classicos podem ser conhecidas simultaneamente com
precisao arbitraria.
2.3 A dualidade onda/corpusculo e a interpretacao probabilıstica da MecanicaQuantica 57
Esta incerteza esta intrinsecamente relacionada com o facto de que, no mundo mi-
croscopico, quando tentarmos ver o sistema, isto e, medir qualquer coisa, necessariamente
alteramos o sistema em questao. Essa alteracao tem um resultado imprevisıvel, numa
perspectiva determinista, como se ve pelos impactos localizados dos fotoes na figura 2.15.
O princıpio da incerteza de Heisenberg inspirou, desde que foi apresentado, algumas
das mais interessantes discussoes sobre o conhecimento humano, quer numa perspectiva
filosofica quer numa perspectiva cientıfica. O ponto de vista aqui apresentado e que se
trata de uma expressao matematica do princıpio da complementaridade.
2.3.3 Experiencia com a polarizacao da luz
Consideramos uma experiencia com uma onda electromagnetica plana e monocromatica -
frequencia ω - a propagar-se na direccao Oz da figura 2.17. Supomos que o campo electrico
esta polarizado linearmente na direccao definida por ep e como tal pode ser representado
por
~E(~r, t) = E0epei(kz−ωt) , (2.3.8)
onde E0 e uma constante e como tal a intensidade da luz (energia que passa por z =
constante por unidade de area e tempo) e
I =ǫ0c
2|E0|2 . (2.3.9)
Coloquemos um polarizador A que transmite a luz polarizada paralelamente a Ox e absorve
a luz polarizada paralelamente a Oy. Depois de passar pelo polarizador, a onda encontra-se
polarizada linearmente na direccao Ox e como tal o campo electrico e descrito por
~E ′(~r, t) = E ′0exe
i(kz−ωt) , (2.3.10)
e a intensidade da luz e dada pela lei de Malus
I ′ = I cos2 θ . (2.3.11)
Esta lei descreve o comportamento classico da radiacao ao passar por um polarizador. Mas
o que acontece se diminuirmos a intensidade suficientemente de modo a enviar um fotao
de cada vez?
58 O perıodo de Transicao
Figura 2.17: Setup experimental para experiencia com a polarizacao de fotoes (extraıdo deCohen et al., ‘Quantum Mechanics’ ).
i) Nao e possıvel haver ‘meio’ fotao. Logo o fotao passa ou nao passa pelo polarizador;
ii) Se colocarmos um fotodetector atras do polarizador veremos que o fotao passa ou e
absorvido aleatoriamente; para grandes numeros de fotoes enviados, N , detectare-
mos atras do polarizador N cos2 θ fotoes, que seria o que esperarıamos pela formula
classica (2.3.11);
Fixemos as seguintes ideias deste exemplo
• Numa medicao de um sistema quantico ha determinados resultados priveligiados, de-
nominados resultados ou valores proprios. Neste caso os resultados proprios sao: a)
o fotao passa; b) o fotao nao passa; o espectro de resultados possıveis e, portanto,
discreto; isto contrasta com a situacao classica, onde o valor da intensidade depois
do polarizador varia continuamente entre I e 0, dependendo de θ;
• Descrevemos a polarizacao do fotao por um vector de polarizacao ep. A cada valor
proprio corresponde um estado proprio para o fotao
Para o valor proprio
‘passa′
‘nao passa′esta associado o estado proprio
ep = ex
ep = ey
.
2.4 A aplicabilidade da Mecanica Quantica 59
Se o fotao se encontra num dado estado proprio, entao o resultado de uma medicao
da sua polarizacao e, com probabilidade igual a um, o valor proprio associado a esse
estado proprio.
• Para descrevermos o facto de o fotao passar, ou nao, aleatoriamente, dizemos que antes
da medicao, o fotao encontra-se numa sobreposicao de estados de polarizacao; isto e
a ‘funcao de onda’ de polarizacao
ep = cos θex + sin θey . (2.3.12)
O quadrado do modulo do coeficiente de um dado estado proprio descreve a prob-
abilidade de obter numa medicao o valor proprio associado a esse estado proprio.
Aplicando esta regra temos uma probabilidade de cos2 θ (sin2 θ) para o fotao passar
(nao passar). Note-se que a soma da probabilidade de todos os estados tem de ser
igual a um, caso contrario e necessario normalizar a funcao de onda de polarizacao. A
esta regra de decomposicao em estados proprios chama-se princıpio de decomposicao
espectral. Note-se que esta decomposicao depende do ‘setup’ experimental. Neste
caso, o angulo θ e o angulo com a direccao do polarizador.
• Quando ‘vemos’ se o fotao passa ou nao, interagimos com ele de modo que a sua funcao
de onda colapsa para um estado proprio. A partir desse momento o fotao encontra-se
nesse estado proprio. Por exemplo, se sabemos que ele passou pelo primeiro polar-
izador - porque interagimos com ele - entao passara por outros polarizadores iguais ao
primeiro que ponhamos no seu caminho. Mais uma vez vemos que interagir com um
sistema quantico, mesmo que com o objectivo ‘inocente’ de o ver, implica altera-lo
de uma maneira fundamental.
2.4 A aplicabilidade da Mecanica Quantica
Na teoria da relatividade existe uma constante fundamental que e a velocidade da luz, c.
A existencia desta constante da-nos um criterio simples para saber se temos de tratar o
sistema usando o formalismo relativista - matematicamente mais pesado - ou se podemos
60 O perıodo de Transicao
usar a aproximacao nao relativista - matematicamente mais simples. Esse criterio e que as
velocidades tıpicas do sistema em questao, vt, sejam muito menores que a velocidade da
luz
vt ≪ c . (2.4.1)
Neste capıtulo vimos que quer na radiacao do corpo negro, quer no efeito fotoelectrico, quer
no atomo de Bohr, quer nas relacoes de de Broglie, quer no princıpio da incerteza, ha um
factor comum: a constante de Planck. Tal como a velocidade da luz no caso da relatividade,
a constante de Planck fornece um criterio simples para a necessidade de aplicar ou nao o
formalismo da mecanica quantica em detrimento do classico. O criterio e o seguinte: Se
as accoes tıpicas do sistema, St, forem muito maiores que h,
St ≫ h , (2.4.2)
podemos tratar o sistema na aproximacao classica; caso haja accoes da ordem da constante
de Planck temos de usar o formalismo da mecanica quantica. Isto nao significa que temos
de calcular a accao do sistema como definido no capıtulo 1. Basta-nos calcular variaveis
dinamicas tıpicas do sistema com as dimensoes de uma accao. Exemplos:
• Oscilador harmonico: uma accao tıpica e a energia total, dada pelo Hamiltoniano, a
dividir pela frequencia, ω. Para um oscilador com amplitude A e massa m obtemos
St =1
2ωmA2 . (2.4.3)
Para uma mola com ω = 10s−1, m = 1g, A = 0.1m, St = 5 × 10−5J · s ≫ h,
logo podemos esquecer efeitos quanticos e tratar o sistema classicamente. Mas se
pensarmos nas oscilacoes de um electrao, m ≃ 10−31kg numa escala atomica A ≃10−10m que emite no ultravioleta ω ≃ 1017s−1, obtemos St ≃ 10−34J · s ≃ h. Logo o
problema tem de ser tratado quanticamente, que e basicamente o caso da radiacao do
corpo negro. Veremos no capıtulo 5 o tratamento quantico do oscilador harmonico.
• Problema de Larmor: uma accao tıpica sera mais uma vez a energia total dada pelo
Hamiltoniano a dividir pela frequencia ciclotronica ωc. Obtemos
St =1
2ωcmr
2 , (2.4.4)
2.5 Sumario 61
para uma orbita de raio r. Portanto consideracoes semelhantes ao caso anterior
podem ser feitas. Em particular, um electrao no regime atomico tem de ser tratado
quanticamente, dando origem a versao quantica do problema de Larmor, chamado
problema de Landau, que veremos no capıtulo 5.
• Problema de Kepler/Coulomb: consideremos as orbitas circulares; mais uma vez, uma
accao tıpica e a energia da orbita sobre a frequencia, que na notacao do problema 1
da folha de problemas 1 e
St =1
2
√αmr . (2.4.5)
Para o problema de Kepler, α = GmM e considerando o sistema Terra-Sol temos
α ≃ 1043N ·m2, m ≃ 1024kg, r ≃ 1011m. Claramente St ≫ h e nao necessitamos de
mecanica quantica. Para o problema atomico de Coulomb temos α = e2/(4πǫ0) ≃10−28N · m2, pelo que, usando os valores anteriores para massa do electrao e raio
atomico temos St ≃ 10−34 e portanto concluimos que o problema atomico cai no
forum da mecanica quantica; sera tratado no capıtulo 6.
• Um fotao: a accao tıpica de um fotao pode ser estimada como a energia a dividir
pela frequencia, que, pela formula de Planck e h. Logo um fotao e, por definicao,
uma entidade quantica. Posto de outra maneira, o campo electromagnetico para
intensidades suficientemente baixas tem de ser tratado quanticamente.
2.5 Sumario
Vimos que a luz (e a radiacao electromagnetica em geral) encarada por Newton como um
fluxo de corpusculos e por Huygens como uma onda, passou a ser vista como uma onda
depois das experiencias de Young e como uma partıcula depois das explicacoes da radiacao
do corpo negro por Planck, e principalmente, do efeito fotoelectrico por Einstein. Vimos
que a quantificacao do atomo feita por Bohr era naturalmente interpretada em termos de
estados estacionarios do electrao se associassemos ao electrao propriedades ondulatoridas,
mais tarde descobertas experimentalmente nas experiencias de Davisson e Germer e ainda
62 O perıodo de Transicao
Thomson. Assim, tanto a materia como a radiacao tem propriedades ondulatorias e cor-
pusculares. As propriedades ondulatorias estao associadas as funcoes de onda que de-
screvem a amplitude de probabilidade para encontrar a partıcula no espaco. Tentando
‘ver’ a trajectoria da partıcula causamos o colapso da funcao de onda e o desaparecimento
posterior de propriedades ondulatorias. Esta complementaridade mutuamente exclusiva
entre propriedades corpusculares e ondulatorias esta expressa no princıpio da incerteza de
Heisenberg.
A descricao probabilıstica esta no amago da mecanica quantica. Assim, embora este-
jamos a descrever partıculas devemos abdicar do conceito de trajectoria em prol de algo
mais lato: o estado em que a partıcula se encontra. Esta situacao representa um contraste
marcado em relacao ao paradigma classico da fısica. Portanto, em mecanica quantica
TRAJECTORIA ESTADO
CAPITULO 3
A equacao de Schrodinger
Se as partıculas como o electrao tem uma funcao de onda associada, Ψ(x), temos que
escrever uma equacao que descreve o comportamento e evolucao de tal funcao de onda.
Obviamente, uma tal equacao nao pode ser deduzida com base nas equacoes da mecanica
classica discutidas no capıtulo 1. Mas do capıtulo 2 sabemos algumas propriedades que
esta equacao deve ter:
• Deve ser consistente com as relacoes de Einstein e de Broglie (2.2.19)
E = ~ω , ~p = ~~k ; (3.0.1)
• Deve ser consistente com a expressao (nao relativista) para a energia total, E, de uma
partıcula de massa m, momento ~p, num potencial V (~x, t),
E =~p2
2m+ V (~x, t) ; (3.0.2)
• Para admitir fenomenos de interferencia deve ser linear, isto e admitir que a sobreposicao
de duas solucoes seja ainda uma solucao, pois e essa sobreposicao que da origem a
fenomenos de interferencia, como na seccao 2.1.1 para ondas na agua;
• Quando o potencial for zero, tanto a energia como o momento da partıcula devem ser
constantes - a partıcula e livre. Traduzindo nas quantidades ondulatorias tanto
64 A equacao de Schrodinger
a frequencia como o vector de onda devem ser constantes. Mas isto e o que se
passa para uma onda plana monocromatica. Assim, assumimos que uma onda plana
monocromatica, que e representada por
Ψ(~x, t) = ei(~k·~x−ωt) , (3.0.3)
e solucao da equacao de onda procurada.
Usando (3.0.1) em (3.0.2) obtemos, na ausencia de potencial,
~ω =~2
2m~k2 . (3.0.4)
Esta relacao de dispersao e a obtida se actuarmos em (3.0.3) com uma derivada temporal
e duas espaciais, isto e
i~∂Ψ(~x, t)
∂t= − ~2
2m∆Ψ(~x, t) , (3.0.5)
onde ∆ representa o Laplaciano. Esta e chamada a equacao de Schrodinger para uma
partıcula livre. Adicionando o termo do potencial, que tem de ser multiplicado pela funcao
de onda devido a linearidade da equacao
i~∂Ψ(~x, t)
∂t=
[
− ~2
2m∆ + V (~x, t)
]
Ψ(~x, t) , (3.0.6)
obtemos a equacao de Schrodinger, sugerida em 1925 pelo fısico austrıaco Erwin Schrodinger.
Esta discussao nao pretende ser uma derivacao da equacao de Schrodinger. Apenas uma
motivacao. A equacao de Schrodinger nao e derivada, mas sim postulada. A sua validacao
provem da concordancia com os resultados experimentais.
3.1 Descricao Quantica de uma partıcula livre - Trem
de Ondas
Qual a funcao de onda adequada para descrever uma partıcula que nao esteja actuada
por nenhum potencial, i.e. uma partıcula livre? A solucao mais simples da equacao de
Schrodinger e a onda plana monocromatica (3.0.3), por construcao. Contudo, segundo o
3.1 Descricao Quantica de uma partıcula livre - Trem de Ondas 65
postulado de Born para a interpretacao da funcao de onda, a funcao de distribuicao de
probabilidade associada a Ψ(~x, t) e
P(~x, t) =Ψ(~x, t)Ψ(~x, t)∗
‖Ψ(t)‖2 , (3.1.1)
onde a norma ‖Ψ(t)‖, que e - a priori - funcao do tempo1, e calculada como
‖Ψ(t)‖2 =
∫
d3~xΨ(~x, t)Ψ(~x, t)∗ . (3.1.2)
Entao se tomarmos para a funcao de onda (3.0.3)
‖Ψ(t)‖2 =
∫
d3~xei(~k·~x−ωt)e−i(~k·~x−ωt) =∞ , (3.1.3)
ou seja, a norma diverge. Diz-se que a funcao de onda nao e normalizavel. Este resultado
nao e inesperado. Uma onda plana monocromatica tem um vector de onda bem definido e
como tal um comprimento de onda bem definido. Logo, o desvio padrao para a distribuicao
de vectores de onda e zero e pela relacao de de Broglie ∆pi = 0, para todos os i. Pelo
princıpio da incerteza, ∆xi = ∞. Isto significa que a partıcula tem igual probabilidade
de estar em todos os pontos. Mas uma tal distribuicao de probabilidade constante sobre
toda a recta real e necessariamente nao normalizavel. Assim, esperamos que uma funcao
de onda fisicamente razoavel de origem a uma densidade de probabilidade que nao seja
totalmente delocalizada.
Existe uma segunda razao pela qual uma onda plana monocromatica nao e uma ‘boa’
funcao de onda para uma partıcula. Consideremos as expressoes relativistas de energia e
momento de uma partıcula
E =mc2
√
1− v2/c2, ~p =
m~v√
1− v2/c2, (3.1.4)
onde m e a massa em repouso da partıcula e v a sua velocidade relativamente a um dado
referencial inercial. Deduzimos que
~p =E
c2~v . (3.1.5)
1Veremos que na evolucao de um sistema fısico a norma e conserada, pelo que se a funcao de onda estivernormalizada assim permanecera. Esta propriedade decorre da unitariedade do operador de evolucao.
66 A equacao de Schrodinger
Uma onda monocromatica e definida pela frequencia angular ω e pelo vector de onda, com
norma |~k|. A velocidade a que se propaga uma dada fase, isto e um maximo ou um mınimo
da onda - dita velocidade de fase - e dada por ~k ·~x−ωt = constante; portanto a velocidade
de fase tem norma
vfase =ω
|~k|(3.0.1)=
E
|~p|(3.1.5)=
c2
|~v| , (3.1.6)
que nao so e diferente da velocidade da partıcula como e maior - para uma partıcula com
massa, para a qual |~v| < c - do que a velocidade da luz no vazio! Como tal concluimos
que uma onda monocromatica nao e uma descricao aceitavel da funcao de onda de uma
partıcula.
Ambas as dificuldades anteriores sao ultrapassadas se usarmos uma sobreposicao de
ondas monocromaticas de varias frequencias para descrever a nossa partıcula, isto e, um
pacote ou trem de ondas. As razoes sao as seguintes: 1) Ao adicionarmos ondas de varias
frequencias, estas interferem destrutivamente e construtivamente de um modo que pode
localizar mais a funcao de onda, tornando-a normalizavel; 2) A velocidade do pacote de
ondas nao e a media das velocidades de fase de cada uma das ondas que formam o pacote;
e antes a velocidade de propagacao do maximo da amplitude, dita velocidade de grupo. A
propagacao deste maximo resulta de fenomenos de interferencia, podendo a sua velocidade
ser identificada com a da partıcula classica associada a onda.
Devido a linearidade da equacao de Schrodinger uma tal sobreposicao e necessariamente
ainda uma solucao desta equacao. Comecamos com o caso simples de uma sobreposicao
discreta, para depois irmos para o caso de uma sobreposicao contınua, que e o caso de
interesse fısico.
3.1.1 Sobreposicao discreta de ondas
Consideramos, no instante t = 0, uma sobreposicao discreta de ondas, isto e, algo do tipo
Ψ(~x, 0) =n∑
j=1
Ajei(~kj ·~x) , (3.1.7)
correspondendo a uma sobreposicao de n ondas planas, com amplitudes Aj e vectores de
onda ~kj. Por simplicidade vamos trabalhar em uma dimensao e especializemos a nossa
3.1 Descricao Quantica de uma partıcula livre - Trem de Ondas 67
Figura 3.1: Tres ondas monocromaticas e a sua sobreposicao. Na figura de baixo, a linha atracejado corresponde ao modulo da funcao de onda (Extraıdo de Cohen et al, ‘QuantumMechanics ’).
analise para o seguinte caso:
n = 3 , kj =
(
k0 −∆k
2, k0, k0 +
∆k
2
)
, Aj =g(k0)√
2π
(
1
2, 1,
1
2
)
. (3.1.8)
Com esta escolha (3.1.7) fica
Ψ(x, 0) =g(k0)√
2πeik0x
(
1 + cos
(
x∆k
2
))
. (3.1.9)
Na figura 3.1 representamos as varias ondas monocromaticas e a sua sobreposicao. Este
exemplo mostra o efeito, ora destrutivo ora construtivo, da interferencia das varias ondas.
Notando que
|Ψ(x, 0)| =√
Ψ(x, 0)Ψ(x, 0)∗ =g(k0)√
2π
(
1 + cos
(
x∆k
2
))
, (3.1.10)
este exemplo mostra tambem como o modulo da funcao de onda (e como tal a densidade
de probabilidade) que e representado pela linha tracejada na figura 3.1 - que corresponde
a funcao (1 + cos(x∆k/2) - ficou mais localizada do que no caso de uma so onda. Esta e
que e a imagem a reter do pacote de ondas.
68 A equacao de Schrodinger
Note-se que neste caso ainda nao resolvemos o problema da nao normalizacao da funcao
de onda. De facto, qualquer sobreposicao discreta de ondas monocromaticas da origem a
uma funcao periodica. No caso que temos em mao, isso significa que na figura 3.1 ha
infinitas repeticoes quer para a esquerda quer para a direita da figura de baixo. Para
termos uma funcao de onda normalizavel temos necessariamente de ter uma sobreposicao
contınua de ondas monocromaticas (se as ondas estiverem definidas sobre todo o R).
Com este exemplo podemos ilustrar o princıpio de incerteza. Suponhamos que
P(x) ∝(
1 + cos
(
x∆k
2
))2
, para x ∈ 2
∆k[−π, π] , (3.1.11)
e P(x) = 0 fora deste intervalo. Consideramos apenas uma dimensao. Uma medida para o
‘espalhamento’ dos valores de x, ∆x, e o tamanho do intervalo onde se distribui a densidade
de probabilidade; logo
∆x∆k ≃ 4π , (3.1.12)
de onde conluimos que aumentando ∆k se diminui ∆x, conforme esperado pelo princıpio
da incerteza.
Com este exemplo podemos ver como a sobreposicao modifica a velocidade de propagacao.
Tomamos agora para t > 0
Ψ(~x, t) =
n∑
j=1
Ajei(~kj ·~x−tωj) , (3.1.13)
e especializamos para (3.1.8) juntamente com
ωj =
(
ω0 −∆ω
2, ω0, ω0 +
∆ω
2
)
. (3.1.14)
Neste caso obtemos,
Ψ(x, t) =g(k0)√
2πei(k0x−tω0)
(
1 + cos
(
x∆k
2− ∆w
2t
))
, (3.1.15)
e
|Ψ(x, t)| = g(k0)√2π
(
1 + cos
(
x∆k
2− ∆w
2t
))
. (3.1.16)
3.1 Descricao Quantica de uma partıcula livre - Trem de Ondas 69
A velocidade de grupo e por definicao a velocidade com que o maximo do modulo da funcao
de onda esta a avancar, que e
vgrupo =∆ω
∆k, (3.1.17)
que nao coincide com nenhuma das velocidades de fase
vfase =
(
2ω0 −∆ω
2k0 −∆k,ω0
k0,2ω0 + ∆ω
2k0 + ∆k
)
, (3.1.18)
nem com a sua media. Veremos a seguir que esta velocidade de grupo coincide com a
velocidade ‘classica’ da partıcula.
3.1.2 Sobreposicao contınua de ondas
Consideramos agora uma funcao de onda dada pela sobreposicao contınua de ondas na
forma
Ψ(x, 0) =1√2π
∫ +∞
0
g(k)ei(kx+φ(k))dk , (3.1.19)
onde g(k) e a amplitude (real) do modo de Fourier com comprimento de onda λ = 2π/k e
φ(k) e uma fase que depende do modo de Fourier. Tomamos a amplitude como sendo nao
nula apenas em[
k0 −∆k
2, k0 +
∆k
2
]
, (3.1.20)
intervalo no qual a fase φ(k) varia suavemente. Sendo o intervalo suficientemente pequeno,
aproximamos
φ(k) = φ(k0) +
(
dφ
dk
)
k0
(k − k0) ≡ φ0 − φ′0(k − k0) . (3.1.21)
Deste modo, para este caso particular, expressamos (3.1.19) como
Ψ(x, 0) =1√2πei(φ0+k0x)
∫ k0+∆k/2
k0−∆k/2
g(k)ei(k−k0)(x−φ′0)dk ≡ A(x, 0)ei(φ0+k0x) . (3.1.22)
Assim, expressamos a nossa sobreposicao contınua de ondas como uma onda plana com
amplitude variavel. Esta forma da funcao e util para estudar a variacao de |Ψ(x, 0)| com
x:
70 A equacao de Schrodinger
• Para (x− φ′0) >> 1/(k − k0), a funcao
ei(k−k0)(x−φ′0) , (3.1.23)
oscila muito rapidamente quando variamos k no intervalo permitido. Assim, o integral
em (3.1.22) e aproximadamente a media da funcao (3.1.23), que e zero;
• Para x ≃ φ′0, a funcao (3.1.23) praticamente nao oscila, dando o integral uma forte
contribuicao e sendo a amplitude A(x, 0) dominante neste ponto.
Concluimos assim duas coisas:
i) O centro do pacote de ondas, isto e, o maximo da amplitude e em
xcentro = φ′0 ≡ −
(
dφ
dk
)
k0
; (3.1.24)
ii) A norma da funcao de onda
‖Ψ(0)‖2 =
∫ +∞
−∞Ψ(x, 0)Ψ(x, 0)∗dx =
∫ +∞
−∞A(x, 0)A(x, 0)∗dx , (3.1.25)
e agora finita, pois a amplitude e nula para (x−φ′0) >> 1/(k−k0) e nunca e infinita.2
Agora mostramos que a velocidade de grupo deste pacote de ondas coincide com a ve-
locidade classica da partıcula que lhe podemos associar. Para isso consideramos a nossa
funcao de onda (3.1.19) para t > 0
Ψ(x, t) =1√2π
∫ +∞
0
g(k)ei(kx+φ(k)−w(k)t)dk , (3.1.26)
onde a frequencia ω(k) e uma funcao suave do modo de Fourier, para a qual utilizamos
uma aproximacao semelhante aquela usada para a fase
ω(k) = ω(k0) +
(
dω
dk
)
k0
(k − k0) ≡ ω0 + ω′0(k − k0) . (3.1.27)
2Nota tecnica: para o integral (3.1.25) convergir e necessario que A(x, 0)A(x, 0)∗ decaia mais rapida-mente que 1/x. Analisando (3.1.22), podemos concluir que A(x, 0) decai como 1/x, pelo que A(x, 0)A(x, 0)∗
decai de facto mais rapidamente do que 1/x.
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 71
Usando esta expressao e (3.1.21), escrevemos (3.1.26) como
Ψ(x, t) =1√2πei(φ0+k0x−ω0t)
∫ k0+∆k/2
k0−∆k/2
g(k)ei(k−k0)(x−φ′0−ω′
0t)dk ≡ A(x, t)ei(φ0+k0x−ω0t) .
(3.1.28)
Pela mesma argumentacao usada anteriormente concluimos que o centro do pacote de
ondas se encontra agora em
xcentro = φ′0 + ω′
0t , (3.1.29)
pelo que se desloca com velocidade
vgrupo = ω′0 ≡
(
dω
dk
)
k0
. (3.1.30)
Pelas relacoes de Einstein-de Broglie, (3.0.1), isto implica que3
vgrupo =
(
dE
dp
)
p0
=p0
m= v0 . (3.1.31)
A filosofia e agora a seguinte. Ao expressarmos a sobreposicao contınua de ondas na forma
(3.1.28) pensamos nela como uma onda plana monocromatica com amplitude variavel, a
qual podemos associar uma velocidade de duas maneiras distintas: i) A sua frequencia,
ω0, e vector de onda, k0, definem pelas relacoes de de Broglie uma energia e um momento,
que por sua vez definem a velocidade da partıcula: v0 = dE/dp, para p = p0 = ~k0; ii) A
velocidade de propagacao do maximo da amplitude, que e dado pela velocidade de grupo
(3.1.31), que coincide com a anterior.
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo
Se o potencial onde a partıcula se encontra e independente do tempo, a equacao de
Schrodinger (3.0.6) escreve-se
i~∂Ψ(~x, t)
∂t=
[
− ~2
2m∆ + V (~x)
]
Ψ(~x, t) . (3.2.1)
3Na penultima e ultima igualdades da equacao (3.1.31) usamos a expressao nao relativista da energia;se usassemos as expressoes relativistas (3.1.4) o resultado final seria o mesmo.
72 A equacao de Schrodinger
Podemos tentar encontrar solucoes desta equacao separando variaveis, isto e tomando como
ansatz
Ψ(~x, t) = Φ(~x)χ(t) . (3.2.2)
Colocando no lado esquerdo a dependencia temporal e do lado direito a dependencia es-
pacial, a equacao de Schrodinger reescreve-se
i~
χ(t)
∂χ(t)
∂t=
1
Φ(~x)
[
− ~2
2m∆ + V (~x)
]
Φ(~x) . (3.2.3)
O lado direito so depende de ~x e o esquerdo so depende de t. Logo, para ter solucoes
desta equacao cada lado tem de ser igual a uma constante. Dado que os varios termos tem
dimensao de ‘energia’, interpretamos a constante, denotada E, como energia e obtemos:
1) Do lado esquerdo
i~dχ(t)
dt= Eχ(t) ⇒ χ(t) = e−iEt/~ = e−iωt , (3.2.4)
onde usamos (3.0.1). Assim a dependencia temporal esta bem definida;
2) Do lado direito,[
− ~2
2m∆ + V (~x)
]
Φ(~x) = EΦ(~x) . (3.2.5)
A esta equacao chamamos equacao de Schrodinger independente do tempo. Entende-se
que as suas solucoes representam a parte espacial da funcao de onda; a funcao de onda
total e
Ψ(~x, t) = Φ(~x)e−iωt . (3.2.6)
Solucoes deste tipo da equacao de Schrodinger, sao baptizadas de estados estacionarios.
Representam estados com energia bem definida, E = ~ω.
Podemos reescrever a equacao de Schrodinger independente do tempo como
HΦ(~x) = EΦ(~x) , (3.2.7)
onde definimos o operador diferencial linear H, chamado operador Hamiltoniano,
H ≡ − ~2
2m∆ + V (~x) . (3.2.8)
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 73
Deste ponto de vista, resolver a equacao de Schrodinger independente do tempo e resolver
um problema de valores proprios e funcoes proprias, isto e, as energias sao valores proprios
e as funcoes Φ(~x) sao funcoes proprias do operador Hamiltoniano. Podemos descrever
tambem a equacao (3.2.4) nesta linguagem: a dependencia temporal da funcao de onda
para estados estacionarios, e−iEt/~, e uma funcao propria do operador diferencial linear T ,
denominado operador de translacoes temporais
T ≡ i~∂
∂t, (3.2.9)
com valor proprio E. Assim, a funcao de onda (3.2.6) e um produto de funcoes proprias
dos operadores H e T .4 Note-se que devido a linearidade da equacao de Schrodinger,
manifesta no facto dos operadores H e T serem lineares, qualquer combinacao linear de
estados proprios e ainda uma solucao da equacao de Schrodinger. No capıtulo 4 iremos
sistematizar o formalismo de operadores, funcoes proprias e vectores proprios em mecanica
quantica.
Vamos agora estudar os estados estacionarios para alguns potenciais concretos, em uma
dimensao. O nosso objectivo e contrastar o comportamento de uma partıcula quantica,
descrita pela equacao de Schrodinger, com o de uma partıcula classica, sendo a diferenca
fundamental a seguinte: a partıcula quantica propaga-se como uma onda. Os potenciais
escolhidos sao matematicamente simples de tratar pois sao constantes por pedacos: po-
tenciais em escada. Isto implica certas descontinuidades. Mas note-se que estas descon-
tinuidades nao sao fısicas; devemos pensar nos exemplos a seguir como aproximacoes de
potenciais contınuos que variam rapidamente.
3.2.1 Caracterısticas gerais num potencial em escada
Por potencial em escada entende-se um potencial que e constante por pedacos. As figuras
3.3, 3.7 e 3.11 sao exemplos de potenciais em escada. Em cada uma das regioes, a equacao
4Note que, em geral, a equacao de Schrodinger se pode escrever TΨ(t, ~x) = H(t)Ψ(t, ~x). Para os estadosestacionarios os valores proprios destes dois operadores coincidem.
74 A equacao de Schrodinger
de Schrodinger independente do tempo (3.2.5) fica uma equacao do tipo
d2Φ(x)
dx2+
2m
~2(E − V )Φ(x) = 0 , (3.2.10)
para um V constante. Analisemos os varios tipos de solucoes:
i) Se E > V esta e uma equacao do tipo da do oscilador harmonico (1.1.5), cuja solucao
escrevemos agora como
Φ(x) = Aeikx + A′e−ikx , (3.2.11)
(que e equivalente a escrever Φ(x) = A cos(kx+ φ0)) onde definimos
k =
√
2m(E − V )
~, (3.2.12)
e as constantes A,A′ sao numeros complexos, pois a funcao de onda e complexa.
Estas solucoes correspondem a uma funcao de onda ‘ondulatoria’.
ii) Se E < V esta e uma equacao do tipo da do oscilador harmonico mas com ‘frequencias
imaginarias’. Isto significa que em vez de exponenciais imaginarias temos como
solucoes exponenciais reais
Φ(x) = Bekx +B′e−kx , (3.2.13)
onde B,B′ sao constantes complexas e
k =
√
2m(V − E)
~. (3.2.14)
Estas solucoes correspondem a funcoes de onda que crescem ou decrescem exponen-
cialmente.
iii) Se E = V a solucao e
Φ(x) = C + C ′x , (3.2.15)
que e uma funcao de onda linear, onde C,C ′ sao constantes complexas. Este caso e
muito particular e nao sera usado na nossa analise.
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 75
V0
V(x)
x0
Figura 3.2: Potencial real aproximado por um potencial em escada.
O que ira acontecer a funcao de onda nos pontos de descontinuidade do potencial? Para es-
clarecer este ponto recordamos que os verdadeiros potenciais fısicos nao serao descontınuos;
variarao rapidamente mas serao contınuos. Assim, por exemplo, o potencial da figura 3.3
e uma aproximacao ao potencial da figura 3.2. O primeiro e mais facil de tratar matem-
aticamente, mas o segundo sera o potencial realista.
Deste modo podemos pensar num potencial em escada, V (x), que e descontınuo no
ponto x0, como limite de potenciais contınuos no intervalo [x0 − ǫ, x0 + ǫ], Vǫ(x), que
coincidem com V (x) fora deste intervalo. Para cada Vǫ(x), existe uma funcao de onda
Φǫ(x), que obedece ad2Φǫ(x)
dx2+
2m
~2(E − Vǫ)Φǫ(x) = 0 . (3.2.16)
Integrando esta equacao diferencial entre x0 − η e x0 + η, obtemos
dΦǫ
dx(x0 + η)− dΦǫ
dx(x0 − η) =
2m
~2
∫ x0+η
x0−η
[Vǫ(x)−E]Φǫ(x)dx . (3.2.17)
Para as funcoes Φǫ(x) e o seu limite quando ǫ→ 0 serem boas funcoes de onda, nao podem
divergir em nenhum ponto; caso contrario, a densidade de probabilidade associada a esse
ponto seria infinita. Entao tomamos estas funcoes de onda como finitas. Logo o integrando
em (3.2.17) e finito, inclusive no limite ǫ→ 0. Tirando seguidamente o limite η → 0, con-
cluimos que dΦ(x)/dx e contınua em x0. Isto implica que Φ(x) tambem e contınua em x0 -
de facto, derivavel. Assim, iremos impor que a funcao de onda e a sua derivada sao contınuas
nas descontinuidades do potencial.
76 A equacao de Schrodinger
Note-se que a analise do ultimo paragrafo assumiu implicitamente que o potencial e
finito, caso contrario o integrando em (3.2.17) seria infinito. No caso de o potencial ser
infinito, a derivada da funcao de onda nao sera contınua, mas podemos ainda requerer con-
tinuidade da funcao de onda. O potencial ser infinito numa dada regiao (finita) significa que
a funcao de onda sera zero nessa regiao. Como veremos, uma partıcula quantica pode pene-
trar numa regiao com um potencial, V , maior do que a sua energia, E - regiao classicamente
proibida pois, como E = Ecinetica + V , significaria que Ecinetica < 0. Contudo, o seu poder
de penetracao, que e dado por uma onda evanescente, diminui quando V − E aumenta.
Quando V → ∞, essa possibilidade de penetracao desaparece. Assim, para uma descon-
tinuidade infinita do potencial imporemos apenas a continuidade da funcao de onda, o que
sera suficiente para resolver o problema, dado que o valor da funcao de onda na regiao onde
o potencial e infinito e conhecido: e zero.
Vamos desde ja definir a intensidade de uma funcao de onda, I, como a densidade de
probabilidade de posicao da partıcula vezes a velocidade de propagacao da mesma. Para
uma onda plana
Ψ(x, t) = Aei(Et/−kx) ⇒ I = |A|2 ~k
m. (3.2.18)
Note-se que a definicao e analoga a da intensidade de uma onda plana, que e a quantidade
de energia que atravessa uma superfıcie disposta normalmente a direccao de propagacao da
onda por unidade de tempo e de area. Equivalentemente, e a densidade de energia vezes a
velocidade de propagacao.
3.2.2 Salto de potencial (E > V0)
Consideramos o potencial na figura 3.3. As solucoes da equacao de Schrodinger indepen-
dente do tempo para uma partıcula com energia E, tal que E > V0 sao
Regiao I Φ(x) = A1eik1x + A′
1e−ik1x com k1 =
√2mE
~
Regiao II Φ(x) = A2eik2x + A′
2e−ik2x com k2 =
√
2m(E − V0)
~
. (3.2.19)
Requerendo continuidade da funcao de onda e da sua derivada em x = 0 obtemos, respec-
tivamente
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 77
V0
I II
A1A’1 A2 A’2
V(x)
x0
E
Figura 3.3: Salto de potencial. Distinguimos duas regioes: x < 0 e a Regiao I, onde V = 0;x > 0 e a Regiao II, onde V = V0; aqui consideramos as varias ondas associadas a umapartıcula com E > V0.
A1 + A′1 = A2 + A′
2
k1(A1 −A′1) = k2(A2 −A′
2). (3.2.20)
Temos quatro constantes de integracao e duas condicoes entre elas, o que, portanto, nao
especifica suficientemente a solucao. Podemos pois por uma constante igual a zero: A′2 = 0.
Fisicamente esta escolha tem o seguinte significado. Recordando que a funcao de onda total
e dada por
Ψ(x, t) = Φ(x)e−iEt/~ , (3.2.21)
podemos ver qual a direccao em que viajam as varias ondas da solucao, o que se encontra
representado na figura 3.3. Se pensarmos fisicamente no nosso problema como descrevendo
uma partıcula que vem de x = −∞ (associada a onda A1), que tem uma probabilidade de
ser transmitida para a regiao II em x = 0 (associada a onda A2) e uma probabilidade de
ser reflectida de volta para a regiao I (associada a onda A′1), concluimos que nao devemos
ter a onda A′2. Assim, escrevemos a solucao das equacoes (3.2.20) como
A′1
A1=k1 − k2
k1 + k2,
A2
A1=
2k1
k1 + k2. (3.2.22)
78 A equacao de Schrodinger
Estas sao designadas, respectivamente, amplitudes de reflexao e transmissao. As intensi-
dades das ondas incidentes, reflectida e transmitida sao, respectivamente
Ii =|A1|2~k1
m, Ir =
|A′1|2~k1
m, It =
|A2|2~k2
m. (3.2.23)
Definimos o factor de transmissao T , e o factor de reflexao R, respectivamente como
T ≡ ItIi
=k2
k1
∣
∣
∣
∣
A2
A1
∣
∣
∣
∣
2
=4k1k2
(k1 + k2)2, R ≡ Ir
Ii=
∣
∣
∣
∣
A′1
A1
∣
∣
∣
∣
2
=
(
k1 − k2
k1 + k2
)2
. (3.2.24)
Note-se que
T +R = 1 . (3.2.25)
Assim, as quantidades T e R sao apropriadas para ser interpretadas como a probabilidade
de transmissao e reflexao da partıcula. Vemos desde ja uma diferenca fundamental entre
a descricao quantica e classica desta partıcula: Classicamente a partıcula seria sempre
transmitida para a regiao II; quanticamente existe uma probabilidade de a partıcula ser
reflectida de volta para a regiao I. Este facto e facilmente entendido se pensarmos numa
analogia com optica. Uma onda que chega a fronteira entre dois meios com ındices de
refraccao diferentes, proporcionais a k1 e k2, tem uma componente transmitida e reflectida.
Para incidencia normal, as formulas de Fresnel que descrevem a razao entre os varios
campos electricos envolvidos coincidem com (3.2.22). Assim, em optica este resultado e
claro. A mecanica quantica entra quando pensamos na onda como a funcao de onda que
descreve uma partıcula.
3.2.3 Salto de potencial (E < V0)
Consideramos o mesmo potencial que no caso anterior, mas tomamos agora uma partıcula
com E < V0, como representado na figura 3.4. As solucoes da equacao de Schrodinger
independente do tempo sao:
Regiao I Φ(x) = Aeik1x + A′e−ik1x com k1 =
√2mE
~
Regiao II Φ(x) = Bek2x +B′e−k2x com k2 =
√
2m(V0 − E)
~
. (3.2.26)
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 79
V0
I II
V(x)
x0
EA’ AB B’
Figura 3.4: Salto de potencial. Aqui consideramos as varias ondas associadas a umapartıcula com E < V0. Na regiao II essas ondas sao exponenciais; na figura damos a ideiade qual a crescente e qual a decrescente.
Requerendo continuidade da funcao de onda e da sua derivada em x = 0 obtemos, respec-
tivamente
A+ A′ = B +B′
ik1(A− A′) = k2(B − B′). (3.2.27)
Neste caso, para que a funcao de onda seja limitada quando x → +∞ tomamos B = 0.
Logo
A′
A=k1 − ik2
k1 + ik2,
B′
A=
2k1
k1 + ik2. (3.2.28)
A funcao de onda na regiao II ja nao e uma onda plana, e nao lhe podemos associar uma
velocidade e como tal uma intensidade de probabilidade. Por isso nao podemos calcular
um coeficiente de transmissao. Isto e consistente com o facto de o coeficiente de reflexao
ser
R =
∣
∣
∣
∣
k1 − ik2
k1 + ik2
∣
∣
∣
∣
2
= 1 . (3.2.29)
Concluimos que 1) tal como em mecanica classica, a partıcula quantica e sempre reflectida;
2) mas a funcao de onda nao e zero na regiao II, decaindo exponencialmente - diz-se que
existe uma onda evanescente na regiao II (figura 3.5), havendo portanto uma probabilidade
nao nula de encontrar a partıcula nessa regiao. A razao da consistencia entre estes dois
80 A equacao de Schrodinger
V0
I II
x,tΨ( ) x,tΨ( )
x0
*
Figura 3.5: Salto de potencial. Representacao do modulo da funcao de onda ao quadradopara um t fixo, para uma partıcula com E < V0. Note-se a onda evanescente na regiao II.
factos e a seguinte. Note-se que A′/A tem uma parte imaginaria
Im
(
A′
A
)
= − 2k1k2
k21 + k2
2
. (3.2.30)
Logo, ha um diferenca de fase entre a onda incidente e a reflectida, que pode ser vista
como um atraso na reflexao. Podemos pensar que, embora a partıcula quantica - tal
como a classica - seja sempre reflectida, a partıcula quantica - ao contrario da classica -
pode penetrar na regiao II antes de ser reflectida, causando o atraso referido. Note-se que
no limite V0 → ∞ temos k2 → ∞; logo a parte imaginaria (3.2.30) vai para zero. Neste
limite perdemos a onda evanescente e consequentemente o ‘atraso’ na onda reflectida.
Note-se ainda que ao analizar este limite confirmamos que a funcao de onda e zero quando
o potencial e infinitamente maior do que a energia da partıcula, o que prova a afirmacao
feita no final da seccao 3.2.1.
Usando A′ ≡ eϕiA, podemos escrever a parte espacial da funcao de onda neste problema
como
Φ(x) = A(eik1x + e−ik1x+iϕ) , (3.2.31)
de onde concluimos que ΨΨ∗ = 2A2(1 + cos(2k1x− ϕ)); este modulo esta representado na
figura (3.5).
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 81
V0
A1 A’1 A2 A’2 A3 A’3
I II III
V(x)
x0 L
E
Figura 3.6: Barreira de potencial. Distinguimos tres regioes: x < 0 e a Regiao I, ondeV = 0; 0 < x < L e a Regiao II, onde V = V0; x > L e a regiao III, onde V = 0. Aquirepresentamos as varias ondas associadas com uma partıcula com E > V0.
3.2.4 Barreira de potencial (E > V0)
Consideramos agora uma barreira de potencial, como a representada na figura 3.6 e uma
partıcula com E > V0. As solucoes da equacao de Schrodinger independente do tempo sao
agora
Regiao I Φ(x) = A1eik1x + A′
1e−ik1x com k1 =
√2mE
~
Regiao II Φ(x) = A2eik2x + A′
2e−ik2x com k2 =
√
2m(E − V0)
~
Regiao III Φ(x) = A3eik1x + A′
3e−ik1x
. (3.2.32)
Requerendo continuidade da funcao de onda e da sua derivada em x = 0 e x = L, obtemos,
respectivamente
A1 + A′1 = A2 + A′
2
k1(A1 −A′1) = k2(A2 −A′
2),
A2eik2L + A′
2e−ik2L = A3e
ik1L + A′3e
−ik1L
k2(A2eik2L −A′
2e−ik2L) = k1(A3e
ik1L − A′3e
−ik1L).
(3.2.33)
Considerando uma partıcula que vem de x = −∞, tomamos A′3 = 0. Comecando pelo
segundo sistema de equacoes obtemos
A′2 =
k2 − k1
2k2ei(k1+k2)LA3 , A2 =
k2 + k1
2k2ei(k1−k2)LA3 . (3.2.34)
82 A equacao de Schrodinger
Usando estes resultados no primeiro sistema de equacoes obtemos
A1 =
[
cos(k2L)− ik21 + k2
2
2k1k2
sin(k2L)
]
eik1LA3 , A′1 = i
k22 − k2
1
2k1k2
sin(k2L)A3 . (3.2.35)
Os factores de reflexao em x = 0 e de transmissao para a regiao 3 sao, respectivamente
R =IrIi
=
∣
∣
∣
∣
A′1
A1
∣
∣
∣
∣
2
=(k2
1 − k22)
2 sin2(k2L)
4k21k
22 + (k2
1 − k22)
2 sin2(k2L), (3.2.36)
T =ItIi
=
∣
∣
∣
∣
A3
A1
∣
∣
∣
∣
2
=4k2
1k22
4k21k
22 + (k2
1 − k22)
2 sin2(k2L). (3.2.37)
Verifica-se facilmente que T+R = 1, como seria de esperar. Concluimos que em geral existe
uma probabilidade de a partıcula ser reflectida, tal como no caso do salto de potencial. Isto
contrasta com a situacao em mecanica classica em que a partıcula e sempre transmitida.
Contudo, para
k2L = nπ ⇔ L
n=λ
2, n ∈ N , (3.2.38)
a probabilidade de transmissao e um. Isto acontece quando um multiplo inteiro de metade
do comprimento de onda e igual ao comprimento da barreira, L.
Podemos dar a este comportamento a seguinte interpretacao fısica. Consideremos as
ondas que se propagam na direccao positiva do eixo dos x, isto e A1, A2, A3. Para A3 ter o
mesmo modulo do que A1, ou seja, para o coeficiente de transmissao ser um, as ondas nao
podem sofrer perdas na regiao II. Ou seja A2 tem de ter ainda o mesmo modulo. Mas A2
pode ser reflectida em x = L e a onda resultante novamente em x = 0. Para que esta dupla
reflexao de A2 esteja em fase consigo mesma necessitamos da relacao (3.2.38). Note-se que
neste caso tanto A′2/A2 como A′
1/A1 nao tem parte imaginaria e nao ha atrasos na reflexao.
Deste modo nao ha perdas na regiao II e o coeficiente de transmissao e um. Este fenomeno
e designado por ressonancia, pois resulta de uma ressonancia das ondas na regiao II. Este
fenomeno e usado para explicar o efeito Ramsauer que consiste na capacidade de certos
gases nobres serem transparentes a electroes com certas energias bem definidas (da ordem
do eV ).
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 83
V0
III III
A’1A1 A3 A’3
V(x)
x0 L
EB’B
Figura 3.7: Barreira de potencial. Aqui representamos as varias ondas associadas com umapartıcula com E < V0.
3.2.5 Barreira de potencial (E < V0)
Consideremos novamente uma barreira de potencial, mas agora uma partıcula com E < V0,
como representada na figura 3.7. O calculo da seccao anterior aplica-se com a modificacao
k2 → −ik , com k =
√
2m(V0 −E)
~. (3.2.39)
Concluimos pois que
R =(k2
1 + k2)2 sinh2(kL)
4k21k
2 + (k21 + k2)2 sinh2(kL)
, (3.2.40)
T =4k2
1k2
4k21k
2 + (k21 + k2)2 sinh2(kL)
. (3.2.41)
Obviamente T +R = 1. A propriedade importante e que o coeficiente de transmissao nao
e nulo. Existe uma probabilidade de a partıcula quantica ‘furar’ a barreira de potencial,
enquanto que uma partıcula classica voltaria necessariamente para tras. Este fenomeno
designa-se por efeito tunel. Note-se que podemos reexprimir o coeficiente de transmissao
como
T =
(
1 +V 2
0
4E(V0 − E)sinh2(kL)
)−1
. (3.2.42)
Note-se ainda que no caso frequente de a barreira ser muito maior do que o comprimento
de onda de de Broglie da partıcula, kL >> 1, a ultima expressao e aproximada como
T ≃ 16E(V0 − E)
V 20
e−2kL . (3.2.43)
84 A equacao de Schrodinger
V0
I II III
Ψ(x,t)Ψ(x,t)*
xL0
Figura 3.8: Barreira de potencial. Representacao do quadrado do modulo da funcao deonda, para uma partıcula com E < V0. A existencia da onda evanescente na zona classi-camente proibida resulta na probabilidade de encontrar a partıcula na regiao III.
O efeito tunel e observado numa variedade de fenomenos quanticos. Historicamente
a sua primeira aplicacao foi ao decaimento radioactivo por emissao de partıculas α, que
agora descrevemos.
Radioactividade alfa
Como mencionado na seccao 2.2, Rutherford estudou o potencial V (r) que uma partıcula
α sente a uma distancia r do nucleo atomico. Os seus estudos e estudos posteriores com
nucleos mais leves concluiram que o potencial referido tem a forma exibida na figura 3.9.
Isto e para distancias maiores que r′′ ≡ 3× 10−14m, as partıculas α sentem um potencial
do tipo de Coulomb entre uma partıcula com carga +2e e um nucleo com carga +Ze
V (r) =1
4πǫ0
2e2Z
r. (3.2.44)
Para distancias menores que r′, onde r′ < r′′ sabia-se que havia um desvio do potencial
de Coulomb, devido a experiencias de difusao com nucleos leves, mas nao se sabia o valor
exacto de r′ para nucleos pesados.
Por outro lado sabia-se que varios nucleos pesados, como o U234 (uranio) e o Ra226
(radio) emitiam espontaneamente partıculas α. Isto sugere que pensemos no potencial
para r < r′ como um poco de potencial onde existe uma forca (de facto a forca nu-
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 85
Figura 3.9: Potencial sentido por uma partıcula α a distancia r de um nucleo de U238
(Extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘Quantum Physics’).
clear forte) que vence a repulsao de Coulomb e ‘cola’ uma partıcula α a um determinado
nucleo, correspondendo o conjunto, por exemplo, ao nucleo de Uranio 234. Mas existe
uma probabilidade de a partıcula α sair por efeito tunel: radiactividade α. Estimemos
essa probabilidade usando o resultado para a barreira quadrada (3.2.43) que reescrevemos
como
T ∼ e−2L√
2m(V0−E)/~ . (3.2.45)
A barreira de potencial na figura 3.9 nao e quadrada; mas podemos pensar na curva como
uma soma de barreiras quadradas no limite em que a base destas barreiras quadradas vai
para zero. Nesse limite obtemos5
lnT ∼ −2
~
∫ r′′′
r′
√
2m[V (r)− E]dr = −√
8m
~
∫ r′′′
r′dr
√
1
4πǫ0
2e2Z
r− E , (3.2.46)
para uma partıcula com energia dada por E = V (r′′′). Usando o facto que
∫
dr
√
a
r− b =
a√b
(
arcsin
√
br
a+
√
br
a
(
1− br
a
)
)
, (3.2.47)
juntamente com
E = V (r′′′) , E << V (r′) , (3.2.48)
5A relacao usada e de facto a aproximacao WKB; ver relacao (8.5.10).
86 A equacao de Schrodinger
obtemos
lnT ∼ −e2Z
ǫ0~
√
m
2E+ 4
√
e2Zmr′
πǫ0~2. (3.2.49)
Vamos estimar uma relacao entre T e E usando esta formula. Para isso tomamos um valor
tıpico para Z e r′. Tomamos o decaimento do isotopo 226 do Radio (numero atomico 88).
Assim
Z = 86 , r′ = 7.3 Fermi = 7.3× 10−15m . (3.2.50)
Usando tambem que
mα ≃ 6.645× 10−27Kg ≃ 3.737× 103(MeV ) . (3.2.51)
Obtemos assim, a aproximacao
log T = log e lnT ∼ − 148√
E (MeV )+ 32.5 . (3.2.52)
Queremos agora relacionar o coeficiente de transmissao com o tempo medio de vida τ do
isotopo radioactivo, que e a quantidade medida experimentalmente. Para isso imaginamos
o seguinte cenario simplista. A partıcula α encontra-se no poco de potencial correspondente
a regiao da forca forte, r < r′ oscilando ao longo de um diametro, com velocidade v =√
2E/m. De cada vez que ela chega a r = r′ tem uma probabilidade T de ser transmitida
por efeito tunel. Logo a probabilidade por unidade de tempo de ser transmitida e Tv/2r′.
Assumimos que a vida media, τ , e o inverso da probabilidade de decaimento por unidade
de tempo
τ =2r′
T
√
m
2E≡ τ0T, ⇒ log τ ∼ 148
√
E (MeV )− 32.5 + log
(
2r′√
m
2E
)
. (3.2.53)
O segundo termo varia com a energia muito mais lentamente do que o primeiro, devido ao
logaritmo. Assim, dentro do nosso cenario aproximado usamos para o segundo termo uma
constante, estimada com base no decaimento tıpico do Radio, acima referido, para o qual a
energia da partıcula α e cerca de 5MeV . O significado desta aproximacao e que o processo
de decaimento alfa e essencialmente determinado pelo efeito tunel, sendo o que acontece
dentro do nucleo de importancia secundaria. Concluimos que τ0 ≃ 10−21s. E como tal
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 87
Figura 3.10: Decaimento alfa: comparacao da curva teorica (3.2.54) com os dados experi-mentais. Note-se que a ordenada e o logaritmo comum de τ e a abcissa e −1/
√
E(MeV )(Extraıdo de ‘Quantum Physics ’, Berkeley Physics Course - Volume 4).
88 A equacao de Schrodinger
log τ ∼ 148√
E (MeV )− 53.5 . (3.2.54)
Os resultados desta curva teorica encontram-se na figura 3.10. E de salientar a boa de-
scricao global dada pelo nosso cenario simplista, apesar da enormıssima variedade de tem-
pos medios de vida considerados. Como exemplos, o U238 tem uma vida media de 1017s
enquanto que o Po212 tem uma vida media de 10−7s. Este tipo de calculo, originalmente
feito por Gamow, Condon e Gurney em 1928, foi um dos primeiros e mais convincentes
sucessos da mecanica ondulatoria de Schrodinger.
3.2.6 Poco de potencial de profundidade finita (E < 0)
Consideramos agora um poco de potencial, como o representado na figura 3.11 e uma
partıcula com energia −V0 < E < 0. As solucoes da equacao de Schrodinger independente
do tempo sao agora
Regiao I Φ(x) = B1ek1x +B′
1e−k1x com k1 =
√−2mE
~
Regiao II Φ(x) = Aeikx + A′e−ikx com k =
√
2m(E + V0)
~
Regiao III Φ(x) = B2ek1x +B′
2e−k1x
. (3.2.55)
Requeremos continuidade da funcao de onda e da sua derivada em x = −L/2 e x = L/2;
requeremos tambem que a funcao de onda seja finita em x = ±∞, o que significa que
B′1 = B2 = 0. Assim obtemos
B1e−k1L/2 = Ae−ikL/2 + A′eikL/2
k1B1e−k1L/2 = ik(Ae−ikL/2 − A′eikL/2)
,
AeikL/2 + A′e−ikL/2 = B′2e
−k1L/2
ik(AeikL/2 − A′e−ikL/2) = −k1B′2e
−k1L/2
.
(3.2.56)
Resolvendo cada um dos sistemas para a razao A/A′ obtemos, respectivamente,
A
A′ = −eikL
(
k1 + ik
k1 − ik
)
,A
A′ = e−ikL ik − k1
ik + k1, (3.2.57)
3.2 Partıcula em potenciais independentes do tempo 89
V0
−
III IIIA A’B1B’1 B’2 B2
x0
V(x)
−L/2 L/2
E
Figura 3.11: Poco de potencial. Distinguimos tres regioes: x < −L/2 e a Regiao I, ondeV = 0; −L/2 < x < L/2 e a Regiao II, onde V = −V0; x > L/2 e a regiao III, onde V = 0.
o que implica que
k1 − ikk1 + ik
= ±eikL ⇔
cot(kL/2) = −k1/k ⇔
| sin(kL/2)| = k/k0
tan (kL/2) < 0
tan (kL/2) = k1/k ⇔
| cos(kL/2)| = k/k0
tan (kL/2) > 0
, (3.2.58)
onde definimos
k0 ≡√
2mV0
~. (3.2.59)
Existem portanto duas famılias de solucoes. Em cada um dos casos, os valores permitidos
para k e portanto para a energia E sao discretos. Graficamente podem ser imaginados como
a interseccao da funcao | sin(x)| ou | cos(x)| com uma recta que passa pela origem (problema
3, folha 4). Esta discretizacao dos nıveis de energia dos estados ligados e uma caracterıstica
da mecanica quantica que nao se encontra na mecanica classica onde a partıcula pode ter
qualquer energia entre 0 > E > V0. Pode ser interpretada do seguinte modo: as ondas
associadas a partıcula vao sofrer reflexoes sucessivas em x = ±L/2. Em geral, as varias
ondas interferem destrutivamente, e so para certos comprimentos de onda - e como tal
certas energias - esta interferencia permite a existencia de estados estacionarios. O caso
de E > 0 num poco finito de potencial e tratado tambem no problema 3 da folha 4.
90 A equacao de Schrodinger
3.2.7 Poco de potencial de profundidade infinita
Tomamos agora um poco de potencial de profunidade infinita, que e mais convenientemente
tratado tomando V (x) da forma
V (x) = 0 para x ∈ [0, L] , V (x) = +∞ para x > L e x < 0 . (3.2.60)
Consideramos um estado com energia E positiva. Vimos, para a barreira de potencial,
que no caso em que V0 → ∞ perdemos a onda evanescente. De um modo semelhante,
esperamos que neste caso a funcao de onda se anule fora do intervalo [0, L]. De facto, a
solucao da equacao de Schrodinger independente do tempo da-nos
Regiao I e III Φ(x) = 0
Regiao II Φ(x) = Aeikx + A′e−ikx com k =
√2mE
~
. (3.2.61)
Para saltos infinitos de potencial o nosso argumento acerca da continuidade da funcao
de onda e da sua derivada nao e aplicavel. Mas podemos ainda requerer pelo menos
continuidade da funcao de onda em x = 0, L:
A+ A′ = 0
AeikL + A′e−ikL = 0⇒ sin(kL) = 0 , (3.2.62)
ou seja
kL = nπ ⇔ E =n2π2~2
2mL2≡ En . (3.2.63)
Tal como no caso anterior os estados quanticos tem as suas energias possıveis quantifi-
cadas. Notemos que neste caso, a quantificacao dos comprimentos de onda (e das energias)
e obtida pela relacao L = nλ/2, que exprime a condicao para a existencia de estados
estacionarios num sistema periodico. A mesma situacao nao se verificava no caso do poco
finito, essencialmente devido a existencia de uma onda evanescente.
A funcao de onda normalizada correspondente ao estado de energia n e
Ψn(x, t) =
√
2
Lsin(nπx
L
)
e−iEnt/~ para x ∈ [0, L] , (3.2.64)
3.3 Evolucao de um trem de ondas 91
e zero fora deste intervalo e como tal, a funcao de distribuicao de probabilidade associada
a partıcula e
P(x) =2
Lsin2
(nπx
L
)
para x ∈ [0, L] , (3.2.65)
e zero fora do intervalo. Se calcularmos, por exemplo, o valor esperado de x e de x2,
obtemos
〈x〉 =
∫ L
0
xP(x)dx =L
2, 〈x2〉 =
∫ L
0
x2P(x)dx =L2
3− L2
2π2n2. (3.2.66)
Podemos comparar este resultado com o da mecanica classica, pensando na partıcula
classica como tendo uma funcao de distribuicao de probabilidade uniforme no intervalo
[0, L],
Pc(x) =1
Lpara x ∈ [0, L] , (3.2.67)
e zero fora do intervalo. Assim
〈x〉 =
∫ L
0
xPc(x)dx =L
2, 〈x2〉 =
∫ L
0
x2Pc(x)dx =L2
3. (3.2.68)
Concluimos que o resultado classico e aproximado para numeros quanticos elevados corre-
spondendo a energias elevadas. Este e um padrao que se repete em muitos casos.
3.3 Evolucao de um trem de ondas
Como referimos na seccao 3.1, a descricao de uma partıcula livre deve ser feita por um trem
de ondas. Mas mesmo para uma partıcula sob a influencia de potenciais como aqueles que
vimos na seccao 3.2 o trem de ondas e a descricao apropriada, pois e a maneira natural de
obter uma funcao de onda normalizavel. Note-se no entanto que sendo o trem de ondas
apenas uma sobreposicao de ondas planas com diferentes energias, concluimos que toda a
fısica da interacao do trem de ondas com os varios potenciais da seccao 3.2 foi ja vista.
Usar o trem de ondas em vez das ondas individuais aumenta a complexidade tecnica da
analise sem introduzir grandes novidades. Assim nesta seccao discutiremos brevemente a
evolucao de um trem de ondas gaussiano livre e a interaccao de um trem de ondas com um
salto de potencial.
92 A equacao de Schrodinger
3.3.1 Trem de ondas Gaussiano livre
Um exemplo tratavel analiticamente de um trem de ondas e considerar em (3.1.26)
g(k) =
(
a2
2π
)1/4
e−a2(k−k0)2/4 , φ(k) = 0 , ω(k) =~
2mk2 , (3.3.1)
correspondendo a uma funcao gaussiana para o perfil de Fourier de amplitudes, com todas
as ondas em fase e com a relacao de dispersao de uma partıcula livre (3.0.4). Assim sendo,
(3.1.26) pode-se escrever na forma
Ψ(x, t) =
√a
(2π)3/4exp
(
ix+ a2k0
2
)2
a2 + 2i~tm
− a2k20
4
∫ +∞
−∞exp
−[
a2
4+i~t
2m
]
(
k − 2ix+ a2k0
a2 + 2i~tm
)2
dk ,
(3.3.2)
ou, fazendo o integral Gaussiano,
Ψ(x, t) =
(
2a2
π
)1/4(
a2 +2i~t
m
)−1/2
exp
(
ix+ a2k0
2
)2
a2 + 2i~tm
− a2k20
4
. (3.3.3)
Trabalhando os termos na exponencial, reescrevemos a funcao de onda como
Ψ(x, t) =
(
2a2
π
)1/4(
a2 +2i~t
m
)−1/2
exp i
(
−~k20t
2m+ k0x
)
exp
(
−[
x− ~k0tm
]2
a2 + 2i~tm
)
, (3.3.4)
ou, definindo θ como
tan 2θ =2~t
ma2⇔ e−iθ =
(
a2 − 2i~tm
a2 + 2i~tm
)1/4
, (3.3.5)
temos
Ψ(x, t) =
(
2a2
π
)1/4(
a4 +4~2t2
m2
)−1/4
exp i
(
−θ − ~k20t
2m+ k0x
)
exp
(
−[
x− ~k0tm
]2
a2 + 2i~tm
)
.
(3.3.6)
Nesta forma e simples verificar que o modulo da funcao de onda ao quadrado e
|Ψ(x, t)|2 =
(
2a2
π
)1/2(
a4 +4~
2t2
m2
)−1/2
exp
(
−2a2
[
x− ~k0tm
]2
a4 + 4~2t2
m2
)
. (3.3.7)
Extraımos as seguintes conclusoes:
3.3 Evolucao de um trem de ondas 93
• A funcao de onda esta normalizada e a sua norma e conservada na evolucao temporal
‖Ψ(t)‖2 ≡∫ +∞
−∞|Ψ(x, t)|2 = 1 . (3.3.8)
Veremos mais tarde que este facto resulta de o Hamiltoniano ser Hermıtico e como
tal a evolucao unitaria.
• A variancia, σx, associado com a funcao de distribuicao de probabilidade P(x) = |Ψ(x, t)|2
e
σx =a2
4+
~2t2
a2m2, (3.3.9)
o que significa que a funcao de onda se esta a espalhar para t > 0. Isto e, definimos
a nossa partıcula livre como uma gaussiana para t = 0 posteriormente ela espalha-se
delocalizando cada vez mais a partıcula. Este fenomeno de espalhamento e geral para
trens de onda livres.
3.3.2 Trem de ondas incidente num salto de potencial (E < V0)
Vamos considerar um trem de ondas incidente no salto de potencial da figura (3.3). Vamos
considerar o caso em que todas as ondas no nosso trem tem uma energia E < V0. Este
caso para uma onda foi tratado na seccao 3.2.3. Concluimos que para cada onda plana
monocromatica - vector de onda k - as amplitudes A e A′ estavam relacionadas por (3.2.28).
Portanto, para um trem de ondas vamos ter as relacoes
A′(k1)
A(k1)=k1 − ik2
k1 + ik2≡ e−2iθ(k1) , onde tan θ ≡ k2
k1, (3.3.10)
para cada onda no trem. Isto e, dada uma onda com energia E, que define k1 e k2, temos
que as amplitudes incidente e reflectida diferem apenas de uma fase. Como vimos na seccao
3.2.3 isto significa que a reflexao e total mas ha um atraso correspondente a diferenca de
fase. Definimos
K0 =
√2mV0
~, (3.3.11)
e consideramos que todas as ondas no trem obedecem a k1 < K0; todas as ondas sao
reflectidas. Consideremos a solucao na Regiao I para t = 0 sendo
Ψ(x, 0) =1√2π
∫ K0
0
dk1g(k1)[
eik1x + e−2iθ(k1)e−ik1x]
. (3.3.12)
94 A equacao de Schrodinger
Vamos assumir que |g(k1)| tem um pico pronunciado em k1 = k < K0 de modo a que a
velocidade de grupo vai ser definida pela propagacao deste pico. A evolucao do trem de
ondas e descrita pela funcao de onda
Ψ(x, t) =1√2π
∫ K0
0
dk1g(k1)ei(k1x−ω(k1)t) +
1√2π
∫ K0
0
dk1g(k1)e−i(k1x+ω(k1)t) , (3.3.13)
onde
ω(k1) = ω(k1) + 2θ(k1)
t. (3.3.14)
O primeiro termo representa o trem de ondas incidente. O segundo representa o trem de
ondas reflectido. A relacao de dispersao que usamos e mais uma vez a relacao de dispersao
para uma partıcula livre
ω(k1) =~k2
1
2m. (3.3.15)
A posicao do centro do trem de ondas incidente e dado por
xi(t) = t
[
dω
dk1
]
k1=k
=~k
mt , (3.3.16)
enquanto que a posicao do centro do trem de ondas reflectidas e dado por
xr(t) = −t[
dω
dk1
]
k1=k
= −~k
mt+
2√
K20 − k2
. (3.3.17)
Se pensarmos no centro do trem de ondas como descrevendo a ‘posicao’ da partıcula
quantica associada ao trem de ondas xi(t) e xr(t) podemos fazer a seguinte analise do
movimento:
• Esta solucao descreve o movimento na regiao I, isto e para x < 0. Para t < 0, xr > 0,
logo para t negativo nao ha onda reflectia. Do mesmo modo, para t > 0, xi > 0.
Logo, para t positivo nao ha onda incidente.
• Assim descrevemos o movimento como: i) para t < 0 a ‘partıcula’ desloca-se com veloci-
dade ~k/m no sentido positivo do eixo dos x; ii) entre
0 < t <2m
~k√
K20 − k2
≡ ∆τ , (3.3.18)
3.4 Sumario 95
a ‘partıcula’ nao esta na regiao I; ao contrario de uma partıcula classica que seria
reflectida instantaneamente, a partıcula quantica pode ‘penetrar’ na regiao II, devido
a onda evanescente originando um atraso na reflexao dado por ∆τ ; iii) para t > ∆τ
a ‘partıcula’ desloca-se com velocidade ~k/m no sentido negativo do eixo dos x.
Assim, usando um trem de ondas conseguimos obter uma solucao ‘localizada’ cujo cen-
tro podemos encarar como a ‘localizacao’ da partıcula quantica. Mas ao mesmo tempo
vemos os efeitos quanticos que decorrem da propagacao desta partıcula ser feita de um
modo ondulatorio, que neste caso corresponde ao atraso na reflexao. Analises semelhantes
poderiam ser feitas para todos os outros casos da seccao 3.2.
3.4 Sumario
Neste capıtulo introduzimos a equacao de Schrodinger. Discutimos as razoes porque uma
onda plana monocromatica nao e uma boa descricao da funcao de onda para uma partıcula
livre o que nos levou a introduzir o conceito de trem de ondas. Investigamos as con-
sequencias da equacao de Schrodinger em alguns potenciais independentes do tempo, es-
tudando os estados estacionarios do sistema, para ondas monocromaticas. A figura 3.12
faz um sumario dos potenciais estudados. Finalmente, estudamos a evolucao de um trem
de ondas Gaussiano e de um trem de ondas a interagir com um salto de potencial. A
importante licao a tirar desta analise e que as propriedes inesperadas da partıcula quantica
sao facilmente percebidas se nos lembrarmos que uma partıcula quantica se propaga como
uma onda, que e interpretada como uma onde de probabilidade.
96 A equacao de Schrodinger
SECÇAO
3.2.2
3.2.3
3.2.5
3.2.4
3.2.6
3.2.7
~
Figura 3.12: Os potenciais em escada estudados na seccao 3.2 (extraıdo de Eisberg &Resnick, ‘Quantum Physics’ ).
CAPITULO 4
Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica
Quantica
Neste capıtulo vamos introduzir de um modo sistematico a matematica usada na mecanica
quantica e os postulados que a definem como teoria fısica.
4.1 Funcoes de onda e operadores
O objecto matematico fundamental em mecanica quantica e a funcao de onda Ψ(~x, t).
Devido ao postulado de Born para a interpretacao da funcao de onda vamos estar par-
ticularmente interessados em funcoes de onda normalizaveis, ditas funcoes de quadrado
somavel, que obedecem a
‖Ψ(t)‖2 ≡∫
d3~xΨ(~x, t)Ψ(~x, t)∗ ≡∫
d3~x|Ψ(~x, t)|2 <∞ . (4.1.1)
O espaco das funcoes de quadrado somavel sobre o corpo dos complexos, C, forma um
espaco vectorial designado por ‘L2’ e tem a estrutura de um espaco de Hilbert. Mas o nosso
interesse incidira apenas sobre um subconjunto de ‘L2’, denotado por F que compreende
funcoes de onda de quadrado somavel infinitamente derivaveis e limitadas.
98 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
4.1.1 Estrutura de F e produto escalar em F
F e um espaco vectorial, isto e, se (a partir de agora deixamos de escrever, para simplici-
dade de notacao, o argumento (~x, t) das funcoes de onda)
Ψ1,Ψ2 ∈ F ⇒ Ψ ≡ λ1Ψ1 + λ2Ψ2 ∈ F , (4.1.2)
onde λ1, λ2 ∈ C. De facto,
|Ψ|2 = |λ1|2|Ψ1|2 + |λ2|2|Ψ1|2 + λ∗1λ2Ψ∗1Ψ2 + λ1λ
∗2Ψ1Ψ
∗2 , (4.1.3)
onde os dois ultimos termos tem o mesmo modulo (pois sao complexos conjugados) e sao
limitados superiormente por
2|λ1||λ2||Ψ1||Ψ2| ≤ |λ1||λ2|[
|Ψ1|2 + |Ψ2|2]
. (4.1.4)
Logo,
‖Ψ‖2 ≤∫
d3~x(
|λ1|2|Ψ1|2 + |λ2|2|Ψ1|2 + |λ1||λ2|[
|Ψ1|2 + |Ψ2|2])
, (4.1.5)
que e um numero finito pois, por hipotese, Ψ1,Ψ2 sao funcoes de quadrado somavel.
A definicao de norma que temos usado, (4.1.1), sugere a definicao de um produto escalar
entre duas funcoes de onda Ψ e Φ:
(Ψ,Φ) ≡∫
d3~xΨ∗Φ , (4.1.6)
que associa a um par de funcoes de onda Ψ,Φ ∈ F um numero complexo. Note-se que
porque as funcoes pertencem ao espaco de Hilbert este integral e necessariamente conver-
gente. Esta propriedade e uma consequencia da desigualdade de Schwarz que veremos em
baixo.
Propriedades do produto escalar:
i) Nao e simetrico
(Φ,Ψ) = (Ψ,Φ)∗ ; (4.1.7)
4.1 Funcoes de onda e operadores 99
ii) Linear no segundo argumento
(Φ, λ1Ψ1 + λ2Ψ2) = λ1(Φ,Ψ1) + λ2(Φ,Ψ2) ; (4.1.8)
iii) Anti-linear no primeiro argumento
(λ1Φ1 + λ2Φ2,Ψ) = λ∗1(Φ1,Ψ) + λ∗2(Φ2,Ψ) ; (4.1.9)
iv) Definicao de funcoes ortogonais: se
(Φ,Ψ) = 0 , (4.1.10)
as funcoes sao ditas ortogonais;
v) Definicao da norma:
(Ψ,Ψ) = ‖Ψ‖2 , (4.1.11)
que e real, positiva e so e zero se Ψ = 0.
vi) Finito
|(Ψ1,Ψ2)| ≤√
(Ψ1,Ψ1)√
(Ψ2,Ψ2) = ‖Ψ1‖‖Ψ2‖ <∞ , (4.1.12)
que decorre da desigualdade de Schwarz habitual
∣
∣
∣
∣
∫ b
a
f ∗gdx
∣
∣
∣
∣
2
≤∫ b
a
f ∗fdx
∫ b
a
g∗gdx . (4.1.13)
4.1.2 Bases de F
Dado que as funcoes de onda vivem num espaco vectorial e natural definir uma base. Isto
e, um conjunto completo de funcoes em que possamos expandir, de um modo unico, a
funcao de onda em cada instante t. Dependendo da estrutura de F , esta base pode ser
discreta ou contınua:
Base discreta un(~x) , n ∈ N Base contınua uα(~x) , α ∈ R . (4.1.14)
Nos casos em que analisaremos, un(~x) ∈ F para todo o n, mas uα(~x) /∈ F , pelo que o
uso do termo base e abusivo no caso contınuo, mas ainda assim sera usado com o sentido
100 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
de que expandiremos funcoes de F usando o conjunto uα(~x). Analisemos primeiro uma
base discreta:
• Expansao da funcao de onda para um dado t:
Ψ(~x) =∑
n
cnun(~x) , (4.1.15)
o que define de um modo unico as componentes cn;
• Relacao de ortonormalizacao da base:
(un, um) = δnm ; (4.1.16)
• Produto escalar de uma funcao de onda com uma funcao da base (i.e. projeccao na base)
(un,Ψ) =
∫
d3~xu∗nΨ =∑
m
∫
d3~xu∗ncmum =∑
m
cm(un, um) =∑
m
cmδnm = cn;
(4.1.17)
• Produto escalar de duas funcoes de onda em termos das suas componentes: Tomamos
Ψ =∑
n
cnun , Φ =∑
m
bmum , (4.1.18)
logo
(Φ,Ψ) =∑
n,m
b∗mcn
∫
d3~xu∗mun(4.1.16)
=∑
n,m
b∗mcnδnm =∑
n
b∗ncn , (4.1.19)
e em particular
(Ψ,Ψ) =∑
n
|cn|2 , (4.1.20)
que e uma generalizacao da igualdade de Bessel-Parseval (C.21).
• Relacao de fecho (isto e, un formam uma base)
Ψ(~x) =∑
n
cnun(~x)(4.1.17)
=∑
n
(un,Ψ)un(~x) =
∫
d3~x ′Ψ(~x ′)
[
∑
n
u∗n(~x ′)un(~x)
]
.
(4.1.21)
4.1 Funcoes de onda e operadores 101
Introduzimos aqui a Funcao delta de Dirac, δ(~x− ~x ′), definida pela propriedade1
∫
f(~x)δ(~x− ~x ′)d3~x = f(~x ′) ; (4.1.22)
(assumiu-se que ~x′ pertence ao domınio de integracao). Logo, se Ψ pode ser expandida
em termos da base concluimos que
∑
n
u∗n(~x′)un(~x) = δ(~x− ~x ′) . (4.1.23)
Reciprocamente, se (4.1.23) e verdadeira, Ψ pode ser expressa em termos da base; de
facto
Ψ(~x) =
∫
d3~x ′δ(~x−~x ′)Ψ(~x ′)hipotese
=
∫
d3~x ′Ψ(~x ′)
[
∑
n
u∗n(~x ′)un(~x)
]
=∑
n
cnun(~x) .
(4.1.24)
Assim, a relacao de fecho (4.1.23) e a expressao matematica de que un formam
uma base.
Facamos agora uma analise semelhante para uma ‘base’ contınua:
• Expansao da funcao de onda para um dado t:
Ψ(~x) =
∫
dαc(α)uα(~x) , (4.1.25)
o que define de um modo unico as componentes c(α);
• Relacao de ortonormalizacao da base:
(uα, uα′) =
∫
d3~xu∗αuα′ = δ(α− α′) ; (4.1.26)
• Projeccao na base
(uα,Ψ) =
∫
d3~xu∗α
∫
dα′c(α′)uα′
(4.1.26)=
∫
dα′c(α′)δ(α− α′) = c(α); (4.1.27)
Portanto, definindo a relacao de ortonormalizacao anterior permite-nos obter esta
relacao de projeccao, analoga ao caso discreto.
1Notemos que a ordem dos argumentos na funcao delta de Dirac nao interessa, i.e. δ(~x−~x ′) = δ(~x ′−~x).
102 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
• Produto escalar de duas funcoes de onda em componentes: Tomamos
Ψ =
∫
dαc(α)uα , Φ =
∫
dα′b(α′)uα′ , (4.1.28)
logo
(Φ,Ψ) =
∫
dαdα′b(α′)∗c(α)
∫
d3~xu∗α′uα(4.1.26)
=
∫
dαb(α)∗c(α) , (4.1.29)
e em particular
(Ψ,Ψ) =
∫
dα|c(α)|2 . (4.1.30)
• Relacao de fecho (isto e, uα formam uma base)
Ψ(~x) =
∫
dαc(α)uα(~x)(4.1.27)
=
∫
d3~x ′Ψ(~x ′)
∫
dαu∗α(~x ′)uα(~x) . (4.1.31)
Logo, se Ψ pode ser expandida em termos da base concluimos que∫
dαu∗α(~x ′)uα(~x) = δ(~x− ~x ′) . (4.1.32)
Reciprocamente, e simples demonstrar que se (4.1.32) e verdadeira, Ψ pode ser ex-
pressa em termos da base.
Resumimos as propriedades das bases contınuas e discretas nas seguinte tabela:
Base discreta un Base contınua uα
Expansao da Funcao de Onda Ψ(~x) =∑
n
cnun(~x) Ψ(~x) =∫
dαc(α)uα(~x)
Relacao de Ortonormalizacao (un, um) = δnm (uα, uα′) = δ(α− α′)
Projeccao da Funcao de Onda (un,Ψ) = cn (uα,Ψ) = c(α)
Produto escalar em componentes (Φ,Ψ) =∑
n
b∗ncn (Φ,Ψ) =∫
dαb∗(α)c(α)
Relacao de Fecho∑
n
u∗n(~x ′)un(~x) = δ(~x− ~x ′)∫
dαu∗α(~x ′)uα(~x) = δ(~x− ~x ′)
Note-se portanto que a passagem da base discreta para contınua pode ser sistemati-
zada como uma mudanca do ındice discreto da base para contınuo (n → α), somatorios
para integrais (∑
→∫
) e deltas de Kronecker para deltas de Dirac (δmn → δ(α − α′)).
Especializamos agora o caso contınuo para dois importantes conjuntos de funcoes:
4.1 Funcoes de onda e operadores 103
i) Tomamos o parametro contınuo α = ~p, as componentes c(α) = c(~p) ≡ Ψ(~p) e os vectores
da base (em n dimensoes)
uα(~x) = u~p(~x) =1
(2π~)n/2ei~x·~p/~ , (4.1.33)
ou seja ondas planas, que sao funcoes com momento bem definido;
ii) Tomamos o parametro contınuo α = ~x0, as componentes c(α) = c(~x0) ≡ Ψ(~x0) e os
vectores da base
uα(~x) = u~x0(~x) = δ(~x− ~x0) , (4.1.34)
ou seja deltas de Dirac, que sao funcoes cujo suporte esta bem definido no espaco de
posicoes.
Para estes dois exemplos de ‘bases’2 a tabela anterior toma a forma
Ondas Planas Deltas de Dirac
Expansao Ψ(~x) = (2π~)−n/2
∫
d~p Ψ(~p)ei~x·~p/~ Ψ(~x) =
∫
d~x0Ψ(~x0)δ(~x− ~x0)
Orto (2π~)−n
∫
d~x ei~x·(~p ′−~p)/~ = δ(~p ′ − ~p)∫
d~xδ(~x− ~x0)δ(~x− ~x0′) = δ(~x0 − ~x0
′)
Projeccao Ψ(~p) = (2π~)−n/2
∫
d~x Ψ(~x)e−i~x·~p/~ Ψ(~x0) =
∫
d~xΨ(~x)δ(~x− ~x0)
P.E.
∫
d~xΦ(~x)∗Ψ(~x) =
∫
d~pΦ(~p)∗Ψ(~p)
∫
d~xΦ(~x)∗Ψ(~x) =
∫
d~x0Φ(~x0)∗Ψ(~x0)
Fecho (2π~)−n
∫
d~p ei~p·(~x ′−~x)/~ = δ(~x ′ − ~x)∫
d~x0δ(~x− ~x0)δ(~x′ − ~x0) = δ(~x− ~x ′)
Note-se que a penultima linha expressa relacoes do tipo da igualdade de Parseval-
Plancharel (C.29).
4.1.3 Operadores Lineares a actuar em F
Um operador linear A, e uma aplicacao (endomorfismo) em F
A : F −→ FΨ(~x) −→ Ψ′(~x) = AΨ(~x)
, (4.1.35)
2Relembramos que o termo base e abusivo pois os vectores da ‘base’ nao pertencem a F .
104 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
que e linear
A[λ1Ψ1 + λ2Ψ2] = λ1AΨ1 + λ2AΨ2 . (4.1.36)
Alguns exemplos de operadores:
• Operador Paridade
ΠΨ(x, y, z) = Ψ(−x,−y,−z) ; (4.1.37)
• Operador multiplicacao por x
XΨ(x, y, z) = xΨ(x, y, z) ; (4.1.38)
• Operador derivada em ordem a x
DxΨ(x, y, z) =∂
∂xΨ(x, y, z) ; (4.1.39)
• Operadores Hamiltoniano e Translacoes temporais (ver capıtulo 3) a actuar numa funcao
de onda do tipo Ψ(~x, t) = Φ(~x)e−iEt/~
HΨ(~x, t) = EΨ(~x, t) , TΨ(~x, t) = EΨ(~x, t) . (4.1.40)
Sejam A, B dois operadores. Definimos o produto de operadores AB como
(AB)Ψ(~x) = A[
BΨ(~x)]
. (4.1.41)
Em geral o produto de operadores nao e comutativo, isto e o comutador
[
A, B]
≡ AB − BA , (4.1.42)
e diferente de zero. Por exemplo, o comutador dos operadores X e Dx nao e zero
[
X, Dx
]
Ψ(~x) =
(
x∂
∂x− ∂
∂xx
)
Ψ(~x) = −Ψ(~x) , (4.1.43)
ou seja[
X, Dx
]
= −1 . (4.1.44)
4.1 Funcoes de onda e operadores 105
Como veremos adiante o facto de dois operadores comutarem ou nao esta intrinsecamente
associado ao princıpio da incerteza e ao facto de duas grandezas fısicas serem compatıveis
ou incompatıveis.
Um tipo particularmente importante de operadores em Mecanica Quantica sao os op-
eradores hermıticos, que por definicao obedecem a
(Ψ, AΨ) = (AΨ,Ψ) , ∀Ψ ∈ F . (4.1.45)
Estudemos a hermiticidade dos operadores anteriores:
• Operador Paridade
(Ψ, ΠΨ) =
∫ +∞
−∞d3~xΨ∗(~x)Ψ(−~x) ~x→−~x
= −∫ −∞
+∞d3~xΨ∗(−~x)Ψ(~x) = (ΠΨ,Ψ) ,
(4.1.46)
logo o operador Paridade e hermıtico.
• Operador multiplicacao por x
(Ψ, XΨ) =
∫
d3~xΨ∗(~x)xΨ(~x) =
∫
d3~x(xΨ(~x))∗Ψ(~x) = (XΨ,Ψ) , (4.1.47)
logo o operador multiplicacao por x e hermıtico. Deste exemplo conclui-se que se
os valores proprios do operador sao reais ele e hermıtico. O resultado recıproco e
tambem verdade, como veremos na seccao 4.2.6.
• Operador derivada em ordem a x
(Ψ, DxΨ) =
∫
d3~xΨ∗(~x)∂
∂xΨ(~x)
por partes= −
∫
d3~x∂
∂xΨ∗(~x)Ψ(~x) = −(DxΨ,Ψ) ,
(4.1.48)
logo o operador derivada nao e hermıtico (de facto e anti-hermıtico). Note-se que na
integracao por partes usamos que o modulo da funcao de onda desaparece no infinito,
devido a funcao de onda ser de quadrado somavel. Um exercıcio analogo mostra que
o operador iDx e hermıtico. Logo, o operador
P = −i~ ∂
∂x, (4.1.49)
que interpretaremos como operador momento, e um operador hermıtico.
106 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
• Operadores Hamiltoniano e Translacoes temporais (ver capıtulo 3) a actuar numa funcao
de onda do tipo Ψ(~x, t) = Φ(~x)e−iEt/~: pelo que vimos anterioremente este operadores
serao hermıticos se E for real.
Concluimos com a definicao que aos valores proprios de um operador se chama espectro do
operador.
4.2 A notacao de Dirac
Como vimos no fim do capıtulo 2, um sistema quantico caracteriza-se pelo estado em que
se encontra. Este estado e definido pela sua funcao de onda, que por sua vez, e um vector
em F . E desejavel ter uma designacao generica e caracterıstica para os vectores associados
a estados quanticos, independentemente de F ter dimensao finita ou infinita, de a base ser
contınua ou discreta e de o estado viver no espaco de configuracoes, polarizacoes, spin, etc
(todos os graus de liberdade possıveis). Dirac sugeriu a designacao de ket e a representacao
|αi〉 , (4.2.1)
onde os αi sao um conjunto apropriado de rotulos para o estado em consideracao.3 Por
exemplo, as funcoes de onda que tratamos no capıtulo 3, para uma partıcula sem spin,
Ψ(x) sao agora representadas pelo ket
Ψ(x) ∈ F −→ |Ψ〉 ∈ E . (4.2.2)
A ausencia do argumento espacial no rotulo do ket significa que o ket representa o estado,
independentemente das coordenadas usadas, enquanto que Ψ(~x) sao as componentes de
|Ψ〉 num dado sistema coordenado. Esta situacao e analoga a considerarmos um vector
~v, que e uma entidade geometrica autonoma, independentemente da base escolhida para
o representar numa situacao concreta, em que tem componentes vi. Definimos tambem
um espaco de estados E , onde vivem os kets, que e isomorfico ao espaco das funcoes de
onda F . Vejamos pois como se reexpressam em E os conceitos de produto escalar e de
accao de operadores lineares.
3Como veremos na seccao 4.4.1, estes rotulos sao os valores proprios dos operadores de um ConjuntoCompleto de Observaveis que Comutam (C.C.O.C.).
4.2 A notacao de Dirac 107
4.2.1 Produto escalar e espaco dual a E
Definimos o produto escalar de kets como a associacao a cada par de kets de um numero
complexo
( , ) : E × E −→ C
|Ψ〉, |Φ〉 −→ (|Ψ〉, |Φ〉), (4.2.3)
que obedece as propriedades (4.1.7)-(4.1.12). Por outro lado podemos definir um espaco
dual a E , isto e um espaco cujos membros sao aplicacoes lineares de E para C
〈αi| ∈ E∗ : E −→ C . (4.2.4)
Os vectores deste espaco sao designados por bra e representados por
〈αi| , (4.2.5)
onde αi sao mais uma vez rotulos. A existencia do produto escalar determina uma corre-
spondencia entre E e E∗:4
E −→ E∗
|Φ〉 −→ (|Φ〉, . . .) ≡ 〈Φ|, (4.2.6)
onde os . . . representam a entrada livre. Esta correspondencia e antilinear. De facto
λ1|Φ1〉+ λ2|Φ2〉corresponde ao bra−→ (λ1|Φ1〉+ λ2|Φ2〉, . . .) = λ∗1(|Φ1〉, . . .) + λ∗2(|Φ2〉, . . .)
= λ∗1〈Φ1|+ λ∗2〈Φ2|.
(4.2.7)
Nesta notacao, o produto escalar e representado da seguinte forma
(|Φ〉, |Ψ〉) = 〈Φ|Ψ〉 . (4.2.8)
As propriedades (4.1.7)-(4.1.12) aplicam-se tambem nesta notacao. O uso de bras e
kets denomina-se notacao de Dirac. Nesta notacao o produto escalar aparece como um
parentesis da forma 〈. . . | . . .〉, ou seja a justaposicao de um bra a um ket; a origem destes
esta no ingles em que parentesis se diz bracket=bra+ket.
4Se E for finito, E e E∗ sao isomorficos, mas em geral nao sao.
108 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
4.2.2 Accao de operadores lineares
Podemos reescrever a seccao 4.1.3 na notacao de Dirac. Assim, um operador linear A e
um endomorfismo em E
A : E −→ E|Φ〉 −→ |Φ′〉 ≡ A|Φ〉
, (4.2.9)
que e linear
A [λ1|Ψ1〉+ λ2|Ψ2〉] = λ1A|Ψ1〉+ λ2A|Ψ2〉 . (4.2.10)
O produto escalar do ket |Φ〉 com A|Ψ〉,
〈Φ|A|Ψ〉 , (4.2.11)
e designado elemento de matriz do operador A entre |Φ〉 e |Ψ〉, que e um numero complexo
que depende linearmente em |Ψ〉 e antilinearmente em |Φ〉. Um exemplo particular de
operador e construıido com um bra e um ket com a ordem ‘trocada’:
|Φ〉〈Ψ| : E −→ E|χ〉 −→ |Φ〉〈Ψ|χ〉 = z|Φ〉
, (4.2.12)
onde z ≡ 〈Ψ|χ〉 e um numero complexo. Em particular, o operador |Ψ〉〈Ψ| e um operador
de projeccao de um ket arbitrario em |Ψ〉
|Ψ〉〈Ψ| : E −→ E|χ〉 −→ |Ψ〉〈Ψ|χ〉
, (4.2.13)
projeccao que e nula se |Ψ〉 e |χ〉 forem ortogonais, isto e 〈Ψ|χ〉 = 0. Deste exemplo
concluımos que a ordem com que colocamos kets e bras e fundamental:
〈Ψ|Φ〉 = numero , |Φ〉〈Ψ| = operador . (4.2.14)
Podemos usar a accao de um operador num ket para definir a accao de um operador
num bra do seguinte modo:
(
〈Φ|A)
|Ψ〉 ≡ 〈Φ|(
A|Ψ〉)
. (4.2.15)
4.2 A notacao de Dirac 109
Isto e, um elemento de matriz e independente de o operador actuar primeiramente no bra
ou no ket. Como exercıcio pode tentar demonstrar que a accao no bra assim definida e
linear. Podemos pois escrever o elemento de matriz como (4.2.11) pois nao ha ambiguidades
de ordem de actuacao.
4.2.3 O operador adjunto
Definimos o operador adjunto a A, representado A† (le-se “A dagger” ou “A adjunto”), do
seguinte modo: a cada ket associamos um bra5
|Ψ〉 −→ 〈Ψ| ; (4.2.16)
definimos o operador adjunto como o operador que actuando no bra 〈Ψ| da origem ao bra
associado ao ket A|Ψ〉|Ψ′〉 ≡ A|Ψ〉 −→ 〈Ψ′| ≡ 〈Ψ|A† . (4.2.17)
Mostremos que, por esta definicao, a accao de A† nos bras e linear. Seja
λ∗1|Ψ1〉+ λ∗2|Ψ2〉 −→ λ1〈Ψ1|+ λ2〈Ψ2| ; (4.2.18)
pela linearidade de A
A (λ∗1|Ψ1〉+ λ∗2|Ψ2〉) = λ∗1
(
A|Ψ1〉)
+ λ∗2
(
A|Ψ2〉)
, (4.2.19)
e igualando os bras associados a cada um destes kets obtemos imediatamente
(λ1〈Ψ1|+ λ2〈Ψ2|) A† = λ1
(
〈Ψ1|A†)
+ λ2
(
〈Ψ2|A†)
, (4.2.20)
o que demonstra que a accao de A† e linear.
Uma importante equacao e a que relaciona os elementos de matriz de A† com os de A.
Por (4.1.7),
〈Ψ′|Φ〉 = 〈Φ|Ψ′〉∗ , (4.2.21)
para |Φ〉 e |Ψ′〉 arbitrarios. Se tomarmos |Ψ′〉 como em (4.2.17) obtemos
〈Ψ|A†|Φ〉 = 〈Φ|A|Ψ〉∗ . (4.2.22)
5Nesta seccao a seta denota a correspondencia (4.2.6).
110 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
As seguintes propriedades sao consequencia de (4.2.17) e (4.2.22):
i)(
A†)†
= A ; (4.2.23)
ii)(
λA)†
= λ∗A† ; (4.2.24)
iii)(
A+ B)†
= A† +B† ; (4.2.25)
iv)
AB|ψ〉 −→ 〈Ψ|(
AB)†
A(
B|Ψ〉)
−→(
〈Ψ|B†)
A†. (4.2.26)
Logo(
AB)†
= B†A† . (4.2.27)
Reexpressemos a definicao de operador hermıtico (4.1.45), na notacao de Dirac. Con-
sideramos os kets |Ψ〉 e A|Ψ〉. Os seus bras associados sao
|Ψ〉 −→ (|Ψ〉, . . .) ≡ 〈Ψ|A|Ψ〉 −→
(
A|Ψ〉, . . .)
≡ 〈Ψ|A†. (4.2.28)
Logo, a condicao (4.1.45) e expressa
〈Ψ|A|Ψ〉 = 〈Ψ|A†|Ψ〉 , (4.2.29)
que, sendo |Ψ〉 arbitrario, e equivalente a
A† = A . (4.2.30)
Notemos que o produto de 2 operadores hermıticos so e um operador hermıtico se o seu
comutador for zero
(
AB)†
= AB(4.2.27)⇔ B†A† = AB
hermiticidade⇔ BA = AB ⇔[
A, B]
= 0 . (4.2.31)
4.2 A notacao de Dirac 111
4.2.4 A operacao adjunta
A definicao de operador adjunto resulta da correspondencia entre E e E∗. Chamamos por
isso a um ket e ao seu bra associado adjuntos e denotamos
〈Ψ|† = |Ψ〉 , |Ψ〉† = 〈Ψ| . (4.2.32)
O que acontece quando temos um produto de kets e bras como por exemplo
(|a〉〈b|)† ? (4.2.33)
O elemento de matriz deste operador entre 2 estados arbitrarios e
〈Ψ| (|a〉〈b|)† |Φ〉 (4.2.22)= (〈Φ|a〉〈b|Ψ〉)∗ = 〈Φ|a〉∗〈b|Ψ〉∗ = 〈Ψ|b〉〈a|Φ〉 = 〈Ψ| (|b〉〈a|) |Φ〉 ,
(4.2.34)
ou seja
(|a〉〈b|)† = |b〉〈a| . (4.2.35)
Assim, a accao da operacao adjunta transforma ket ↔ bra e, tal como para operadores,
inverte a ordem. Notando que a operacao adjunta transforma um escalar no seu com-
plexo conjugado (por (4.2.24)), resumimos a accao da operacao adjunta numa expressao
composta por kets, bras, constantes e operadores do seguinte modo:
i) Substituimos
• constantes pelos complexos conjugados;
• kets pelos bras associados e vice-versa;
• operadores pelos adjuntos;
ii) Invertemos a ordem dos factores.
4.2.5 Notacao de Dirac numa dada base
Reproduzimos a tabela da seccao 4.1.2 na notacao de Dirac:6
6Os kets |uα〉 sao designados por kets generalizados, pois nao pertencem a E , i.e. nao sao normalizaveis,tal como os vectores uα(~x) na seccao 4.1.2.
112 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
Base discreta |un〉 Base contınua |uα〉
Expansao da Funcao de Onda |Ψ〉 =∑
n
cn|un〉 |Ψ〉 =∫
dαc(α)|uα〉
Relacao de Ortonormalizacao 〈un|um〉 = δnm 〈uα|uα′〉 = δ(α− α′)
Projeccao da Funcao de Onda 〈un|Ψ〉 = cn 〈uα|Ψ〉 = c(α)
Produto escalar em componentes 〈Φ|Ψ〉 =∑
n
b∗ncn 〈Φ|Ψ〉 =∫
dαb∗(α)c(α)
Relacao de Fecho P (n) ≡∑
n
|un〉〈un| = 1 P (α) ≡∫
dα|uα〉〈uα| = 1
onde usamos o ket
|Φ〉 =∑
n
bn|un〉 , (4.2.36)
e denotamos o operador identidade como 1. Demonstremos a relacao de fecho no caso
discreto. Considerando o ket |Ψ〉 nesta base temos
|Ψ〉 =∑
n
cn|un〉 =∑
n
〈un|Ψ〉|un〉 =∑
n
|un〉〈un|Ψ〉 , (4.2.37)
o que implica a equivalencia∑
n
|un〉〈un| = 1 . (4.2.38)
E simples expressar um bra nesta base usando este operador. No caso discreto
〈Ψ| =∑
n
〈Ψ|un〉〈un| =∑
n
c∗n〈un| . (4.2.39)
Por outro lado, os elementos de matriz de um operador A sao
Anm = 〈un|A|um〉 A(α, α′) = 〈uα|A|uα′〉 , (4.2.40)
para uma base discreta e contınua respectivamente. Assim, no caso de uma base discreta
podemos resumir a situacao do seguinte modo:
• O ket |Ψ〉 =∑
n cn|un〉 e representado como um vector coluna com componentes cn;
• O bra 〈Φ| = ∑n b∗n〈un| e representado como um vector linha com componentes b∗n;
4.2 A notacao de Dirac 113
• O operador A e representado como uma matriz com componentes Anm = 〈un|A|um〉;
• O ket A|Ψ〉 e representado como um vector coluna com componentes dn =∑
mAnmcm,que resulta da multiplicacao de uma matriz (que representa A) por um vector coluna
(que representa |Ψ〉); de facto projectando este ket nos vectores da base obtemos
dn = 〈un|A|Ψ〉 = 〈un|A1|Ψ〉 =∑
m
〈un|A|um〉〈um|Ψ〉 =∑
m
Anmcm ; (4.2.41)
• O bra 〈Ψ|A e representado como um vector linha com componentes ∑
n c∗nAnm, que
resulta da multiplicacao de um vector linha (que representa 〈Ψ|) por uma matriz
(que representa A); de facto projectando este bra nos vectores da base obtemos
〈Ψ|A|um〉 = 〈Ψ|1A|um〉 =∑
n
〈Ψ|un〉〈un|A|um〉 =∑
n
c∗nAnm ; (4.2.42)
• O numero 〈Φ|A|Ψ〉 e representado como∑
n,m b∗nAnmcm, que resulta da multiplicacao
de uma matriz (que representa A) por um vector linha a esquerda (que representa o
bra) e um vector coluna a direita (que representa o ket); de facto
〈Φ|A|Ψ〉 = 〈Φ|1A1|Ψ〉 =∑
n,m
〈Φ|un〉〈un|A|um〉〈um|Ψ〉 =∑
n,m
b∗nAnmcm ; (4.2.43)
• O operador adjunto A† de um operador A e representado pela matriz complexa conjugada
e transposta da matriz que representa A; de facto
(
A†)nm
= 〈un|A†|um〉(4.2.22)
= 〈um|A|un〉∗ = A∗mn ; (4.2.44)
• Um operador hermıtico e representado por uma matriz hermıtica, pois A† = A implica
que
Anm = A∗mn . (4.2.45)
4.2.6 Valores proprios e vectores proprios de um operador
Um problema fundamental em mecanica quantica e encontrar os valores proprios, λ, e os
vectores proprios, |Ψ〉, de um operador A; isto e, resolver a equacao
A|Ψ〉 = λ|Ψ〉 . (4.2.46)
114 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
Chama-se espectro do operador A ao seu conjunto de valores proprios. Notemos que para
qualquer operador linear
i) Se |Ψ〉 e vector proprio, α|Ψ〉 tambem o e, correspondendo ao mesmo valor proprio.
Podemos por isso escolher sempre os vectores proprios normalizados, isto e
〈Ψ|Ψ〉 = 1 . (4.2.47)
ii) Se |Ψi〉, i=1,...,n, sao linearmente independentes e correspondem ao mesmo valor
proprio, o valor proprio diz-se degenerado com grau de degenerescencia n.
No caso de o operador em consideracao ser hermıtico podemos ainda enunciar as seguintes
propriedades:
i) Os valores proprios de um operador hermıtico A sao reais:
λ〈Ψ|Ψ〉 = 〈Ψ|A|Ψ〉 (4.2.22)= 〈Ψ|A|Ψ〉∗ = λ∗〈Ψ|Ψ〉 , (4.2.48)
logo
λ = λ∗ ; (4.2.49)
ii) Dois vectores proprios |Ψ〉, |Φ〉 associados a valores proprios distintos λ, µ sao ortogo-
nais. De facto,
A|Ψ〉 = λ|Ψ〉A|Φ〉 = µ|Φ〉
adjunto←→
〈Ψ|A = λ〈Ψ|〈Φ|A = µ〈Φ|
, (4.2.50)
logo se considerarmos 〈Φ|A|Ψ〉 podemos pensar de duas maneiras
λ〈Φ|Ψ〉 = 〈Φ|(
A|Ψ〉)
= 〈Φ|A|Ψ〉 =(
〈Φ|A)
|Ψ〉 = µ〈Φ|Ψ〉 , (4.2.51)
e como λ 6= µ concluımos que 〈Φ|Ψ〉 = 0.
Na pratica, dada uma base em que expressamos um operador A como uma matriz, encon-
trar os valores proprios do operador resume-se a encontrar os valores proprios da matriz e
portanto resolver a equacao
det (Amn − λδmn) = 0 . (4.2.52)
4.3 Os postulados da Mecanica Quantica 115
4.2.7 Observaveis
Consideremos um operador hermıtico A, e por simplicidade assumimos que os seus valores
proprios formam um espectro discreto λn, n=1,...,N, com
A|Ψin〉 = λn|Ψi
n〉 , (4.2.53)
onde i representa a degenerescencia de cada valor proprio, i = 1, ..., gn, onde gn e um
numero inteiro que depende de n. Para cada n podemos escolher uma base ortonormada
do subespaco vectorial associado ao valor proprio λn,
〈Ψin|Ψj
n〉 = δij . (4.2.54)
Como vimos anteriormente os vectores proprios associados a valores proprios distintos sao
necessariamente ortogonais e podemos escolhe-los normalizados. Assim o conjunto |Ψin〉,
n = 1...N , i = 1...gn forma uma base ortonormada do espaco de funcoes proprias de A. Se
este conjunto e tambem uma base do espaco de estados E , o operador hermıtico e designado
uma observavel. Portanto, o requerimento para ser observavel e que qualquer estado de Epossa ser expresso como uma combinacao linear de funcoes proprias da observavel, condicao
que e expressa matematicamente pela relacao de fecho
N∑
n=1
gn∑
i=1
|Ψin〉〈Ψi
n| = 1 . (4.2.55)
Veremos na proxima seccao que as grandezas fısicas mensuraveis estao associadas a ob-
servaveis.
4.3 Os postulados da Mecanica Quantica
Pensemos na descricao da mecanica classica dada pelo formalismo Hamiltoniano descrito
na seccao 1.3. Podemos escrever “postulados” para a mecanica classica de N partıculas
pontuais usando a linguagem de estado do sistema que temos usado na descricao quantica.
Os postulados classicos seriam os seguintes:
i) O estado de um sistema no instante t0 e definido especificando qi(t0), pi(t0), i = 1...N ;
116 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
ii) Num dado instante o valor de todas as quantidades fısicas e completamente determinado
se o estado do sistema e conhecido. Sabendo o estado do sistema em t0 podemos
prever com toda a certeza o resultado de qualquer medida efectuada no sistema em
t0;
iii) A evolucao do estado do sistema e dada pelas equacoes canonicas (1.3.13)
pi = −∂H∂qi
, qi =∂H
∂pi
, (4.3.1)
onde H e o Hamiltoniano. Dado estas serem equacoes diferenciais de primeira ordem,
a sua solucao qi(t), pi(t) e completamente determinada pelas condicoes iniciais
qi(t0), pi(t0). Assim, o estado do sistema e conhecido para todo o t se for conhecido
para t0.
Qual o sistema de postulados que substituem os anteriores em mecanica quantica? Ou
seja:
i) Como se descreve matematicamente num dado instante t0 o estado de umsistema quantico?
Primeiro Postulado
Num dado instante t0, o estado de um sistema e descrito por um ket |Ψ(to)〉 pertencente
ao espaco de estados E .
Note-se que neste postulado esta implıcito: a) o princıpio de sobreposicao, pois E e um
espaco vectorial; b) normalizabilidade da funcao de onda pois E e um subespaco de um
espaco de Hilbert.
ii) Dado este estado, como podemos prever o resultado da medida de quanti-dades fısicas?
Segundo Postulado
Qualquer quantidade fısica mensuravel, A, e descrita por um operador, A, que actua
em E ; este operador e uma observavel.
4.3 Os postulados da Mecanica Quantica 117
Note-se desde ja que em mecanica quantica o estado do sistema - representado por
um vector - e uma quantidade fısica mensuravel - representada por um operador - tem
naturezas diferentes. Em mecanica classica este contraste nao existe.
Terceiro Postulado
Os unicos resultados possıveis numa medicao de A sao os valores proprios de A.
Note-se que a) o resultado de uma medicao e um numero real, como consequencia de
A ser hermıtico; b) se o espectro de A for discreto os resultados possıveis da medicao de
A estao quantificados.
Quarto Postulado
A previsao do resultado da medicao de A e de natureza probabilıstica. Se A for medida
num sistema descrito por um estado normalizado |Ψ〉, temos as seguintes possibilidades
para a probabilidade de obter um dado valor:
• Se A tem um espectro discreto an, a probabilidade de obter um dado valor proprio an
e
P(an) =
gn∑
i=1
|〈uin|Ψ〉|2 , (4.3.2)
onde gn e o grau de degenerescencia do valor proprio an e |uin〉, i = 1...gn e uma
base ortonormada do subespaco de vectores proprios associados a an;
• Se A tem um espectro contınuo a(α), a probabilidade dP(α) de obter um resultado
entre α e α+ dα e
dP(α) = |〈uα|Ψ〉|2dα , (4.3.3)
onde |uα〉 e o vector proprio de A associado ao valor proprio a(α).
Note-se que para este postulado ser coerente, a soma da probabilidade de todos os resul-
tados possıveis tem de ser 1. Este e o caso se A for uma observavel. De facto, tomando
como exemplo simples o caso de um espectro discreto nao degenerado,
∑
n
P(an) =∑
n
|〈un|Ψ〉|2 A e observavel=
∑
m
∑
n
|〈un|um〉cm|2 =∑
m
|cm|2 = 1 , (4.3.4)
118 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
pois 〈Ψ|Ψ〉 = 1 por hipotese. Logo, a condicao de A ser observavel garante que
〈Ψ|Ψ〉 = 1A e Observavel⇒
∑
todos os valores proprios
P(valor proprio) = 1 . (4.3.5)
Note-se tambem que poderıamos considerar casos mais complicados, como espectros contınuos
degenerados ou espectros parcialmente contınuos e parcialmente discretos.
Quinto Postulado - Colapso da funcao de onda
Se a medicao de uma grandeza fısica A no sistema no estado |Ψ〉 da resultado:
• (caso discreto) an, o sistema imediatamente depois da medida encontra-se no estado
descrito pela projeccao normalizada de |Ψ〉 para o subespaco associado a an
|Ψ〉 medida da an−→ Pn|Ψ〉√
〈Ψ|Pn|Ψ〉, (4.3.6)
onde
Pn =
gn∑
i=1
|uin〉〈ui
n| ; (4.3.7)
• (caso contınuo) α0 com incerteza ∆α, o sistema imediatamente depois da medida encontra-
se no estado descrito pela projeccao
|Ψ〉medida da α0incerteza ∆α−→ P∆α(α0)|Ψ〉
√
〈Ψ|P∆α(α0)|Ψ〉, (4.3.8)
onde
P∆α(α0) =
∫ α0+∆α/2
α0−∆α/2
dα|uα〉〈uα| . (4.3.9)
Note-se que a evolucao normal do sistema podera retira-lo deste estado proprio de A,
caso este operador nao comute com o operador Hamiltoniano.
iii) Sabendo o estado inicial em t0, como calcular o estado num instante poste-rior t?
Sexto Postulado
A evolucao temporal do estado do sistema |Ψ(t)〉 e descrita pela equacao de Schrodinger
i~d
dt|Ψ(t)〉 = H(t)|Ψ(t)〉 , (4.3.10)
4.4 Quantificacao 119
onde H(t) e o operador Hamiltoniano que e a observavel associada com a energia total do
sistema.
4.4 Quantificacao
O princıpio da incerteza de Heisenberg ficou, aparentemente, de fora nos postulados da
seccao anterior. Por outro lado, o segundo postulado associa a uma grandeza mensuravel
A um operador A, que nao especificamos como construir. Vamos agora estabelecer como
e que associamos as variaveis fısicas mensuraveis operadores e como e que incorporamos
nesses operadores o princıpio da incerteza.
4.4.1 Variaveis compatıveis, incompatıveis e C.C.O.C.
Duas grandezas mensuraveis A e B dizem-se compatıveis se os operadores que lhes estao
associados A e B comutam. Tambem se usa o termo compatıveis para as proprias ob-
servaveis. Significado matematico de compatibilidade:
Teorema: A compatibilidade de duas observaveis e equivalente a possuirem um sistema
ortonormado completo e comum de funcoes proprias, isto e, uma base propria comum.
Estas observaveis sao ditas simultaneamente diagonalizaveis.
Demonstracao: Aqui tomamos somente o caso mais simples em que A e B tem espectro
discreto nao degenerado com valores proprios, respectivamente, an e bn.i) (⇐) Utilizemos estes valores proprios como rotulos do conjunto ortonormado e com-
pleto de vectores proprios comum a A e B denotado |an, bm〉:
A|an, bm〉 = an|an, bm〉 , B|an, bm〉 = bm|an, bm〉 . (4.4.1)
Logo(
BA− AB)
|an, bm〉 = 0 , (4.4.2)
de onde concluimos, devido aos |an, bm〉 formarem uma base do espaco de estados, que[
A, B]
= 0.
120 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
ii) (⇒) Consideramos duas variaveis compatıveis, que portanto tem operadores associ-
ados A e B que comutam. Consideremos um conjunto completo de vectores proprios de
A, |an〉,A|an〉 = an|an〉 . (4.4.3)
O vector B|an〉 e tambem vector proprio de A com valor proprio an; de facto
A(
B|an〉)
[A,B]=0= BA|an〉 = an
(
B|an〉)
. (4.4.4)
Mas como assumimos que o espectro e nao degenerado, todos os vectores proprios associ-
ados a um valor proprio sao colineares. Logo
B|an〉 = b|an〉 , (4.4.5)
o que mostra que os vectores proprios de A sao tambem vectores proprios de B e como tal
que existe um conjunto completo de vectores proprios comum a A e B. (q.e.d.)
Corolario: Se o Hamiltoniano H comuta com um operador O entao existe uma base de
estados estacionarios cujos elementos sao tambem estados proprios de O. Note, no entanto,
que se o espectro de H for degenerado podera ser possıvel construir estados estacionarios
que nao sao estados proprios de O.
Nota: o facto de nao existir uma base propria comum a duas observaveis nao significa
que nao exista nenhum vector proprio comum.
Obviamente, duas grandezas mensuraveis A e B dizem-se incompatıveis se os oper-
adores que lhes estao associados A e B nao comutam (os operadores tambem sao ditos
incompatıveis). Significado fısico da incompatibilidade:
Teorema: A incompatibilidade de duas grandezas fısicas implica a impossibilidade de
determinar ambas as grandezas com precisao arbitraria.
Demonstracao: Assumimos que os operadores A e B associados as nossas grandezas
fısicas A e B nao comutam:
[
A, B]
= ia1 , a ∈ R+ . (4.4.6)
4.4 Quantificacao 121
Estas grandezas tem associadas funcoes de distribuicao de probabilidade. Podemos por
isso associar-lhes um valor esperado, uma variancia e um desvio padrao. Pretendemos
demonstrar que o produto dos desvios padrao tem um ınfimo. Se o espectro de A e B for
dado por an e bn, os valores esperados das grandezas A e B serao dados por
〈A〉 =∑
n
P(an)an , 〈B〉 =∑
n
P(bn)bn , (4.4.7)
onde P(an) = |〈an|Ψ〉|2 e os desvios padrao
∆A =√
〈(A− 〈A〉)2〉 , ∆B =√
〈(B − 〈B〉)2〉 . (4.4.8)
Primeiro, notamos como expressar 〈A〉 na notacao de Dirac:
〈A〉 =∑
n
〈an|Ψ〉∗〈an|Ψ〉an =∑
n
〈Ψ|an〉〈an|Ψ〉an =∑
n
〈Ψ|A|an〉〈an|Ψ〉 = 〈Ψ|A|Ψ〉 ≡ 〈A〉 .
(4.4.9)
Observe a notacao. No fim da linha denotamos o valor esperado de um operador num
determinado estado de uma maneira analoga ao valor esperado (ou medio) estatıstico que
aparece no inıcio da linha.
Segundo, definimos as observaveis α, β do seguinte modo
α = A− 〈A〉1 , β = B − 〈B〉1 , (4.4.10)
que sao observaveis com a mesma relacao de comutacao que A e B, [α, β] = ia1, correspon-
dentes a grandezas fısicas, α, β, com o mesmo desvio padrao de A,B mas valor esperado
zero. Logo (4.4.8) fica neste caso
(∆α)2 = 〈α2〉, (∆β)2 = 〈β2〉 , (4.4.11)
ou, na notacao de Dirac
(∆α)2 = 〈Ψ|α2|Ψ〉, (∆β)2 = 〈Ψ|β2|Ψ〉 , (4.4.12)
ou ainda, definindo |Ψ1〉 = α|Ψ〉 e |Ψ2〉 = β|Ψ〉
(∆α)2 = 〈Ψ1|Ψ1〉, (∆β)2 = 〈Ψ2|Ψ2〉 . (4.4.13)
122 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
Terceiro usamos a desigualdade de Schwarz (4.1.12)
(∆α∆β)2 = 〈Ψ1|Ψ1〉〈Ψ2|Ψ2〉(4.1.12)
≥ 〈Ψ1|Ψ2〉〈Ψ2|Ψ1〉 = 〈Ψ|αβ|Ψ〉〈Ψ|βα|Ψ〉 . (4.4.14)
Notemos que embora α e β sejam hermıticos, o seu produto αβ nao e hermıtico, pois eles
nao comutam. Assim
x+ iy ≡ 〈Ψ|αβ|Ψ〉 = 〈Ψ|(
αβ)†|Ψ〉∗ = 〈Ψ|βα|Ψ〉∗ ⇒ 〈Ψ|βα|Ψ〉 ≡ x− iy . (4.4.15)
Logo reescrevemos (4.4.14) como
(∆α∆β)2 ≥ x2 + y2 ≥ y2 = −1
4
(
〈Ψ|αβ|Ψ〉 − 〈Ψ|βα|Ψ〉)2
= −1
4
(
〈Ψ|[
α, β]
|Ψ〉)2
=a2
4.
(4.4.16)
Finalmente concluimos entao que
∆α∆β ≥ a
2⇔ ∆A∆B ≥ a
2, (4.4.17)
o que mostra que nao podemos determinar as duas grandezas simultaneamente com precisao
arbitraria. (q.e.d.)
Tendo compreendido que um conjunto de variaveis compatıveis corresponde a um con-
junto de observaveis que comutam e portanto tem uma base propria comum, introduzimos
a seguinte definicao
Definicao: Um conjunto de observaveis, A, B, C . . ., diz-se um Conjunto Completo de
Observaveis que Comutam (C.C.O.C) se:
i) Todos os pares de observaveis comutarem;
ii) Especificando o valor proprio de todas as observaveis determina um unico vector proprio
(normalizado);
iii) Ao retirarmos uma qualquer observavel, ii) deixa de ser obedecido, ou seja, o conjunto
e minimal.
4.4 Quantificacao 123
A base para o espaco de estados de um sistema fısico e escolhida como o conjunto de
vectores proprios de um C.C.O.C, sendo estes vectores rotulados pelos valores proprios do
C.C.O.C.
|an, bn, cn, . . .〉 , (4.4.18)
onde an, bn, cn, . . ., sao os espectros de A, B, C . . .. Note-se que para um dado
sistema fısico existem, em geral, varios C.C.O.C.
4.4.2 Os operadores X e P
O exemplo canonico de variaveis incompatıveis sao as grandezas fısicas momento e posicao.
Associando a estas grandezas fısicas as observaveis X e P e comparando (4.4.17) com (2.3.6)
identificamos a = ~ e usando em (4.4.6) temos que a relacao de comutacao
[
X, P]
= i~1 , (4.4.19)
reproduz a relacao de incerteza de Heisenberg. Ou seja (4.4.19) e a expressao do princıpio
da incerteza de Heisenberg em termos das observaveis X e P . Se tivessemos varias com-
ponentes de posicao e momento, Xk e Pj terıamos
[
Xk, Pj
]
= i~δkj 1 ,
[
Xk, Xj]
= 0 =[
Pk, Pj
]
, (4.4.20)
que sao denominadas relacoes de comutacao canonicas. Deste modo, nao podemos escolher
uma base de funcoes proprias comum a X e P , pelo que temos duas importantes alternativas
para a escolha de base de um sistema fısico:7
• Representacao |~x〉: Expandimos o estado do sistema fısico na base de funcoes proprias
do operador X. Esta base foi estudada no final da seccao 4.1.2 e corresponde a tomar
os vectores da base como deltas de Dirac, ou, na notacao de Dirac
δ(~x− ~x0) → |~x0〉 ; (4.4.21)
7Note-se que os kets que vamos usar |~x0〉 e |~p〉 sao kets generalizados.
124 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
• Representacao |~p〉: Expandimos o estado do sistema fısico na base de funcoes proprias
do operador P . Tomamos os vectores da base como ondas planas, ou, na notacao de
Dirac1
(2π~)n/2ei~p·~x/~ → |~p〉 . (4.4.22)
Para estas ‘bases’ a tabela da seccao 4.2.5 fica
Representacao |~p〉 Representacao |~x〉
Expansao da Funcao de Onda |Ψ〉 =
∫
d~p Ψ(~p)|~p〉 |Ψ〉 =
∫
d~x0Ψ(~x0)|~x0〉
Relacao de Ortonormalizacao 〈~p|~p ′〉 = δ(~p− ~p ′) 〈~x0|~x0′〉 = δ(~x0 − ~x0
′)
Projeccao da Funcao de Onda 〈~p|Ψ〉 = Ψ(~p) 〈~x0|Ψ〉 = Ψ(~x0)
Produto escalar em componentes 〈Φ|Ψ〉 =∫
d~pΦ∗(~p)Ψ(~p) 〈Φ|Ψ〉 =∫
d~x0Φ∗(~x0)Ψ( ~x0)
Relacao de Fecho∫
d~p|~p〉〈~p| = 1∫
d~x0|~x0〉〈~x0| = 1
Assim, podemos reinterpretar a funcao de onda no espaco de configuracoes Ψ(~x) e a
sua transformada de Fourier Ψ(~p) como os coeficientes da expansao do estado do sistema
na representacao |~x〉 e |~p〉 respectivamente. Notemos que
〈~x0|~p0〉 =
∫
d~xδ(~x− ~x0)1
(2π~)n/2ei~p0·~x/~ =
1
(2π~)n/2ei~p0·~x0/~ . (4.4.23)
Para simplificar a notacao trabalharemos a partir de agora em uma so dimensao. A
accao do operador X na representacao |x〉 e do operador P na representacao |p〉 e
X|x〉 = x|x〉 , P |p〉 = p|p〉 . (4.4.24)
Uma questao natural e a seguinte: Qual a accao do operador P na representacao |x〉 e
do operador X na representacao |p〉? Para obter a resposta consideramos o ket P |Ψ〉projectado na representacao |x〉:
〈x|P |Ψ〉 =
∫
dp〈x|p〉〈p|P |Ψ〉 =1√2π~
∫
dpeipx/~pΨ(p)
=1√2π~
(
−i~ d
dx
)∫
dpeipx/~Ψ(p) =
(
−i~ d
dx
)
Ψ(x) =
(
−i~ d
dx
)
〈x|Ψ〉. (4.4.25)
4.4 Quantificacao 125
Portanto, na representacao |x〉 o operador P coincide com o operador diferencial −i~d/dx,que e hermıtico, como vimos na seccao 4.1.3. Um elemento de matriz fica
〈Φ|P |Ψ〉 =
∫
dxdx′〈Φ|x〉〈x|P |x′〉〈x′|Ψ〉 =
∫
dxdx′Φ(x)∗(
−i~ d
dx
)
〈x|x′〉〈x′|Ψ〉
=
∫
dxΦ(x)∗(
−i~ d
dx
)
〈x|[∫
dx′|x′〉〈x′|]
|Ψ〉 =
∫
dxΦ(x)∗(
−i~ d
dx
)
Ψ(x)
.
(4.4.26)
Podemos ainda verificar a consistencia desta representacao do operador P com (4.4.19);
consideremos
〈x|[
X, P]
|Ψ〉 = 〈x|XP − P X|Ψ〉 , (4.4.27)
e se nos situarmos na representacao |x〉 temos
=(
〈x|X)
P |Ψ〉 − 〈x|P(
X|Ψ〉)
= x〈x|P |Ψ〉+ i~d
dx〈x|X|Ψ〉
= x
(
−i~ d
dx〈x|Ψ〉
)
+ i~d
dx(x〈x|Ψ〉) = i~〈x|Ψ〉
, (4.4.28)
ou, como |Ψ〉 e arbitrario,[
X, P]
= i~1 , (4.4.29)
em concordancia com (4.4.19).
De um modo analogo podemos concluir que o operador X na representacao |p〉 toma a
forma do operador diferencial i~d/dp.
Notemos que qualquer variavel ou equacao dinamica pode ser expressa tanto na rep-
resentacao |x〉 como |p〉. Assim, a equacao de Schrodinger, que e usualmente escrita na
representacao |x〉,i~∂Ψ(x, t)
∂t=
[
− ~2
2m∆ + V (x, t)
]
Ψ(x, t) , (4.4.30)
pode ser vista como resultando da relacao de energia
E =p2
2m+ V (x, t) , (4.4.31)
por substituicao de
E → i~∂
∂t, ~p→ −i~∇ , (4.4.32)
126 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
o que significa o uso da representacao |x〉. Por contraste, na representacao |p〉 farıamos a
substituicao
E → i~∂
∂t, ~x→ i~∇p , (4.4.33)
o que nos leva a equacao de Schrodinger na representacao |p〉
i~∂Ψ(p, t)
∂t=
[
p2
2m+ V (i~∇p, t)
]
Ψ(p, t) . (4.4.34)
Claro que esta equacao nao e mais do que a representacao de (4.4.30) no espaco de Fourier.
Concluimos com a observacao de que tanto X como P sao observaveis (a hermiticidade
foi demonstrada na seccao 4.1.3) e que para o problema de uma partıcula sem spin a
mover-se livremente no espaco de posicoes varios C.C.O.C. sao
X, Y , Z , Px, Py, Pz , X, Py, Pz , . . . (4.4.35)
4.4.3 Regras de Quantificacao canonica
Consideremos um sistema classico de uma partıcula, descrito pelo ‘estado classico’ q(t), p(t).A quantificacao deste sistema e feita do seguinte modo:
i) O estado do sistema passa a ser interpretado como um vector |Ψ〉 em E ;
ii) Uma grandeza fısica mensuravel, A(q, p, t) passa a ser um operador
A(q, p, t) → A(X, P , t) , (4.4.36)
onde, quando houver ambiguidade de ordem entre X e P a expressao deve ser
simetrizada, o que garante a hermiticiadade do operador;
iii) Impoem-se relacoes de comutacao canonicas (em coordenadas cartesianas) entre a
observavel associada a posicao, X, e a observavel associada ao seu momento canonico
conjugado, P .
Exemplos:
4.4 Quantificacao 127
• A quantidade fısica qp tem associado o operador
1
2(XP + P X) , (4.4.37)
que contem a simetrizacao necessaria para evitar ambiguidades de ordem e garante
a hermiticidade necessaria para ser observavel;
• O momento angular
~L = ~x× ~p = (ypz − zpy, zpx − xpz, xpy − ypx) , (4.4.38)
tem operador associado
~L = (Lx, Ly, Lz) = (Y Pz − ZPy, ZPx − XPz, XPy − Y Px) . (4.4.39)
Usando as relacoes de comutacao canonicas obtemos
[Lx, Ly] = i~Lz , [Ly, Lz] = i~Lx , [Lz, Lx] = i~Ly , (4.4.40)
que sao as relacoes de comutacao para o momento angular.
• Consideremos um sistema descrito pelo Lagrangiano
L =1
2mq2 − V (q)
p=mq⇒ H =p2
2m+ V (q) . (4.4.41)
Quantificando, temos o operador Hamiltoniano
H =P 2
2m+ V (X) , (4.4.42)
e as relacoes de comutacao canonicas sao
[
X, P]
= i~1 ; (4.4.43)
• Consideremos uma partıcula sob a influencia de um campo electromagnetico
L =1
2m~x
2+q~x· ~A(t, ~x)−qφ(t, ~x)
~p=m~x+q ~A⇒ H =(~p− q ~A(t, ~x))2
2m+qφ(t, ~x) . (4.4.44)
128 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
Quantificando, temos o operador Hamiltoniano
H =(~P − q~A(t,
~X))2
2m+ qφ(t,
~X) , (4.4.45)
e as relacoes de comutacao canonicas
[Xj , Pk] = i~δjk1 . (4.4.46)
No capıtulo 5 estudaremos detalhadamente a quantificacao canonica do oscilador harmonico
e do problema de Larmor. Em conclusao notamos que este metodo de quantificacao nao
pode ser aplicado a variaveis que nao tenham analogo classico. O exemplo obvio e o spin,
que tem de ser definido directamente pelo operador associado.
4.4.4 Comentarios sobre a evolucao de um sistema quantico
A evolucao de um sistema quantico e dada pela equacao de Schrodinger
i~d|Ψ(t)〉dt
= H|Ψ(t)〉 . (4.4.47)
Vamos discutir algumas propriedades desta equacao:
i) Determinista: dado o estado inicial |Ψ(t0)〉, o estado final |Ψ(t)〉 esta totalmente deter-
minado; o indeterminismo na mecanica quantica surge na altura da medicao devido
ao colapso da funcao de onda;
ii) Linearidade, que e equivalente ao princıpio de sobreposicao;
iii) Conservacao da probabilidade, isto e 〈Ψ(t)|Ψ(t)〉 e constante na evolucao devido a
hermiticidade do operador Hamiltoniano:
d
dt〈Ψ(t)|Ψ(t)〉 =
(
d
dt〈Ψ(t)|
)
|Ψ(t)〉+ 〈Ψ(t)|(
d
dt|Ψ(t)〉
)
, (4.4.48)
mas, pela equacao de Schrodinger
d|Ψ(t)〉dt
=1
i~H|Ψ(t)〉 ⇔ d〈Ψ(t)|
dt= − 1
i~〈Ψ(t)|H . (4.4.49)
Logo, (4.4.48) fica igual a zero, o que mostra que a norma da funcao de onda e
conservada.
4.4 Quantificacao 129
Claro que na evolucao do sistema podera haver variacoes locais da densidade de probabil-
idade. Assumindo que a funcao de onda esta normalizada,
∫
V
P(~x, t)d~x =
∫
V
Ψ(~x, t)∗Ψ(~x, t)d~x , (4.4.50)
representa a probabilidade de a partıcula estar num determinado volume V . Assim
d
dt
∫
V
P(~x, t)d~x =
∫
V
[(
∂
∂tΨ(~x, t)∗
)
Ψ(~x, t) + Ψ(~x, t)∗(
∂
∂tΨ(~x, t)
)]
d~x , (4.4.51)
ou, usando a equacao de Schrodinger
=i~
2m
∫
V
[−Ψ(~x, t)∆Ψ(~x, t)∗ + Ψ(~x, t)∗∆Ψ(~x, t)] d~x = −∫
V
∇ · ~J(~x, t)d~x , (4.4.52)
onde definimos o vector densidade de corrente de probabilidade
~J(~x, t) =i~
2m[Ψ(~x, t)∇Ψ(~x, t)∗ −Ψ(~x, t)∗∇Ψ(~x, t)] . (4.4.53)
Assim temos∫
V
∂
∂tP(~x, t)d~x+
∫
V
∇ · ~J(~x, t)d~x = 0 , (4.4.54)
ou, como o volume e arbitrario
∂
∂tP(~x, t) +∇ · ~J(~x, t) = 0 , (4.4.55)
que e uma equacao de continuidade para a probabilidade.
4.4.5 Evolucao do valor medio de uma variavel
Para um dado instante t, o valor medio de uma grandeza fısica A e dado por (4.4.9)
〈A〉(t) = 〈Ψ(t)|A|Ψ(t)〉 . (4.4.56)
Diferenciando
d
dt〈A〉(t) =
(
∂
∂t〈Ψ(t)|
)
A|Ψ(t)〉+ 〈Ψ(t)|∂A∂t|Ψ(t)〉+ 〈Ψ(t)|A
(
∂
∂t|Ψ(t)〉
)
, (4.4.57)
ou, usando a equacao de Schrodinger
=1
i~〈Ψ(t)|AH − HA|Ψ(t)〉+ 〈∂A
∂t〉(t) , (4.4.58)
130 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
de onde concluimos que
d
dt〈A〉(t) = 〈∂A
∂t〉(t) +
1
i~〈[
A, H]
〉(t) . (4.4.59)
Logo, a dinamica do valor medio e a mesma da mecanica classica (1.3.28). Tal como em
mecanica classica, se a observavel A nao depender explicitamente do tempo e comutar
com o Hamiltoniano, o seu valor medio e uma constante do movimento. Note-se que os
parentesis de Poisson desempenham o papel de comutador classico.
Uma aplicacao particular de (4.4.59) e aos operadores X e P para um sistema com
Hamiltoniano (4.4.42); aplicando a X obtemos
d
dt〈X〉 =
1
i~〈[
X,P 2
2m
]
〉 =1
i~〈[
X, P] P
2m+
P
2m
[
X, P]
〉 =〈P 〉m
, (4.4.60)
enquanto que notando que
[
P , V (X)]
serie Taylor= [P , V01 + V1X + V2X
2 + V3X3 + . . .]
= −i~(
V1 − 2V2X − 3V3X2 − . . .
)
= −i~dV (X)
dX
, (4.4.61)
e aplicando a P obtemos
d
dt〈P 〉 =
1
i~〈[
P , V (X)]
〉 =1
i~〈−i~dV (X)
dX〉 = −〈dV (X)
dX〉 , (4.4.62)
que reproduzem as formulas classicas
dx
dt=
p
m,
dp
dt= −dV (x)
dx. (4.4.63)
Estes resultados demonstram o teorema de Ehrenfest : “As equacoes de evolucao dos valores
medios de um sistema quantico sao formalmente identicas as da mecanica classica.”
Como tal, se os valores medios de observaveis derem uma boa descricao da fısica de
um sistema, a mecanica classica fornece uma descricao satisfatoria, que e o conteudo do
princıpio da correspondencia. Por exemplo, a mecanica classica so ‘ve’ a posicao do centro
do trem de ondas; se a dispersao do mesmo for irreconhecıvel nas experiencias levadas a
cabo, a descricao da mecanica classica sera satisfatoria.
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica 131
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica
O formalismo que desenvolvemos ate ao momento consegue apenas fazer previsoes prob-
abilısticas relativamente aos resultados possıveis em medicoes de um sistema quantico.
Contudo, este formalismo baseia-se em saber exactamente o estado quantico do sistema,
|Ψ〉, o que temos sempre assumido. Podemos, no entanto, imaginar situacoes em que
temos uma informacao incompleta acerca do estado do sistema. Por exemplo, a energia
cinetica de atomos emitidos por uma fornalha a temperatura T e conhecida apenas prob-
abilisticamente, mesmo em mecanica classica. De facto, tal como em Mecanica Classica
Estatıstica sabemos, por exemplo, a energia de uma partıcula num sistema em equilıbrio
termico apenas probabilisticamente atraves da distribuicao de Boltzmann
P(E) ∼ e−E/KBT , (4.5.1)
em Mecanica Quantica Estatıstica saberemos o estado em que uma partıcula se encontra
apenas probabilisticamente. Existe uma mistura estatıstica de estados, ou estado mistura.
Por oposicao, um estado quantico perfeitamente conhecido e designado por estado puro.
Para compreender as alteracoes introduzidas se considerarmos uma mistura estatıstica
de estados consideremos o seguinte exemplo. O nosso sistema quantico encontra-se no
estado mistura descrito por
|Ψ〉 = a1|α〉+ a2|β〉 com probabilidade p1
|Ψ′〉 = a3|α〉+ a4|β〉 com probabilidade p2
, (4.5.2)
onde cada estado esta normalizado
|a1|2 + |a2|2 = 1 , |a3|2 + |a4|2 = 1 , (4.5.3)
e p1 + p2 = 1. Uma pergunta natural e: “Qual a probabilidade de obter o valor proprio
associado a |α〉 ou |β〉 numa medicao?” A resposta natural e
P(α) = p1|a1|2 + p2|a3|2 , P(β) = p1|a2|2 + p2|a4|2 , (4.5.4)
o que implica que
P(α) + P(β) = 1 . (4.5.5)
132 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
Note-se que esta resposta nao e equivalente a considerar o novo estado
|Ψ〉 =√p1|Ψ〉+
√p2|Ψ′〉 = (
√p1a1 +
√p2a3) |α〉+ (
√p1a2 +
√p2a4) |β〉 , (4.5.6)
que, pelos postulados usuais implicaria que
P(α) =p1|a1|2 + p2|a3|2 +
√p1p2(a1a
∗3 + a∗1a3)√
p1p2(a1a∗3 + a∗1a3 + a2a
∗4 + a4a
∗2) + 1
. (4.5.7)
Neste caso existem termos de interferencia, que nao estao presentes na mistura estatıstica
de estados.
Com este exemplo concluimos os seguintes dois factos:
• Uma mistura estatıstica de estados quanticos |Ψ1〉 . . . |Ψn〉 nao pode ser expressa como
uma combinacao linear destes estados quanticos
|Ψ〉 6=n∑
i=1
χi|Ψi〉 , (4.5.8)
pois nesta combinacao linear existiriam sempre termos de interferencia entre os varios
estados |Ψi〉 no calculo de probabilidades, termos que nao estao presentes nas prob-
abilidades da mistura estatıstica. Mais concretamente, uma sobreposicao linear de
estados puros
|Ψ〉 = λ1|Ψ1〉+ λ2|Ψ2〉 , (4.5.9)
que e ainda um estado puro, tem um significado fısico diferente de uma mistura
estatıstica de |λ1|2 sistemas no estado |Ψ1〉 com |λ2|2 sistemas no estado |Ψ2〉, que e
um estado mistura.
• Na mecanica quantica estatıstica existem dois nıveis diferentes onde entra a probabili-
dade: i) no facto de a informacao sobre o estado inicial ser probabilıstica - semelhante
a mecanica classica estatıstica; ii) no facto da previsao de resultados de medicoes ser
probabilıstica - puramente quantico.
Vamos agora introduzir um operador, denominado operador de densidade que unifica
a descricao de estados puros e estados mistura.
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica 133
4.5.1 O operador de densidade para um estado puro
Assumimos que temos um espaco de estados com uma base discreta, |un〉, de modo que
um estado puro normalizado se escreve
|Ψ(t)〉 =∑
n
cn(t)|un〉 ,∑
n
|cn(t)|2 = 1 . (4.5.10)
Introduzimos agora um operador construıdo com base no estado do sistema e que contem
a mesma informacao que este: o operador densidade definido por
ρ(t) ≡ |Ψ(t)〉〈Ψ(t)| . (4.5.11)
Note-se que este operador depende do tempo. Consideremos algumas propriedades de ρ(t):
• Na base |un〉, o operador de densidade e representado pela matriz de densidade:
ρmn(t) = 〈um|ρ(t)|un〉 = 〈um|Ψ(t)〉〈Ψ(t)|un〉 = cm(t)c∗n(t) . (4.5.12)
• A condicao de normalizacao do estado quantico em termos do operador de densidade
fica
1 = 〈Ψ(t)|Ψ(t)〉 =∑
n
|cn|2 =∑
n
ρnn(t) = Tr(ρ(t)) , (4.5.13)
ou seja
Tr(ρ(t)) = 1 . (4.5.14)
• O valor medio de uma observavel e
〈A〉(t) = 〈Ψ(t)|A|Ψ(t)〉 =∑
n,p
〈Ψ(t)|un〉〈un|A|up〉〈up|Ψ(t)〉
=∑
n,p
cp(t)c∗n(t)Anp =
∑
n,p
Anpρpn(t) = Tr(Aρ(t)), (4.5.15)
ou seja
〈A〉(t) = Tr(Aρ(t)) = Tr(ρ(t)A) . (4.5.16)
• A evolucao do operador de densidade e deduzida da equacao de Schrodinger
d
dtρ(t) =
d
dt(|Ψ(t)〉) 〈Ψ(t)|+ |Ψ(t)〉 d
dt(〈Ψ(t)|) =
1
i~H|Ψ(t)〉〈Ψ(t)| − 1
i~|Ψ(t)〉〈Ψ(t)|H
=1
i~
[
H, ρ(t)]
.
(4.5.17)
134 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
• A probabilidade de obter o valor proprio associado ao estado |un〉, an, numa medicao e:
P(an) = 〈Ψ(t)|un〉〈un|Ψ(t)〉 = 〈Ψ(t)|Pn|Ψ(t)〉 = Tr(ρ(t)Pn) , (4.5.18)
onde Pn = |un〉〈un| e o operador de projeccao (4.3.7).
• Pela definicao ρ(t) e hermıtico
ρ(t) = ρ(t)† . (4.5.19)
• ρ(t) e um operador de projeccao
ρ(t)2 = |Ψ(t)〉〈Ψ(t)|Ψ(t)〉〈Ψ(t)| = |Ψ(t)〉〈Ψ(t)| = ρ(t) . (4.5.20)
• Logo
Tr(ρ(t)2) = Tr(ρ(t)) = 1 . (4.5.21)
Esta propriedade e a anterior so sao validas para um estado puro. Veremos que
nao se verificam para uma mistura estatıstica de estados e por isso podem funcionar
para testar se uma determinada matriz de densidade descreve um estado puro ou um
estado mistura.
Assim, para um estado puro, especificar o operador de densidade ou o proprio estado e
equivalente.
4.5.2 O operador de densidade para uma mistura estatıstica deestados
Consideremos agora uma mistura estatıstica de estados
|Ψi〉 =∑
n
cin(t)|un〉
com probabilidades
pi
. (4.5.22)
Definimos o operador de densidade como
ρ(t) ≡∑
i
pi|Ψi(t)〉〈Ψi(t)| ≡∑
i
piρi(t) . (4.5.23)
Claramente (4.5.11) e o caso particular correspondente a p1 = 1 e pi = 0 quando i 6= 1,
ou seja um estado puro. Reconsideremos agora as propriedades do operador de densidade
vistas anteriormente:
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica 135
• Na base |un〉, o operador de densidade e representado pela matriz de densidade, que
agora toma a forma:
ρmn(t) = 〈um|ρ(t)|un〉 = 〈um|∑
i
pi|Ψi(t)〉〈Ψi(t)|un〉 =∑
i
piρimn(t) =
∑
i
picim(t)cin(t)∗ .
(4.5.24)
Note-se que para n = m
ρnn(t) =∑
i
pi|cin(t)|2 , (4.5.25)
que e um numero real positivo que nos da a probabilidade de encontrarmos numa
medicao o sistema no estado |un〉, como demonstrara a relacao (4.5.30). Assim, os
termos da diagonal da matriz de densidade designam-se por populacoes. Para n 6= m,
ρnm e um numero complexo. Representa uma media (para todos os estados |Ψi〉) de
termos de interferencia entre |uin〉 e |ui
m〉. Estes termos sao designados por coerencias.
• A condicao de normalizacao dos varios estados quanticos na mistura fica, em termos do
operador de densidade
1 = 〈Ψi(t)|Ψi(t)〉 =∑
n
|cin|2 =∑
n
ρinn(t) = Tr(ρi(t)) ; (4.5.26)
logo
1 =∑
i
pi =∑
i
piTr(ρi(t)) = Tr(ρ(t)) . (4.5.27)
Ou seja temos ainda a condicao (4.5.14).
• O valor medio de uma observavel e
〈A〉(t) =∑
n
an
(
∑
i
piP i(an)
)
=∑
i
pi∑
n
anP i(an) =∑
i
piTr(ρi(t)A)
= Tr(ρ(t)A) ,
(4.5.28)
que e ainda o mesmo resultado do caso puro (4.5.16).
• A evolucao do operador de densidade e ainda dada pela equacao do caso puro
d
dtρ(t) =
1
i~
[
H, ρ(t)]
. (4.5.29)
136 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
• A probabilidade de obter o valor proprio associado ao estado |un〉, an, numa medicao e:
P(an) =∑
i
piP i(an) =∑
i
piTr(ρi(t)Pn) = Tr(ρ(t)Pn) , (4.5.30)
recuperando o resultado do estado puro.
• Obviamente ρ(t) e ainda hermıtico
• Em geral ρ(t) nao e um operador de projeccao:
ρ(t)2 =∑
i,j
pipj |Ψi(t)〉〈Ψi(t)|Ψj(t)〉〈Ψj(t)| 6= ρ(t) . (4.5.31)
• Assim sendo calculemos o traco do quadrado de ρ(t):
Tr(ρ(t)2) =∑
n,m
〈un|ρ(t)|um〉〈um|ρ(t)|un〉 =∑
i,j
pipj∑
n,m
cin(t)cim(t)∗cjm(t)cjn(t)∗
=∑
i,j
pipj∑
n
cjn(t)∗cin(t)∑
m
cim(t)∗cjm(t) =∑
i,j
pipj〈Ψj(t)|Ψi(t)〉〈Ψi(t)|Ψj(t)〉
≤∑
i,j
pipj =∑
i
pi∑
j
pj = 1 ,
(4.5.32)
onde usamos a desigualdade de Schwarz
|〈Ψi(t)|Ψj(t)〉| ≤√
〈Ψi(t)|Ψi(t)〉〈Ψj(t)|Ψj(t)〉 = 1 . (4.5.33)
Deste modo
Tr(ρ(t)2) ≤ 1 , (4.5.34)
sendo a desigualdade saturada apenas para um estado puro. Vemos, tal como anun-
ciado, que esta propriedade e a anterior distinguem a matriz de densidade de um
estado puro e de um estado mistura.
• Notemos ainda que o operador densidade e definido positivo; para um ket arbitrario |Φ〉
〈Φ|ρ(t)|Φ〉 =∑
i
pi〈Φ|Ψi(t)〉〈Ψi(t)|Φ〉 =∑
i
pi|〈Φ|Ψi(t)〉|2 ≥ 0 . (4.5.35)
4.5 Mecanica Quantica Estatıstica 137
4.5.3 O operador de evolucao e a evolucao de um estado puro
Devido a linearidade e homogeneidade da equacao de Schrodinger, existe um operador
linear, denominado operador de evolucao que relaciona o estado inicial de um sistema
|Ψ(t0)〉 com o estado do sistema num instante posterior |Ψ(t)〉, atraves de
|Ψ(t)〉 = U(t, t0)|Ψ(t0)〉 . (4.5.36)
Obviamente
U(t0, t0) = 1 . (4.5.37)
Substituindo na equacao de Schrodinger
i~d|Ψ(t)〉dt
= H(t)|Ψ(t)〉 ⇔ dU(t0, t)
dt|Ψ(t0)〉 = − i
~H(t)U(t0, t)|Ψ(t0)〉 . (4.5.38)
Em geral, usando a condicao inicial (4.5.37), podemos escrever formalmente a solucao desta
equacao como
U(t, t0) = 1− i
~
∫ t
t0
H(t′)U(t′, t0)dt′ . (4.5.39)
No caso particular de um Hamiltoniano nao depender do tempo (sistemas conservativos)
a solucao explıcita fica
U(t, t0) = e−i(t−t0)H/~ . (4.5.40)
Uma importante propriedade da evolucao de um sistema quantico e a conservacao da
norma ou equivalentemente, a conservacao da probabilidade. Logo requeremos que
〈Ψ(t0)|Ψ(t0)〉 = 〈Ψ(t)|Ψ(t)〉 ⇔ 〈Ψ(t0)|Ψ(t0)〉 = 〈Ψ(t0)|U(t0, t)†U(t0, t)|Ψ(t0)〉 ,
(4.5.41)
ou seja
U(t0, t)†U(t0, t) = 1 , (4.5.42)
o operador de evolucao deve ser unitario. Note-se que no caso de sistemas conservativos,
onde U tem a forma (4.5.40) isso e garantido se o Hamiltoniano for Hermıtico. Unitariedade
e uma importante propriedade em teorias quanticas. De um modo mais geral significa que
as probabilidades estao bem definidas e sao conservadas. Tecnicamente, significa que o
138 Formalismo Matematico e Postulados da Mecanica Quantica
espaco de Hilbert e positivo definido (nao ha normas negativas) e o operador de evolucao
e unitario.
Consideremos agora a evolucao de um estado puro. A matriz de densidade pode-se
escrever
ρ(t) = |Ψ(t)〉〈Ψ(t)| = U(t0, t)|Ψ(t0)〉〈Ψ(t0)|U(t0, t)† = U(t0, t)ρ(t0)U(t0, t)
† . (4.5.43)
Logo,
Tr(ρ(t)2) = Tr(U(t0, t)ρ(t0)U(t0, t)†U(t0, t)ρ(t0)U(t0, t)
†) , (4.5.44)
ou, usando a unitariedade do operador de evolucao e a propriedade cıclica do traco,
Tr(ρ(t)2) = Tr(ρ(t0)2) = 1 , (4.5.45)
pela relacao (4.5.21). Assim, num sistema quantico unitario um estado puro evolui sempre
para um estado puro.
Na decada de 1970, Stephen Hawking mostrou que existe um processo quantico pelo
qual os buracos negros, que classicamente so absorvem, emitem radiacao, denominada
radiacao de Hawking. Esta radiacao parecia ser, na aproximacao usada por Hawking,
termica, e como tal um estado mistura. Extrapolando o processo de Hawking ate o buraco
negro desaparecer completamente devido a emissao de radiacao, parece que o resultado
final seria a existencia de apenas radiacao termica e como tal um estado mistura. Por
outro lado, o buraco negro poderia ter sido formado pelo colapso gravitacional de estados
puros. Hawking concluiu que, em gravitacao quantica, a evolucao nao poderia ser unitaria,
pois estados puros poderiam evoluir para estados mistura. Esta aparente contradicao entre
gravitacao quantica e um princıpio fundamental da teoria quantica foi baptizado de ‘para-
doxo da informacao’. Embora o problema nao esteja completamente resolvido, acredita-se
hoje, que a unitariedade e tambem valida em gravitacao quantica e a aproximacao usada
por Hawking nao estava correcta.
4.6 Sumario 139
4.6 Sumario
Estabelecemos a linguagem da mecanica quantica que e uma linguagem de estados e
operadores cuja representacao abstracta se faz na notacao de Dirac. Em muitos prob-
lemas concretos escolhem-se bases discretas para os representar como vectores e matrizes
respectivamente. Daı a designacao deste formalismo por mecanica matricial de Heisen-
berg. Este formalismo e muito apropriado para lidar com graus de liberdade abstractos
que vivem em espacos vectoriais internos, como o spin ou a polarizacao de fotoes como sera
visto em Mecanica Quantica II. Numa ‘base’ contınua como a representacao |x〉 o estado
do sistema |Ψ(t)〉 tem como componentes a funcao de onda do capıtulo 3, Ψ(~x, t). Assim
o formalismo geral faz o contacto com a mecanica ondulatoria de Schrodinger do capıtulo
3, que como vimos e intuitiva dado usar a bem conhecida fısica das ondas.
Estabelecemos um conjunto de postulados que podem ser vistos como as regras basicas
do formalismo quantico e aprendemos a usar essas regras num sistema classico atraves da
quantificacao deste. Em particular discutimos que a representacao matematica do princıpio
da incerteza de Heisenberg no formalismo de operadores aparece na forma de operadores
que nao comutam. Notamos tambem que os valores medios das grandezas fısicas num
sistema quantico se comportam como as grandezas classicas do capıtulo 1 estabelecendo
um princıpio de correspondencia entre a mecanica quantica e a sua aproximacao classica.
Discutimos mecanica quantica estatıstica em que o estado do sistema so e conhecido prob-
abilisticamente. Isto levou-nos a distinguir estados puros e estados mistura, mas pela
introducao da matriz de densidade podem ambos os tipos ser tratados de um modo unifi-
cado. Finalmente vimos que uma evolucao unitaria nao pode transformar um estado puro
num estado mistura.
CAPITULO 5
Exemplos de Quantificacao Canonica
Neste capıtulo vamos voltar ao problema do oscilador harmonico e ao problema de Larmor
tratados no capıtulo 1, usando as regras do capıtulo 4 para os tratar como problemas
quanticos.
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao
Na seccao 4.4.3 vimos a forma do operador Hamiltoniano para um sistema com Hamil-
toniano classico dado por H = Ecin + Epot. Especializando para o potencial do oscilador
harmonico, obtemos o operador Hamiltoniano
H =P 2
2m+mω2
2X2 , (5.1.1)
e, usando as regras de quantificacao canonica impomos as relacoes de comutacao
[
X, P]
= i~1 . (5.1.2)
Dada a forma do potencial (figura 1.3) naturalmente teremos estados ligados, pelo que
esperamos que o conjunto de estados seja discreto, correspondendo ao facto de as energias
possıveis estarem quantificadas. O nosso objectivo e encontrar os valores proprios En e
142 Exemplos de Quantificacao Canonica
funcoes proprias |n〉 da equacao de Schrodinger independente do tempo
H|n〉 = En|n〉 . (5.1.3)
Introduzimos os operadores a e o seu adjunto a† (note-se que nao sao operadores hermıticos)
a =1√2
(√
mω
~X +
i√mω~
P
)
, a† =1√2
(√
mω
~X − i√
mω~P
)
, (5.1.4)
que sao designados, respectivamente, por operador de destruicao e operador de criacao.
Calculando o seu produto obtemos
a†a =1
2
(
mω
~X2 +
1
mω~P 2 +
i
~
[
X, P]
)
⇔ a†a =1
~ωH − 1
2, (5.1.5)
ou, equivalentemente
H = ~ω
(
N +1
2
)
. (5.1.6)
onde definimos o operador de numero N ≡ a†a, que e hermıtico, o que e consistente com o
facto de o Hamiltoniano tambem o ser. Note-se que a traducao para os operadores a e a†
da relacao de comutacao e
[a, a†] =1
2~
(
−i[X, P ] + i[P , X])
, (5.1.7)
ou seja
[a, a†] = 1 . (5.1.8)
Calculemos tambem os comutadores entre o operador de numero N e os operadores de
criacao e destruicao:
[N , a] = [a†a, a] = [a†, a]a + a†[a, a] = −a , (5.1.9)
[N , a†] = [a†a, a†] = [a†, a†]a+ a†[a, a†] = a† . (5.1.10)
5.1.1 O espectro de energia do Oscilador Harmonico Quantico
As grandezas fısicas que associamos ao oscilador harmonico sao a posicao, momento e
energia. Como os seus operadores associados X, P , H nao comutam, o C.C.O.C. contem
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 143
apenas uma destas quantidades, que escolhemos ser a energia, ou, equivalentemente, o
operador de numero N
C.C.O.C. = N . (5.1.11)
Assim, vamos escrever o estado do sistema usando como base os vectores proprios do op-
erador de numero, denotados por |n〉, cujos valores proprios irao ser numeros inteiros que
servem de rotulo para os vectores proprios. Os vectores do conjunto |n〉 sao necessaria-
mente ortogonais, mas para ja nada assumiremos acerca da sua normalizacao. A energia
do estado proprio |n〉 e dada por (5.1.3), o que implica que
En =〈n|H|n〉〈n|n〉 = ~ω
(〈n|a†a|n〉〈n|n〉 +
1
2
)
= ~ω
( ||a|n〉||2〈n|n〉 +
1
2
)
≥ ~ω
2. (5.1.12)
Assim, existe um estado de energia mınima para o oscilador harmonico, dito o estado
fundamental ou “vacuo”, que vamos rotular com n = 0 e definido por
a|0〉 = 0 ⇒ E0 =~ω
2. (5.1.13)
Desde ja notamos uma diferenca fundamental com a mecanica classica: o estado fundamen-
tal nao tem energia zero - como em mecanica classica - mas antes E0 = ~ω/2, designada
energia do ponto zero. Este facto esta intrinsecamente ligado ao princıpio da incerteza; uma
energia nula do estado fundamental implicaria uma partıcula congelada em x = 0 = p; mas
pelo princıpio da incerteza isso nao pode acontecer. De facto, podemos encontrar o valor
(5.1.13) minimizando a expressao classica da energia com a condicao de que xp = ~/2:
E(x, p) =p2
2m+mω2
2x2 xp=~/2⇔ E(x) =
~2
8mx2+mω2
2x2 , (5.1.14)
que extremizando
0 =dE
dx= − ~2
4mx3+mω2x ⇔ x2 =
~
2mω, (5.1.15)
valor para o qual a energia do oscilador harmonico e E = ~ω/2. Existe evidencia ex-
perimental para a existencia da energia do ponto zero e ate mesmo uma manifestacao
macroscopica:o efeito Casimir em teoria quantica de campo.
144 Exemplos de Quantificacao Canonica
A accao do operador de destruicao no estado fundamental aniquila-o. Logo, o estado
fundamental e um vector proprio de N com valor proprio zero. Consideremos agora o
estado obtido pela accao no estado fundamental do operador de criacao, a†|0〉. Actuando
com N
N a†|0〉 =(
[N , a†] + a†N)
|0〉 =(
a† + a†N)
|0〉 = a†|0〉 , (5.1.16)
ou seja, a†|0〉 e um estado proprio de N com valor proprio 1; assim, denotamos
|1〉 ≡ a†|0〉 . (5.1.17)
Analogamente
N a†|1〉 =(
a† + a†N)
|1〉 = 2a†|1〉 , (5.1.18)
ou seja, a†|1〉 ≡ |2〉 e vector proprio de N com valor proprio 2. O padrao que descobrimos
pode ser agora sistematizado:
Teorema: Seja |n〉 um vector proprio de N com valor proprio n ∈ N0. Logo
i) |n〉 tem energia
En = ~ω
(
n+1
2
)
; (5.1.19)
ii) a†|n〉 ≡ |n+ 1〉 e um vector proprio de N com valor proprio n+ 1;
iii) a|n〉 = n|n− 1〉 e vector proprio de N com valor proprio n− 1 (note-se a consistencia
com a|0〉 = 0).
Demonstracao:
i) A energia e o valor proprio de H . Logo
H|n〉 = ~ω
(
N +1
2
)
|n〉 = ~ω
(
n +1
2
)
|n〉 , (5.1.20)
de onde concluimos que a energia do estado |n〉 e dada por (5.1.19). Este e o espectro
de energia do oscilador harmonico, que como esperado exibe quantificacao de energia
- figura 5.1;
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 145
~ω/23~ω/2
5~ω/2
x
V(x)
E
Figura 5.1: Nıveis de energia permitidos para o oscilador harmonico quantico, marcadospelas linhas horizontais, correspondentes a relacao (5.1.19).
ii)
N |n+1〉 = N a†|n〉 (5.1.10)= a†
(
1 + N)
|n〉 = (n+1)a†|n〉 = (n+1)|n+1〉 , (5.1.21)
o que mostra que |n+ 1〉 e um vector proprio de N com valor proprio n + 1;
iii)
nN |n−1〉 = N a|n〉 (5.1.9)= a
(
N − 1)
|n〉 = (n−1)a|n〉 = n(n−1)|n−1〉 , (5.1.22)
o que mostra que |n− 1〉 e um vector proprio de N com valor proprio n− 1. (q.e.d.)
Note-se que no ponto iii), o factor de n tem que aparecer por consistencia; de facto
|n〉 = a†|n− 1〉 ⇒ a|n〉 = aa†|n− 1〉 = (N + 1)|n− 1〉 = n|n− 1〉 . (5.1.23)
Deste modo compreendemos a terminologia que introduzimos: o operador de Numero
da-nos o numero de quantoes de energia no estado que estamos a considerar; o operador de
criacao/destruicao transformam um dado estado num outro com mais/menos um quantao
de energia.
Finalmente discutamos a normalizacao dos estados |n〉. Vamos assumir que |0〉 esta
normalizado, 〈0|0〉 = 1. Logo
〈1|1〉 = 〈0|aa†|0〉 = 〈0|1 + N |0〉 = 1 , (5.1.24)
o que mostra que |1〉 tambem esta normalizado, mas
〈2|2〉 = 〈1|aa†|1〉 = 〈1|1 + N |1〉 = 2 , (5.1.25)
146 Exemplos de Quantificacao Canonica
que ja nao esta normalizado. Mostremos por inducao matematica que
〈n|n〉 = n! : (5.1.26)
Acabamos de mostrar que este resultado e verdade para n = 1. Assumindo (5.1.26)
consideramos
〈n+ 1|n+ 1〉 = 〈n|aa†|n〉 = 〈n|1 + N |n〉 = (n+ 1)〈n|n〉 = (n + 1)! , (5.1.27)
o que prova a tese. Assim introduzimos a base ortonormalizada no espaco de estados
|Φn〉 definidos como
|Φn〉 ≡|n〉√n!
, (5.1.28)
e obedecendo a
〈Φn|Φm〉 = δnm . (5.1.29)
Notemos que, em termos destes estados normalizados,
a†|n〉 = |n+ 1〉 ⇔ a†|Φn〉 =√n+ 1|Φn+1〉 , (5.1.30)
e de um modo semelhante
a|n〉 = n|n− 1〉 ⇔ a|Φn〉 =√n|Φn−1〉 . (5.1.31)
5.1.2 As funcoes de onda para o oscilador harmonico
O grau de liberdade primordial do oscilador harmonico e a sua posicao espacial. Logo,
estamos interessados em conhecer as funcoes de onda no espaco de configuracoes, Φn(x),
que estao associadas aos estados normalizados |Φn〉. Estas funcoes de onda dizem-nos,
como habitualmente, a amplitude de probabilidade espacial para encontrar a partıcula
quantica que se encontra nesse estado |Φn〉. A conversao de |Φn〉 para Φn(x) faz-se usando
a representacao |x〉 da seccao 4.4.2; Φn(x) sao vistos como as componentes da expansao da
funcao de onda nesta base:
|Φn〉 =
∫
dxΦn(x)|x〉 . (5.1.32)
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 147
Vamos agora construir explicitamente essas funcoes de onda. Comecamos pelo vacuo, que
e definido por
a|0〉 = 0 ⇔ a|Φ0〉 = 0 ⇔ 1√2
(√
mω
~X +
i√mω~
P
)
|Φ0〉 = 0 . (5.1.33)
Usando a representacao |x〉, isto e projectando esta equacao num bra 〈x|:√
mω
~〈x|X|Φ0〉+
i√mω~
〈x|P |Φ0〉 = 0(4.4.24),(4.4.25)⇔
√
mω
~x〈x|Φ0〉+
~√mω~
d
dx〈x|Φ0〉 = 0 ,
(5.1.34)
ou, finalmente, usando a tabela da seccao 4.4.2 e a expansao (5.1.32) temos 〈x|Φ0〉 = Φ0(x)
e como tal(
d
dx+mω
~x
)
Φ0(x) = 0 . (5.1.35)
A solucao desta equacao diferencial de primeira ordem e
Φ0(x) = C0e−mω
2~x2
, (5.1.36)
onde tomamos a constante de integracao como
C0 =(mω
π~
)1/4
, (5.1.37)
de modo que a funcao de onda Φ0(x) esteja normalizada, pois o estado |Φ0〉 esta normal-
izado. Note-se que a solucao normalizada e unica e por isso o estado fundamental e nao
degenerado.
Na pratica, (5.1.35) resultou de (5.1.33) pelas substituicoes
(X, P , |Φn〉) −→(
x,−i~ d
dx,Φn(x)
)
, (5.1.38)
com n = 0. Com isto em mente construimos as funcoes de onda para os proximos estados
do seguinte modo:
√n + 1|Φn+1〉 = a†|Φn〉 ⇔
√n + 1|Φn+1〉 =
1√2
(√
mω
~X − i√
mω~P
)
|Φn〉 ,(5.1.39)
ou, usando a nossa substituicao (5.1.38)
Φn+1(x) =
√
~
2mω(n+ 1)
(
mω
~x− d
dx
)
Φn(x) , n ∈ N0 . (5.1.40)
148 Exemplos de Quantificacao Canonica
Deste modo, obtemos para Φ1(x)
Φ1(x) = C0
√
2mω
~xe−
mω2~
x2
, (5.1.41)
e para Φ2(x)
Φ2(x) =C0√
2
(
2mω
~x2 − 1
)
e−mω2~
x2
. (5.1.42)
E agora facil de concluir que todas as funcoes de onda sao do tipo
Φn(χ) = CnHn(χ)e−χ2/2 , χ ≡√
mω
~x , (5.1.43)
onde Cn e uma constante e Hn e um polinomio de grau n e com paridade bem definida
(−1)n (1=par, −1=ımpar). Usando esta forma para a funcao de onda em (5.1.40) obtemos
Cn+1Hn+1(χ)e−χ2/2 =1
√
2(n+ 1)
(
χ− d
dχ
)
(
CnHn(χ)e−χ2/2)
, (5.1.44)
que e obedecido escolhendo
Cn+1 =Cn
√
2(n+ 1), Hn+1(χ) = 2χHn(χ)− d
dχHn(χ) . (5.1.45)
A formula de recorrencia para os polinomios define os polinomios de Hermite. Os quatro
primeiros sao
H0 = 1 , H1 = 2χ , H2 = 4χ2 − 2 , H3 = 8χ3 − 12χ . (5.1.46)
Resumimos a situacao respeitante aos primeiros estados estacionarios (dado que o estado
Φn tem energia constante) do oscilador harmonico na seguinte tabela:
Estado Normalizado Componentes na representacao |x〉 Paridade Energia
|Φ0〉 = |0〉 Φ0(χ) = C0e−χ2/2 Par ~ω/2
|Φ1〉 = |1〉 Φ1(χ) = C1(2χ)e−χ2/2 Impar 3~ω/2
|Φ2〉 = |2〉/√
2 Φ2(χ) = C2(4χ2 − 2)e−χ2/2 Par 5~ω/2
|Φ3〉 = |3〉/√
3! Φ3(χ) = C3(8χ3 − 12χ)e−χ2/2 Impar 7~ω/2
. . . . . . . . . . . .
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 149
Figura 5.2: Funcoes de onda para n = 0, 1, 2 e n = 10 do oscilador Harmonico e asrespectivas densidades de probabilidade. Na notacao da figura Φn = ϕn. (Extraıdo deCohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
Note-se que para cada nıvel de energia a funcao de onda (normalizada) e unica, pelo
que o espectro e nao degenerado. Na figura 5.2 representamos as funcoes de onda para os
nıveis n = 0, 1, 2 e n = 10.
Concluimos com o comentario de que se pode mostrar matematicamente que as funcoes
Φn(x) formam uma base do espaco de funcoes sobre R, que e necessario para que N e
H seja observaveis.
5.1.3 Resolucao directa da equacao de Schrodinger
A semelhanca do que fizemos no capıtulo 3, podıamos ter procurado os estados estacionarios
resolvendo directamente a equacao de Schrodinger. Tomando a funcao de onda
Ψ(x, t) = Φ(x)e−iEt/~ , (5.1.47)
150 Exemplos de Quantificacao Canonica
obtinhamos a equacao para a funcao de onda espacial (3.2.5) especializada para o potencial
do oscilador harmonico
[
− ~2
2m
d2
dx2+mω2
2x2
]
Φ(x) = EΦ(x) . (5.1.48)
Como da nossa analise da seccao anterior ja sabemos a resposta, usamos como ansatz a
forma
Φ(x) = f(x)e−mω2~
x2
, (5.1.49)
de modo a que (5.1.48) toma a forma
f ′′(x)− 2mω
~xf ′(x) +
2m
~2
(
E − ~ω
2
)
f(x) = 0 . (5.1.50)
Procuremos uma solucao como uma serie de potencias:
f(x) =∞∑
n=0
anxn ⇒ f ′(x) =
∞∑
n=0
nanxn−1 ⇒ f ′′(x) =
∞∑
n=0
n(n−1)anxn−2 , (5.1.51)
de modo que a equacao diferencial para f(x) fica
∞∑
n=0
[
(n + 2)(n+ 1)an+2 +2m
~2
(
E − ~ω
[
n+1
2
])
an
]
xn = 0 . (5.1.52)
Para a equacao ser obedecida para todo o x todos os termos na serie tem de ser zero;
obtemos portanto a relacao de recorrencia
(n+ 2)(n+ 1)an+2 =2m
~2
(
~ω
[
n+1
2
]
− E)
an . (5.1.53)
Para compararmos com a analise da seccao anterior e conveniente usar a variavel χ intro-
duzida em (5.1.43). Em termos desta variavel
f(x) =
∞∑
n=0
anxn → f(χ) =
∞∑
n=0
bnχn , com bn =
(
~
mω
)n/2
an . (5.1.54)
A relacao de recorrencia fica
(n+ 2)(n+ 1)bn+2 =
(
2n+ 1− 2E
~ω
)
bn . (5.1.55)
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 151
Vamos assumir que a serie e finita; voltaremos a este ponto mais em baixo. Para a serie
ser finita e necessario que o coeficiente do bn se torne zero para algum n; isto restringe os
valores possıveis para a energia; existe um n0 ∈ N0 para o qual
2E
~ω= 2n0 + 1 , (5.1.56)
o que nao e mais do que o nosso espectro de energias. Obtemos assim a quantificacao da
energia, usando directamente a equacao de Schrodinger
En0 =
(
~ω
2,3~ω
2,5~ω
2,7~ω
2, . . .
)
, para n0 = (0, 1, 2, . . .) . (5.1.57)
Deste modo a relacao de recorrencia para o polinomio fn0(χ) fica
(n+ 2)(n+ 1)bn+2 = 2(n− n0)bn . (5.1.58)
Como a relacao de recorrencia relaciona termos de ordem par ou termos de ordem ımpar,
para a serie ser finita, temos de tomar unicamente os termos com a paridade de n0. Assim
temos
• Para n0 = 0 a serie so tem o termo b0 cujo valor e arbitrario; tomamos b0 = 1; o
polinomio correspondente e
f0(χ) = 1 ; (5.1.59)
• Para n0 = 1 a serie so tem o termo b1 cujo valor e arbitrario; tomamos b1 = 2; o
polinomio correspondente e
f1(χ) = 2χ ; (5.1.60)
• Para n0 = 2 a serie tem o termo b0 = 1 e b2 = −2; o polinomio correspondente e
f2(χ) = 1− 2χ2 ; (5.1.61)
• Para n0 = 3 a serie tem o termo b1 = 2 e b3 = −4/3; o polinomio correspondente e
f3(χ) = 2χ− 4
3χ3 ; (5.1.62)
152 Exemplos de Quantificacao Canonica
etc. Claro que estes polinomios sao todos proporcionais aos polinomios de Hermite,
fn0(χ) ∝ Hn0(χ). De facto, a serie (5.1.58) define o polinomio de Hermite Hn0 . Obte-
mos deste modo tanto o espectro de energias como as funcoes de onda da seccao anterior.
Falta-nos justificar a hipotese fundamental de que a serie (5.1.53) tem de ser finita.
Esta condicao surge de requerer que a funcao de onda seja normalizavel. De facto, as
funcoes de onda tomam a forma
Ψ(x, t) = e−iEt/~
∞∑
n=0
anxn
emω2~
x2
. (5.1.63)
Podemos escrever
emωx2/(2~) =∞∑
n=0
cnxn , com c2n =
(mω
2~
)n 1
n!, (5.1.64)
e como talc2n+2
c2n=(mω
2~
) 1
n+ 1
n→∞≃ mω
2~n, (5.1.65)
enquanto que por (5.1.53)an+2
an
n→∞≃ 2mω
~n. (5.1.66)
Assim, se tomarmos a parte par da serie dos an,
a2n+2
a2n
n→∞≃ mω
~n. (5.1.67)
Concluimos que para n suficientemente grande
a2n+2
a2n
>c2n+2
c2n
, (5.1.68)
pelo que a divisao das duas series nao podera tender para zero quando |x| → ∞ e como tal
o modulo da funcao de onda (5.1.63) nao ira tender para zero o que implica que a funcao
de onda nao sera normalizavel. Se a serie dos an tiver apenas parte ımpar podemos ainda
majorar a serie dos cn extraindo portanto a mesma conclusao relativa a normalizacao da
funcao de onda.
5.1 Oscilador Harmonico Quantico em Uma Dimensao 153
5.1.4 Valor medio e desvio padrao de x e p
Usando (5.1.4) expressamos os operadores posicao e momento X e P em termos dos oper-
adores de criacao e destruicao:
X =
√
~
2mω
(
a† + a)
, P = i
√
mω~
2
(
a† − a)
. (5.1.69)
Note-se a hermiticidade de P e X. Logo, a accao destes operadores num estado estacionario
e
X|Φn〉 =
√
~
2mω
(√n+ 1|Φn+1〉+
√n|Φn−1〉
)
, (5.1.70)
P |Φn〉 = i
√
mω~
2
(√n+ 1|Φn+1〉 −
√n|Φn−1〉
)
, (5.1.71)
e como tal obtemos os elementos de matriz
〈X〉 = 〈Φn|X|Φn〉 = 0 = 〈Φn|P |Φn〉 = 〈P 〉 . (5.1.72)
Assim concluimos que o valor medio da posicao e do momento sao zero em qualquer estado
estacionario. O desvio padrao e calculado pela expressao (4.4.8):
(∆x)2 = 〈X2〉 = 〈Φn|X2|Φn〉 =~
2mω〈Φn|a2 + (a†)2 + aa† + a†a|Φn〉 =
~
mω
(
n +1
2
)
,
(5.1.73)
(∆p)2 = 〈P 2〉 = 〈Φn|P 2|Φn〉 = −mω~
2〈Φn|a2 + (a†)2 − aa† − a†a|Φn〉 = mω~
(
n+1
2
)
,
(5.1.74)
onde a contribuicao nao trivial vem dos termos aa† e a†a usando (5.1.30) e (5.1.31). Logo
∆x∆p = ~
(
n+1
2
)
≥ ~
2, (5.1.75)
em concordancia com o princıpio de incerteza. Os estados estacionarios |Ψn〉 nao tem
equivalente classico, dado que tem valores medios zero para momento e posicao e ao mesmo
tempo energia diferente de zero. Pelo teorema de Ehrenfest os valores medios 〈X〉 e 〈P 〉 cor-
respondem as variaveis classicas e a unica situcao em que um oscilador harmonico classico
tem x(t) = 0 = p(t) e quando tem energia nula. Contudo, sobrepondo estados esta-
cionarios podemos construir estados cuja media se comporta como um oscilador classico.
154 Exemplos de Quantificacao Canonica
Seja o estado inicial dado pela sobreposicao
|Ψ(0)〉 =
∞∑
n=0
cn(0)|Φn〉 . (5.1.76)
No instante t,
|Ψ(t)〉 =
∞∑
n=0
cn(0)e−iEnt/~|Φn〉 =
∞∑
n=0
cn(0)e−iω(n+1/2)t|Φn〉 . (5.1.77)
Logo obtemos para o valor medio de X, 〈X〉(t) = 〈Ψ(t)|X|Ψ(t)〉,
〈X〉(t) =
√
~
2mω
∞∑
n=0
∞∑
m=0
〈Φm|c∗m(0)cn(0)eiω(m−n)t(√
n + 1|Φn+1〉+√n|Φn−1〉
)
,
=
√
~
2mω
∞∑
n=0
∞∑
m=0
c∗m(0)cn(0)eiω(m−n)t(√
n + 1δm,n+1 +√nδm,n−1
)
,
=
√
~
2mω
[( ∞∑
n=0
√n + 1cn(0)c∗n+1(0)
)
eiωt +
( ∞∑
n=0
√ncn(0)c∗n−1(0)
)
e−iωt
]
.
(5.1.78)
Note-se que se apenas um dos cn(0) for nao nulo entao obtemos imediatamente 〈X〉(t) = 0,
tal como discutido anteriormente. Se definirmos
z ≡∞∑
n=0
√n+ 1cn(0)c∗n+1(0) , (5.1.79)
entao
z∗ =
∞∑
n=0
√n + 1c∗n(0)cn+1(0)
m≡n+1=
∞∑
m=1
√mc∗m−1(0)cm(0) =
∞∑
m=0
√mcm(0)c∗m−1(0) ,
(5.1.80)
reescrevemos (5.1.78) como
〈X〉(t) =
√
~
2mω
(
zeiωt + z∗e−iωt)
, (5.1.81)
ou, expressando o numero complexo z =√
mω/(2~)Aeiφ0 , onde A e φ0 sao numeros reais,
temos
〈X〉(t) = A
(
ei(ωt+φ0) + e−i(ωt+φ0)
2
)
= A cos(ωt+ φ0) . (5.1.82)
Assim, o valor medio de uma sobreposicao de estados estacionarios do oscilador harmonico
quantico evolui de acordo com a teoria do oscilador classico (1.1.6), em concordancia com
o teorema da correspondencia de Ehrenfest.
5.2 O Oscilador Harmonico Quantico em Duas Dimensoes 155
5.2 O Oscilador Harmonico Quantico em Duas Di-
mensoes
O Hamiltoniano classico para um oscilador harmonico isotropico em duas dimensoes e
Hxy =p2
x + p2y
2µ+µω2
2(x2 + y2) . (5.2.1)
A partir de agora designamos por ‘µ’ a massa da partıcula. As trajectorias que resolvem
o problema classico sao
x(t) = xM cos(ωt− φx)
y(t) = yM cos(ωt− φy), (5.2.2)
onde xM , yM , φx, φy sao constantes de integracao. O movimento geral e elıptico, depen-
dendo dos detalhes da diferenca de fase φy − φx:
φy − φx = −π movimento linear na direccao x = −y
0 > φy − φx > −π movimento retrogrado na elipse
φy − φx = 0 movimento linear na direccao x = y
π > φy − φx > 0 movimento directo na elipse
φy − φx = +π movimento linear na direccao x = −y
Por quantificacao canonica introduzimos o operador Hamiltoniano
Hxy =P 2
1 + P 22
2µ+µω2
2
[
(X1)2 + (X2)2]
, (5.2.3)
onde X1 e X2 sao as observaveis associadas as grandezas fısicas x e y sendo P1 e P2 os
seus momentos canonicos conjugados. As relacoes canonicas de comutacao sao
[Xk, Pj] = i~δkj . (5.2.4)
5.2.1 Quantoes lineares
Claramente, temos duas copias de tudo o que fizemos na seccao 5.1. Definindo os operadores
de criacao a†1, a†2 e destruicao como a1, a2
aj =1√2
(√
µω
~Xj +
i√µω~
Pj
)
, a†j =1√2
(√
µω
~Xj − i√
µω~Pj
)
, j = 1, 2
(5.2.5)
156 Exemplos de Quantificacao Canonica
obtemos
Hxy = ~ω(
N1 + N2 + 1)
, (5.2.6)
com os operadores de numero sendo Nj = a†j aj . As unicas relacoes de comutacao nao
triviais entre estes operadores de criacao e destruicao sao
[
ai, a†j
]
= δij 1 . (5.2.7)
Claramente podemos tomar como C.C.O.C.
C.C.O.C =
N1, N2
, (5.2.8)
pelo que a base para o nosso espaco de estados sera o conjunto de kets |n1, n2〉, com n1e n2 sendo o espectro de N1 e N2 respectivamente. O espectro de energias sera
E(n1,n2) = ~ω(n1 + n2 + 1) , (5.2.9)
e as funcoes de onda para os estados estacionarios serao simplesmente
Ψ(n1,n2)(t, x, y) = Φn1(x)Φn2(y)e−iE(n1,n2)t/~ , (5.2.10)
onde Φn e dado por (5.1.43). Note que o espectro e degenerado.
5.2.2 Quantoes circulares
O potencial do oscilador harmonico isotropico em duas dimensoes e invariante por rotacoes
em torno do eixo Oz. E por isso natural considerarmos o operador momento angular
segundo z; por (4.4.39)
Lz = X1P2−X2P1(5.1.69)
=i~
2
[
(a†1 + a1)(a†2 − a2)− (a†2 + a2)(a
†1 − a1)
]
= i~[
a1a†2 − a†1a2
]
.
(5.2.11)
Vemos facilmente que Lz comuta com Hxy:
[
N1 + N2, Lz
]
= i~[
N1, a1a†2 − a†1a2
]
+ i~[
N2, a1a†2 − a†1a2
]
= i~(−a1a†2 − a†1a2 + a1a
†2 + a†1a2) = 0
. (5.2.12)
5.2 O Oscilador Harmonico Quantico em Duas Dimensoes 157
Assim, em vez de usarmos
N1, N2
poderiamos escolher como C.C.O.C.
C.C.O.C. =
Lz, Hxy
. (5.2.13)
Para o fazermos e util introduzirmos os operadores de criacao e destruicao circulares:1
ad =1√2
(a1 − ia2) , ae =1√2
(a1 + ia2) , (5.2.14)
e os seus adjuntos a†d, a†e; os unicos comutadores nao triviais sao:
[ad, a†d] = 1 = [ae, a
†e] . (5.2.15)
Facilmente vemos que
a†dad =1
2
(
a†1a1 + a†2a2 − ia†1a2 + ia†2a1
)
, a†eae =1
2
(
a†1a1 + a†2a2 + ia†1a2 − ia†2a1
)
.
(5.2.16)
Definindo os operadores de numero circulares
Nd = a†dad , Ne = a†eae , (5.2.17)
temos
Hxy = ~ω(
Nd + Ne + 1)
Lz = ~(Nd − Ne). (5.2.18)
Podemos pois como uma outra hipotese tomar como C.C.O.C.
C.C.O.C. =
Ne, Nd
, (5.2.19)
e rotular a base no nosso espaco de estados como |ne, nd〉. Os espectros da energia e (da
componente z) do momento angular sao
E(ne,nd) = ~ω(nd + ne + 1) ≡ ~ω(n+ 1) , lz = ~(nd − ne) ≡ ~m . (5.2.20)
Nestas relacoes definimos n ≡ nd + ne e m ≡ nd − ne. Podemos agora compreender a
terminologia de quantoes circulares. O operador a†d (a†e) adiciona ao estado um quantao de
1Os sub-ındices d e e significam ‘direita’ e ‘esquerda’.
158 Exemplos de Quantificacao Canonica
momento angular -~- no sentido directo (inverso), para alem de adicionarem um quantao
de energia.
Para cada valor da energia, existe uma degenerescencia de grau n+ 1, correspondendo
aos pares
(ne, nd) = [(0, n); (1, n− 1); (2, n− 2); . . . ; (n− 1, 1); (n, 0)] , (5.2.21)
que correspondendem aos valores de lz = m~ com
m = [n;n− 2;n− 4; . . . ; 2− n;−n] . (5.2.22)
Note-se que a accao dos operadores circulares nos estados |ne, nd〉 e dada por
a†d|ne, nd〉 = |ne, nd + 1〉 , a†e|ne, nd〉 = |ne + 1, nd〉 ,
ad|ne, nd〉 = nd|ne, nd − 1〉 , ae|ne, nd〉 = ne|ne − 1, nd〉 .(5.2.23)
5.2.3 Funcoes de Onda para quantoes circulares
Vimos na seccao 5.1.2 que a accao de operadores de destruicao e criacao lineares e dada
por, na representacao |x〉,
ai →1√2
(
√
µω
~xi +
√
~
µω
∂
∂xi
)
, (5.2.24)
a†i →1√2
(
√
µω
~xi −
√
~
µω
∂
∂xi
)
. (5.2.25)
Logo, usando (5.2.14), a accao dos operadores de destruicao e criacao circulares e dada
por2
ad →1
2
(
√
µω
~(x− iy) +
√
~
µω
(
∂
∂x− i ∂
∂y
)
)
, (5.2.26)
a†d →1
2
(
√
µω
~(x+ iy)−
√
~
µω
(
∂
∂x+ i
∂
∂y
)
)
. (5.2.27)
2Usamos x1 = x e x2 = y.
5.2 O Oscilador Harmonico Quantico em Duas Dimensoes 159
Os operadores circulares ‘retrogrados’ ae, a†e sao obtidos pela transformacao i → −i nas
duas ultimas expressoes respectivamente.3 A mudanca para quantoes circulares pretendeu
usar a simetria de rotacao em torno do eixo Oz do problema; e pois natural reexpressar
estas quantidades em coordenadas polares:
x = ρ cosφ
y = ρ sinφ⇒
x+ iy = ρeiφ
∂
∂φ=∂x
∂φ
∂
∂x+∂y
∂φ
∂
∂y= −y ∂
∂x+ x
∂
∂y∂
∂ρ=∂x
∂ρ
∂
∂x+∂y
∂ρ
∂
∂y=x
ρ
∂
∂x+y
ρ
∂
∂y
∂
∂ρ+i
ρ
∂
∂φ=x− iyρ
∂
∂x+i(x− iy)
ρ
∂
∂y= e−iφ
(
∂
∂x+ i
∂
∂y
)
.
(5.2.28)
Logo, reexpressamos a accao dos operadores de criacao e destruicao directos
ad →1
2e−iφ
(
√
µω
~ρ+
√
~
µω
(
∂
∂ρ− i
ρ
∂
∂φ
)
)
, (5.2.29)
a†d →1
2eiφ
(
√
µω
~ρ−
√
~
µω
(
∂
∂ρ+i
ρ
∂
∂φ
)
)
, (5.2.30)
e os operadores circulares ‘retrogrados’ ae, a†e sao obtidos pela transformacao i → −i nas
duas ultimas expressoes respectivamente. As funcoes proprias do oscilador harmonico 2-
dimensional em termos destes quantoes circulares (que sao portanto estados proprios da
energia e momento angular)
Ψ(ne,nd)(ρ, φ) = Φ(ne,nd)(t, ρ, φ)e−iE(ne,nd)t/~ , (5.2.31)
sao obtidas actuando no vacuo com a†d e a†e. A funcao de onda do vacuo para os quantoes
lineares e (5.2.10) com n1 = n2 = 0
Ψ(n1=0,n2=0)(t, x, y) =
√
ωµ
π~e−
µω2~
(x2+y2)e−iωt , (5.2.32)
ou, em termos dos quantoes circulares
n = 0, m = 0 , Φ(ne=0,nd=0)(ρ, φ) =
√
ωµ
π~e−
µω2~
ρ2
. (5.2.33)
3Note que isto nao corresponde a tirar o complexo conjugado, dado que os operadores ai e a†i nao
mudam.
160 Exemplos de Quantificacao Canonica
Note-se que por (5.2.29), adΦ(0,0) = 0 como requerido (e tambem aeΦ(0,0) = 0). Actuando
agora com a†d ou a†e respectivamente obtemos
n = 1 ,
m = 1 , Φ(ne=0,nd=1)(ρ, φ) =ωµ√π~eiφρe−
µω2~
ρ2
,
m = −1 , Φ(ne=1,nd=0)(ρ, φ) =ωµ√π~e−iφρe−
µω2~
ρ2
,(5.2.34)
e assim por diante. Repare-se que para este nıvel de energia (n = 1) os diferentes estados
de momento angular diferem de uma fase. Em geral o mesmo nao se verifica; de facto isso
pode ser verificado para n = 2; tendo em atencao o factor de normalizacao obtemos
n = 2 ,
m = 2 , Φ(ne=0,nd=2)(ρ, φ) =(ωµ
~
)3/2
e2iφ ρ2
√2πe−
µω2~
ρ2
,
m = 0 , Φ(ne=1,nd=1)(ρ, φ) =
√
ωµ
π~
[ωµ
~ρ2 − 1
]
e−µω2~
ρ2
,
m = −2 , Φ(ne=2,nd=0)(ρ, φ) =(ωµ
~
)3/2
e−2iφ ρ2
√2πe−
µω2~
ρ2
.
(5.2.35)
As densidades de probabilidade respeitantes a estas funcoes de onda estao representadas
na figura 5.3.
5.3 O problema de Landau
O problema de Landau para uma partıcula sem spin e a versao quantica do problema de
Larmor do capıtulo 1. Consideramos o hamiltoniano (1.3.22)
HL =1
2µ
(
px +qBy
2
)2
+1
2µ
(
py −qBx
2
)2
+p2
z
2µ. (5.3.1)
Tal como discutido na seccao 4.4.3, a quantificacao deste sistema e feita usando o operador
Hamiltoniano
HL =µ
2
(
Px
µ+ωcY
2
)2
+µ
2
(
Py
µ− ωcX
2
)2
+P 2
z
2µ, (5.3.2)
onde usamos a frequencia ciclotronica ωc = qB/µ e onde impomos as relacoes de comutacao
canonicas
[X, Px] = i~ , [Y , Py] = i~ , [Z, Pz] = i~ , (5.3.3)
5.3 O problema de Landau 161
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
rho
21.510.50
0.08
0.04
0
rho
32.521.510 0.5
0.1
0.06
0.02
0.06
0.02
rho
3.532.5210.50 1.5
0.08
0.04
0
0.2
0.1
rho
3.5321.510.50
0.3
0.25
0.15
0.05
0
2.5
Figura 5.3: Densidades de probabilidade para os nıveis (n,m) = (0, 0) (cima esquerda),(n,m) = (1,±1) (cima direita) , (n,m) = (2,±2) (baixo esquerda), (n,m) = (2, 0) (baixodireita). Nos graficos tomamos µω/~ = 1.
162 Exemplos de Quantificacao Canonica
sendo todos os outros comutadores envolvendo momento e posicao zero. Reescrevemos
(5.3.2) como
HL =P 2
x + P 2y
2µ+µω2
c
8(X2 + Y 2)− ωc
2(XPy − Y Px) +
P 2z
2µ= Hxy −
ωc
2Lz +
P 2z
2µ, (5.3.4)
onde Hxy e o Hamiltoniano do oscilador harmonico dois dimensional (5.2.3) com ω = ωc/2
e Lz e a componente z do operador momento angular. Usando (5.2.18), reescrevemos o
hamiltoniano como
HL = ~ωc
(
Ne +1
2
)
+P 2
z
2µ. (5.3.5)
Note-se que podiamos ter definido directamente de (5.3.2) os operadores de destruicao e
criacao
−iae =
√
µ
2~ωc
[(
Px
µ+ωcY
2
)
+ i
(
Py
µ− ωcX
2
)]
, (5.3.6)
ia†e =
√
µ
2~ωc
[(
Px
µ+ωcY
2
)
− i(
Py
µ− ωcX
2
)]
, (5.3.7)
de modo que
a†eae =µ
2~ωc
[
2
µ
(
HL −P 2
z
2µ
)
− iωc
2µ[Px, X] +
iωc
2µ[Y , Py]
]
=1
~ωc
(
HL −P 2
z
2µ
)
− 1
2,
(5.3.8)
recuperando (5.3.5). So que ao usarmos a comparacao com o oscilador harmonico em
duas dimensoes temos imediatamente a interpretacao de ae e a†e como destruindo e criando
quantoes circulares (retrogrados). Assim, o Hamiltoniano e igual ao do oscilador harmonico
um dimensional, mas com quantoes circulares, mais uma parte que descreve o movimento
(livre) segundo o eixo do z.
Consideremos a decomposicao
HL = H⊥ + H‖ , com H⊥ = ~ωc
(
Ne +1
2
)
e H‖ =P 2
z
2µ. (5.3.9)
Analisamos primeiro o movimento no plano xy que e descrito por H⊥. O espectro de
energias no plano xy e infinitamente degenerado. De facto, estados proprios de Lz com
diferentes valores de nd tem o mesmo valor proprio da energia, que so depende de ne;
5.3 O problema de Landau 163
adicionando ou subtraindo quantoes circulares directos nao altera a energia do estado.
Para compreender fisicamente este resultado vamos definir varios operadores:
• Operadores Velocidade: Pela relacao classica (1.3.19)
~p = µ~x+ q ~A , (5.3.10)
definimos os operadores associados a velocidade
V i =Pi
µ− q
µAi , (5.3.11)
que no nosso caso sao
V x =Px
µ+ωc
2Y , V y =
Py
µ− ωc
2X , V z =
Pz
µ. (5.3.12)
Logo
[V x, V y] =i~ωc
µ, (5.3.13)
e portanto existe uma incerteza mınima associada a determinacao das componentes
x e y da velocidade, quando B 6= 0
∆vx∆vy ≥ ωc~
2µ. (5.3.14)
• Operadores Centro da Trajectoria Classica: Pelas relacoes classicas (1.1.10)-(1.1.12)
temos
x = x0 −vy
ωc
, y = y0 +vx
ωc
, (B 6= 0) (5.3.15)
definimos as observaveis associadas ao centro da trajectoria classica
X0 = X +V y
ωc=X
2+
Py
µωc, Y0 = Y − V x
ωc=Y
2− Px
µωc. (5.3.16)
Primeiro notamos que
[X0, Y0] = − i~
µωc. (5.3.17)
Logo, X0 e Y0 sao incompatıveis e existe uma incerteza mınima associada as suas
grandezas fısicas associadas
∆x0∆y0 ≥~
2µωc. (5.3.18)
164 Exemplos de Quantificacao Canonica
Segundo notamos que
[HL, X0] = 0 = [HL, Y0] , (5.3.19)
pelo que tanto X0 como Y0 sao constantes do movimento no sentido da seccao 4.4.5.
Terceiro notamos que
[X0, Lz] = −i~Y0 , [Y0, Lz] = i~X0 , (5.3.20)
pelo que nao podemos incluir mais do que uma das tres grandezas X0, Y0, Lz no nosso
C.C.O.C..
Quarto notamos que o operador
R20 ≡ X2
0 + Y 20 =
2
µω2c
(
P 2x + P 2
y
2µ+µω2
c
8(X2 + Y 2) +
ωc
2(XPy − Y Px)
)
=2
µω2c
(
Hxy +ωc
2Lz
)
=2~
µωc
(
Nd +1
2
) .
(5.3.21)
Deste modo vemos que o valor proprio do operador R20 depende somente do numero
de quantoes circulares directos.
• Operador Raio da trajectoria classica: Pela expressao classica (1.1.13)
r2 = (x(t)− x0)2 + (y(t)− y0)
2 , (5.3.22)
definimos o operador raio da trajectoria classica
R2 = (X − X0)2 + (Y − Y0)
2 =1
ω2c
((V x)2 + (V y)2) =2~
µωc
(
Ne +1
2
)
. (5.3.23)
Assim, R2 e determinado pelo numero de quantoes circulares retrogrados.
Assim, o C.C.O.C. para o problema de Landau e
C.C.O.C =
Ne, Nd, Pz
, (5.3.24)
e a base para o espaco de estados pode ser tomada como rotulada pelos seus valores proprios
|ne, nd, pz〉. Podemos pensar em ne como determinando a energia do sistema ou tambem
5.4 Sumario 165
o valor proprio do operador raio da trajectoria classica. Por outro lado nd determina o
valor proprio do operador R20. O espectro total de energias e
E(ne,pz) = ~ωc
(
ne +1
2
)
+p2
z
2µ, (5.3.25)
que tem uma parte discreta relativa ao movimento no plano xy que e designada por nıveis de
Landau e uma parte contınua relativa ao movimento segundo z. Este espectro e degenerado
em dois sentidos diferentes. Primeiro, como discutido atras, funcoes de onda que so diferem
de nd tem a mesma energia - degenerescencia infinita. Segundo, mesmo tomando o mesmo
valor de nd, duas funcoes de onda com diferentes valores de pz e ne podem ainda ter a
mesma energia, desde que a soma das duas parcelas ainda se mantenha igual. Esta e uma
degenerescencia finita com grau n + 1 onde n e o maior inteiro menor que E/(~ωc) −1/2. As funcoes de onda totais para o problema de Landau que sao estados proprios
simultaneamente de HL, Lz e Pz sao dadas pelo produto das funcoes de onda da seccao
5.2.3 por uma onda plana que descreve o movimento livre segundo z:
Ψ(ρ, φ, z, t) = Φ(ne,nd)(ρ, φ)eipzz/~eiE(ne,pz)t/~ . (5.3.26)
Claro esta, que tal como discutido no capıtulo 3, esta funcao de onda nao vai ser nor-
malizavel, devido a componente segundo z ser livre. Para normalizar a funcao de onda
terıamos de considerar um pacote de ondas na direccao z.
5.4 Sumario
Consideramos tres exemplos de quantificacao canonica. O primeiro, o oscilador harmonico
quantico em uma dimensao e o paradigma de problema que e resolvido pela introducao
de operadores de criacao e destruicao. O espectro de energias mostra que a diferenca de
energia entre dois nıveis diferentes e um multiplo de ~ω. Esta foi exactamente a observacao
de Planck discutida na seccao 2.1.2 que e obtida naturalmente no formalismo quantico. Ao
considerarmos o oscilador harmonico isotropico em duas dimensoes pudemos introduzir
tambem os operadores de criacao e destruicao circulares, que sao uteis para tratar estados
166 Exemplos de Quantificacao Canonica
com momento angular bem definido. Vimos tambem aqui um exemplo de espectro de
energias (finitamente) degenerado em cada nıvel. O problema de Landau permitiu-nos ver
um exemplo de um espectro de energias infinitamente degenerado; esta degenerescencia
pode ser associada a redundancia de trajectorias classicas no problema classico de Larmor,
que resulta da uniformidade do campo magnetico. O problema de Landau da-nos tambem
um exemplo de uma situacao em que os operadores associados a velocidades (ou a posicoes)
nao comutam entre si.
CAPITULO 6
Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
No capıtulo anterior estudamos sistemas com componente Lz do momento angular bem
definida. Isso levou-nos a estudar as funcoes de onda da seccao 5.2.3 que sao estados
proprios dos operadores H e Lz - estes operadores comutam e podem, como tal, ser di-
agonalizados simultaneamente. Neste capıtulo vamos comecar por estudar um conjunto
de funcoes proprias comuns a Lz e L2 que aplicaremos depois ao estudo do atomo de
Hidrogenio.
6.1 Operadores de momento angular orbital
As componentes do momento angular orbital sao dadas por (4.4.39)
~L = (Lx, Ly, Lz) = (Y Pz − ZPy, ZPx − XPz, XPy − Y Px) . (6.1.1)
Na representacao |~x〉, estes operadores sao escritos associando
(
Px, Py, Pz
)
→(
−i~ ∂
∂x,−i~ ∂
∂y,−i~ ∂
∂z
)
, (6.1.2)
de modo que representamos
(Lx, Ly, Lz) = −i~(
y∂
∂z− z ∂
∂y, z
∂
∂x− x ∂
∂z, x
∂
∂y− y ∂
∂x
)
. (6.1.3)
168 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Podemos facilmente verificar que esta representacao obedece as relacoes de comutacao para
o momento angular
[Lx, Ly] = i~Lz , [Ly, Lz] = i~Lx , [Lz, Lx] = i~Ly ; (6.1.4)
por exemplo, sendo φ(x, y, z) uma funcao de onda arbitraria
[Lx, Ly]φ(x, y, z) = ~2
[
−(
y∂
∂z− z ∂
∂y
)(
z∂
∂x− x ∂
∂z
)
+
(
z∂
∂x− x ∂
∂z
)(
y∂
∂z− z ∂
∂y
)]
φ(x, y, z)
= ~2
(
x∂
∂y− y ∂
∂x
)
φ(x, y, z) = i~Lzφ(x, y, z) ,
(6.1.5)
em acordo com (6.1.4).
Definimos o operador momento angular total
L2 =~L · ~L = L2
x + L2y + L2
z . (6.1.6)
Note-se que L2 comuta com qualquer das componentes do momento angular
[
L2, Lx
]
= 0 ,[
L2, Ly
]
= 0 ,[
L2, Lz
]
= 0 . (6.1.7)
Por exemplo
[
L2, Lx
]
=[
L2y + L2
z, Lx
]
= Ly
[
Ly, Lx
]
+[
Ly, Lx
]
Ly + Lz
[
Lz, Lx
]
+[
Lz , Lx
]
Lz
= −i~LyLz − i~LzLy + i~LzLy + i~LyLz = 0
.
(6.1.8)
Assim, em mecanica quantica, classificamos os estados com momento angular bem definido
usando o momento angular total e apenas uma das suas componentes, normalmente z; ou
seja, consideramos o
C.C.O.C. =
L2, Lz
, (6.1.9)
para descrever os estados proprios do momento angular.
Tal como na seccao 5.2.3. usamos coordenadas polares para descrever as funcoes de onda
que sao estados proprios de Lz, e conveniente usar coordenadas esfericas para descrever
6.2 Os Harmonicos Esfericos 169
as funcoes de onda que sao estados proprios simultaneamente de L2 e Lz. A relacao entre
coordenadas esfericas e cartesianas e dada por
x = r sin θ cosφ
y = r sin θ sinφ
z = r cos θ
. (6.1.10)
Os versores em coordenadas esfericas e cartesianas relacionam-se como
eθ = cos θ cosφex + cos θ sinφey − sin θez
eφ = cosφey − sin φex
er =x
rex +
y
rey +
z
rez
. (6.1.11)
O operador momento angular, ~L = ~r × ~p, na representacao |x〉 e usando coordenadas
esfericas toma a forma
~L = rer × (−i~∇) = −i~rer ×(
er∂
∂r+ eθ
1
r
∂
∂θ+ eφ
1
r sin θ
∂
∂φ
)
, (6.1.12)
ou seja
~L = −i~(
eφ∂
∂θ− eθ
1
sin θ
∂
∂φ
)
. (6.1.13)
Usando (6.1.11) para projectar esta equacao em ex, ey e ez obtemos respectivamente
Lx = i~
(
sinφ∂
∂θ+ cot θ cosφ
∂
∂φ
)
Ly = i~
(
− cos φ∂
∂θ+ cot θ sinφ
∂
∂φ
)
Lz = −i~ ∂
∂φ
. (6.1.14)
Calculando o operador momento angular total L2 = L2x + L2
y + L2z nesta representacao
obtemos
L2 = −~2
[
1
sin θ
∂
∂θ
(
sin θ∂
∂θ
)
+1
sin2 θ
∂2
∂φ2
]
. (6.1.15)
6.2 Os Harmonicos Esfericos
Vamos agora construir as funcoes proprias comuns a L2 e Lz. Comecemos por calcular as
funcoes proprias de L2 com valor proprio α~2 que denotamos por Yα(θ, φ) e obedecem a
170 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
equacao diferencial
L2Yα(θ, φ) = α~2Yα(θ, φ) , (6.2.1)
ou seja
−~2
[
1
sin θ
∂
∂θ
(
sin θ∂
∂θ
)
+1
sin2 θ
∂2
∂φ2
]
Yα(θ, φ) = α~2Yα(θ, φ) . (6.2.2)
Separamos variaveis
Yα(θ, φ) = Θ(θ)Φ(φ) , (6.2.3)
de modo a obtermos a equacao
sin θ
Θ(θ)
d
dθ
(
sin θd
dθΘ(θ)
)
+ α sin2 θ = − 1
Φ(φ)
d2
dφ2Φ(φ) . (6.2.4)
Como o lado esquerdo so depende de θ e o direito de φ, para obedecer a igualdade cada
lado tem de ser uma constante a que chamamos m2. Do lado direito obtemos entao
d2
dφ2Φ(φ) +m2Φ(φ) = 0 ⇒ Φ(φ) = C1e
imφ + C2e−imφ . (6.2.5)
Note-se que as funcoes e±imφ sao tambem funcoes proprias de Lz , com valores proprios
−i~(±im) = ±m~ , (6.2.6)
enquanto que a combinacao linear C1eimφ + C2e
−imφ nao e funcao propria de Lz . Deste
modo tomamos
Φ(φ) = Ce±imφ , (6.2.7)
onde C e uma constante de normalizacao. Alem disso, para a funcao e±imφ ter valor unico,
precisamos
e±imφ = e±im(φ+2π) ⇒ m ∈ Z , (6.2.8)
ou seja, m e inteiro e como tal os valores proprios de Lz sao
0,±~,±2~,±3~ , . . . (6.2.9)
Do lado esquerdo de (6.2.4) obtemos
sin θd
dθ
(
sin θd
dθΘ(θ)
)
+(
α sin2 θ −m2)
Θ(θ) = 0 . (6.2.10)
6.2 Os Harmonicos Esfericos 171
Para resolvermos esta equacao fazemos uma mudanca de variavel:
χ ≡ cos θ ⇒ d
dθ=dχ
dθ
d
dχ= − sin θ
d
dχ, f(χ) ≡ Θ(θ) , (6.2.11)
de modo que a equacao em θ fica
d
dχ
[
(1− χ2)d
dχf(χ)
]
+
(
α− m2
1− χ2
)
f(χ) = 0 . (6.2.12)
Comecamos por considerar o caso com m = 0, ficando a equacao
(1− χ2)d2f(χ)
dχ2− 2χ
df(χ)
dχ+ αf(χ) = 0 . (6.2.13)
Esta e uma equacao diferencial ordinaria de segunda ordem, denominada equacao de Leg-
endre. Tentemos encontrar uma solucao como uma serie de potencias
f(χ) =∞∑
n=0
anχn , (6.2.14)
de modo que a equacao fica
(1− χ2)
∞∑
n=0
n(n− 1)anχn−2 − 2χ
∞∑
n=0
nanχn−1 + α
∞∑
n=0
anχn = 0
⇔∞∑
n=0
[−n(n− 1)− 2n+ α] anχn +
∞∑
n=0
n(n− 1)anχn−2 = 0
⇔∞∑
n=0
[α− n(n+ 1)] anχn +
∞∑
m=−2
(m+ 2)(m+ 1)am+2χm = 0
, (6.2.15)
notando que os termos com m = −2 e m = −1 no ultimo somatorio dao contribuicao zero
e chamando n a m obtemos
⇔∞∑
n=0
[(α− n(n+ 1))an + (n + 2)(n+ 1)an+2]χn = 0 , (6.2.16)
que para ser obedecido implica a relacao de recorrencia para a serie
an+2 =(n + 1)n− α(n+ 2)(n+ 1)
an . (6.2.17)
Notamos de imediato quean+2
an
n→∞−→ 1 , (6.2.18)
172 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
de modo que para a serie nao divergir quando χ = ±1 (que e o valor maximo para χ dado
que χ ≡ cos θ) temos de requerer que ela seja finita, isto e que o valor proprio α obedeca a
α = ℓ(ℓ+ 1) , (6.2.19)
para um dado ℓ ∈ N0. As solucoes da equacao de Legendre sao entao polinomios de grau
ℓ. Note-se ainda que como a relacao de recorrencia relaciona apenas an+2 com an, temos
que a serie de termos pares e independentente da serie de termos ımpares; a escolha de
α = ℓ(ℓ + 1) para um dado ℓ garante que a serie com a paridade de ℓ pare; assim para
termos uma serie finita temos de escolher somente termos pares ou termos ımpares:
serie par (ℓ par) a0 6= 0 , a1 = 0 ,
serie ımpar (ℓ ımpar) a0 = 0 , a1 6= 0 .(6.2.20)
Estes polinomios sao designados por polinomios de Legendre e denotados por Pℓ(χ) (grau
ℓ) quando obedecem a condicao de normalizacao
∫ 1
−1
Pℓ(χ)Pℓ′(χ)dχ =2
2ℓ+ 1δℓℓ′ . (6.2.21)
Os quatro primeiros sao
• Tomamos ℓ = 0, a0 = 1, a1 = 0 e obtemos
P0(χ) = 1; (6.2.22)
• Tomamos ℓ = 1, a0 = 0, a1 = 1 e obtemos
P1(χ) = χ ; (6.2.23)
• Tomamos ℓ = 2, a0 = −1/2, a1 = 0 e obtemos
P2(χ) = −1
2
(
1− 3χ2)
; (6.2.24)
• Tomamos ℓ = 3, a0 = 0, a1 = −3/2 e obtemos
P3(χ) = −3
2χ+
5
2χ3 . (6.2.25)
6.2 Os Harmonicos Esfericos 173
Pode-se verificar que com estas normalizacoes os polinomios obedecem a (6.2.21).
Descobrimos pois um conjunto de funcoes proprias comuns a L2 e Lz, da forma
Y mℓ (θ, φ) = F (θ)eimφ , (6.2.26)
cujo valor proprio de Lz e m~, com m ∈ Z, e, para m = 0 estas funcoes tomam a forma
Y 0ℓ (θ, φ) = CPℓ(cos θ) , (6.2.27)
onde C e uma constante de normalizacao, sendo o valor proprio de L2, ℓ(ℓ + 1)~2 com
ℓ ∈ N0.
Vamos agora usar (6.2.27) para construir Y mℓ (θ, φ) com m 6= 0. Primeiro notamos que
os valores de m e ℓ nao sao completamente independentes. Por definicao
L2 = L2x + L2
y + L2z ; (6.2.28)
o valor esperado desta equacao num determinado estado com momento angular bem
definido, |Ψ〉 = | . . . , ℓ,m〉 (normalizado) e
〈Ψ|L2|Ψ〉 = 〈Ψ|L2x + L2
y + L2z|Ψ〉 , (6.2.29)
e dado que Lx e Ly sao hermıticos
ℓ(ℓ+ 1)~2 = ‖Lx|Ψ〉‖2 + ‖Ly|Ψ〉‖2 +m2~
2 ≥ m2~
2 , (6.2.30)
o que equivale a que |m| ≤√
ℓ(ℓ+ 1), ou, como |m|, ℓ ∈ N0,
|m| ≤ ℓ . (6.2.31)
Note-se que assumimos que mesmo para m 6= 0 os estados proprios do momento angular
tem valor proprio de L2 igual a ℓ(ℓ+ 1)~2; iremos confirmar isto em baixo.
Segundo definimos os operadores de escada
L+ = Lx + iLy , L− = Lx − iLy . (6.2.32)
174 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Estes operadores obedecem as relacoes de comutacao
[
L2, L±
]
= 0 ,[
L−, L+
]
= −2~Lz ,[
Lz, L±
]
= ±~L± . (6.2.33)
Por exemplo,[
L−, L+
]
=[
Lx − iLy, Lx + iLy
]
= −2~Lz . (6.2.34)
Compare-se as relacoes de comutacao[
Lz, L±
]
= ±~L± com as relacoes (5.1.9) e (5.1.10);
sao identicas, pelo que podemos fazer uma analogia para L+/L− como operadores de
criacao/destruicao e para Lz como operador de numero. Mais concretamente, L+/L− vao
transformar um estado com momento angular segundo z, m~, num estado com mais/menos
um quantao de momento angular segundo z, (m+1)~/(m−1)~. Isto, sem alterar o momento
angular total ~2ℓ(ℓ+1), pois[
L2, L±
]
= 0, o que justifica a hipotese tomada acima de que
os valores proprios de L2 mantinham a sua forma para m 6= 0.
Deste modo tomamos para estados proprios do momento angular o conjunto |ℓ,m〉,com |m| ≤ ℓ e
L2|ℓ,m〉 = ℓ(ℓ+ 1)~2|ℓ,m〉 , Lz|ℓ,m〉 = m~|ℓ,m〉
L+|ℓ,m〉 = Cmℓ |ℓ,m+ 1〉 , L−|ℓ,m〉 = Cm
ℓ |ℓ,m− 1〉, (6.2.35)
onde Cℓℓ = 0, C−ℓ
ℓ = 0, para garantir que |m| ≤ ℓ. Tal como para o oscilador harmonico
(formulas (5.1.30) e (5.1.31)), as constantes Cmℓ , C
mℓ sao necessarias para garantir a nor-
malizacao dos estados. Para vermos a forma destas constantes notamos que
L∓L± = L2x + L2
y ∓ iLyLx ± iLxLy = L2x + L2
y ± i[
Lx, Ly
]
= L2 − L2z ∓ ~Lz . (6.2.36)
Logo,
〈ℓ,m|L∓L±|ℓ,m〉 = 〈ℓ,m|L2 − L2z ∓ ~Lz|ℓ,m〉 = ~
2(
ℓ(ℓ+ 1)−m2 ∓m)
〈ℓ,m|ℓ,m〉 .(6.2.37)
Mas, por outro lado,
〈ℓ,m|L−L+|ℓ,m〉 = Cmℓ (Cm
ℓ )∗ 〈ℓ,m+ 1|ℓ,m+ 1〉
〈ℓ,m|L+L−|ℓ,m〉 = Cmℓ
(
Cmℓ
)∗〈ℓ,m− 1|ℓ,m− 1〉
, (6.2.38)
6.2 Os Harmonicos Esfericos 175
e como tal
~2 (ℓ(ℓ+ 1)−m(m+ 1)) 〈ℓ,m|ℓ,m〉 = Cm
ℓ (Cmℓ )∗ 〈ℓ,m+ 1|ℓ,m+ 1〉
~2 (ℓ(ℓ+ 1)−m(m− 1)) 〈ℓ,m|ℓ,m〉 = Cm
ℓ
(
Cmℓ
)∗〈ℓ,m− 1|ℓ,m− 1〉
. (6.2.39)
Concluimos que para garantir que a accao dos operadores em escada preserva a normal-
izacao dos estados tomamos
Cmℓ = ~
√
ℓ(ℓ+ 1)−m(m+ 1) , Cmℓ = ~
√
ℓ(ℓ+ 1)−m(m− 1) , (6.2.40)
que naturalmente obedecem a Cℓℓ = 0, C−ℓ
ℓ = 0.
Terceiro, os operadores em escada na representacao |~x〉 e em coordenadas esfericas
tomam a forma (usando (6.2.32) e (6.1.14))
L+ = ~eiφ
(
∂
∂θ+ i cot θ
∂
∂φ
)
, (6.2.41)
L− = −~e−iφ
(
∂
∂θ− i cot θ
∂
∂φ
)
, (6.2.42)
e os estados |ℓ,m〉 tomam a forma Y mℓ (θ, φ), sendo a condicao de normalizacao
∫ π
θ=0
dθ
∫ 2π
φ=0
dφ sin θY mℓ (Y m
ℓ )∗ = 1 , (6.2.43)
e designam-se por harmonicos esfericos. Consideremos os primeiros
• Para ℓ = 0, m = 0 temos Y 00 = C; normalizando obtemos C = 1/
√4π, logo
Y 00 =
1√4π
; (6.2.44)
• Para ℓ = 1, m = 0 temos Y 01 = C cos θ; normalizando obtemos C =
√
3/(4π), logo
Y 01 =
√
3
4πcos θ , (6.2.45)
e usando
L+|1, 0〉 = ~√
2|1, 1〉 ⇔ Y 11 =
1√2~
~eiφ
(
∂
∂θ+ i cot θ
∂
∂φ
)
Y 01 = −
√
3
8πeiφ sin θ ,
(6.2.46)
176 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
e de um modo semelhante
L−|1, 0〉 = ~√
2|1,−1〉 ⇔ Y −11 = − 1√
2~~e−iφ
(
∂
∂θ− i cot θ
∂
∂φ
)
Y 01 =
√
3
8πe−iφ sin θ ;
(6.2.47)
• Para ℓ = 2, m = 0 temos Y 02 = C(3 cos2 θ − 1); normalizando obtemos C =
√
5/(16π),
logo
Y 02 =
√
5
16π(3 cos2 θ − 1) , (6.2.48)
e pela accao dos operadores em escada obtemos
L+|2, 0〉 = ~√
6|2, 1〉 ⇔ Y 12 =
1√6~
~eiφ
(
∂
∂θ+ i cot θ
∂
∂φ
)
Y 02 = −
√
15
8πeiφ cos θ sin θ ,
(6.2.49)
L−|2, 0〉 = ~√
6|2,−1〉 ⇔ Y −12 = − 1√
6~~e−iφ
(
∂
∂θ− i cot θ
∂
∂φ
)
Y 02 =
√
15
8πe−iφ cos θ sin θ ,
(6.2.50)
L+|2, 1〉 = ~2|2, 2〉 ⇔ Y 22 =
1
2~~eiφ
(
∂
∂θ+ i cot θ
∂
∂φ
)
Y 12 =
√
15
32πe2iφ sin2 θ ,
(6.2.51)
L−|2,−1〉 = ~2|2,−2〉 ⇔ Y −22 = − 1
2~~e−iφ
(
∂
∂θ− i cot θ
∂
∂φ
)
Y −12 =
√
15
32πe−2iφ sin2 θ .
(6.2.52)
Nas figuras 6.1, 6.2, 6.3 e representada a dependencia angular da funcao Y mℓ (Y m
ℓ )∗.
Como toda a dependencia em φ desaparece, a figura obtida e dada pela revolucao em
torno do eixo dos z das figuras planares exibidas.
6.3 Partıcula numa forca central
Consideremos o operador Hamiltoniano para uma partıcula sem spin num campo de forcas
central1
H =P 2
2µ+ V (R) . (6.3.1)
1Denotaremos de futuro a massa por ‘µ’ para evitar confusao com o numero quantico azimutal ‘m’.
6.3 Partıcula numa forca central 177
Figura 6.1: Dependencia angular dos harmonicos esfericos com numero quantico azimutalmınimo, Y 0
0 , Y 01 , Y 0
2 , respectivamente. Note-se que as zonas de maior probabilidade seencontram ao longo do eixo polar (extraıdo de Cohen et al., ‘Quantum Mechanics ’).
Figura 6.2: Dependencia angular dos harmonicos esfericos com numero quantico azimu-tal maximo, Y 0
0 , Y ±11 , Y ±2
1 , Y ±33 , Y ±4
4 respectivamente. Note-se que as zonas de maiorprobabilidade se encontram ao longo do plano equatorial (extraıdo de Eisberg & Resnick,‘Quantum Physics ’).
178 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Figura 6.3: Dependencia angular dos harmonicos esfericos Y 03 , Y ±1
3 , Y ±22 , Y ±3
3 , respecti-vamente. Note-se que as zonas de maior probabilidade se deslocam do eixo polar para oplano equatorial a medida que o numero quantico azimutal cresce (extraıdo de Eisberg &Resnick, ‘Quantum Physics ’).
Vamos reescrever este Hamiltoniano em termos do operador momento angular. Para isso
notamos que na representacao |~x〉
P 2 = (−i~∇) · (−i~∇) = −~2∆ , (6.3.2)
onde ∆ e o Laplaciano. Em coordenadas esfericas temos entao
P 2 = −~2
(
1
r2
∂
∂r
(
r2 ∂
∂r
)
+1
r2 sin θ
∂
∂θ
(
sin θ∂
∂θ
)
+1
r2 sin2 θ
∂2
∂φ2
)
, (6.3.3)
ou ainda, usando o operador distancia radial R e definindo o operador radial
Ξ ≡ −~2
r2
∂
∂r
(
r2 ∂
∂r
)
, (6.3.4)
temos em forma de operadores
P 2 = Ξ +L2
R2⇒ H =
Ξ
2µ+
L2
2µR2+ V (R) . (6.3.5)
Desta forma do Hamiltoniano podemos extrair as seguintes conclusoes:
6.3 Partıcula numa forca central 179
i) Quer L2 quer Lz quando representados no espaco de configuracoes em coordenadas
esfericas actuam apenas nas coordenadas angulares, conforme (6.1.14), (6.1.15), logo
[
L2, Ξ]
= 0 ,[
L2, V (R)]
= 0 ,
[
L2,1
R2
]
= 0 ⇒[
L2, H]
= 0 , (6.3.6)
e de um modo semelhante
[
Lz , Ξ]
= 0 ,[
Lz, V (R)]
= 0 ,
[
Lz,1
R2
]
= 0[Lz,L2]=0⇒
[
Lz, H]
= 0 . (6.3.7)
Assim, no problema quantico de uma partıcula num campo de forcas central podemos
incluir no C.C.O.C.
C.C.O.C. =
H, L2, Lz
, (6.3.8)
isto e, os estados com energia bem definida (estados estacionarios) tem tambem
momento angular bem definido.
ii) Para encontrarmos os estados estacionarios e o espectro de energias temos de resolver
a equacao de Schrodinger independente do tempo
H|Φ〉 = E|Φ〉 , (6.3.9)
que no espaco de configuracoes toma a forma[
− ~2
2µ
(
1
r2
∂
∂r
(
r2 ∂
∂r
)
+1
r2 sin θ
∂
∂θ
(
sin θ∂
∂θ
)
+1
r2 sin2 θ
∂2
∂φ2
)
+ V (r)
]
Φ(r, θ, φ)
= EΦ(r, θ, φ) .
(6.3.10)
E natural tomarmos como ansatz para as funcoes de onda espaciais
Φ(r, θ, φ) = f(r)Y mℓ (θ, φ) , (6.3.11)
de modo aproveitar o conhecimento que adquirimos sobre as funcoes proprias do mo-
mento angular. A equacao de onda fica reduzida a uma equacao diferencial ordinaria
de segunda ordem na coordenada radial
[
− ~2
2µr2
d
dr
(
r2 d
dr
)
+ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2+ V (r)
]
f(r) = Ef(r) . (6.3.12)
180 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin)
Especializamos agora a equacao (6.3.12) para o problema de Coulomb, para o qual
V (r) = − 1
4πǫ0
e2
r, (6.4.1)
e introduzindo a funcao R(r) por
f(r) =R(r)
r, (6.4.2)
o que transforma a equacao radial em (usamos µ = me massa do electrao)
−r2 d2
dr2R(r) =
2meE
~2r2 +
mee2
2πǫ0~2r − ℓ(ℓ+ 1)
R(r) . (6.4.3)
Esta equacao tem a forma da chamada equacao de Whittaker
z2 d2
dz2W (z) =
z2
4− kz +
(
m2 − 1
4
)
W (z) , (6.4.4)
cuja solucao se toma como sendo da forma
W (z) = zm+1/2e−z/2g(z) , (6.4.5)
o que implica que (denotando dg/dz = g′)
d2W (z)
dz2= zm+1/2e−z/2
[
g′′ +g′
z(2m+ 1− z) +
(
1
4+
1
z2
[
m2 − 1
4
]
− 1
z
[
m+1
2
])
g
]
,
(6.4.6)
transformando a equacao de Whittaker na equacao
zg′′ + (2m+ 1− z)g′ +(
k −m− 1
2
)
g = 0 . (6.4.7)
Esta equacao e agora resolvida por uma serie de potencias
g(z) =∞∑
n=0
bnzn , (6.4.8)
que substituindo em (6.4.7) fica
z∞∑
n=0
n(n− 1)bnzn−2 + (2m+ 1− z)
∞∑
n=0
nbnzn−1 +
(
k −m− 1
2
) ∞∑
n=0
bnzn = 0
⇔∞∑
n=0
(n+ 1)(2m+ 1 + n)bn+1 −(
n+m+1
2− k)
bn
zn = 0
,
(6.4.9)
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin) 181
e obtemos a relacao de recorrencia
bn+1 =n+m− k + 1/2
(n+ 1)(n+ 2m+ 1)bn . (6.4.10)
Notemos que esta relacao de recorrencia implica que
bn+1
bn
n→∞−→ 1
n. (6.4.11)
Concluimos que a solucao da equacao de Whittaker tem a forma
W (z) =
∑∞n=0 bnz
n+m+1/2
ez/2. (6.4.12)
Expressando a exponencial no denominador como uma serie de potencias
ez/2 =∞∑
n=0
cnzn , cn =
1
2nn!⇒ cn+1
cn=
2nn!
2n+1(n+ 1)!n→∞−→ 1
2n. (6.4.13)
Comparando (6.4.11) com (6.4.13) vemos que os coeficientes decrescem mais rapidamente
para a serie no denominador. Assim, o comportamento da funcao quando z → ∞ e
dominado pelo numerador e portanto nao converge para zero. Para a funcao de Whittaker
convergir para zero quando z →∞2 requeremos que exista um inteiro, n0 tal que
n0 +m− k + 1/2 = 0 , n0 ∈ N0 . (6.4.14)
Voltemos agora a equacao radial (6.4.3). Para a transformar na forma da equacao de
Whittaker, (6.4.4) introduzimos a variavel z tal que
z2
4≡ −2meE
~2r2 ⇒ z =
√−8meE
~r . (6.4.15)
Note-se que esta transformacao so e possıvel para E < 0, isto e para os estados ligados,
que sao exactamente aqueles para os quais esperamos encontrar quantificacao da energia.
Fazendo esta transformacao, (6.4.3) fica da forma de (6.4.4), com
k =e2
4πǫ0~
√
−me
2E, m = ℓ+
1
2. (6.4.16)
2Esta condicao e necessaria para a funcao de onda ser normalizavel.
182 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Figura 6.4: Espectro de energias do Hidrogenio; na figura o numero quantico principal edenotado por n (extraıdo de Cohen et al., ‘Quantum Mechanics ’).
A condicao de que a serie para (6.4.14) fica
n0 + ℓ+1
2− e2
4πǫ0~
√
−me
2E+
1
2= 0 ⇔ E = −
(
e2
4πǫ0~
)2me
2(n0 + ℓ+ 1)2, (6.4.17)
ou definindo o numero quantico principal N ≡ n0 + ℓ+ 1 obtemos
EN = −(
e2
4πǫ0~
)2me
2N2, (6.4.18)
que e o espectro de energias do atomo de hidrogenio visto no capıtulo 2 (relacao (2.2.12)
com Z = 1).
Este espectro de energias so depende do numero quantico principal, mas nao do mo-
mento angular total definido por ℓ ou do momento angular azimutal definido por m. Assim
o espectro e degenerado de duas maneiras
• Um determinado numero quantico principal N pode ser obtido tomando
ℓ = 0, 1, . . . , N − 1 , (6.4.19)
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin) 183
Er
V(r)
Figura 6.5: Espectro de energias do Hidrogenio versus o potencial; compare-se com o casodo oscilador harmonico exibido na figura 5.1.
e o correspondente n0 para complementar. Assim temos uma degenerescencia de
grau N . Na notacao dos espectroscopistas a cada valor de ℓ = 0, 1, 2 . . . e atribuıdo
uma letra, respectivamente ℓ = s, p, d, f, g, . . . seguindo-se a ordem alfabetica. E por
isso usual encontrar uma referencia, por exemplo, a orbital 2p, o que significa N = 2,
ℓ = 1. Esta degenerescencia e exibida na figura 6.4;
• Para cada ℓ temos 2ℓ+ 1 valores possıveis de m
m = −ℓ,−ℓ+ 1, . . . , ℓ− 1, ℓ ; (6.4.20)
Assim o grau total de degenerescencia e, para o nıvel N
1 + 3 + 5 + . . .+ 2N − 1 = N2 . (6.4.21)
Orbitais
Para exibirmos a forma explıcita das funcoes de onda, tambem designadas neste contexto
por orbitais, notamos que se introduzirmos o raio de Bohr
a0 ≡4πǫ0~
2
mee2, (6.4.22)
o espectro de energias (6.4.18) escreve-se
EN = − ~2
2mea20
1
N2, (6.4.23)
184 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Figura 6.6: Funcoes de onda radiais f(1,0), f(2,0) e f(2,1); na notacao da figura R(n,ℓ) = f(N,ℓ)
(extraıdo de Cohen et al., ‘Quantum Mechanics ’).
e como tal a transformacao (6.4.15) fica
z =2
a0Nr . (6.4.24)
Deste modo, a funcao de onda radial (6.4.2) fica
f(N,ℓ)(r) =R(r)
r=W (z = 2r/Na0)
r=e−r/a0N
r
∑
n
bn
(
2r
Na0
)n+ℓ+1
. (6.4.25)
Notando que usando (6.4.23) em (6.4.16) obtemos k = N , a relacao de recorrencia e
bn+1 =n + ℓ+ 1−N
(n+ 1)(n+ 2ℓ+ 2)bn . (6.4.26)
A relacao de normalizacao sera em geral
∫ ∞
0
f(N,ℓ)f∗(N,ℓ)r
2dr = 1 . (6.4.27)
Exemplos:
• Estado fundamental: N = 1 ⇒ ℓ = 0; a relacao de recorrencia reduz-se a
bn+1 =n
(n+ 1)(n+ 2)bn , ⇒ b0 ≡ C , bn = 0, n ≥ 1 . (6.4.28)
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin) 185
Logo
f(1,0) =2C
a0
e−r/a0 . (6.4.29)
Normalizando,
∫ +∞
0
r2e−2r/a0dr =a3
0
4
normalizar⇒ C = 1/√a0 , (6.4.30)
onde integramos por partes. Deste modo a funcao de onda total para o primeiro nıvel
do atomo de hidrogenio, Ψ(N,ℓ,m)(t, r, θ, φ), e
Ψ(1,0,0)(t, r, θ, φ) = f(1,0)(r)Y00 (θ, φ)e−iE1t/~ =
1√π
e−r/a0
(a0)3/2e−iE1t/~ . (6.4.31)
• Orbital 2s: N = 2, ℓ = 0; a relacao de recorrencia reduz-se a
bn+1 =n− 1
(n + 1)(n+ 2)bn , ⇒ b0 ≡ C , b1 = −C
2, bn = 0, n ≥ 2 . (6.4.32)
Logo
f(2,0) =C
2a0
(
2− r
a0
)
e−r/2a0 . (6.4.33)
Normalizando,
∫ +∞
0
rne−r/a0dr = (n− 1)!an+10
normalizar⇒ C = 1/√
2a0 , (6.4.34)
onde integramos por partes. Logo a funcao de onda total para a orbital 2s do atomo
de hidrogenio, e
Ψ(2,0,0)(t, r, θ, φ) = f(2,0)(r)Y00 (θ, φ)e−iE2t/~ =
1
4√
2π
(
2− r
a0
)
e−r/2a0
(a0)3/2e−iE2t/~ .
(6.4.35)
• As funcoes de onda radiais para os nıveis seguintes serao exponenciais multiplicadas por
um polinomio de r; na figura 6.6 estao representadas f(1,0), f(2,0) e f(2,1).
Repetindo este raciocınio para todas as orbitais dos tres primeiros nıveis de energia do
atomo de Hidrogenio obtemos a seguinte tabela:
186 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
N ℓ m Funcao de onda
1 0 0 Ψ(1,0,0)(t, r, θ, φ) =1√π
e−r/a0
(a0)3/2e−iE1t/~
2 0 0 Ψ(2,0,0)(t, r, θ, φ) =1
4√
2π
(
2− r
a0
)
e−r/2a0
(a0)3/2e−iE2t/~
2 1 0 Ψ(2,1,0)(t, r, θ, φ) =1
4√
2π
r
a0
e−r/2a0
(a0)3/2cos θe−iE2t/~
2 1 ±1 Ψ(2,1,±1)(t, r, θ, φ) =1
8√π
r
a0
e−r/2a0
(a0)3/2sin θe±iφe−iE2t/~
3 0 0 Ψ(3,0,0)(t, r, θ, φ) =1
81√
3π
(
27− 18r
a0+ 2
r2
a20
)
e−r/3a0
(a0)3/2e−iE3t/~
3 1 0 Ψ(3,1,0)(t, r, θ, φ) =
√2
81√π
(
6− r
a0
)
r
a0
e−r/3a0
(a0)3/2cos θe−iE3t/~
3 1 ±1 Ψ(3,1,±1)(t, r, θ, φ) =1
81√π
(
6− r
a0
)
r
a0
e−r/3a0
(a0)3/2sin θe±iφe−iE3t/~
3 2 0 Ψ(3,2,0)(t, r, θ, φ) =1
81√
6π
r2
a20
e−r/3a0
(a0)3/2(3 cos2 θ − 1)e−iE3t/~
3 2 ±1 Ψ(3,2,±1)(t, r, θ, φ) =1
81√π
r2
a20
e−r/3a0
(a0)3/2sin θ cos θe±iφe−iE3t/~
3 2 ±2 Ψ(3,2,±2)(t, r, θ, φ) =1
162√π
r2
a20
e−r/3a0
(a0)3/2sin2 θe±2iφe−iE3t/~
Note-se que a densidade de probabilidade na direccao radial tem a forma
P(N,ℓ)(r)dr = r2f(N,ℓ)f∗(N,ℓ)dr , (6.4.36)
que pode ser representada como na figura 6.7. Juntando esta informacao com a dos
harmonicos esfericos obtemos uma representacao da densidade de probabilidade electronica
das orbitais do atomo de hidrogenio dada na figura 6.8. Novas orbitais, ditas hıbridas, po-
dem ser construıdas sobrepondo diferentes orbitais com o mesmo N .
Terminamos esta seccao com a observacao que na notacao de Dirac, as orbitais do
atomo de hidrogenio podem ser escritas como os estados |N, ℓ,m〉, que diagonalizam o
C.C.O.C. composto por H, L2, Lz e que obedecem a
H|N, ℓ,m〉 = EN |N, ℓ,m〉 = − ~2
2mea20N
2|N, ℓ,m〉 ,
L2|N, ℓ,m〉 = ~2ℓ(ℓ+ 1)|N, ℓ,m〉 , Lz|N, ℓ,m〉 = m~|N, ℓ,m〉 ,
(6.4.37)
onde N ∈ N e ℓ,m ∈ N0 com as restricoes 0 ≤ ℓ ≤ N − 1 e |m| ≤ ℓ.
6.4 O atomo de hidrogenio (sem spin) 187
Figura 6.7: Densidade de probabilidade na direccao radial para as funcoes de onda doatomo de hidrogenio (extraıdo de Eisberg & Resnick, ‘Quantum Physics ’).
188 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Figura 6.8: Representacao artıstica das primeiras orbitais do atomo de hidrogenio (extraıdode Eisberg & Resnick, ‘Quantum Physics ’).
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 189
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo
magnetico
Vimos na seccao anterior a resolucao exacta do problema do atomo de hidrogenio (sem
spin) em Mecanica Quantica. Na seccao 5.3 tinhamos visto a resolucao exacta do prob-
lema de uma carga num campo magnetico uniforme. Vamos agora combinar estes dois
problemas e considerar que o atomo de hidrogenio esta imerso num campo magnetico, que
tomamos como sendo uniforme. Note-se que esta ultima hipotese e perfeitamente adequada
a experimentacao, uma vez que os campos magneticos produzidos no laboratorio variam
muito pouco em escalas da ordem do tamanho atomico.
Nao nos ira ser possıvel, neste caso, a resolucao exacta do problema. Mas com algumas
aproximacoes conseguiremos determinar a alteracao do espectro do atomo de hidrogenio
devida ao campo magnetico, denominada Efeito Zeeman.
6.5.1 Deducao dos varios termos do Hamiltoniano
O Hamiltoniano classico para um electrao (carga q massame), num campo electromagnetico
e dado por (1.3.20)
H =(~p− q ~A)2
2me+ qφ . (6.5.1)
Sendo o campo ~B uniforme, podemos escrever o potencial magnetico na forma
~A = −1
2~r × ~B ⇔ ~A = −1
2(yBz − zBy , zBx − xBz, xBy − yBx) ; (6.5.2)
de facto, como ~B e constante, segue-se que
∇× ~A = (Bx, By, Bz) = ~B , (6.5.3)
como e necessario pela definicao de potencial magnetico. Logo, para o problema quantico,
expressamos o operador Hamiltoniano, obtido por quantificacao canonica, na forma:
H =
[
~P + q
2
~R× ~B
]2
2me+ qφ(
~R) . (6.5.4)
190 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Note-se que ~B sendo constante nao e operador. Tratemos do quadrado perfeito
[
~P +
q
2~R× ~B
]2
=[
~P +
q
2~R× ~B
]
·[
~P +
q
2~R× ~B
]
=~P
2
+q
2
(
~P · (~R× ~B) + (
~R× ~B) · ~P
)
+q2
4
(
~R× ~B
)2
.
(6.5.5)
Consideremos as seguintes identidades do calculo vectorial
( ~A× ~B) · ( ~C × ~D) = ( ~A · ~C)( ~B · ~D)− ( ~A · ~D)( ~B · ~C) ,
~A · ( ~B × ~C) = ~C · ( ~A× ~B) ,(6.5.6)
sendo que a segunda pode ser reescrita como
( ~A× ~B) · ~C = −( ~A× ~C) · ~B . (6.5.7)
Aplicando estas identidades a (6.5.5) obtemos
[
~P +
q
2~R× ~B
]2
=~P
2
+q
2
(
~B · (~P × ~R)− (
~R× ~
P ) · ~B)
+q2
4
(
~R
2~B2 − (
~R · ~B)2
)
.
(6.5.8)
Verificamos que surge o operador momento angular
~L =
~R× ~
P = −~P × ~R , (6.5.9)
onde a segunda igualdade e verdadeira apesar de~R e
~P nao comutarem; de facto cada
componente do momento angular e da forma X iPj − XjPi com i 6= j, pelo que a ordem
com que aparecem as posicoes e os momentos e irrelevante. Logo o Hamiltoniano do
problema e
H =~P
2
2me− q
2me
~L · ~B +
q2
8me
(
R2 ~B2 − (~R · ~B)2
)
+ qφ(~R) , (6.5.10)
que reescrevemos como
H ≡ H0 + H1 + H2 , (6.5.11)
onde definimos
H0 ≡~P
2
2me+ qφ(
~R) , H1 ≡ −
µB
~
~L · ~B , H2 ≡
q2 ~B2
8meR2
⊥ , (6.5.12)
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 191
e ainda, o magnetao de Bohr
µB ≡q~
2me, (6.5.13)
que tem as dimensoes de um momento magnetico (carga vezes momento angular a dividir
por massa), e o operador
R2⊥ =
~R
2
− (~R · ~B)2
~B2, (6.5.14)
que e a projeccao de~R num plano perpendicular a ~B. Se escolhermos um sistema cartesiano
e ~B = Bez, fica
R2⊥ = X2 + Y 2 . (6.5.15)
Notemos os casos limites deste Hamiltoniano:
• Tomando ~B = 0, H fica reduzido a H0, que, com o potencial de Coulomb e o problema
da seccao 6.4;
• Tomando φ = 0 e escolhendo ~B = Bez, H fica
H =P 2
x + P 2y + P 2
z
2me
− qB
2me
Lz +q2B2
8me
(
X2 + Y 2)
, (6.5.16)
que coincide com o Hamiltoniano (5.3.4) do problema de Landau.
6.5.2 Interpretacao dos varios termos do Hamiltoniano
Quando ~B = 0 o Hamiltoniano reduz-se a H0, isto e a soma da energia cinetica com a
energia potencial. Mas quando ~B 6= 0, H0 ja nao pode ser interpretado como a energia
cinetica mais a energia potencial. Para verificarmos este ponto consideremos a seguinte
analise classica. O Hamiltoniano de uma carga sob a accao de um campo electromagnetico
e dado por (1.3.20) que podemos reescrever em termos da velocidade
H =(~p− q ~A)2
2me+ qφ =
1
2me~x
2+ qφ , (6.5.17)
logo a energia cinetica na presenca de um campo magnetico e
Ec =(~p− q ~A)2
2me, (6.5.18)
192 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
e nao ~p2/2me. O significado fısico de ~p2/2me depende da gauge escolhida para ~A. Para um
campo ~B uniforme, com a escolha de gauge (6.5.2) e tomando ~B = Bez temos (usando a
frequencia ciclotronica ωc = qB/me)
~x =~p
me+
q
2me~r× ~B =
~p
me−ωcr
2(cosφey−sin φex) ⇔ ~p
me= ~x−ωcr
2(sin φex−cos φey) ,
(6.5.19)
ou seja a ‘velocidade’ ~p/me e a velocidade da partıcula relativamente a um referencial em
rotacao em torno da direccao do campo uniforme, com velocidade angular ωc/2, no sentido
directo, denominado referencial de Larmor. Assim,
• H0 e a energia cinetica da partıcula relativamente ao referencial de Larmor mais a energia
potencial;
• H2, que coincide com
me
2
[ωcr
2(sin φex − cosφey)
]2
, (6.5.20)
e a energia cinetica do referencial de Larmor;
• H1 e um termo cruzado que surge sempre que a velocidade da partıcula relativamente
ao referencial de Larmor nao seja ortogonal a velocidade do referencial de Larmor.
A interpretacao que acabamos de dar dos varios termos e puramente mecanica. Mas
os termos H1 e H2 tem tambem uma interpretacao electromagnetica de interesse. Para
a compreendermos consideramos novamente uma analise classica. Define-se geralmente a
densidade de momento magnetico (ou magnetizacao) como sendo
~M(~x) =1
2
[
~x×~i(~x)]
, (6.5.21)
onde ~i e o vector densidade de corrente; o integral da densidade de magnetizacao e a
magnetizacao total ou momento magnetico total ou ainda o dipolo magnetico
~µ =1
2
∫
V
~x×~i(~x)d3~x . (6.5.22)
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 193
No caso em que uma corrente com intensidade I so existe ao longo de um circuito fechado
e planar, com elemento de linha d~l, o integral de volume reduz-se a um integral de linha
fechado
~µ =I
2
∮
~x× d~l = AIn , (6.5.23)
onde n e a ortogonal ao plano com orientacao dada pelo sentido da corrente e A e a area
planar delimitada pelo circuito. Se considerarmos uma carga com movimento circular e
uniforme com velocidade angular v/r = ω, associamos-lhe uma intensidade de corrente
I = densidade de carga× velocidade =qv
2πr; (6.5.24)
como a superfıcie delimitada pelo circuito tem area A = πr2, o momento magnetico e
~µ = IAn =qvr
2n . (6.5.25)
Consideremos agora o momento angular ~L de uma tal carga com um movimento circular
e uniforme anterior que se move num campo magnetico constante que representamos na
gauge (6.5.2); por definicao
~L = ~r × ~p = ~r × (me~v + q ~A) = mervn−q
2~r × (~r × ~B) , (6.5.26)
que usando a identidade
~a× (~b× ~c) = ~b(~a · ~c)− ~c(~a ·~b) , (6.5.27)
e (6.5.25) reescrevemos como
~L =2me
q~µ− q
2
[
(~r · ~B)~r − r2 ~B]
⇔ ~µ =q
2me
~L+q2
4me
[
(~r · ~B)~r − r2 ~B]
. (6.5.28)
Assim, a nossa carga tem duas contribuicoes para o seu momento magnetico. Uma devido a
estar numa orbita circular e consequentemente ter momento angular; uma segunda devido
a estar imersa num campo magnetico. A densidade de energia3 devida a interaccao entre
o momento magnetico e um campo magnetico externo e
dH = −~µ · d ~B ⇒ H = − q
2me
~L · ~B +q2
8me
[
r2B2 − (~r · ~B)2]
, (6.5.29)
3Em sistemas magneticos a segunda lei da termodinamica pode ser escrita dF = −SdT − ~µ · d ~B, ondeF e a energia livre de Helmholtz.
194 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
que sao exactamente os analogos classicos dos termos H1 e H2 em (6.5.10). Assim o termo
H1 pode ser escrito como
H1 = −~µL · ~B , (6.5.30)
onde
~µL =q
2me
~L . (6.5.31)
Este termo e, portanto, a energia de acoplamento entre o campo magnetico externo e o
momento magnetico do electrao que resulta do seu momento angular, ~µL. E denominado
acoplamento paramagnetico, pois e energeticamente vantajoso o momento magnetico do
electrao encontrar-se paralelo ao campo externo. Por outro lado, o termo H2, e a energia
de acoplamento entre o campo magnetico externo e o momento magnetico do electrao que
e induzido pelo proprio campo externo. A sua contribuicao para a energia e positiva pelo
que este momento magnetico induzido e anti-paralelo ao campo indutor. E denominado
acoplamento diamagnetico. Como veremos na proxima seccao, o acoplamento diamagnetico
e bem menos importante que o paramagnetico e so tem de ser considerado em estados com
momento angular zero. Na natureza, substancias diamagneticas consistem de atomos ou
moleculas com momento angular total zero. A aplicacao de um campo magnetico externo
leva a criacao de correntes atomicas em circulacao que produzem um momento magnetico
antiparalelo ao campo externo; de facto, o termo diamagnetico e o associado ao referencial
de Larmor, como vimos em cima. O Bismuto e a substancia mais diamagnetica conhecida.
Se os atomos ou moleculas constituintes da substancia tiverem um momento angular total
nao nulo, oriundo de electroes desemparelhados, a substancia e paramagnetica. Imerso
num campo magnetico, o momento magnetico do electrao desemparelhado alinhar-se-a
paralelamente ao campo.
Nota: Em geral, uma carga q (massa m) com momento angular ~J , seja ele de origem
orbital ou intrınseco (spin), tem um momento magnetico dado por
~µ = gq
2m~J , (6.5.32)
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 195
onde g se denomina a razao giromagnetica. Para uma carga classica com o ~J de origem
orbital, g = 1 - como exemplificado em cima - mas para o electrao com o seu ~J intrınseco,
verifica-se que g ≃ 2. De facto g = 2 e a previsao da equacao de onda relativista (eq.
de Dirac), mas efeitos associados as flutuacoes quanticas do vacuo alteram ligeiramente
este valor, denominado por razao giromagnetica anomala. Este valor pode ser calculado
em electrodinamica quantica (QED) com grande precisao e o acordo com a experiencia
verifica-se com 10 algarismos significativos!
6.5.3 Comparacao dos varios termos no Hamiltoniano
Vamos agora comparar as ordens de magnitude dos tres termos em (6.5.10). Quando ~B = 0
ficamos apenas com H0, cujo espectro de energias e (6.4.23). Como tal associamos com
este termo energias da ordem de
E0 ∼~2
mea20
. (6.5.33)
Pela forma do operador H1 (6.5.12), tomando um campo magnetico na direccao z e recor-
dando que os valores proprios de Lz sao inteiros vezes ~ concluimos que dara origem a
energias da ordem de
E1 ∼qB~
me. (6.5.34)
Por outro lado, assumindo que os elementos de matriz do operador R2⊥ sao da ordem de
grandeza de a20, dado que o raio de Bohr caracteriza as distancias atomicas, temos que
E2 ∼q2B2a2
0
me. (6.5.35)
Concluimos imediatamente as seguintes ordens de grandeza relativas:
E2
E1
∼ E1
E0
∼ Bqa20
~∼ B(Tesla)× 10−5 . (6.5.36)
Sendo os maiores campos magneticos produzidos em laboratorio da ordem dos 100 Tesla,
concluimos que nessas experiencias E2 ≪ E1 ≪ E0.
196 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
6.5.4 Espectro de Energias aproximado: efeito Zeeman
Vamos agora entao levar a cabo a tarefa a que nos propusemos: ver como o espectro de um
atomo de hidrogenio se altera quando imerso num campo magnetico. A aproximacao que
vamos usar e a de negligenciar o termo H2, que, como vimos na seccao anterior, tem uma
grandeza inferior aos outros dois. Assim, consideramos como Hamiltoniano aproximado
H ≃ H0 + H1 =~P
2
2me+ qφ(
~R)− q
2me
~L · ~B . (6.5.37)
Ao fazermos esta aproximacao, o unico operador novo relativamente ao problema do atomo
de hidrogenio sem campo magnetico (descrito por H0) e~L · ~B; no problema sem campo
magnetico tomamos o C.C.O.C.= H0, L2, Lz. Tomando ~B = Bez, verificamos que o
unico operador no termo novo e Lz, que e diagonalizado pelos mesmos estados que diago-
nalizam H0, que tem a forma (6.4.37). A accao do operador Hamiltoniano nestes estados
e dada por
H|N, ℓ,m〉 =
(
− ~2
2mea20N
2− qB
2mem~
)
|N, ℓ,m〉 , (6.5.38)
pelo que o espectro de energias e agora
E(N,m) = EN − µBBm , (6.5.39)
onde EN e espectro do atomo de hidrogenio livre, dado por (6.4.23). Ha, portanto um
levantamento da degenerescencia do espectro de energias; estados com o mesmo numero
quantico principal, N , mas diferente numero quantico azimutal, m, irao em geral ter difer-
entes energias: efeito Zeeman. Mas note-se que a degenerescencia do espectro de energias
nao e totalmente eliminada; resiste ainda a degenerescencia que origina de estados com
diferente ℓ mas com o mesmo N e m. Deste modo a degenerescencia decresce de N2 para
N − |m| (para valores genericos de B).
Duas notas:
• A aproximacao falha para estados com m = 0; para esses, a primeira correccao ao espec-
tro do atomo de hidrogenio origina no termo negligenciado (termo diamagnetico);
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 197
Sem Campo Magnetico Com Campo Magnetico
Espectro sem Campo Espectro com Campo
Figura 6.9: Efeito Zeeman: Desdobramento das linhas espectrais devido a presenca de umcampo magnetico. Note-se que nem todas as transicoes sao possıveis; de facto ha regrasde seleccao.
• Na realidade, tanto o electrao como o protao tem spin, que estamos aqui a negligenciar.
Por essa razao, o espectro anterior nao e o observado numa experiencia fısica real.
Mas a inclusao de spin e uma generalizacao simples do calculo aqui exemplificado e
o efeito fısico da alteracao das energias (e tambem das polarizacoes que veremos a
seguir) permanece valido qualitativamente.
A presenca do campo magnetico altera genericamente, como vimos, a energia dos esta-
dos estacionarios do atomo de hidrogenio. Como tal, a frequencia da radiacao emitida em
transicoes atomicas e tambem alterada. Em geral existe um desdobramento das riscas es-
pectrais, como exemplificado na figura 6.9. Mas para alem desta alteracao das frequencias
possıveis, o efeito Zeeman consiste tambem na alteracao da polarizacao dos fotoes emiti-
dos numa transicao atomica. Para estudarmos este ponto, consideramos o operador dipolo
electrico, definido por
~D ≡ q
~R . (6.5.40)
Consideremos os elementos de matriz deste operador num estado estacionario do atomo
de hidrogenio imerso no campo magnetico. Continuamos a considerar a aproximacao em
198 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
que negligenciamos o termo diamagnetico. Estes estados sao os mesmos dos atomo de
hidrogenio livre |N, ℓ,m〉, apenas possuindo energias diferentes. Estes estados tem uma
paridade bem definida. Pode-se verificar que Y mℓ tem paridade (−1)ℓ. Logo, os estados
|N, ℓ,m〉 tem paridade (−1)ℓ. Por outro lado, o operador~D e ımpar. Logo
〈N, ℓ,m| ~D|N, ℓ,m〉 = 0 , (6.5.41)
em qualquer estado estacionario. Para termos um dipolo diferente de zero temos de consid-
erar uma sobreposicao de estados estacionarios. Tomemos uma sobreposicao dos estados
1s e 2p, isto e
|Ψ(0)〉 = cosα|1, 0, 0〉+ sinα|2, 1, m〉 , (6.5.42)
onde m = 0,±1 e α ∈ R. A energia destes dois estados e
E1s = E1 , E2p = E2 − µBBm = E1 + ~(Ω +mωL) , (6.5.43)
onde EN e dado por (6.4.23), e introduzimos
Ω ≡ E2 − E1
~, ωL ≡ −
ωc
2, (6.5.44)
respectivamente a frequencia angular associada a um fotao emitido na transicao de N = 2
para N = 1 do atomo de hidrogenio livre e a frequencia angular do referencial de Larmor.
Logo
|Ψ(t)〉 =[
cosα|1, 0, 0〉+ sinαe−i(Ω+mωL)t|2, 1, m〉]
e−iE1t/~ . (6.5.45)
Vamos agora calcular o valor esperado do operador dipolo neste estado
〈 ~D〉(t) = 〈Ψ(t)| ~D|Ψ(t)〉
= sinα cosα(
ei(Ω+mωL)t〈2, 1, m| ~D|1, 0, 0〉+ e−i(Ω+mωL)t〈1, 0, 0| ~D|2, 1, m〉)
.
(6.5.46)
Para calcularmos estes elementos de matriz notamos que
~D = (Dx, Dy, Dz) = q(X, Y , Z) . (6.5.47)
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 199
Por outro lado, recordando a forma dos harmonicos esfericos com ℓ = 1, dada por (6.2.45),
(6.2.46) e (6.2.47), podemos escrever estes harmonicos em coordenadas cartesianas como
Y 01 =
√
3
4π
z
r, Y ±1
1 = ∓√
3
8π
(x
r± iy
r
)
; (6.5.48)
invertendo estas relacoes obtemos
x =
√
2π
3r(
Y −11 − Y 1
1
)
, y = i
√
2π
3r(
Y −11 + Y 1
1
)
, z =
√
4π
3rY 0
1 . (6.5.49)
Deste modo, usando a representacao do produto escalar no espaco de configuracoes temos
〈1, 0, 0|Dx|2, 1, m〉 =
=
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ
∫ +∞
0
drr2 sin θ(
f(1,0)(r)Y00
)∗q
√
2π
3r(
Y −11 − Y 1
1
)
f(2,1)(r)Ym1
=qχ√
6
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ sin θ(
Y −11 − Y 1
1
)
Y m1 ,
(6.5.50)
onde definimos
χ ≡∫ +∞
0
r3f(1,0)(r)f(2,1)(r)dr , (6.5.51)
e usamos o facto que as funcoes de onda radiais sao reais. Usamos tambem o valor de Y 00 =
1/√
4π. Usamos agora o facto de que os harmonicos esfericos sao uma base ortonormal do
espaco de funcoes de quadrado somavel na esfera. A relacao de ortonormalizacao e
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ sin θ(Y mℓ (θ, φ))∗Y m′
ℓ′ (θ, φ) = δℓℓ′δmm′
. (6.5.52)
Logo, dado que (Y ±11 )∗ = −Y ∓1
1
〈1, 0, 0|Dx|2, 1, m〉 =qχ√
6
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ sin θ(
−Y 11 + Y −1
1
)∗Y m
1 =qχ√
6(−δ1m + δ−1m) .
(6.5.53)
Calculos analogos revelam que
〈1, 0, 0|Dy|2, 1, m〉 =qχ√
6
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ sin θi(
Y 11 + Y −1
1
)
Y m1 = −i qχ√
6(δ1m + δ−1m) ,
(6.5.54)
〈1, 0, 0|Dz|2, 1, m〉 =qχ√
3
∫ 2π
0
dφ
∫ π
0
dθ sin θY 01 Y
m1 =
qχ√3δ0m . (6.5.55)
200 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
Podemos agora concluir que o valor esperado das varias componentes do operador dipolo
electrico e o seguinte:
〈Dx〉(t) =qχ√
6sin(2α)
(
cos[(Ω− ωL)t]δ−1m − cos[(Ω + ωL)t]δ1m)
, (6.5.56)
〈Dy〉(t) = − qχ√6
sin(2α)(
sin[(Ω− ωL)t]δ−1m + sin[(Ω + ωL)t]δ1m)
, (6.5.57)
〈Dz〉(t) =qχ√
3sin(2α) cos(Ωt)δm0 . (6.5.58)
Para qualquer um dos tres valores possıveis de m, o valor esperado do dipolo electrico
e uma funcao oscilatoria do tempo. Logo havera emissao de radiacao electromagnetica.
Podemos pensar nessa radiacao como sendo emitida devido a transicao |2, 1, m〉 → |1, 0, 0〉.Para estudarmos as caracterısticas dessa radicao tomemos os tres valores possıveis de m
separadamente:
• m = +1, temos
〈Dx〉(t) = − qχ√6
sin(2α) cos[(Ω + ωL)t] , 〈Dy〉(t) = − qχ√6
sin(2α) sin[(Ω + ωL)t] ,
〈Dz〉(t) = 0 .
(6.5.59)
A frequencia angular da radiacao emitida, ωrad, e igual a frequencia angular de os-
cilacao do dipolo:
ωrad = Ω + ωL ⇒ νrad =ωrad
2π=
(E2 − µBB)−E1
h=E(2,1) −E(1,0)
h, (6.5.60)
que e exactamente a frequencia esperada na transicao |2, 1, 1〉 → |1, 0, 0〉. A polar-
izacao da radiacao emitida vai depender da direccao. Consideremos a direccao com
versor ~n. De acordo com o electromagnetismo classico, o estado de polarizacao da
radiacao sera dado pelo vector
~kp = (~n× ~D)× ~n = ~D − ~n(~n · ~D)⇔
(kpx, k
py , k
pz) = ((1− n2
x)Dx − nxnyDy, (1− n2y)Dy − nxnyDx,−nz(nxDx + nyDy)) ,
(6.5.61)
que corresponde a projeccao de ~D num plano ortogonal a ~n.
6.5 O atomo de hidrogenio (sem spin) num campo magnetico 201
- Radiacao emitida na direccao Oz: nx = ny = 0, logo
~kp = ~D ⇒ (kpx)
2 + (kpy)
2 = constante ; (6.5.62)
A polarizacao e circular no sentido directo que e o movimento efectuado pelo
vector dipolo electrico;
- Radiacao emitida na direccao xOy: nz = 0, logo n2x + n2
y = 1, pelo que
~kp = (ny(nyDx − nxDy), nx(nxDy − nyDx), 0) ⇒ nxkpx = −nyk
py ; (6.5.63)
A polarizacao e linear;
- Numa direccao arbitraria a polarizacao e elıptica.
• m = 0, temos
〈Dx〉(t) = 0 , 〈Dy〉(t) = 0 , 〈Dz〉(t) =qχ√
3sin(2α) cos(Ωt) . (6.5.64)
A frequencia angular e
ωrad = Ω ⇒ νrad =ωrad
2π=E2 −E1
h=E(2,0) −E(1,0)
h, (6.5.65)
que e exactamente a frequencia esperada na transicao |2, 1, 0〉 → |1, 0, 0〉. A polar-
izacao neste caso e linear em todas as direccoes excepto na direccao Oz, em que nao
e emitida radiacao.
• m = −1, temos
〈Dx〉(t) =qχ√
6sin(2α) cos[(Ω− ωL)t] , 〈Dy〉(t) = − qχ√
6sin(2α) sin[(Ω− ωL)t] ,
〈Dz〉(t) = 0 .
(6.5.66)
A frequencia angular da radiacao emitida e igual a frequencia angular de oscilacao
do dipolo:
ωrad = Ω− ωL ⇒ νrad =ωrad
2π=
(E2 + µBB)−E1
h=E(2,−1) −E(1,0)
h, (6.5.67)
202 Momento Angular Orbital e o Atomo de Hidrogenio
2 1(E − E )/h2 1(E − E )/h ν ν
Figura 6.10: Efeito Zeeman - esquerda: riscas observadas na direccao perpendicular aocampo; a polarizacao da radiacao e linear em todas elas, mas e paralela ao campo ~Bna risca central e perpendicular nas riscas laterais; direita: riscas observadas na direccaodo campo; tem polarizacao circular. O espacamento entre a risca central e as laterais e∆ν = µBB/h (adaptado de Cohen et al., ‘Quantum Mechanics ’).
que e exactamente a frequencia esperada na transicao |2, 1,−1〉 → |1, 0, 0〉. A analise
da polarizacao e semelhante a do caso m = +1, com a diferenca de ser circular inversa
para a emissao na direccao Oz.
As riscas espectrais que acabamos de discutir estao representadas na figura 6.10. Note-se
que o resultado da introducao do campo magnetico, efeito Zeeman, e nao so o aparecimento
de novas riscas, mas tambem de diferentes polarizacoes.
Como nota final mencionamos que o tratamento da radiacao dado nesta seccao foi
classico, ao contrario do dado ao atomo que foi quantico. Note-se que usamos o teorema
de Ehrenfest para associarmos 〈 ~D(t)〉 com quantidade classica ~D(t) e assim deduzirmos
a polarizacao da radiacao. Neste sentido, usamos uma aproximacao semi-classica para o
problema ‘atomo+radiacao’.
6.6 Sumario
Estudamos os operadores que descrevem as varias componentes do momento angular e
tambem o momento angular total. Em mecanica classica, para descrever o momento angu-
lar de um sistema fısico necessitamos de tres numeros, correspondendo as tres componentes
do momento angular. Em mecanica quantica os estados proprios do momento angular tem
apenas dois numeros quanticos, correspondendo ao numero maximo de operadores que
6.6 Sumario 203
conseguimos diagonalizar simulaneamente: L2 e, por escolha, Lz. Construimos explicita-
mente a representacao no espaco de configuracoes das funcoes proprias comuns a estes dois
operadores denominadas harmonicos esfericos. Consideramos uma partıcula num potencial
central e mostramos que os estados estacionarios vao ter tambem momento angular bem
definido. Especializando para o potencial de Coulomb, deduzimos as funcoes de onda que
diagonalizam simultaneamente a energia, o momento angular total e o momento angular
azimutal. Obtemos como resultado (e de primeiros princıpios) a quantificacao da energia
que havıamos estudado no capıtulo 2 para o atomo de hidrogenio no modelo de Bohr, que
reproduzia a formula de Balmer para o espectro do hidrogenio. Note-se no entanto que o
nosso estudo do atomo de hidrogenio foi incompleto devido a nao inclusao do spin. Esta
quantidade leva a existencia no espectro do hidrogenio duma sub estrutura do espectro
que nos deduzimos, denominada estrutura fina. Mergulhamos o atomo de hidrogenio num
campo magnetico uniforme. Usando uma aproximacao em que negligenciamos o termo dia-
magnetico, verificamos o levantamento de parte da degenerescencia do espectro de energias
correspondendo a inequivalencia energetica de estados com diferente numero quantico az-
imutal e mesmo numero quantico principal. Este facto leva ao aparecimento de novas riscas
no espectro do hidrogenio. Estudando o operador dipolo electrico vimos tambem o tipo de
polarizacao correspondente a essas riscas.
CAPITULO 7
Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
Solucoes analıticas exactas da equacao de Schrodinger existem apenas para alguns casos
especiais; potencias constantes por pedacos (capıtulo 3), osciladores harmonicos, campos
magneticos constantes (capıtulo 5) e o potencial de Coulomb (capıtulo 6) sao alguns destes
casos que foram estudados aqui. Dada esta limitacao, foram construidos varios metodos
de aproximacao que serao estudados nos proximos capıtulos.
Neste capıtulo iremos rematar o nosso estudo de modelos exactamente soluveis, procu-
rando esclarecer duas questoes:
i) Existe alguma estrutura subjacente aos modelos exactamente soluveis?
ii) Existe algo analogo aos operadores de criacao e destruicao do oscilador harmonico para
outros modelos exactamente soluveis?
Vamos comecar por mencionar alguns modelos soluveis, que ilustrarao a dificuldade que,
genericamente, existe em os resolver atraves de um ‘ataque’ directo a equacao de Schrodinger,
isto e, pelo metodo diferencial. Seguidamente introduziremos um metodo algebrico, baseado
em operadores analogos aos operadores de criacao e destruicao do oscilador harmonico.
Estes operadores resultam do conceito de superpotencial e potenciais parceiros. Finalmente
discutiremos como os potenciais exactamente soluveis tem, genericamente, a propriedade
206 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
de invariancia de forma, e como esta propriedade pode ser usada para determinar o es-
pectro de energias e as funcoes proprias de um modelo exactamente soluvel, o que nos
permitira construir, resolver e compreender modelos exactamente soluveis.
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis
No capıtulo 3 estudamos potenciais constantes por pedacos. Estes sao, obviamente, ca-
sos em que existe uma solucao exacta da equacao de Schrodinger. Nao sendo potenciais
realistas sao casos paradigmaticos que nos ensinam muita da fısica desta equacao. Dois
problemas fundamentais em Mecanica Quantica, que sao ilustrados pelos exemplos do
capıtulo 3, sao:
• Calculo do espectro de estados ligados: Sempre que temos um estado com energia E
num potencial cujo valor assimptotico, para ambos os lados, e maior do que E, este
estado e denominado estado ligado. Significa que esta “preso” num tipo de poco
de potencial. Sempre que existem estados ligados existe discretizacao de energias.
A interpretacao fısica e que nem todos os comprimentos de onda podem existir no
poco de potencial como estados estacionarios, devido a interferencia com as ondas
reflectidas nas paredes do potencial. O calculo do espectro de energias de estados
ligados e um importante problema em Mecanica Quantica.
• Calculo da difusao de uma partıcula num potencial : A funcao de onda que descreve
a partıcula quantica sofre difusao, ou espalhamento, que depende das variacoes no
espaco e no tempo do potencial onde se propaga. Em problemas a uma dimensao,
esta difusao e quantificada pelos factores de reflexao e transmissao. Em mais do que
uma dimensao iremos definir (capıtulo 9) uma seccao eficaz diferencial de difusao.
Em qualquer dos casos a difusao da funcao de onda permite calcular a distribuicao
de probabilidade espacial de encontar a partıcula. Esta difusao permite ainda efeitos
fısicos inexistentes em Mecanica classica, como o efeito tunel. Um estado com energia
E tem uma funcao de onda nao nula mesmo em zonas onde o potencial e maior que
a energia (so sera zero se o potencial for infinitamente maior do que a energia). Isso
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 207
permite que a funcao de onda de um estado com energia E seja diferente de zero
em ambos os lados de uma barreira de potencial mais elevado do que o valor de E.
Esta e a origem do efeito tunel. O calculo do factor de transmissao atraves de uma
barreira de potencial e tambem um importante problema em Mecanica Quantica.
Neste capıtulo debrucar-nos-emos exclusivamente sobre o calculo dos estados ligados. Note-
se que a difusao, e em particular o factor de transmissao por efeito tunel, sera tambem
exactamente calculavel num modelo soluvel em que o efeito exista (como no potencial de
Poschl-Teller invertido).
7.1.1 Estados Ligados em Pocos infinitos
Comecemos por estudar o espectro de estados ligados em alguns potenciais com profundi-
dade infinita.
Poco de potencial rectangular de profundidade infinita
Como visto na seccao 3.2.7, para um poco de profundidade infinita
V (x) = 0 para x ∈ [0, L] , V (x) = +∞ para x > L e x < 0 , (7.1.1)
o espectro de energias e
En =n2π2~2
2mL2, n = 1, 2, 3, . . . (7.1.2)
e a parte espacial da funcao de onda normalizada e
Φn(x) =
√
2
Lsin(nπx
L
)
para x ∈ [0, L] , (7.1.3)
e zero fora deste intervalo. O espectro de energias e as funcoes de onda dos tres estados
estacionarios de energia mais baixa estao representados nas figuras 7.1 e 7.2.
Oscilador Harmonico
Como visto no capıtulo 5, para o potencial harmonico
V (x) =mω2
2x2 , (7.1.4)
208 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
E
xx
V(x)
EV(x)
Figura 7.1: Nıveis de energia no oscilador harmonico e no poco de potencial rectangularde profundidade infinita.
4
0.6
0.2
-0.6
2-4
x
0.4
-2
-0.4
00
-0.2
1
0
0.5
2
x
1.50.5 10
-1
-0.5
Figura 7.2: Funcoes de onda dos tres estados estacionarios de energia mais baixa do os-cilador harmonico e do poco de potencial rectangular de profundidade infinita. Note-seque o numero de nodos aumenta com a energia.
o espectro de energias e
En = ~ω
(
n +1
2
)
, n = 0, 1, 2, . . . (7.1.5)
e a parte espacial da funcao de onda normalizada e
Φn(x) =(mω
π~
)1/4 1√2n · n!
Hn
(√
mω
~x
)
e−mωx2/2~ , (7.1.6)
onde Hn sao polinomios de Hermite. O espectro de energias e as funcoes de onda dos tres
estados estacionarios de energia mais baixa estao representados nas figuras 7.1 e 7.2.
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 209
x
543210
5
4
3
2
1
0
Figura 7.3: O potencial V (x) = (1/x − x)2. O espacamento entre os nıveis de energia econstante.
Poco da forma V0(a/x− x/a)2
O potencial
V (x) = V0
(a
x− x
a
)2
, x > 0 , V0 > 0 , (7.1.7)
admite solucao analıtica exacta (ver Folha 1, Problema 1). Este potencial e representado
na figura 7.3. O espectro de energias tem a forma
En = ~
√
8V0
ma2
n +1
2+
1
4
(√
8mV0a2
~2+ 1−
√
8mV0a2
~2
)
, n = 0, 1, 2, . . . (7.1.8)
e a parte espacial das funcoes de onda tem a forma
Φn(x) = cnxν exp
(
−√
mV0
2~2a2x2
)
F
(
−n, ν +1
2,
√
2mV0
~2a2x2
)
, (7.1.9)
onde F (a, b, z) sao funcoes confluentes hipergeometricas,
ν ≡ 1
2
(√
8mV0a2
~2+ 1 + 1
)
, (7.1.10)
e cn sao constantes de normalizacao. Notamos que a funcao confluente hipergeometrica
tem expansao
F (a, b;χ) =
+∞∑
p=0
(a)p
(b)p
χp
p!, (7.1.11)
210 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
onde os sımbolos de Pochhammer sao definidos da seguinte forma:
(a)p = a(a + 1)(a+ 2) . . . (a+ p− 1) , (a)0 = 1 . (7.1.12)
Devido ao primeiro argumento da funcao confluente hipergeometrica ser um inteiro nega-
tivo, a funcao reduz-se a um polinomio finito, de grau n. Explicitamente, nas tres primeiras
funcoes de onda usamos
F (0, b;χ) = 1 , F (−1, b;χ) = 1− χ
b, F (−2, b;χ) = 1− 2χ
b+
χ2
b(b+ 1). (7.1.13)
As tres primeiras funcoes de onda dos estados estacionarios estao representadas na figura
7.4.
Note-se que, devido ao comportamento para x grande ser o mesmo do oscilador harmonico,
o espectro e o de um oscilador harmonico. Neste limite o potencial fica aproximadamente
V (x) ≃ V0
a2x2 , x > 0 V (x) ≃ 0 , x < 0 , (7.1.14)
ou seja metade de um potencial harmonico com frequencia ω =√
2V0/ma2. Para um
potencial harmonico truncado desta maneira, so subsistem metade dos nıveis de energia
(funcoes de onda ımpares), pelo que a frequencia e efectivamente o dobro da frequencia do
potencial harmonico completo. Logo, para o potencial (7.1.14) esperamos uma frequencia
ω = 2
√
2V0
ma2, (7.1.15)
que e de facto a que observamos em (7.1.8). Esta e tambem a frequencia para pequenas
oscilacoes a volta do mınimo. Note-se que a energia de ponto zero e sempre maior do que a
do oscilador harmonico com essa frequencia. Este potencial e, de facto, um caso particular
do potencial harmonico efectivo tres dimensional (Ver problema 4, Folha de problemas 1).
Poco da forma V0 cot2(πx/L)
V (x) = V0 cot2(π
Lx)
, 0 < x < L , V0 > 0 , (7.1.16)
tambem admite solucao analıtica exacta (ver Folha 1, Problema 2). O espectro de energias
tem a forma
En =(
n2 + 4nλ− 2λ) π2~2
2mL2, n = 1, 2, 3, . . . , (7.1.17)
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 211
2
0.4
01 4
x
30
0.2
-0.2
Figura 7.4: Funcoes de onda dos tres estados estacionarios de energia mais baixa do po-tencial V (x) = (1/x− x)2. O numero de nodos aumenta com a energia.
onde
λ =1
4
(√
8mV0L2
π2~2+ 1− 1
)
. (7.1.18)
As funcoes de onda tem a forma diferente dependendo da paridade de n. Para valores
ımpares de n, obtemos a funcao de onda
Φn(x) = cn
(
sinπx
L
)−2λ
F
(
−n2− 2λ,
n
2,1
2; cos2 πx
L
)
, (7.1.19)
enquanto que para valores pares de n obtemos a funcao de onda
Φn(x) = cn
(
sinπx
L
)−2λ
cosπx
LF
(
−n2− 2λ+
1
2,n
2+
1
2,3
2; cos2 πx
L
)
, (7.1.20)
onde F (a, b, c; z) sao funcoes hipergeometricas. Na seccao 7.2.1 analisaremos algumas
destas funcoes de onda, que estao representadas na figura 7.15.
E interessante analisar dois casos limites deste potencial. O primeiro e o limite em que
V0 → 0. Como se pode ver na figura 7.5, nesse limite o potencial aproxima-se do poco de
potencial infinito rectangular. Nesse limite, λ→ 0 e o espectro (7.1.17) reduz-se a
En ≃n2π2~2
2mL2, (7.1.21)
212 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
5
4
3
2
1
0
x
32.521.510.50
x
32.521.510.50
5
4
3
2
1
0
Figura 7.5: Os potenciais V (x) = cot2 x e V (x) = cot2 x/100.
exactamente o espectro do poco rectangular infinito (7.1.2). Um outro limite interessante
e oposto e tomar λ≫ 1; nesse caso
λ ≃√
mV0L2
2π2~2, (7.1.22)
e, para os primeiros nıveis de energia podemos escrever o espectro como
En ≃ ~ω
(
n +1
2
)
, n = 0, 1, 2, . . . , ω ≡√
2V0π2
mL2. (7.1.23)
Obtemos portanto um espectro de oscilador harmonico, o que se pode entender facilmente,
se expandirmos o potencial a volta de x = L/2:
V (x) = V0 cot2 πx
L= V0
sin2[
πL
(
x− L2
)]
cos2[
πL
(
x− L2
)] =V0π
2
L2
(
x− L
2
)2
+O[
(
x− L
2
)3]
;
o primeiro termo tem a forma V (x) = mω2(x − L/2)2/2, com ω dado pela expressao
anterior.
Poco Triangular
Consideremos um potencial linear
V (x) = V0x , V0 > 0 . (7.1.24)
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 213
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
x
1050-5-10
Figura 7.6: A funcao de Airy convergente.
A equacao de Schrodinger independente do tempo para um estado com energia E fica
− ~2
2m
d2
dx2+ V0x
Φ(x) = EΦ(x) , (7.1.25)
ou ainda
d2
dx2− 2mV0
~2
(
x− E
V0
)
Φ(x) = 0 . (7.1.26)
As solucoes da equacao(
d2
dz2− z)
f(z) = 0 , (7.1.27)
chamam-se funcoes de Airy, e as duas solucoes linearmente independentes sao denotadas
por Ai(z) e Bi(z), sendo que a segunda e divergente. Assim, a solucao geral da equacao
de Airy (7.1.27) e dada por
f(z) = αAi(z) + βBi(z) . (7.1.28)
A funcao de Airy convergente juntamente com um potencial linear de declive 1 estao
representadas na figura 7.6. Note-se que a forma e exactamente a esperada. A funcao de
onda oscila quando a energia e maior do que o potencial e torna-se uma onda evanescente
214 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
quando a energia e menor do que o potencial. Assim, tomamos a solucao de (7.1.26) como
sendo
Φ(x) = cAi
(
3
√
2mV0
~2
(
x− E
V0
)
)
, (7.1.29)
onde c e uma constante de normalizacao.
Um potencial linear origina uma forca constante, como por exemplo a de uma partıcula
carregada num campo electrico constante. Mas um potencial linear em todo o espaco
nao faz sentido fisicamente, pois a energia nao esta limitada inferiormente. Podemos, no
entanto, considerar um poco de potencial triangular da seguinte forma
V (x) =
V0x x > 0
+∞ x < 0 .(7.1.30)
Se o fizermos, esperamos quantificacao de energia. Matematicamente, esta quantificacao
aparece como consequencia da condicao
Φ(0) = 0 . (7.1.31)
Logo, em x = 0, o argumento da funcao de Airy tem de ser um dos seus zeros, xn, isto e
En = −(
V 20 ~2
2m
)1/3
xn . (7.1.32)
Estes zeros nao tem uma expressao matematica simples, mas e muito simples compreender
a forma da funcao de onda para os varios estados estacionarios; representamos os primeiros
na figura 7.7. Numericamente,
x1 ≃ −2.34 , x2 ≃ −4.09 , x3 ≃ −5.52 , (7.1.33)
o que revela que |E3−E2| < |E2−E1|. Este e um padrao que se repete: os nıveis de energia
estao cada vez mais proximos a medida que a energia aumenta, ou, posto na linguagem da
proxima seccao, a densidade de estados aumenta com a energia.
Nesta altura vale a pena observar que em todos os exemplos de pocos de potencial
estudados ate agora, o numero de nodos aumente sempre de uma unidade com o nıvel
de energia. Esta e uma caracterıstica generica de problemas em uma dimensao. Note-se
tambem que o estado fundamental nunca tem qualquer nodo.
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 215
-0.8
x
1086420
0.8
0.4
0
-0.4
x
1086420
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
x
1086420
0.8
0.4
0
-0.4
-0.8
Figura 7.7: As funcao de onda dos tres primeiros estados estacionarios no poco triangular.
7.1.2 Densidade de estados
Comparemos agora a densidade de estados, ρ(E), definida por
ρ(E) =dN(E)
dE, (7.1.34)
para alguns destes pocos infinitos. No caso do oscilador harmonico, temos
N(E) =E
~ω− 1
2⇒ ρ(E) =
1
~ω. (7.1.35)
Obviamente para o caso do oscilador harmonico, a densidade de estados e constante, dado
o espacamento energetico entre os nıveis ser sempre igual.
No caso do poco rectangular infinito,
N(E) =L
π~
√2mE ⇒ ρ(E) =
L
π~
√
m
2E. (7.1.36)
A densidade de estados tende para zero a medida que a energia aumenta, devido ao
espacamento energetico aumentar com o nıvel.
No caso do poco de potencial do tipo cot2 x, escolhemos a raiz positiva da equacao
quadratica
N(E)2+4N(E)λ−2λ−2mEa2
π2~2= 0 ⇒ N(E) =
√
4λ2 + 2λ+2mEa2
π2~2−2λ , (7.1.37)
pelo que obtemos uma densidade de estados
ρ(E) =ma2
π2~2
1√
4λ2 + 2λ+ 2mEa2
π2~2
. (7.1.38)
216 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
E
1086420
Figura 7.8: Densidade de estados para o oscilador harmonico (constante), poco rectangularinfinito (curva divergente em zero) e poco do tipo cot2 x.
Estas varias densidades de estados estao representadas na figura 7.8. Note-se, que de acordo
com a analise efectuada anteriormente, o potencial cot2 x tem uma densidade aproximada-
mente constante para energias baixas e converge para a densidade do poco rectangular
infinito para energias elevadas. Estas curvas da densidade de estados ajudam-nos a ter
uma intuicao sobre outros casos onde nao possamos resolver analiticamente o problema.
Por exemplo, no potencial x4, deveremos ter uma densidade de estados cujo declive estara
algures entre entre o do poco rectangular infinito e o do potencial harmonico. Notemos
ainda que o potencial triangular da seccao anterior tem uma densidade de estados que
aumenta com a energia.
7.1.3 Estados Ligados em Pocos finitos
Vamos agora estudar o espectro de estados ligados de dois potenciais com profundidade
finita, um dos quais ja nosso conhecido. Recordemos ainda que na seccao 3.2.6 estudamos
um outro caso de um potencial rectangular finito, cujos nıveis de energia se determinaram
por um metodo geometrico.
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 217
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
x
20151050
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
x
20151050
Figura 7.9: Potencial de Coulomb efectivo para b 6= 0 and b = 0 respectivamente.
Poco de potencial efectivo de Coulomb
No capıtulo 6 resolvemos a equacao de Schrodinger tres dimensional no potencial de
Coulomb. Devido a simetria esferica, reduzimos o problema a uma dimensao, com um
potencial efectivo do tipo
V (x) =a
x+
b
x2, se x > 0 ; V (x) = +∞ , se x < 0 . (7.1.39)
As constantes a e b tem valores negativo e positivo (ou zero) respectivamente. O potencial
esta representado na figura 7.9. No caso do problema de Coulomb, estas constantes tem o
valor
a = − e2
4πǫ0, b = ℓ(ℓ+ 1)
~2
2µ. (7.1.40)
Usando um metodo analogo ao do capıtulo 6, mostra-se que os nıveis de energia sao
dados por
En = −µa2
2~2
1(
n+√
14
+ 2µb~2 + 1
2
)2 , n = 0, 1, 2, 3, . . . . (7.1.41)
Tomando os valores (7.1.40) obtemos o espectro de energias do atomo de Hidrogenio, que
esta representado na figura 6.5. As funcoes de onda serao dadas pela parte radial das
funcoes de onda estudadas no capıtulo 6 para o atomo de Hidrogenio. Note-se que para
ℓ = 0 (b = 0) este e um poco infinito. Na seccao 7.2.4 voltaremos a analisar este problema
usando o metodo algebrico.
218 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
x
420-2-40
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
Figura 7.10: O potencial de Pochl-Teller para V0 = 1 = a.
Poco de potencial de Poschl-Teller
O poco de potencial
V (x) = − V0
cosh2 xa
, V0 , a > 0 , (7.1.42)
denominado potencial de Poschl-Teller, admite solucao analıtica exacta (ver Folha 1, Prob-
lema 3). Este potencial e representado na figura 7.10. O espectro de energias tem a forma
En = − ~2
2ma2
[
1
2
√
8mV0a2
~2+ 1−
(
n +1
2
)
]2
, n = 0, 1, 2, . . . , N , (7.1.43)
onde N e o maior inteiro que satisfaz a desigualdade
N +1
2<
1
2
√
8mV0a2
~2+ 1 . (7.1.44)
As funcoes de onda tem a forma diferente dependendo da paridade de n. Para valores
ımpares de n, obtemos a funcao de onda
Φn = cn sinhx
a
(
coshx
a
)−2λ
F
(
−n2
+1
2,−2λ+
n
2+
1
2,3
2;− sinh2 x
a
)
, (7.1.45)
enquanto que para valores pares de n obtemos a funcao de onda
Φn = cn
(
coshx
a
)−2λ
F
(
−n2,−2λ+
n
2,1
2;− sinh2 x
a
)
, (7.1.46)
7.1 Alguns pocos de potencial exactamente soluveis 219
1
0
0.5
-0.5
-1
x
21-1-3 30-2
Figura 7.11: Funcoes de onda dos tres estados estacionarios de energia mais baixa dopotencial de Poschl-Teller (nao normalisadas). Usamos λ = 2, a = 1. O numero de nodosaumenta com a energia.
onde F (a, b, c; z) sao funcoes hipergeometricas e λ e dado pela expressao
λ ≡ 1
4
(√
1 +8mV0a2
~2− 1
)
. (7.1.47)
Notamos que a funcao hipergeometrica tem expansao
F (a, b, c;χ) =
+∞∑
p=0
(a)p(b)p
(c)p
χp
p!. (7.1.48)
Devido ao primeiro argumento da funcao hipergeometrica ser um inteiro negativo (quer no
caso par, quer ımpar), a funcao reduz-se a um polinomio finito, de grau n. Explicitamente,
para as tres primeiras funcoes de onda usamos
F (0, b, c;χ) = 1 , F (−1, b, c;χ) = 1− b
cχ . (7.1.49)
As funcoes de onda dos tres primeiros estados estacionarios encontram-se representadas na
figura 7.11.
Notemos que este poco de profundidade finita admite um numero finito de estados lig-
ados, enquanto que o poco de potencial efectivo de Coulomb, sendo ainda de profundidade
finita, admite um numero infinito de estados ligados.
220 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma in-
variante
Quando, no capıtulo 5, estudamos o oscilador harmonico, deduzimos o seu espectro e
funcoes proprias usando dois metodos diferentes: um metodo algebrico baseado na in-
troducao de operadores de criacao e destruicao (seccoes 5.1.1 e 5.1.2); um metodo difer-
encial de resolucao directa da equacao de Schrodinger, com um “ansatz” apropriado que
introduz uma serie de potencias que devera ser finita por normalizabilidade da funcao de
onda. O primeiro metodo e, sem duvida, bem mais elegante e pratico.
Os potenciais estudados na seccao 7.1 sao, tradicionalmente, resolvidos usando o se-
gundo metodo. Existe, no entanto, um metodo algebrico aplicavel a estes e outros potenci-
ais, que nos permitira, de um modo mais pratico, extrair o espectro e as funcoes proprias do
problema (e tambem os factores de transmissao e reflexao, quando aplicavel, mas que nao
sera aqui tratado). O metodo que vamos descrever tem a sua origem em tecnicas de “super-
simetria” - uma simetria (ainda nao observada) que relaciona bosoes com fermioes - mas
que e essencialmente equivalente a um metodo de factorizacao introduzido por Schrodinger
em 1940 (Proc. Roy. Irish Acad. A46 (1940) 9).
7.2.1 O superpotencial e potenciais parceiros
Consideramos o operador Hamiltoniano na representacao |x〉:
ˆH1 = − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x) . (7.2.1)
Assumimos que o potencial e limitado inferiormente e tem um espectro de estados ligados,
acima do qual podera, ou nao, existir um contınuo de estados. E uma propriedade universal
que o estado fundamental Φ0 nao tem nodos. Este estado tem energia E0 e obedece a
− ~2
2m
d2Φ0
dx2+ V1(x)Φ0 = E0Φ0 ,
que, invertendo, resulta em
V1(x) =~
2
2m
1
Φ0
d2Φ0
dx2+ E0 . (7.2.2)
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 221
Conhecendo, pois, o estado fundamental de um problema, podemos facilmente reconstruir
o potencial, a menos de uma constante (a energia de ponto zero). No que se segue iremos
considerar o potencial que e obtido do original atraves da subtraccao da energia de ponto
zero, o que garante que o estado fundamental do novo potencial tem energia zero:
V1 − E0 = V1 ,ˆH1 − E01 = H1 . (7.2.3)
Podemos agora factorizar o operador Hamiltoniano da seguinte maneira
H1 = A†A , (7.2.4)
onde os operadores A e A† sao adjuntos e tomam a forma, na representacao |x〉:
A =~√2m
d
dx+W (x) , A† = − ~√
2m
d
dx+W (x) . (7.2.5)
A funcao W (x) e denominada superpotencial. Da equivalencia entre (7.2.1) e (7.2.4),
(
− ~√2m
d
dx+W (x)
)(
~√2m
d
dx+W (x)
)
= − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x) ,
resulta que
V1(x) = W (x)2 − ~√2m
dW
dx. (7.2.6)
Esta equacao e denominada equacao de Riccati. Dado um potencial V1(x) = V1(x) + E0,
usamo-la para determinar o superpotencial, descobrindo simultaneamente a energia de
ponto zero do potencial V1(x).
O estado definido por AΦ = 0, obedece a H1Φ = A†AΦ = 0; isto e tem a energia
do estado fundamental. Como o espectro e nao degenerado (caracterıstica generica de
problemas um dimensionais), este deve ser o estado fundamental:
AΦ0 = 0 ⇔ W (x) = − ~√2m
1
Φ0
dΦ0
dx. (7.2.7)
Substituindo em (7.2.6) obtemos
V1(x) =~
2
2m
1
Φ0
d2Φ0
dx2, (7.2.8)
222 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
em concordancia com (7.2.2) apos a transformacao (7.2.3). Por outro lado, de (7.2.7),
temos que dado o superpotencial podemos determinar Φ0(x) por
Φ0(x) = exp
(
−√
2m
~
∫
W (x)dx
)
. (7.2.9)
Exemplo: Consideremos o oscilador harmonico tratado no capıtulo 5. Usando a repre-
sentacao |x〉, escrevemos os operadores de criacao e destruicao (5.1.4) da seguinte maneira
a† =1√ω~
(
− ~√2m
d
dx+
√
mω2
2x
)
, a =1√ω~
(
~√2m
d
dx+
√
mω2
2x
)
. (7.2.10)
O Hamiltoniano escreve-se, em termos destes operadores
ˆH1 = ~ω
(
a†a+1
2
)
⇔ ˆH1 −~ω
21 = (
√~ωa†)(
√~ωa) ,
de onde concluimos que os operadores A e A† sao dados por
A† =√
~ωa† , A =√
~ωa , (7.2.11)
e o superpotencial e linear
W (x) =
√
mω2
2x . (7.2.12)
Usando (7.2.9), obtemos ainda que a funcao de onda do estado fundamental e uma Gaus-
siana do tipo Φ0 = Ce−mωx2/(2~), em concordancia com (5.1.36), e obtemos de (7.2.8)
V1(x) =mω2
2x2 − ~ω
2, (7.2.13)
que e, de facto, o potencial harmonico com a energia de ponto zero removida.
Para introduzir a nocao de potencial parceiro, definimos um novo Hamiltoniano, H2,
H2 = AA† , (7.2.14)
obtido invertendo a ordem de A e A†. Usando (7.2.5)
H2 =
(
~√2m
d
dx+W (x)
)(
− ~√2m
d
dx+W (x)
)
= − ~2
2m
d2
dx2+W (x)2 +
~√2m
dW (x)
dx,
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 223
de onde definimos o potencial parceiro, V2(x) por
V2(x) = W (x)2 +~√2m
dW (x)
dx. (7.2.15)
A designacao de potenciais parceiros para V1(x) e V2(x) surge porque os seus espectros
e funcoes proprias (e matrizes de difusao quando aplicavel) estao relacionados. De facto,
se Φ(1)n , n ≥ 0, for o conjunto de funcoes proprias de H1, com correspondente espectro
E(1)n ≥ 0, ∀n,
H1Φ(1)n = E(1)
n Φ(1)n ,
entao, as funcoes AΦ(1)n , com n > 0, sao funcoes proprias de H2 com valor proprio E
(1)n :
H2
(
AΦ(1)n
)
= AA†AΦ(1)n = AH1Φ
(1)n = AE(1)
n Φ(1)n = E(1)
n
(
AΦ(1)n
)
.
Note-se que o estado fundamental de H1 nao origina, por este procedimento, nenhuma
funcao propria nao trivial de H2.
De um modo semelhante, se Φ(2)n , n ≥ 0, for o conjunto de funcoes proprias de H2,
com correspondente espectro E(2)n > 0, ∀n,
H2Φ(2)n = E(2)
n Φ(2)n ,
entao, as funcoes A†Φ(2)n , com n ≥ 0, sao funcoes proprias de H1 com valor proprio E
(2)n :
H1
(
A†Φ(2)n
)
= A†AA†Φ(2)n = A†H2Φ
(2)n = A†E(2)
n Φ(2)n = E(2)
n
(
A†Φ(2)n
)
.
Note-se que H2Φ(2)0 6= 0, pelo que o estado fundamental de H2 origina, por este procedi-
mento, uma funcao propria nao trivial de H1.
Concluimos pois que os espectros dos potenciais parceiros estao relacionados por
E(2)n = E
(1)n+1 , n ≥ 0, E
(1)0 = 0 ; (7.2.16)
as funcoes proprias estao relacionadas por
Φ(2)n =
1√
E(1)n+1
AΦ(1)n+1 , ou Φ
(1)n+1 =
1√
E(2)n
A†Φ(2)n , (7.2.17)
224 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
A
A†
0 = E(1)0
E(1)1
E(1)2
E(1)3
E(2)0
E(2)1
E(2)2
Figura 7.12: Espectros de potenciais parceiros e accao dos operadores A e A†. Note-se queo operador A/A† destroi/cria um nodo na funcao de onda. Nesse sentido os operadoressao ainda operadores de destruicao/criacao.
que estao normalizadas, assumindo normalizacao de Φ(1)n ou Φ
(2)n respectivamente. Na
figura 7.12 ilustramos a relacao entre os espectros de potenciais parceiros.
Exemplo 1: No caso do oscilador harmonico, os operadores A e A† sao proporcionais
aos operadores de criacao e destruicao. Logo, e de prever que o potencial parceiro do os-
cilador harmonico seja ainda um potencial harmonico. Facilmente se verifica que, tomando
o superpotencial (7.2.12) se obtem, de (7.2.15)
V2(x) =mω2
2x2 +
~ω
2,
que e de facto um potencial harmonico com energia de ponto zero E(2)0 = ~ω - figura 7.13.
Esta energia de ponto zero corresponde, de facto, a energia do primeiro estado excitado do
potencial parceiro (7.2.13). Vemos pois que o potencial harmonico tem forma invariante;
isto e nao modifica a sua forma relativamente ao potencial parceiro. Potenciais de forma
invariante irao desempenhar um importante papel no que se segue.
Exemplo 2: Consideramos o poco de potencial rectangular de profundidade infinita
(revisto em 7.1.1), que subtraido da sua energia de ponto zero, tomamos como o potencial
V1(x). O espectro de energias fica entao:
E(1)n =
(n+ 1)2π2~2
2mL2− π2~2
2mL2=n(n+ 2)π2~2
2mL2, n ≥ 0 ; (7.2.18)
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 225
V(x)
E
V(x)
E
x x
1 2
Figura 7.13: Potencial harmonico com energia de ponto zero nula (esquerda) e o seupotencial parceiro (direita), que e um potencial harmonico igual mas subido de ~ω.
as funcoes proprias sao
Φ(1)n =
√
2
Lsin
(
(n+ 1)πx
L
)
, x ∈ [0, L] , (7.2.19)
e zero no complementar. Usando (7.2.7) obtemos o superpotencial
W (x) = − ~π√2mL
cotπx
L, (7.2.20)
e como tal, o potencial parceiro, usando (7.2.15),
V2(x) =~
2π2
2mL2
(
2 cot2 πx
L+ 1)
. (7.2.21)
Concluimos pois, de (7.2.16), que o espectro deste potencial e
E(2)n =
(n + 1)(n+ 3)π2~
2
2mL2, n ≥ 0 . (7.2.22)
As funcoes proprias do potencial parceiro, por sua vez, sao obtidas das de H1 pela accao
do operador
A =~√2m
(
d
dx− π
Lcot
πx
L
)
.
Usando (7.2.17) obtemos as funcoes de onda do potencial parceiro:
Φ(2)n =
√
2
(n+ 1)(n+ 3)L
(
(n + 2) cos(n+ 2)πx
L− cot
πx
Lsin
(n+ 2)πx
L
)
. (7.2.23)
As tres primeiras funcoes de onda encontram-se representadas na figura 7.15.
226 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
x
V(x)E
V(x)1 2
Figura 7.14: Poco de potencial rectangular com energia de ponto zero nula (esquerda) e oseu potencial parceiro (direita), que e um potencial do tipo π2~2/mL2(2 cot2(πx/L) + 1).
Vale a pena notar, neste segundo exemplo, que o potencial parceiro do poco de potencial
rectangular de profundidade infinita, que e bastante trivial de resolver, e um potencial
altamente nao trivial de resolver - figura 7.14. Notemos ainda que
V2(x)−~2π2
2mL2=π2~2
mL2cot2 πx
L, (7.2.24)
que e o potencial (7.1.16), com V0 = π2~2/mL2. Para este valor especial de V0, a variavel
λ (7.1.18) toma o valor de 1/2 e o espectro de energias (7.1.17)
En = (n(n+ 2)− 1)π2~2
2mL2, n = 1, 2, 3, . . . , (7.2.25)
o que coincide exactamente com E(2)n − π2~2/2mL2, em acordo com o calculo anterior.
7.2.2 Hierarquia de Hamiltonianos
Vamos assumir que conhecemos um potencial que e exactamente soluvel, V1(x) e conhece-
mos o seu espectro e funcoes de onda. Se assim e, podemos, aparentemente, construir um
numero infinito de potenciais exactamente soluveis. O metodo e o seguinte.
Conhecendo o estado fundamental de um Hamiltoniano H1, Φ(1)0 , que tem energia E
(1)0
igual a zero, podemos encontrar o superpotencial W1(x), usando (7.2.7). Os operadores
A1 e A†1, podem entao ser construidos usando (7.2.5), e podem ser usados para factorizar o
Hamiltoniano, escrevendo-o na forma H1 = A†1A1. O estado fundamental do Hamiltoniano
parceiro H2 = A1A†1, Φ
(2)0 , que tem energia E
(2)0 maior do que zero, e obtido a partir do
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 227
1.5
0.5
-1.5
1
0
x
10.80.60.4
-1
-0.5
0.20
Figura 7.15: Funcoes de onda dos tres estados estacionarios de energia mais baixa dopotencial do tipo cot2(πx/L). O numero de nodos aumenta com a energia.
primeiro estado excitado de H1, pela aplicacao do operador A1. O Hamiltoniano H2−E(2)0 1
tem estado fundamental Φ(2)0 com energia igual a zero. Podemos por isso recomecar o
processo e calcular um novo superpotencialW2(x), novos operadores A2 e A†2 que factorizam
o Hamiltoniano H2 = A†2A2 e um novo Hamiltoniano parceiro H3 = A2A
†2, com um novo
estado fundamental, Φ(3)0 , que tem energia maior do que zero. O Hamiltoniano H3 −
E(3)0 1 tem estado fundamental Φ
(3)0 com energia igual a zero. Podemos recomecar agora
novamente o processo. Construimos assim toda uma hierarquia de Hamiltonianos, criados
por refactorizacoes repetidas.
A razao pela qual, genericamente, nao construimos por este metodo um conjunto infinito
de potenciais exactamente soluveis e que, genericamente, os potenciais parceiros vao ter a
mesma forma do potencial original, apenas com parametros diferentes. Isto e, potenciais
exactamente soluveis sao, genericamente, potenciais de forma invariante que tratamos de
seguida. Usando a condicao de invariancia de forma apropriada podemos resolver um
potencial de primeiros princıpios, e nao apenas resolver um potencial dado o conhecimento
do seu potencial parceiro.
228 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
7.2.3 Potenciais de forma invariante
Se um potencial tem a mesma forma do seu potencial parceiro, isto e, se o potencial V1(x; ai)
e o seu parceiro V2(x; aj), onde ai,j sao os parametros que definem o potencial, obedecerem
a
V2(x; ai) = V1(x; f(ai)) +R(ai) , (7.2.26)
entao dizemos que o potencial tem forma invariante. f(ai) e R(ai) sao duas funcoes dos
parametros ai. Esta condicao e uma condicao de integrabilidade. Usando-a podemos, de
um modo sistematico, obter as funcoes proprias e os valores proprios de qualquer potencial
de forma invariante. Vejamos como.
Consideramos um Hamiltoniano, H1 construido com um potencial, V1(x; a), que obedece
a condicao de invariancia de forma. Se
H1 = − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x, a) ,
pela condicao de invariancia de forma, o Hamiltoniano parceiro sera
H2 = − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x, f(a)) +R(a) .
O Hamiltoniano H1 tem energia de ponto zero igual a zero, por construcao, para qualquer
conjunto de parametros a. O Hamiltoniano H2 e igual ao Hamiltoniano H1, com um
conjunto de parametros f(a) - que ainda tera energia do estado fundamental igual a zero
- somado de R(a). Logo a energia do estado fundamental de H2, que e igual a energia do
primeiro estado excitado de H1 e
E(1)1 = E
(2)0 = R(a) . (7.2.27)
Subtraindo a energia de ponto zero ao Hamiltoniano H2, H′2 = H2 − R(a)1, tera como
Hamiltoniano parceiro
H3 = − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x, f
2(a)) +R(f(a)) ,
de onde concluimos que a energia do segundo estado excitado de H1 sera
E(1)2 = R(a) +R(f(a)) .
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 229
Logo, para potenciais de forma invariante, podemos construir uma hierarquia de Hamilto-
nianos, Hs, s = 1, 2, 3, . . ., em que Hn tem o mesmo espectro que H1, a menos dos primeiros
n−1 nıveis de H1, que estao ausentes em Hn, sendo as suas energias subtraıdas no espectro
de Hn. Usando repetidamente a condicao de invariancia de forma, temos que
Hs = − ~2
2m
d2
dx2+ V1(x, f
s−1(a)) +R(f s−2(a)) .
Logo, a energia do nıvel n do Hamiltoniano H1 e
E(1)n =
n−1∑
k=0
R(fk(a)) , n ≥ 1 , , E(1)0 = 0 .
Consideremos agora o calculo das funcoes de onda dos estados estacionarios. Dado
o potencial original V1(x; a), podemos encontrar o superpotencial W (x; a), via (7.2.6),
a funcao de onda do estado fundamental Φ0(x; a), via (7.2.7) e os operadores A(x; a) e
A†(x; a) usando (7.2.5). Como o potencial e de forma invariante, o potencial parceiro e, a
menos de uma constante (E(1)1 ), V1(x; f(a)). A funcao de onda do estado fundamental do
potencial parceiro sera, por isso, Φ0(x; f(a)). Logo, a funcao de onda do primeiro estado
excitado de V1(x; a) sera, usando (7.2.17),
Φ1(x; a) =1
√
E(1)1
A†(x; a)Φ0(x; f(a)) .
Analogamente,
Φn(x; a) =1
√
E(1)n
A†(x; a)Φn−1(x; f(a)) . (7.2.28)
Deste modo construimos, com um metodo algebrico em tudo analogo ao usado no oscilador
harmonico, todas as funcoes de onda do problema original.
7.2.4 Potenciais de forma invariante relacionados por translacao
Ha, essencialmente, duas classes de potenciais de forma invariante que tem sido estudados:
i) Potenciais que estao relacionados com o parceiro por uma translacao
f(a) = a+ α ; (7.2.29)
230 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
ii) Potenciais que estao relacionados com o parceiro por uma transformacao de escala
f(a) = qa . (7.2.30)
Existem ainda outras classes discutidas na literatura. Contudo e um facto notavel que todos
os modelos exactamente soluveis que se encontram genericamente nos livros de Mecanica
Quantica nao relativista pertencem a primeira classe descrita em cima. Consideremos dois
exemplos.
Oscilador Harmonico generalizado
Consideramos um potencial harmonico centrado no ponto x = a. Vamos assumir que nada
sabemos da teoria quantica deste potencial; em particular desconhecemos a energia de
ponto zero, E0. O potencial harmonico com energia de ponto zero nula sera
V1(x) =1
2mω2(x− a)2 − E0 . (7.2.31)
O superpotencial esta relacionado com V1(x) por
V1(x) = W (x)2 − ~√2m
dW
dx; (7.2.32)
Tomamos como ansatz para o superpotencial
W (x) = α(x+ β) ; (7.2.33)
inserindo este ansatz juntamente com a forma de V1(x) na equacao anterior obtemos
α = ±√
m
2ω , β = −a ⇒ E0 = ±~ω
2. (7.2.34)
Isto e encontrando o superpotencial que origina a parte nao constante do potencial, encon-
tramos tambem a energia de ponto zero! De facto temos duas hipoteses para a energia de
ponto zero; mas uma delas, associada ao sinal inferior, nao e fısica pois diminui a energia
dos estados excitados em vez de a aumentar. Assim tomamos o sinal superior e
W (x) =
√
m
2ω(x− a) . (7.2.35)
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 231
O potencial parceiro e
V2(x) = W (x)2 +~√2m
dW
dx=
1
2mω2(x− a)2 +
~ω
2. (7.2.36)
Logo
V2(x) = V1(x) + ~ω, (7.2.37)
que demonstra que o potencial e de forma invariante. Daqui deduzimos, por (7.2.27) que
E(1)1 = E
(2)0 = ~ω. Subtraindo a energia de ponto zero do potencial V2(x) recuperamos
exactamente o potencial original V1(x) e podemos recomecar o processo. No calculo do
novo potencial parceiro iremos ganhar novamente uma energia de ~ω, pelo que
E(1)2 = ~ω + ~ω = 2~ω . (7.2.38)
Repetindo o procedimento verificamos facilmente que
E(1)n = n~ω ⇒ En = ~ω
(
n+1
2
)
, (7.2.39)
onde repusemos a energia de ponto zero, de acordo com (7.2.3).
Consideramos agora o calculo das funcoes proprias. O operador A† e,
A† = − ~√2m
d
dx+
√
m
2ω(x− a) =
√ω~a† , (7.2.40)
onde a† e o operador de criacao habitual (em termos da variavel x− a). Logo, por (7.2.28)
temos, para as funcoes de onda normalizadas,
Φn(x) =1√n~ω
√~ωa†Φn−1(x) , (7.2.41)
exactamente de acordo com (5.1.30). Esta e uma relacao iterativa; o conhecimento de todas
as funcoes de onda decorre do conhecimento da funcao de onda do estado fundamental.
Este pode ser determinado usando (7.2.7), que, dado o superpotencial, determina a funcao
de onda atraves de:
ln Φ0 = −√
2m
~
∫
W (x)dx+ constante , (7.2.42)
que neste caso e facilmente integravel para dar
Φ0(x) = C0e−mω
2~(x−a)2 , (7.2.43)
como esperado.
232 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
Potencial efectivo de Coulomb
Num campo de forcas central, escolhendo o ansatz,
Φ(r, θ, φ) =R(r)
rY m
ℓ (θ, φ) , (7.2.44)
a equacao de Schrodinger independente do tempo fica reduzida a uma equacao de Schrodinger
um dimensional(
− ~2
2µ
d2
dr2+ Vefe(r)
)
R(r) = ER(r) , (7.2.45)
com potencial efectivo
Vefe =ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2+ V (r) , (7.2.46)
onde µ e a massa da partıcula e V (r) o potencial central a que a partıcula esta sujeita.
Tomando para V (r) o potencial de Coulomb
V (r) = − e2
4πǫ0r= − ~2
µa0r, (7.2.47)
temos
V1(r; ℓ) =ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2− ~2
µa0r− E0(ℓ) , (7.2.48)
onde o ultimo termo corresponde a subtrair a menor energia possıvel para uma orbital com
numero quantico angular ℓ e usamos o raio de Bohr a0, dado por (6.4.22). Para encontrar
o superpotencial, i.e. resolver
V1(r, ℓ) = W (r, ℓ)2 − ~√2µ
dW
dr, (7.2.49)
parece natural tomar o ansatz
W (r; ℓ) =α(ℓ)
r+ β(ℓ) . (7.2.50)
Inserindo esta forma na equacao anterior, juntamente com V1(r; ℓ) obtemos
α(ℓ) =
− ~√2µ
(ℓ+ 1) ,
~√2µℓ ,
β(ℓ) =
~√2µa0(ℓ+ 1)
,
− ~√2µa0ℓ
,
E0 =
− ~2
2µa20(ℓ+ 1)2
,
− ~2
2µa20ℓ
2.
(7.2.51)
7.2 Metodo algebrico para potenciais com forma invariante 233
A solucao inferior diminui a energia dos estados excitados (para alem de divergir para
ℓ = 0) e por isso tomamos a solucao superior. Nesse caso, a energia de ponto zero coincide,
de facto com a menor energia possıvel para uma orbital com numero quantico angular ℓ
do atomo de hidrogenio (6.4.23). Assim, de um modo extremamente simples derivamos a
energia de um numero infinito de orbitais do atomo de hidrogenio! Tomamos, por isso
V1(r; ℓ) =ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2− ~2
µa0r+
~2
2µa20(ℓ+ 1)2
; (7.2.52)
o superpotencial e
W (r; ℓ) =~√2µ
(
1
a0(ℓ+ 1)− ℓ+ 1
r
)
, (7.2.53)
e o potencial parceiro
V2(r; ℓ) =(ℓ+ 2)(ℓ+ 1)~2
2µr2− ~2
µa0r+
~2
2µa20(ℓ+ 1)2
. (7.2.54)
Logo
V2(r; ℓ) = V1(r; ℓ+ 1) +~
2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 2)2
)
, (7.2.55)
o que confirma que o potencial em questao e de forma invariante. Como tal
E(1)1 = E
(2)0 =
~2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 2)2
)
. (7.2.56)
Tomando o potencial V2(r; ℓ) com energia de ponto zero nula recuperamos o potencial
original V1(r; ℓ), com parametro ℓ = ℓ+ 1 e podemos recomecar o processo. No calculo do
novo potencial parceiro iremos ganhar novamente uma energia de
~2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 2)2
)
, (7.2.57)
pelo que
E(1)2 =
~2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 2)2+
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 2)2
)
=~2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 3)2
) , (7.2.58)
Repetindo o procedimento verificamos facilmente que
E(1)n =
~2
2µa20
(
1
(ℓ+ 1)2− 1
(ℓ+ 1 + n)2
)
⇒ En = − ~2
2µa20(ℓ+ 1 + n)2
, (7.2.59)
234 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
onde repusemos a energia de ponto zero, de acordo com (7.2.3).
Consideremos agora o calculo das funcoes proprias. O operador de criacao e
A†(ℓ) =~√2µ
(
− d
dr+
1
a0(ℓ+ 1)− ℓ+ 1
r
)
. (7.2.60)
Usando (7.2.28), temos neste caso
Rn(r; ℓ) =a0
√
1(ℓ+1)2
− 1(n+ℓ+1)2
(
− d
dr+
1
a0(ℓ+ 1)− ℓ+ 1
r
)
Rn−1(r; ℓ+ 1) . (7.2.61)
Para usarmos esta relacao de recorrencia, comecemos por determinar a funcao de onda do
estado fundamental. Usando (7.2.42) temos neste caso
lnR0(r; ℓ) = −√
2µ
~
∫
W (r; ℓ)dr + constante , (7.2.62)
de onde resulta
R0(r; ℓ) = C(ℓ)rℓ+1e− r
(ℓ+1)a0 . (7.2.63)
Comparando com as funcoes de onda dadas na seccao 6.4 verificamos que a dependencia
radial e de facto a correcta para os nıveis com N = ℓ+ 1, que, para cada ℓ, correspondem
ao ‘estado fundamental’. Tomando os casos especıficos com ℓ = 0, 1, temos
R0(r; 0) = C(0)re− r
a0 ; R0(r; 1) = C(1)r2e− r
2a0 . (7.2.64)
O primeiro estado excitado com ℓ = 0 e obtido por accao do operador de criacao no estado
fundamental com ℓ = 1:
R1(r; 0) =2a0√
3
(
− d
dr+
1
a0− 1
r
)
R0(r; 1) = −√
3a0rC(1)
(
2− r
a0
)
e− r
2a0 . (7.2.65)
Notando que a parte espacial da funcao de onda com numeros quanticos (N, ℓ,m) (na
notacao do capıtulo 6) e
Φ(N,ℓ,m) =RN−ℓ−1(r; ℓ)
rY m
ℓ (θ, φ) , (7.2.66)
obtemos
Φ(1,0,0) =C(0)√
4πe−r/a0 , Φ(2,0,0) = −
√
3
4πa0C(1)
(
2− r
a0
)
e−r/2a0 ,
7.3 Sumario 235
Φ(2,1,0) =
√
3
4πrC(1) cos θe−r/2a0 ,
que com as normalizacoes adequadas concordam (a menos de uma fase que e irrelevante)
com as funcoes de onda calculadas no capıtulo 6.
7.3 Sumario
Neste capıtulo discutimos alguns potenciais nos quais a equacao de Schrodinger tem solucao
exacta. Comecamos por exemplificar alguns casos de pocos de potencial de profundidade
finita e infinita, que sao normalmente resolvidos por um metodo diferencial (ver folha de
exercıcios 1). Seguidamente introduzimos um metodo algebrico baseado no conceito de
superpotencial, que permite factorizar o Hamiltoniano e introduzir operadores de criacao
e destruicao. Este metodo permite calcular o espectro de energias e as funcoes proprias
de potenciais de forma invariante, sendo muito analogo ao dos operadores de criacao e
destruicao usados no oscilador harmonico. O metodo foi exemplificado construindo o es-
pectro de energias e funcoes de onda do problema de Coulomb. Genericamente o metodo
pode ser sumarizado na seguinte receita:
i) Dado um potencial, que denominamos V1(x; ai), escrevemos o potencial
V1(x; ai) = V1(x; ai)− E0 ,
que e igual ao anterior, mas com energia de ponto zero nula. Note-se que E0 e
desconhecida neste momento.
ii) Usando a equacao de Riccati
V1(x; ai) = W (x; ai)2 − ~√
2m
dW (x; ai)
dx,
determinamos o superpotencial W (x; ai) e a energia de ponto zero. Este e o ponto
onde alguma intuicao e necessaria para escolher um bom ansatz para o superpotencial.
iii) Determinamos o potencial parceiro
V2(x; ai) = W (x; ai)2 +
~√2m
dW (x; ai)
dx.
236 Outras solucoes exactas da equacao de Schrodinger
iv) Se o potencial for de forma invariante, isto e, se existirem funcoes f(ai) e R(ai) tal que
V2(x; ai) = V1(x; f(ai)) +R(ai) ,
entao podemos determinar o espectro e funcoes de onda de V1(x; ai) (e logo de
V1(x; ai)) analiticamente.
v) O espectro de V1(x; ai) e dado por
En = E0 +n−1∑
s=0
R(f s(ai)) , n ≥ 0
onde f 0(ai) = ai, f1(ai) = f(ai), etc.
vi) As funcoes de onda de V1(x; ai) (que sao as mesmas das funcoes de onda de V1(x; ai))
sao dadas por:
• Estado fundamental
Φ0(x; ai) = exp
(
−√
2m
~
∫
W (x; ai)dx
)
,
onde tem que se escolher a constante de integracao de modo a normalizar a
funcao de onda;
• nesimo estado excitado (n ≥ 1)
Φn(x; ai) =1
√
∑n−1s=0 R(f s(ai))
A†(x; ai)Φn−1(x; f(ai)) ,
onde
A†(x; ai) = − ~√2m
d
dx+W (x; ai) .
Parte II
Metodos de aproximacao e Spin
CAPITULO 8
A aproximacao WKB
A introducao da equacao de Schrodinger completa a nova mecanica ondulatoria e torna
alguns dos postulados introduzidos arbitrariamente na “velha teoria quantica” naturais.
Por exemplo, a quantificacao introduzida por Planck (capıtulo 2) torna-se um problema
de modos normais e frequencias proprias num potencial de oscilador harmonico (capıtulo
5). Contudo nao nos devemos esquecer que as ondas descritas pela equacao de Schrodinger
diferem de ondas classicas, como as electromagneticas, de duas maneiras: sao ondas de
probabilidade (interpretacao de Born); sao ondas complexas.
Como vimos no capıtulo anterior, existem casos em que se pode resolver exactamente a
equacao de Schrodinger correspondentes a potenciais de forma invariante. Mas, em geral,
tal nao e possıvel e como tal necessitamos de metodos aproximados. Alguns destes, como
metodos perturbativos ou variacionais, sao muito gerais e ganham forca quando discutidos
num contexto mais abrangente do que apenas problemas em uma dimensao. Mas existe
um metodo de grande interesse para problemas em uma dimensao: a aproximacao WKB
cujo metodo e moralmente analogo ao usado no capıtulo 3 para potenciais constantes por
pedacos e origina um resultado para a funcao de onda formalmente semelhante as ondas
planas vistas nesse caso. E este metodo que agora consideramos.
Esta aproximacao foi aplicada a equacao de Schrodinger quase simultaneamente por
8.1 O metodo 239
G.Wentzel [Zeits.f.Phys. 38 (1926) 518], H.A.Kramers [Zeits.f.Phys. 39 (1926) 828] e
L.Brillouin [Comptes Rendus 183 (1926) 24], sendo por isso conhecida como aproximacao
ou metodo WKB. Alternativamente, a aproximacao e por vezes denominada BWK, WBK
ou por razoes que se discutirao em baixo, aproximacao semi-classica ou aproximacao da
fase integral.
8.1 O metodo
Consideremos o calculo de estados estacionarios da equacao de Schrodinger atraves da
resolucao da equacao de Schrodinger independente do tempo em uma dimensao
[
− ~2
2m
d2
dx2+ V (x)
]
Φ(x) = EΦ(x) , (8.1.1)
ou equivalentemente
d2Φ(x)
dx2+
2m
~2(E − V (x))Φ(x) = 0 ⇔ Φ(x)′′ + [k(x)]2Φ(x) = 0 , (8.1.2)
onde as ‘linhas’ denotam derivadas em ordem a x e definimos
k(x) ≡√
2m(E − V (x))
~. (8.1.3)
A equacao (8.1.2) tem a forma da equacao de Helmholtz, muito familiar na teoria ondu-
latoria. Sabemos que quando k e constante a solucao e da forma e±ikx (capıtulo 3); isto
sugere que se V nao for constante mas variar lentamente com x, possamos tomar o ansatz
Φ(x) = eiu(x) , (8.1.4)
onde a funcao u(x) nao devera ser simplesmente proporcional a x. Introduzindo este ansatz
em (8.1.2) obtemos a equacao
id2u
dx2−(
du
dx
)2
+ [k(x)]2 = 0 . (8.1.5)
Esta equacao e totalmente equivalente a (8.1.1). So que e nao linear em u(x), pelo que
poderemos pensar que estamos pior do que comecamos! A aproximacao WKB toma partido
240 A aproximacao WKB
desta nao linearidade para construir uma aproximacao a (8.1.5), atraves de um metodo
iterativo; este metodo e sugerido pelo facto de que a segunda derivada e zero para uma
partıcula livre (i.e potencial constante):
• Primeira aproximacao (aproximacao classica - ver seccao 8.4): Se o potencial variar
suficientemente lentamente, negligenciamos o termo da segunda derivada. Desig-
nando esta aproximacao a u(x) por u0(x) (8.1.5) fica
(
du0
dx
)2
= [k(x)]2 ⇔ u0(x) = ±∫
k(x)dx+ C0 . (8.1.6)
Esta quantidade, designada por fase integral, e a quantidade fundamental na aprox-
imacao.
• Aproximacoes seguintes: Escrevemos a equacao de Schrodinger na forma (8.1.5) mas
reflectindo ja o metodo iterativo
(
dun+1
dx
)2
= [k(x)]2 + id2un
dx2; (8.1.7)
isto e, tomamos do lado direito a aproximacao de ordem n, un, e obtemos do lado
esquerdo a aproximacao de ordem n + 1, un+1, que portanto se pode escrever na
forma
un+1(x) = ±∫
√
[k(x)]2 + id2un
dx2dx+ Cn+1 . (8.1.8)
• Segunda aproximacao (aproximacao WKB): Em particular
u1(x) = ±∫
√
[k(x)]2 + id2u0
dx2dx+ C1 = ±
∫
√
[k(x)]2 ± idkdxdx+ C1 . (8.1.9)
Esta segunda aproximacao e designada por aproximacao semi-classica ou WKB.
Para fazer sentido que este procedimento iterativo seja truncado aqui, e necessario que
u1(x) esteja proximo de u0(x), isto e, que u1(x) seja uma pequena correccao a u0(x) na
aproximacao a verdadeira funcao u(x). Em particular isto significa que
|dk/dx| ≪ |k2(x)| . (8.1.10)
8.2 Interpretacao da validade da aproximacao 241
Se assim for,
u1(x) ≃ ±∫(
k(x)± i
2k
dk
dx
)
dx+ C1 = ±∫
k(x)dx+i
2log k(x) + C1 , (8.1.11)
e como tal, na aproximacao WKB a funcao de onda toma a forma
Φ(x) =Aei
R
k(x)dx + A′e−iR
k(x)dx
√
k(x), k(x) ≡
√
2m(E − V (x))
~, se E > V (x) ,
Φ(x) =Be
R
k(x)dx +B′e−R
k(x)dx
√
k(x), k(x) ≡
√
2m(V (x)− E)
~, se E < V (x) .
(8.1.12)
A constante C1 pode ser negligenciada pois a funcao de onda tera de ser, de qualquer
modo, normalizada. Comparando com a seccao 3.2.1 concluimos a semelhanca formal
anteriormente anunciada com a funcao de onda em potenciais constantes por pedacos.
8.2 Interpretacao da validade da aproximacao
Da analise anterior resulta que a condicao de validade da aproximacao WKB significa
que a fase varia muito mais rapidamente do que a amplitude da funcao de onda. Mas
para interpretar de um modo mais fısico a condicao (8.1.10) de validade da aproximacao
definimos, para E > V (x), um comprimento de onda efectivo
λ(x) =2π
k(x). (8.2.1)
Notando ainda que podemos atribuir um momento a partıcula pela relacao p(x) = ~k(x),
a condicao (8.1.10) pode ser escrita
|dp/dx|~
≪ |p|~
2π
λ⇒ λ(x)|dp(x)/dx| ≪ |p(x)| . (8.2.2)
Ou seja, a condicao da validade da aproximacao WKB e que a alteracao do momento
da partıcula ao longo de um comprimento de onda deve ser muito menor que o proprio
momento. Esta condicao e violada:
242 A aproximacao WKB
V(x)
E
x=a
Figura 8.1: Um potencial V (x) perto de um ponto de viragem classico x = a.
• Se o potencial variar muito rapidamente, ou equivalentemente, se k(x) variar muito
rapidamente. Se este for o caso a aproximacao WKB nao sera aplicavel;
• Nos pontos de viragem classicos onde E = V (x) ou equivalentemente k(x) = 0.
Logo, para podermos usar o metodo WKB temos de compreender como extender as solucoes
(8.1.12) atraves dos pontos de viragem classicos. Estes pontos existem tanto no estudo de
estados ligados como no calculo do factor de transmissao por efeito tunel. Precisamos pois
de estabelecer formulas de ligacao que permitirao relacionar os coeficientes Ai e Bi nas
funcoes de onda (8.1.12). Essas formulas de ligacao desempenharao o mesmo papel que
as condicoes de continuidade da funcao de onda e da sua derivada desempenharam nos
potenciais contınuos por pedacos do capıtulo 3.
8.3 Formulas de ligacao
Suponhamos que x = a e um ponto de viragem classico - figura 8.1. Assumimos que
a aproximacao WKB e aplicavel, excepto na vizinhanca imediata dos pontos de viragem
classicos; por outras palavras o potencial nao varia demasiado rapidamente. Fazemos a
seguinte mudanca de variaveis
v(x) =√
k(x)Φ(x) , y =
∫ x
k(x′)dx′ . (8.3.1)
8.3 Formulas de ligacao 243
LogodΦ(x)
dx=
1√
k(x)
(
dv(x)
dx− v(x)
2k(x)
dk(x)
dx
)
, (8.3.2)
d2Φ(x)
dx2=
1√
k(x)
(
d2v(x)
dx2− 1
k(x)
dk(x)
dx
dv(x)
dx− v(x)
2k(x)
d2k(x)
dx2+
3
4
v(x)
[k(x)]2
(
dk(x)
dx
)2)
;
(8.3.3)
notamos ainda que
d2v
dx2= k
(
dk
dy
dv
dy+ k
d2v
dy2
)
,d2k
dx2= k
(
(
dk
dy
)2
+ kd2k
dy2
)
, (8.3.4)
de modo que a equacao de Schrodinger (8.1.2) fica
d2v
dy2+
[
1
4k2
(
dk
dy
)2
− 1
2k
d2k
dy2+ 1
]
v = 0 . (8.3.5)
Tambem esta equacao e completamente equivalente a equacao de Schrodinger (8.1.1). Da
discussao da seccao anterior resulta que a aproximacao WKB e tomar o termo dentro do
parentises [. . .] igual a unidade. Nesse caso
v(y) = e±iy , (8.3.6)
o que, com as definicoes (8.3.1) se reduz a funcao de onda anteriormente calculada com a
aproximacao WKB (8.1.12).
Em geral y = y(x) e uma variavel real se E > V (x) e imaginaria se E < V (x).
Considerando um potencial como o da figura 8.1 temos que:
• y e real a esquerda do ponto de viragem classico; logo na aproximacao WKB, a equacao
(8.3.5) tem solucao
v(y) = Aeiy + A′e−iy ; (8.3.7)
• y e imaginario a direito do ponto de viragem classico; logo na aproximacao WKB, a
equacao (8.3.5) tem solucao
v(y) = Be|y| +B′e−|y| . (8.3.8)
244 A aproximacao WKB
O nosso objectivo e relacionar as constantes A,A′ com B,B′ de modo a v(y) ser a funcao
de onda de um mesmo estado em regioes distintas. Note-se que nestas variaveis, as solucoes
sao exactamente as mesmas que em potenciais constantes.
Dado que a aproximacao WKB falha perto do ponto de viragem classico, para constru-
irmos esta relacao temos de considerar a equacao de Schrodinger completa (8.3.5) perto
deste ponto. Fazemo-lo aproximando o potencial perto de x = a por uma funcao linear
V (x)−E ≃ α(x− a) , α > 0 . (8.3.9)
Com esta aproximacao
k(x) =
√
2m(E − V (x))
~⇒
k(x) =
√
2mα(a− x)~
x < a
k(x) = ±i√
2mα(x− a)~
x > a
. (8.3.10)
A variavel y por seu lado fica
y(x) =
∫ x
a
√
2mα(a− x′)~
dx′ = −2
3
√2mα
~(a− x)3/2 x < a ,
y(x) =
∫ x
a
±i√
2mα(x′ − a)~
dx′ = ±2i
3
√2mα
~(x− a)3/2 x > a .
(8.3.11)
Escolhemos a solucao negativa, de modo a que e+iy = e+|y|.
A variavel y = y(x) tornou-se uma medida da distancia entre x e o ponto de viragem
classico. Reexpressemos k(x) como k(y) usando a expressao para x < a:
k =
√2mα
~
√a− x =
(
−3mα
~2y
)1/3
. (8.3.12)
Logo1
4k2
(
dk
dy
)2
− 1
2k
d2k
dy2=
5
36y2. (8.3.13)
O mesmo resultado e obtido considerando a expressao para x > a. Logo, a equacao de
Schrodinger (8.3.5) ficad2v
dy2+
(
1 +5
36y2
)
v = 0 . (8.3.14)
Para |y| elevado, o termo 5/36y2 pode ser negligenciado e obtemos a aproximacao WKB.
Para |y| pequeno - perto do ponto de viragem classico - a equacao torna-se exacta. O que
8.3 Formulas de ligacao 245
E
V(x)
x=b
Figura 8.2: Um potencial V (x) perto de um ponto de viragem classico x = b.
estamos a assumir e que para valores intermedios esta equacao e uma boa aproximacao de
modo a conseguirmos ligar a aproximacao WKB de ambos os lados.1
Um estudo detalhado da equacao (8.3.14) permite-nos entao relacionar a solucao WKB
a esquerda com a solucao WKB a direita do ponto de viragem classico da figura 8.1 da
seguinte forma
cos(
−y − π4
)
√k
←→ 1
2
e−|y|
k,
sin(
−y − π4
)
√k
←→ −e|y|
k.
(8.3.15)
Estas sao as chamadas formulas de ligacao. Em termos da coordenada original x e es-
pecificando os dois casos possıveis para pontos de viragem temos as seguintes formulas de
ligacao:
• Caso da figura 8.1
2√k
cos
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
←→ 1√
ke−
R xa k(x′)dx′
F ormula i
1√k
sin
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
←→ − 1√
ke
R xa k(x′)dx′
F ormula ii
(8.3.16)
1Este procedimento e problematico se o valor de E estiver proximo de um extremo do potencial; aquiiremos negligenciar essa subtileza.
246 A aproximacao WKB
I
V0
−
A A’
II III
B’1 B1 B’2 B2
xE
V(x)
x=b x=a
Figura 8.3: Um estado com energia E num poco de potencial V (x); x = b e x = a sao ospontos de viragem classicos.A regiao I e desde x = −∞ ate ligeiramente antes de x = b; aregiao II e desde ligeiramente depois de x = b ate ligeiramente antes de x = a; a regiao IIIe desde ligeiramente depois de x = a ate x = +∞.
• Caso da figura 8.2
1√
ke−
R bx k(x′)dx′ ←→ 2√
kcos
(∫ x
b
k(x′)dx′ − π
4
)
F ormula iii
− 1√
ke
R bx
k(x′)dx′ ←→ 1√k
sin
(∫ x
b
k(x′)dx′ − π
4
)
F ormula iv
(8.3.17)
Estas formulas de ligacao desempenham, na aproximacao WKB, o mesmo papel das con-
sidcoes de continuidade desempenharam no nosso estudo de potenciais constantes por
pedacos no capıtulo 3.
8.4 Aplicacao ao calculo de estados ligados
Vamos agora usar a aproximacao WKB para calcular o espectro de estados ligados num
poco de potencial do tipo da figura 8.3. Consideramos um estado com energia E, com
−V0 < E < 0. Na aproximacao WKB, as solucoes da equacao de Schrodinger independente
8.4 Aplicacao ao calculo de estados ligados 247
do tempo nas varias regioes esquematizadas na figura 8.3 sao:
Regiao I Φ(x) =B1e
−R bx k(x′)dx′
+B′1e
R bx k(x′)dx′
√
k(x)com k(x) ≡
√
2m(V (x)− E)
~
Regiao II Φ(x) =Aei
R xb k(x′)dx′
+ A′e−iR xb k(x′)dx′
√
k(x)com k(x) ≡
√
2m(E − V (x))
~
Regiao III Φ(x) =B2e
R xa k(x′)dx′
+B′2e
−R x
a k(x′)dx′
√
k(x)
.
(8.4.1)
Para a funcao de onda ser normalizavel, as funcoes que crescem exponencialmente quando
x→ ±∞ tem que ser rigorosamente zero, isto e B′1 = 0 = B2. Logo, na regiao I a funcao
de onda nao normalizada sera
Φ(x) ≃ B1√
k(x)e−
R bx k(x′)dx′
, x < b . (8.4.2)
Pela formula de ligacao iii, esta funcao de onda tem a forma, na regiao II
Φ(x) ≃ 2B1√
k(x)cos
(∫ x
b
k(x′)dx′ − π
4
)
, b < x < a . (8.4.3)
Reescrevemos esta funcao de onda como
Φ(x) ≃ 2B1√k
cos
(∫ a
b
k(x)dx−∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
=2B1√k
sin
(∫ a
b
k(x)dx−∫ a
x
k(x′)dx′ +π
4
)
= −2B1√k
cos
(∫ a
b
k(x)dx
)
sin
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
+2B1√k
sin
(∫ a
b
k(x)dx
)
cos
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
. (8.4.4)
Pelas formulas de ligacao i e ii, obtemos finalmente que a funcao de onda na regiao III tem
a forma
Φ(x) = 2B1 cos
(∫ a
b
k(x)dx
)
eR x
ak(x′)dx′
√
k(x)+B1 sin
(∫ a
b
k(x)dx
)
e−R x
ak(x′)dx′
√
k(x). (8.4.5)
248 A aproximacao WKB
Comparando com (8.4.1), verificamos que
B2 = 2B1 cos
(∫ a
b
k(x)dx
)
, (8.4.6)
pelo que a condicao de normalizabilidade B2 = 0 requer que
∫ a
b
k(x)dx =
(
n+1
2
)
π , n ∈ N0 . (8.4.7)
Note-se que n ∈ N0 e nao Z, pois o lado esquerdo desta equacao e positivo. Esta equacao
determina o espectro de energias dos estados ligados.
Exemplo: Consideramos o potencial do oscilador harmonico V (x) = mω2x2/2 e um
estado com energia E. Os pontos de viragem classicos, a e b, obedecem a V (a) = E = V (b),
e tomam neste caso a forma ±√
2E/mω2. Logo, a condicao (8.4.7) fica
∫
q
2Emω2
−q
2Emω2
√
m(2E −mω2x2)
~dx =
(
n+1
2
)
π , (8.4.8)
de onde se conclui que
E = ~ω
(
n +1
2
)
, (8.4.9)
que e o valor exacto incluindo a energia de ponto zero!
Exercıcio: Calcule a funcao de onda do oscilador harmonico para os nıveis n = 0 e
n = 1 na aproximacao WKB.
Se introduzissemos o momento classico pela relacao p(x) = ±~k(x), o movimento limi-
tado no poco de potencial corresponde a uma trajectoria fechada no espaco de fase - figura
8.4. A condicao (8.4.7) pode ser reescrita como
∮
p(x)dx =
(
n+1
2
)
h . (8.4.10)
Esta condicao e muito semelhante a uma outras impostas na velha teoria quantica, que
corespondiam a um passo intermedio entre a teoria classica e a teoria quantica completa.
8.4 Aplicacao ao calculo de estados ligados 249
p
xb a
Figura 8.4: Movimento no espaco de fase de uma partıcula classica confinada entre x = be x = a no potencial da figura 8.3.
Por exemplo a quantificacao sugerida por Bohr, discutida no capıtulo 2 podia ser escrita
como∮
p(x)dx = nh . (8.4.11)
Por esta razao a aproximacao WKB e frequentemente designada por aproximacao semi-
classica. Isso e tambem confirmado notando que o ansatz Φ(x) = exp (iS(x))/~ transforma,
se negligenciarmos as segundas derivadas, a equacao de Schrodinger completa
i~∂Ψ
∂t=
[
− ~2
2m
d2
dx2+ V (x, t)
]
Ψ , (8.4.12)
na equacao de Hamilton-Jacobi da mecanica classica (1.3.51)
−∂S∂t
=1
2m
(
∂S
∂x
)2
+ V (x, t) . (8.4.13)
Portanto, a fase S(x, t) comporta-se como a accao funcao da mecanica classica. Isto justifica
a classificacao da primeira aproximacao na seccao 8.1 como ‘aproximacao classica’. A
segunda aproximacao (primeira ordem em ~) e a aproximacao WKB.
A formula (8.4.7) ajuda-nos tambem a pensar na funcao de onda da seguinte maneira.
Podemos entender esta relacao como expressando que a mudanca de fase ao longo do poco,
de a para b, e igual a (n + 1/2)π. Dividindo por 2π, concluimos que a funcao de onda
na aproximacao WKB tem n/2 + 1/4 (quase) comprimentos de onda no poco. Assim n
representa o numero de nodos da funcao de onda, facto que ajuda a visualizar Ψ.
250 A aproximacao WKB
I II III
B’1A 1A’ 2A 2A’
xx=a x=b
E
B
V(x)
Figura 8.5: Um estado com energia E numa barreira de potencial V (x); x = a e x = bsao os pontos de viragem classicos. A regiao I e desde x = −∞ ate ligeiramente antes dex = a; a regiao II e desde ligeiramente depois de x = a ate ligeiramente antes de x = b; aregiao III e desde ligeiramente depois de x = b ate x = +∞.
8.5 Aplicacao ao calculo do factor de transmissao
Aplicamos agora o metodo WKB ao calculo do factor de transmissao atraves de uma
barreira com altura maior do que a energia da partıcula - figura 8.5. Este problema
e semelhante ao da barreira rectangular estudado no capıtulo 3, mas nenhuma hipotese
especifica e feita relativamente a forma concreta da barreira. Assumimos que a aproximacao
WKB e valida nas tres regioes. Isto e, o potencial nao varia demasiado rapidamente. Nesta
aproximacao obtemos as seguintes tres solucoes da equacao de Schrodinger independente
do tempo:
Regiao I : Φ(x) =A1e
iR xa
k(x′)dx′
+ A′1e
−iR xa
k(x′)dx′
√
k(x)com k(x) ≡
√
2m(E − V (x))
~
Regiao II : Φ(x) =Be
R xa k(x′)dx′
+B′e−R xa k(x′)dx′
√
k(x)com k(x) ≡
√
2m(V (x)− E)
~
Regiao III : Φ(x) =A2e
iR x
b k(x′)dx′
+ A′2e
−iR xb k(x′)dx′
√
k(x).
(8.5.1)
O nosso objectivo e usar as formulas de ligacao para relacionar os coeficientes A1, A′1 com
A2, A′2, de modo a poder comparar a onda incidente com a transmitida. Com esse objectivo
notamos que:
8.5 Aplicacao ao calculo do factor de transmissao 251
• Usando as formulas de ligacao i e ii, ligamos a solucao na regiao II a regiao I:
Φ(x) =Be
R xa k(x′)dx′
+B′e−R x
a k(x′)dx′
√
k(x)
em I−→ 2B′√
k(x)cos
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
− B√
k(x)sin
(∫ a
x
k(x′)dx′ − π
4
)
=2B′ + iB
2√
k(x)e−iπ/4ei
R ax
k(x′)dx′
+2B′ − iB2√
k(x)eiπ/4e−i
R ax
k(x′)dx′
.
(8.5.2)
Logo
A1 =2B′ − iB
2eiπ/4
A′1 =
2B′ + iB
2e−iπ/4
⇔
B′ =A′
1eiπ/4 + A1e
−iπ/4
2
B =A′
1eiπ/4 − A1e
−iπ/4
i
. (8.5.3)
• Denotamos
θ ≡ eR b
a k(x)dx . (8.5.4)
Usando as formulas de ligacao iii e iv, ligamos a solucao na regiao II a regiao III
Φ(x) =Be
R xa k(x′)dx′
+B′e−R xa k(x′)dx′
√
k(x)=B′e
R bx k(x′)dx′
+Bθ2e−R bx k(x′)dx′
θ√
k(x)
em III−→ − B′
θ√
k(x)sin
(∫ x
b
k(x′)dx′ − π
4
)
+2Bθ√
k(x)cos
(∫ x
b
k(x′)dx′ − π
4
)
=2θB + iB′/θ
2√
k(x)e−iπ/4ei
R xb k(x′)dx′
+2θB − iB′/θ
2√
k(x)eiπ/4e−i
R xb k(x′)dx′
.
(8.5.5)
Logo
A2 =2θB + iB′/θ
2e−iπ/4
A′2 =
2θB − iB′/θ
2eiπ/4
⇔
B′ =A2e
iπ/4 − A′2e
−iπ/4
iθ
B =A2e
iπ/4 + A′2e
−iπ/4
2θ
. (8.5.6)
Igualando as duas solucoes (8.5.3) a (8.5.6) obtemos
2A1 =
(
2θ +1
2θ
)
A2 + i
(
2θ − 1
2θ
)
A′2
2A′1 = i
(
−2θ +1
2θ
)
A2 +
(
2θ +1
2θ
)
A′2
. (8.5.7)
252 A aproximacao WKB
O factor de transmissao, T , foi definido por (3.2.24) como sendo a intensidade da onda
transmitida sobre a intensidade da onda reflectida. A intensidade de um onda foi, por sua
vez, definida na seccao 3.2.1 como a densidade de probabilidade vezes a velocidade; assim
sendo temos, para o nosso caso
T =|Φt|2vt
|Φi|2vi
=|Φt
√kt|2
|Φi
√ki|2
=|A2|2|A1|2
. (8.5.8)
Assumindo que temos uma onda incidente de x = −∞, nao devera existir onda incidente
da direita; logo A′2 = 0. Assim sendo
|A2|2|A1|2
=
(
4θ
4θ2 + 1
)2
. (8.5.9)
Para uma barreira larga e alta, θ ≫ 1; este factor e uma medida da opacidade da barreira.
Neste caso
T ≃ 1
θ2= e−2
R ba
√2m(V (x)−E)/~ . (8.5.10)
Esta e formula (3.2.46) usada no capıtulo 3 para estudar a radioactividade α, com uma
justificacao vaga. A sua verdadeira justificacao e a aproximacao WKB como acabamos de
deduzir. Nesse caso T e chamado o factor de Gamow.
8.6 Sumario
Neste capıtulo estabelecemos um metodo, denominado aproximacao WKB, que permite,
para uma vasta classe de potenciais e em analogia proxima com o tratamento de potenciais
constantes por pedacos do capıtulo 3, calcular o espectro de estados ligados e o factor de
transmissao atraves de barreiras de potencial.
CAPITULO 9
Teoria Geral do Momento Angular e Spin
No capıtulo 6 estudamos o momento angular orbital em Mecanica Quantica. Em particular
vimos que as componentes do operador momento angular orbital, Li, i = 1, 2, 3, obedecem
as relacoes de comutacao (6.1.4),
[Lj , Lk] = i~ǫjklLl , (9.0.1)
onde ǫjkl e o sımbolo de Levi-Civita, que tem valor1
ǫjkl =
+1 se (jkl) = Πpar(123)
−1 se (jkl) = Πimpar(123), (9.0.2)
onde Π...(123) significa “permutacao par” ou “permutacao ımpar” da sequencia (123).
Estas relacoes de comutacao resultam da quantificacao canonica do momento angular
orbital, ~L ≡ ~r × ~p, e das relacoes de comutacao canonicas. No entanto vamos agora
tomar uma perspectiva mais abrangente. Vamos tomar estas relacoes de comutacao como
definindo os operadores de momento angular. Para manifestar que estes poderao ter outra
origem que nao a orbital, denotamos os operadores mais gerais de momento angular por
~Ji; as relacoes de comutacao sao assim
[Jj, Jk] = i~ǫjklJl . (9.0.3)
1Em linguagem de geometria diferencial o sımbolo de Levi-Civita que estamos a definir e uma densidade
tensorial e nao um tensor, pois mantem a forma (9.0.2) em todos os sistemas coordenados.
254 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Vamos comecar por demonstrar que esta algebra admite mais representacoes do que as que
correspondem a accao do momento angular orbital. Estas ultimas descrevem partıculas
com spin inteiro; as novas representacoes descrevem partıculas com spin semi-inteiro. Um
spin semi-inteiro e uma quantidade que nao tem equivalente em mecanica classica, mas
cuja existencia fısica estabeleceremos seguidamente, como consequencia de resultados ex-
perimentais.
9.1 Representacoes da algebra do momento angular
A algebra (9.0.3) e um caso particular de uma algebra de Lie. Como estas algebras sao
centrais no estudo de grupos de simetria contınuos (grupos de Lie), e estes descrevem
muitas simetrias que aparecem em sistemas fısicos, vamos enquadrar a nossa discussao
desta seccao no contexto mais geral de algebras e grupos de Lie. Comecamos por definir
algebra de Lie:
Definicao: Seja L um espaco vectorial de dimensao finita sobre um corpo K (K = R
ou K = C). L e uma algebra de Lie sobre K se existir, em L, uma regra de composicao
X, Y −→ [X, Y ] , (9.1.1)
que satisfaca os seguintes axiomas para ∀X, Y, Z ∈ L:
i) linearidade; ∀α, β ∈ K,
[αX + βY, Z] = α[X,Z] + β[Y, Z] ; (9.1.2)
ii) anti-simetria,
[X, Y ] = −[Y,X] ; (9.1.3)
iii) identidade (ou associatividade) de Jacobi,
[X, [Y, Z]] + [Z, [X, Y ]] + [Y, [Z,X]] = 0 . (9.1.4)
9.1 Representacoes da algebra do momento angular 255
A operacao [. . . , . . .] e denominada multiplicacao de Lie. Esta multiplicacao e generica-
mente anti-comutativa e nao associativa. Notemos que um exemplo de produto de Lie, que
encontramos na seccao 1.3.1, e dado pelos parentesis de Poisson; um outro, que e a razao
pela qual introduzimos aqui a teoria de Lie, e o comutador quantico.
Consideremos algumas definicoes importantes relativas a uma algebra de Lie:
• Uma algebra de Lie e dita abeliana ou comutativa se, ∀X, Y ∈ L, [X, Y ] = 0.
• Um sub-espaco vectorial de L, L1 ⊂ L, e uma sub-algebra de Lie se
[X, Y ] ∈ L1 , ∀X, Y ∈ L1 . (9.1.5)
• Um sub-espaco vectorial de L, L1 ⊂ L, e um ideal se
[X, Y ] ∈ L1 , ∀X ∈ L1 , ∀Y ∈ L ; (9.1.6)
um ideal e, portanto, um sub-conjunto “absorvente” da algebra e qualquer ideal e
uma sub-algebra.
• Um sub-espaco vectorial de L, L1 ⊂ L, e um ideal maximo ou centro se
[X, Y ] = 0 , ∀X ∈ L1 , ∀Y ∈ L ; (9.1.7)
o centro comuta, portanto, com toda a algebra e constitui uma sub-algebra abeliana.
• Seja ei uma base de L. A multiplicacao de Lie para esta base define as constantes de
estrutura da algebra de Lie, c kij ,
[ei, ej] = c kij ek . (9.1.8)
Note-se que como consequencia dos axiomas, as constantes de estrutura obedecem a
c ijk = −c i
kj , c pis c
sjk + c p
js cs
ki + c pks c
sij = 0 . (9.1.9)
Note-se ainda que estas “constantes” dependem da base; de facto transformam-
se como um tensor com dois ındices covariantes e um contravariante numa trans-
formacao de base.
256 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
• Uma representacao da algebra de Lie, denotada por D, e uma aplicacao linear de L para
um espaco vectorial V, que preserva o produto de Lie; isto e
D : L −→ V , (9.1.10)
tal que
D([X, Y ]) = [D(X),D(Y )] . (9.1.11)
Para definir a representacao necessitamos pois de definir o produto de Lie em V.
Geralmente as representacoes sao classificadas pelos valores proprios dos chama-
dos invariantes de Casimir, que sao operadores que comutam com os geradores da
algebra; encontram-se por isso no centro da mesma.2 No caso da algebra do momento
angular o invariante de Casimir sera J2.
• Uma representacao matricial de dimensao n da algebra da Lie e uma aplicacao da algebra
de Lie para o espaco de matrizes, em geral de entradas complexas, de n× n. E facil
de verificar que este e um espaco vectorial sobre o corpo C. O produto de Lie no
espaco vectorial das matrizes e definido como o comutador
[X, Y ] = X · Y − Y ·X , (9.1.12)
e onde “·” e o produto usual de matrizes. Com esta forma de multiplicacao de Lie,
e simples verificar a identidade de Jacobi, que surge como consequencia da associa-
tividade do produto de matrizes. O espaco vectorial onde a representacao matricial
actua tem como base os estados fısicos do sistema. Dizemos que os estados se trans-
formam pela accao da representacao n dimensional da algebra de Lie. Por exemplo,
para a algebra do momento angular, estados escalares transformam-se pela accao da
representacao um dimensional; estados spinoriais pela accao da representacao dois
dimensional; estados vectoriais pela accao da representacao tres dimensional, etc.
Vamos agora estudar representacoes matriciais da algebra do momento angular, isto e
um conjunto de matrizes Ji que obedecem a (9.0.3). Comecamos por definir os operadores
2Como os invariantes de Casimir sao geralmente quadraticos ou ate de ordem mais elevada nos geradores,poderao nao ser vectores de L; ainda assim dizemos que se encontram no centro da algebra.
9.1 Representacoes da algebra do momento angular 257
nao hermıticos em escada analogos a (6.2.32):
J+ = Jx + iJy , J− = Jx − iJy , (9.1.13)
que obedecem as relacoes de comutacao
[
J2, J±
]
= 0 ,[
J−, J+
]
= −2~Jz ,[
Jz, J±
]
= ±~J± , (9.1.14)
exactamente analogas a (6.2.33), onde definimos o momento angular total J2 como
J2 ≡ J2x + J2
y + J2z . (9.1.15)
Queremos considerar os estados com momento angular bem definido. No caso do mo-
mento angular orbital estes estados diagonalizavam simultaneamente L2 e, por escolha, Lz ;
na notacao de Dirac tais estados foram denotados |ℓ,m〉. L2 e Lz formam um C.C.O.C.
para o problema dos estados com momento angular orbital bem definido; isto e, especifi-
cando ℓ e m, que determinam univocamente os valores proprios de L2 e Lz, especifica um
unico estado de momento angular orbital bem definido. Por analogia vamos assumir que:
• Os estados com momento angular bem definido diagonalizam simultaneamente J2 e Jz;
• Estes estados, denotados |j,m〉, sao rotulados pelos numeros quanticos j e m, que de-
terminam univocamente os valores proprios de J2 e Jz;
• A correspondencia entre o rotulo m e o valor proprio de Jz e
Jz|j,m〉 = m~|j,m〉 . (9.1.16)
Note-se que, como J2 e Jz sao observaveis, estados proprios com valores proprios distintos
sao ortogonais; assumindo normalizacao temos
〈j′, m′|j,m〉 = δj′jδm′m . (9.1.17)
Para construir as representacoes pretendidas, consideramos a algebra
[
Jz, J±
]
= ±~J± , (9.1.18)
258 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
que implica que J±|j,m〉 e estado proprio de Jz com valor proprio (m± 1)~; logo
J+|j,m〉 = Cmj |j,m+ 1〉 , J−|j,m〉 = Cm
j |j,m− 1〉 . (9.1.19)
As constantes introduzidas Cmj e Cm
j nao sao todas independentes; de facto
(Cmj )∗ = (〈j,m+ 1|J+|j,m〉)∗ = 〈j,m|J−|j,m+ 1〉 = Cm+1
j . (9.1.20)
Por outro lado, a relacao de comutacao
[
J−, J+
]
= −2~Jz , (9.1.21)
origina
〈j,m|J−J+ − J+J−|j,m〉 = −2~〈j,m|Jz|j,m〉 ⇔ Cmj C
m−1j − Cm
j Cm+1j = 2~
2m .
(9.1.22)
Juntamente com (9.1.20) esta relacao implica
|Cm−1j |2 − |Cm
j |2 = 2~2m , (9.1.23)
que tem como solucao geral3
|Cmj |2 = (C −m(m+ 1))~2 ⇒ |Cm
j |2 = (C −m(m− 1))~2 , (9.1.24)
onde C e uma constante real, dado que |Cmj |2 e real. Como os lados esquerdos de (9.1.24)
sao positivos e os lados direitos se tornam negativos para m suficientemente grande em
3Para ver isto escreva |Cmj |2 ≡ f(m) como uma serie de potencias
f(m) =
+∞∑
n=0
anmn .
A equacao (9.1.23) e reescrita
f(m− 1)− f(m) = 2~2m⇔
+∞∑
n=0
an ((m− 1)n −mn) = 2~2m .
Logo an = 0 para n > 2, e a equacao anterior fica (1 − 2m)a2 − a1 = 2~2m ou ainda a2 = −~2, a1 = a2.Logo f(m) = −~2(m + m2) + a0, que e equivalente a primeira expressao em (9.1.24).
9.1 Representacoes da algebra do momento angular 259
modulo, temos de concluir que os valores possıveis para m tem um maximo e um mınimo,
denotados por m e m, respectivamente:
m = m,m + 1, . . . , m− 1, m . (9.1.25)
Em termos destes valores, (9.1.24) deve ser escrito como
|Cmj |2 = (m(m+ 1)−m(m+ 1))~2 |Cm
j |2 = (m(m− 1)−m(m− 1))~2 , (9.1.26)
e como |Cmj |2 = |Cm+1
j |2, concluimos que m(m+ 1) = m(m− 1), o que pode ser reescrito
(m+ m)(m−m + 1) = 0 ⇒ m = −m ∨ m = m+ 1 . (9.1.27)
A segunda possibilidade e excluıda pois m > m, por hipotese. Como m − m ∈ Z+0 (dado
que diferem de um multiplo da unidade e o primeiro e maior do que o segundo), obtemos
que 2m ∈ Z+0 , pelo que concluimos que
m = 0,1
2, 1,
3
2, 2,
5
2, . . . (9.1.28)
Para vermos os valores proprios de J2 notamos que
J2 =1
2
(
J+J− + J−J+
)
+ J2z . (9.1.29)
O valor esperado deste operador num estado |j,m〉 e
〈j,m|J2|j,m〉 =1
2
(
|Cm−1j |2 + |Cm
j |2)
+m2~
2 9.1.26= ~
2m(m+ 1) . (9.1.30)
Mas |j,m〉 e funcao propria de J2 pelo que concluimos que o valor proprio e m(m+ 1)~2.
Denotando m ≡ j temos entao
J2|j,m〉 = j(j + 1)~2|j,m〉 , Jz|j,m〉 = m~|j,m〉
J±|j,m〉 = ~√
j(j + 1)−m(m± 1)|j,m± 1〉 ,(9.1.31)
onde 2j ∈ N0, m = −j,−j + 1, . . . , j − 1, j.
Descobrimos, pois um conjunto infinito de representacoes da algebra (9.0.3), rotuladas
por j e que denotamos Dj, com dimensao 2j+1. Estas representacoes sao todas irredutıveis,
260 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
pois em cada uma delas podemos transformar |j,m〉 em |j,m′〉, ∀m,m′, pela accao de
J+ e J−. A base do espaco vectorial onde a representacao Dj actua e |j,m〉, com
m = −j,−j + 1, . . . , j − 1, j. Os geradores da algebra terao, em cada representacao Dj,
uma representacao matricial em termos de matrizes quadradas de dimensao 2j + 1, com
componentes
(Ji)m′m = 〈j,m′|Ji|j,m〉 . (9.1.32)
Consideremos as primeiras representacoes, para o que ira ser util notar que
Jx =J+ + J−
2, Jy =
J+ − J−2i
, (9.1.33)
logo
〈j,m′|Jx|j,m〉 =~
2
(
√
j(j + 1)−m(m+ 1)δm′,m+1 +√
j(j + 1)−m(m− 1)δm′,m−1
)
,
〈j,m′|Jy|j,m〉 =~
2i
(
√
j(j + 1)−m(m+ 1)δm′,m+1 −√
j(j + 1)−m(m− 1)δm′,m−1
)
,
〈j,m′|Jz|j,m〉 = ~mδm′,m .
(9.1.34)
• j = 0, representacao 1-dimensional; base do espaco onde a representacao actua e |0, 0〉;elementos de matriz:
〈0, 0|Jx|0, 0〉 = 0 ; 〈0, 0|Jy|0, 0〉 = 0 ; 〈0, 0|Jx|0, 0〉 = 0 . (9.1.35)
Logo todos os geradores da algebra sao representados por ‘zero’. Esta representacao
e trivial e nao e fiel (i.e nao e injectiva). O unico vector da base corresponde ao
harmonico esferico Y 00 , que e constante e nao e alterado pelo grupo de transformacoes
(rotacoes) geradas pela algebra do momento angular.
• j = 1/2, representacao 2-dimensional; a base do espaco vectorial onde a representacao
9.1 Representacoes da algebra do momento angular 261
actua e |1/2, 1/2〉, |1/2,−1/2〉; elementos de matriz:
〈1/2, m′|Jx|1/2, m〉 =~
2
0 1
1 0
≡ ~
2σx
〈1/2, m′|Jy|1/2, m〉 =~
2
0 − ii 0
≡ ~
2σy
〈1/2, m′|Jz|1/2, m〉 =~
2
1 0
0 − 1
≡ ~
2σz
. (9.1.36)
As matrizes σx, σy e σz sao denominadas matrizes de Pauli. O espaco onde esta
representacao actua, tal como os de outras representacoes com j semi-inteiro, deve ser
visto como um espaco vectorial interno; neste caso esse espaco e denominado espaco
de spin 1/2 ou simplesmente espaco de spin e os Ji sao usualmente representados
como Si. Esta representacao e fiel.
• j = 1, representacao 3-dimensional; a base do espaco vectorial onde a representacao
actua e |1, 1〉, |1, 0〉, |1,−1〉; elementos de matriz:
〈1, m′|Jx|1, m〉 =~√2
0 1 0
1 0 1
0 1 0
, 〈1, m′|Jy|1, m〉 =~√2i
0 1 0
−1 0 1
0 −1 0
,
〈1, m′|Jz|1, m〉 = ~
1 0 0
0 0 0
0 0 −1
.
(9.1.37)
A base do espaco vectorial onde esta representacao actua corresponde aos harmonicos
esfericos Y ±11 e Y 0
1 . De acordo com as relacoes (6.5.49) podemos fazer a mudanca de
base
|x〉|y〉|z〉
=
√
2π
3r
−1 0 1
i 0 i
0√
2 0
|1, 1〉|1, 0〉|1,−1〉
. (9.1.38)
262 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Tomando agora a base |x〉, |y〉, |z〉 para a representacao j = 1, temos os elementos
de matriz:
〈xi|Jk|xj〉 =1∑
m,m′=−1
〈xi|1, m′〉〈1, m′|Jk|1, m〉〈1, m|xj〉 ; (9.1.39)
obtemos assim as matrizes que representam os geradores da algebra do momento
angular na base |x〉, |y〉, |z〉:
〈xi|Jx|xj〉 = i~
0 0 0
0 0 1
0 −1 0
〈xi|Jy|xj〉 = i~
0 0 1
0 0 0
−1 0 0
〈xi|Jz|xj〉 = i~
0 1 0
−1 0 0
0 0 0
. (9.1.40)
Reconhecemos os geradores das rotacoes em R3. Por exemplo, uma rotacao finita por um
angulo θ em torno do eixo Oz e obtida exponenciando o respectivo gerador:
Rz(θ) = e−iθJz/~ =
cos θ sin θ 0
− sin θ cos θ 0
0 0 1
. (9.1.41)
As representacoes matriciais de dimensao mais elevada podem ser construidas de um modo
analogo.
Exercıcio: Construa a representacao com j = 3/2.
Relacao com o grupo de Lie
O mapa exponencial exemplificado em (9.1.41) e a relacao generica entre uma algebra de
Lie e o grupo de Lie respectivo. Comecemos por relembrar a estrutura de grupo:
Definicao: Um grupo G e um conjunto de elementos g com uma lei de composicao
‘’ que obedece as seguintes condicoes:
i) O grupo e uma estrutura fechada: g1 g2 ∈ G , ∀g1, g2 ∈ G;
9.1 Representacoes da algebra do momento angular 263
ii) A lei de composicao do grupo e associativa: (g1g2)g3 = g1(g2g3) , ∀g1, g2, g3 ∈ G;
iii) Existe um elemento neutro (identidade) denotado por 1: 1 g = g 1 , ∀g ∈ G;
iv) Existe um inverso para qualquer elemento do grupo g, que e denotado por g−1:
∀g , ∃g−1: g g−1 = g−1 g = 1.
Um grupo de Lie e um grupo contınuo, isto e um grupo cujos elementos sao rotulados por
parametros que variam continuamente. Essa continuidade da uma estrutura de variedade
diferenciavel aos grupos de Lie, com uma determinada geometria local e uma determinada
topologia.
Dada uma algebra de Lie, L podemos obter um grupo de Lie GL exponenciando os
geradores da algebra, tal como em (9.1.41):
X ∈ L ⇒ e−iαX ∈ GL ; (9.1.42)
o ponto fundamental (que nao vamos demonstrar) e que a identidade de Jacobi da algebra
garante a associatividade da lei de composicao do grupo. Podemos agora ver duas pro-
priedades genericas das matrizes do grupo associado a algebra do momento angular:
• Para qualquer representacao o traco das matrizes que representam a algebra do momento
angular e zero para qualquer dos geradores. Usamos entao o seguinte facto: se duas
matrizes A e B obedecem a A = eB entao detA = eTrB. Logo se o traco das
matrizes que representam os geradores de uma algebra de Lie e zero o determinante
das matrizes que representam o grupo e igual a um. Tais matrizes denominam-se
especiais ;
• Como os geradores da algebra do momento angular sao hermıticos, os elementos do
grupo de Lie associado obedecem a g† = (e−iθJ)† = eiθJ = g−1. Os elementos do
grupo sao portanto operadores unitarios: gg† = g†g = 1.
No caso da representacao tres dimensional pudemos escolher uma base em que os
geradores sao matrizes puramente imaginarias e anti-simetricas (9.1.40). Nesse caso,
264 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
as matrizes da representacao do grupo de Lie sao ortogonais; de facto, nesse caso o
expoente torna-se real e uma matriz anti-simetrica A, pelo que gT = (eθA)T = e−θA =
g−1, o que implica que ggT = gTg = 1, o que e a defincao de operadores ortogonais.
Considermos pois as varias representacoes do grupo de Lie associado ao momento angular:
• j = 0: dado que os geradores da algebra sao representados por zero, os elementos do
grupo reduzem-se todos ao operador identidade
Rk(θ) = e−iθJk/~ = 1 ; (9.1.43)
os estados que formam a base do espaco vectorial onde o grupo actua sao pois in-
variantes pela accao do grupo e denominam-se estados escalares.
• j = 1/2: Os elementos do grupo tem a forma
Rk(θ) = e−iθJk/~ = e−iθσk/2 . (9.1.44)
Para escrevermos os elementos do grupo mais explicitamente notamos a identidade
(~σ · ~A)(~σ · ~B) = ~A · ~B1 + i~σ · ( ~A× ~B) , (9.1.45)
onde ~A e ~B sao dois vectores arbitrarios e ~σ = (σx, σy, σz) as matrizes de Pauli
(9.1.36). Seja ~u um vector unitario. Pela formula anterior concluimos que
(~σ · ~u)2 = 1 ; logo (~σ · ~u)n =
1 se n par
~σ · ~u se n impar. (9.1.46)
Logo, a representacao dos elementos do grupo correspondentes a uma rotacao em
torno do eixo definido por ~u e dada por
R~u(θ) = e−iθ~σ·~u/2 =
cos θ2− iuz sin θ
2(−iux − uy) sin θ
2
(−iux + uy) sin θ2
cos θ2
+ iuz sin θ2
. (9.1.47)
Note-se que R~u(2π) = −1 e R~u(4π) = 1. Ou seja para voltar ao mesmo estado no
espaco de spin 1/2 necessitamos de fazer uma rotacao por um angulo 4π.
9.2 Emergencia Fısica do Spin 265
• j = 1: Os elementos do grupo tem a forma
Rx(θ) = e−iθJx/~ =
1 0 0
0 cos θ sin θ
0 − sin θ cos θ
Ry(θ) = e−iθJy/~ =
cos θ 0 sin θ
0 1 0
− sin θ 0 cos θ
Rz(θ) = e−iθJz/~ =
cos θ sin θ 0
− sin θ cos θ 0
0 0 1
.
(9.1.48)
Estas sao as bem conhecidas matrizes de rotacao a actuar em R3.
Acabamos de construir varias representacoes dos operadores de rotacao. Estes operadores
sao os elementos do grupo de Lie que descreve as rotacoes. Este grupo e designado por
SU(2), pois e constituido por Special Unitary matrices sendo a sua representacao funda-
mental de dimensao 2 - as matrizes de Pauli. Este e o grupo de Lie associado a algebra do
momento angular. Um seu sub-grupo e SO(3) o grupo de Special Orthogonal matrices que
esta associado apenas as representacoes do momento angular orbital e cuja representacao
fundamental e tres dimensional. A algebra de Lie associada a SU(2) e denotada su(2),
enquanto que a algebra de Lie associada a SO(3) e denotada so(3). Como vimos estas
algebras sao isomorficas.
su(2) ∼= so(3) . (9.1.49)
Mas os grupos distinguem-se pelo facto de SU(2) ter mais representacoes que SO(3), sendo
SO(3) um grupo mais reduzido do que SU(2).4
9.2 Emergencia Fısica do Spin
No tratamento do atomo de hidrogenio que efectuamos no capıtulo 6 descrevemos os estados
estacionarios do electrao atraves de uma funcao de onda Φ(~r) que depende somente das
4Geometricamente o grupo SU(2) e uma 3-esfera, S3, enquanto que SO(3) e uma 3-esfera com pontosidentificados S3/Z2.
266 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
variaveis espaciais ~r. Este tratamento permitiu-nos deduzir o espectro de energias para o
atomo de hidrogenio que havia sido introduzido fenomenologicamente por Bohr.
Claro que um tratamento baseado na equacao de Schrodinger nao e relativista. Para
justificarmos que a aproximacao nao relativista e aceitavel estimemos classicamente a ve-
locidade de um electrao numa orbita circular, que obedece a
mev2
r=
e2
4πǫ0r2; (9.2.1)
estimando o raio da orbita r pelo raio de Bohr (6.4.22) e introduzindo a constante de
estrutura fina (2.2.4) concluimos que
mev2 ∼ e2
4πǫ0a0
=
(
e2
4πǫ0~c
)2
mec2 ⇔ v ∼ αc . (9.2.2)
Como a constante de estrutura fina e da ordem de α ∼ 1/137, a aproximacao nao relativista
e justificada. Contudo, e de esperar que surjam correccoes relativistas no problema do
atomo de hidrogenio. A equacao relativista da mecanica quantica, designada por equacao
de Dirac introduz, de facto, nao so correccoes cinematicas para as variaveis de posicao
que descrevem o electrao - como a variacao da massa com a velocidade -, mas ainda uma
caracterıstica totalmente nova para o electrao: o spin.
Historicamente, contudo, o spin do electrao foi descoberto experimentalmente antes da
introducao da equacao de Dirac, proposta em 1928. Tais resultados experimentais, que
serao discutidos seguidamente, levaram George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit a propor,
em 1925, a ideia de um momento angular intrınseco para o electrao; Pauli, em 1927,
formalizaria esta ideia propondo uma teoria - fenomenologica - que permitia incorporar o
spin na mecanica quantica nao relativista, usando alguns postulados suplementares. Esta
teoria foi motivada por varios resultados experimentais, dos quais discutiremos agora tres:
A estrutura fina
Um estudo preciso das linhas espectrais do atomo de hidrogenio (por exemplo), revela uma
sub-estrutura denominada estrutura fina.5 Cada linha na figura 2.12 e na verdade composta
5A estrutura fina de linhas espectrais foi descoberta usando interferometria por A.A.Michelson em1891-92: Phil. Mag. 31 (1891) 338; ibid. 34 (1892) 280.
9.2 Emergencia Fısica do Spin 267
por varias linhas, com frequencias muito identicas mas que podem ser distinguidas por um
espectrometro com boa resolucao. Por exemplo, a transicao 2p → 1s e na verdade um
dupleto de linhas espectrais, com as duas linhas separadas por cerca de 10−4 eV . Esta
separacao e cerca de 105 vezes menor que a diferenca de energia entre o nıvel n = 2 e
n = 1, que e de cerca de 10.2 eV . Este dupleto sera estudado em detalhe na seccao 11.1.4.
Isto significa que existem grupos de nıveis atomicos energeticamente muito proximos
mas distintos, o que nao e previsto pela descricao quantica do atomo de hidrogenio feita
no capıtulo 6, i.e sem spin, que se baseava apenas no Hamiltoniano
H =p2
2µ− e2
4πǫ0r. (9.2.3)
A teoria completa do atomo de hidrogenio tem de levar em conta varios outros termos
no Hamiltoniano, todos eles aparecendo de um modo natural da equacao de Dirac. As
primeiras correccoes a (9.2.3), responsaveis pela estrutura fina, sao as seguintes:6
i) Correccoes relativistas a energia cinetica. A velocidade do electrao e da ordem de αc e
como tal nao e “muito relativista”, pelo que podemos considerar apenas a primeira
correccao relativista a energia cinetica, que tem a forma
Wmv = − p4
8µ3c2. (9.2.4)
Os estados estacionarios do atomo de hidrogenio sem spin nao sao estados proprios
deste operador (depois de quantificacao canonica deste termo), pelo que ele devera ser
tratado como uma perturbacao (cf. capıtulo 11). Pode-se estimar que as correccoes
ao espectro de energias do atomo de hidrogenio provenientes desta perturbacao sao
supressas por um factor de α2 relativamente ao espectro nao perturbado - ou seja as
correccoes sao cerca de 104 − 105 vezes menores que o espectro nao perturbado.
ii) Acoplamento spin-orbita. O electrao do atomo de hidrogenio ve uma corrente, devido
ao facto de no seu referencial o nucleo estar em movimento. Assim o electrao ve um
6Todos estes termos serao discutidos em maior detalhe na seccao 11.1.4.
268 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
campo magnetico, pelo que, se ele tem um momento magnetico intrınseco ~µS, existe
um acoplamento do tipo
WSO = −~µS · ~B , ~µS = gµB
~
~S , (9.2.5)
no Hamiltoniano, onde g e a razao giromagnetica do electrao e µB o magnetao de
Bohr. A forma explıcita desta perturbacao requer entao calcular ~B, o que pode ser
feito atraves de uma transformacao de Lorentz do campo ~E do nucleo visto num
referencial onde este esta parado. Para esse calculo tem de ser tambem levada em
conta a chamada precessao de Thomas. Chega-se assim ao resultado:
WSO =1
2
e2
4πǫ0r3
g
2m2c2~L · ~S . (9.2.6)
Esta correccao ira ser da mesma ordem que a correccao relativista.
iii) Existe ainda uma outra correccao da mesma ordem de grandeza das duas anteriores,
denominada termo de Darwin. Este termo surge pelo facto de, na expansao em v/c da
equacao de Dirac, o electrao ser afectado numa vizinhanca da ordem do comprimento
de onda de Compton pelo potencial do protao, e nao apenas num ponto. O termo
tem a forma
WD =~2
8m2c2∆V , (9.2.7)
onde ∆V e o laplaciano da energia potencial de Coulomb.
A teoria de Pauli ira introduzir a correccao ii), o que ira explicar, qualitativamente, algumas
caracterısticas da estrutura fina.
O efeito Zeeman Anomalo
Como vimos na seccao 6.5.4, quando um atomo e imerso num campo magnetico uniforme,
cada uma das suas linhas espectrais separa-se num certo numero de linhas equidistantes,
cuja distancia e proporcional ao campo magnetico - efeito Zeeman. A explicacao deste
efeito baseia-se no Hamiltoniano (6.5.10) que inclui o acoplamento paramagnetico
H1 = −~µL · ~B , ~µL =µB
~
~L . (9.2.8)
9.2 Emergencia Fısica do Spin 269
Negligenciando o acoplamento diamagnetico obtemos o espectro (6.5.39)
E(N,m) = EN − µBBm . (9.2.9)
Esta descricao teorica e verificada experimentalmente em certos casos - efeito Zeeman
normal - mas nao noutros - efeito Zeeman anomalo. A anomalia mais importante aparece
para atomos com Z ımpar, que inclui o hidrogenio: os seus nıveis de energia dividem-se
num numero par de sub-nıveis, enquanto que a teoria preve um numero ımpar igual a 2ℓ+1
para o nıvel com numero quantico ℓ, que e inteiro. A teoria de Pauli ira substituir ℓ por j
que pode tomar valores semi-inteiros, resolvendo este problema.
A experiencia de Stern Gerlach (1922)
A experiencia consiste em estudar a deflexao de um feixe de atomos de prata 47Ag (que
sao paramagneticos e neutros) num campo magnetico fortemente nao uniforme. O aparato
experimental esta representado na figura 9.1. O campo magnetico ~B tem as seguintes
caracterısticas:
• Tem um plano de simetria yOz;
• Nao depende de y (negligenciamos efeitos de bordo);
• Nao tem componente segundo y;
• A sua maior componente e segundo z.
Examinemos o calculo classico da deflexao. Sendo neutros, os atomos de prata nao estao
sujeitos a forca de Lorentz; a interaccao entre os atomos e o campo resulta apenas do
acoplamento dipolar
H = −~µ · ~B ; logo ~F = ∇(~µ · ~B) , (9.2.10)
e a forca sentida pelos atomos, que seria zero caso ~B fosse constante. Concluimos que
a forca depende do momento magnetico; mas o momento magnetico tem uma dinamica
propria devido a um torque exercido pelo campo magnetico externo da forma
~τ = ~µ× ~B ; (9.2.11)
270 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Figura 9.1: a) Atomos de prata estao contidos na fornalha E, que e aquecida a altas tem-peraturas. Os atomos podem ser emitidos da fornalha atraves de uma pequena abertura.Uma outra pequena abertura F colima o feixe de atomos, escolhendo aqueles cuja veloci-dade e paralela a direccao Oy. Os atomos sao entao deflectidos pelo gradiente do campomagnetico criado por A e condensam no ponto N do alvo P ; b) Perfil das linhas de forcado campo magnetico (extraıdo de Cohen et al,‘Quantum Mechanics’ ).
assumindo que este momento magnetico resulta de um momento angular,
~µ =gµB
~
~S , (9.2.12)
entao a lei fundamental da mecanica de rotacao diz-nos que
d~S
dt= ~µ× ~B ⇔ d~S
dt=gµB
~
~S × ~B . (9.2.13)
Esta equacao diz-nos que o dipolo precessa em torno do campo magnetico. Como o campo
magnetico e essencialmente segundo a direccao Oz, o dipolo precessa essencialmente em
torno do eixo Oz. Logo a media temporal das componentes µx e µy sera aproximadamente
zero, pelo que nao deverao influir na forca que os atomos de prata sentem. Com esta
aproximacao
~F ≃ µz∇Bz ; (9.2.14)
por hipotese ∂Bz/∂y = 0 e no plano de simetria ∂Bz/∂x = 0. Logo a forca e essencialmente
paralela a Oz e proporcional a µz, ~F ≃ µz∂zBzez. Como tal, deflexao HN e uma medida
9.2 Emergencia Fısica do Spin 271
Figura 9.2: Resultado classico esperado (linha tracejada) e observado (linha solida) naexperiencia de Stern-Gerlach (extraıdo de Cohen et al,‘Quantum Physics’ ).
de µz.
O resultado esperado classicamente para a experiencia anterior baseia-se na seguinte
observacao. Os atomos de prata deveriam ter uma distribuicao de momento magnetico
isotropica quando saem da fornalha. Logo todos os valores de µz entre −|~µ| e +|~µ| deveriam
ser encontrados, pelo que se esperaria um padrao do tipo da linha tracejada na figura 9.2,
i.e. deflexoes entre N1 e N2. Note-se que a dispersao das velocidades e a largura finita
da fenda explicam a curva extender-se um pouco alem de Ni. O resultado observado e,
contudo, muito diferente. Observam-se 2 pontos de impacto priveligiados - linhas solidas
na figura 9.2; ou seja a medicao de µz so pode originar dois resultados possıveis.
Descrevemos agora a interpretacao quantica da experiencia anterior. Os atomos de
prata tem um electrao desemparelhado e o seu momento magnetico resulta do spin desse
electrao por (9.2.12). Assim, uma medicao de µz e uma medicao de Sz, que, de acordo
com a experiencia de Stern-Gerlach, so pode tomar dois valores possıveis. Pelo estudo das
representacoes do momento angular da seccao 9.1, na representacao Dj, Sz tem 2j + 1
valores possıveis, pelo que j = 1/2. Esta sera a representacao escolhida para descrever o
electrao na teoria de Pauli.
Notas:
272 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
• Se fizessemos a experiencia com electroes, como a carga nao seria zero, a forca de
Lorentz iria disfarcar o efeito do spin. O objectivo de usar atomos de prata e ter uma
partıcula de spin 1/2 sem carga.
• As condicoes experimentais podem ser escolhidas de modo a que a dispersao espacial da
funcao de onda seja suficientemente pequena para poder tratar as variaveis posicao
e momento classicamente.
A experiencia anterior pode ser teorizada com o seguinte formalismo:
i) O electrao tem graus de liberdade externos ou orbitais (~r e ~p) e um grau de liberdade
interno (o spin ~S);
ii) O espaco vectorial interno tem dimensao 2 e base
|+〉 = |1/2, 1/2〉 , |−〉 = |1/2,−1/2〉 , (9.2.15)
tal que
Sz|±〉 = ±~
2|±〉 , (9.2.16)
o que equivale a dizer que, nesta base, a componente z do operador de momento
angular intrınseco tem representacao
Sz =~
2
1 0
0 − 1
≡ ~
2σz ; (9.2.17)
a algebra do momento angular e obedecida se escolhermos
Sx =~
2
0 1
1 0
≡ ~
2σx , Sy =
~
2
0 − ii 0
≡ ~
2σy . (9.2.18)
Esta e a representacao dois dimensional de su(2), (9.1.36).
• Note que o ponto fundamental da experiencia de Stern-Gerlach e nao so a confirmacao
da quantificacao do momento magnetico do electrao (e como tal do seu spin) mas
tambem, e sobretudo, mostrar que j = 1/2.
9.3 Postulados da teoria de Pauli 273
9.3 Postulados da teoria de Pauli
Para explicar os resultados experimentais anteriores, Uhlenbeck e Goudsmit propuseram,
em 1925, que o electrao tem um momento angular intrınseco - spin. Este spin confere-lhe
um momento magnetico
~µS =2µB
~
~S . (9.3.1)
Ou seja, a razao giromagnetica do electrao e g = 2 (chamado valor quantico), que era
necessaria para explicar quantitativamente as deflexoes observadas na experiencia de Stern-
Gerlach e as separacoes espectrais no efeito Zeeman anomalo. Note-se que a razao giro-
magnetica orbital e g = 1 (chamado valor classico), metade da de spin. O valor g = 2 que
aqui e imposto fenomenologicamente e extraıdo naturalmente da equacao de Dirac.
Pauli elaborou a proposta de Uhlenbeck e Goudsmit tornando-a um pouco mais pre-
cisa e conferindo-lhe o caracter de postulados adicionais da mecanica quantica que agora
descrevemos.
Em primeiro lugar notamos que o nosso estudo ate ao momento incidiu sobre a quan-
tificacao de variaveis orbitais, como a posicao ~r e o momento ~p, as quais associamos op-
eradores~R e
~P que actuam num espaco de estados E~r, que e isomorfico ao espaco das
funcoes de onda. Denominamos E~r como espaco de estados orbitais. A estas variaveis
orbitais temos de adicionar as variaveis de spin que satisfazem os seguintes postulados:
i) O operador de spin,~S e um momento angular, o que significa que
[Sj , Sk] = i~ǫjklSl ; (9.3.2)
ii) Os operadores de spin actuam num novo espaco vectorial, denominado espaco de estados
de spin, ES, onde S2 e Sz sao um C.C.O.C.; o espaco ES tem como base os estados
proprios comuns a S2 e Sz, |s,m〉:
S2|s,m〉 = s(s+ 1)~2|s,m〉 , Sz|s,m〉 = m~|s,m〉 , (9.3.3)
onde 2s ∈ N0 e m = −s,−s + 1, . . . , s − 1, s. Uma dada partıcula e caracterizada
por um unico valor de s; dizemos que a partıcula tem spin s. Logo, ES tem sempre
274 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
dimensao finita e igual a 2s+ 1; todos os estados de spin de uma dada partıcula sao
vectores proprios de S2 com o mesmo valor proprio s(s+ 1)~2;
iii) O espaco de estados completo, E , e o produto tensorial de E~r com ES:
E = E~r ⊗ ES .
Isto significa que todas as observaveis de spin comutam com todas as observaveis
orbitais. Daqui resulta que, excepto para o caso com s = 0, e insuficiente especificar
o ket de E~r para caracterizar o estado da partıcula. E necessario tambem especificar
o estado de spin; isto e
C.C.O.C. = observaveis orbitais, observaveis de spin .
Qualquer estado da partıcula e uma combinacao linear de vectores que sao o produto
tensorial de um ket de E~r com outro de ES;
iv) O electrao e uma partıcula de spin 1/2 (s = 1/2). Logo, para o electrao ES e 2-
dimensional. O momento magnetico intrınseco do electrao e dado por (9.3.1). O
operador Hamiltoniano que descreve o comportamento de um electrao na presenca
de um campo electromagnetico descrito pelos potenciais ~A e φ e dado por
H =(~P − q~A)2
2me
+ qφ− q~
2me
~σ · ~B , (9.3.4)
que, usando as propriedades das matrizes de Pauli, pode ser reescrito na forma
H =[~σ · (~P − q~A)]2
2me
+ qφ . (9.3.5)
Este e o Hamiltoniano de Pauli.
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
Vamos agora considerar em detalhe os graus de liberdade de spin para o caso s = 1/2. ES
tem dimensao 2 e tomamos como base |+〉, |−〉, que obedece a
S2|±〉 =3
4~
2|±〉 , Sz|±〉 = ±~
2|±〉 . (9.4.1)
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
275
As relacoes de ortonormalizacao podem entao ser escritas:
〈+|−〉 = 0 , 〈−|−〉 = 1 , 〈+|+〉 = 1 , (9.4.2)
e a relacao de fecho
|+〉〈+|+ |−〉〈−| = 1 . (9.4.3)
O estado de spin mais geral tem a forma
|χ〉 = c+|+〉+ c−|−〉 , c± ∈ C . (9.4.4)
Todos os kets de ES sao vectores proprios de S2 com valor proprio 3~2/4. Logo
S2 =3~2
41 . (9.4.5)
Podemos definir os operadores em escada
S± = Sx ± iSy , (9.4.6)
que tem accao
S+|+〉 = 0 , S+|−〉 = ~|+〉 , S−|+〉 = ~|−〉 , S−|−〉 = 0 . (9.4.7)
Todos os operadores que actuam em ES sao representados na base |+〉, |−〉 por matrizes
de 2× 2; os operadores de momento angular tem a representacao
~S =
~
2~σ , (9.4.8)
onde ~σ sao as matrizes de Pauli (9.1.36). Estas matrizes tem as seguintes propriedades
Trσi = 0 , det σi = −1 . (9.4.9)
Juntamente com a identidade, as matrizes de Pauli formam uma base do conjunto de
matrizes de 2× 2 com entradas complexas GL(2,C).
276 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
9.4.1 Juntando os graus de liberdade de spin aos orbitais
Podemos agora juntar num unico formalismo os graus de liberdade de spin e orbitais. O
espaco de estados tem como base os estados proprios de um C.C.O.C. de E , que e obtido
pela justaposicao de um C.C.O.C. de E~r com um de ES. Assim, varios C.C.O.C. possıveis
para um electrao livre sao:
X, Y , Z, S2, Sz , Px, Py, Pz, S2, Sz , H, L2, Lz, S
2, Sz .
Note-se que como todos os kets em E tem o mesmo valor proprio de S2, este pode ser
omitido do C.C.O.C.; de facto este valor caracteriza a partıcula, independentemente do
estado em que se encontra (tal como a massa em repouso ou a carga electrica).
Consideremos o primeiro destes C.C.O.C.. A base de E e
|~r, ǫ〉 = |x, y, z, ǫ〉 = |~r〉 ⊗ |ǫ〉 , (9.4.10)
onde |~r〉 = |x, y, z〉 ∈ E~r e |ǫ〉 ∈ ES. Os rotulos tomam os valores x, y, z ∈ R e ǫ = ±1. A
accao dos operadores que constituem o C.C.O.C. nestes estados e
X|~r, ǫ〉 = x|~r, ǫ〉 , Y |~r, ǫ〉 = y|~r, ǫ〉 , Z|~r, ǫ〉 = z|~r, ǫ〉 ,
S2|~r, ǫ〉 =3~2
4|~r, ǫ〉 , Sz|~r, ǫ〉 = ǫ
~
2|~r, ǫ〉 .
(9.4.11)
A base |~r, ǫ〉 e ortonormal, no sentido extenso da ortogonalidade por deltas de Dirac,
〈~r′, ǫ′|~r, ǫ〉 = δǫ′ǫδ(~r′ − ~r) . (9.4.12)
A relacao de fecho e
1 =∑
ǫ
∫
d3~r|~r, ǫ〉〈~r, ǫ| =∫
d3~r|~r,+〉〈~r,+|+∫
d3~r|~r,−〉〈~r,−| . (9.4.13)
Estados na representacao |~r, ǫ〉
Qualquer estado |Ψ〉 em E pode ser expandido na base |~r, ǫ〉, usando a relacao de fecho
|Ψ〉 =∑
ǫ
∫
d3~r|~r, ǫ〉〈~r, ǫ|Ψ〉 ≡∑
ǫ
∫
d3~r|~r, ǫ〉Ψǫ(~r) . (9.4.14)
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
277
Vemos assim que para caracterizar completamente o estado de um electrao e necessario
especificar duas funcoes espaciais:
Ψ+(~r) = 〈~r,+|Ψ〉 , Ψ−(~r) = 〈~r,−|Ψ〉 , (9.4.15)
que podem ser escritas na forma de um spinor de dois componentes ou 2-spinor :
[Ψ](~r) =
Ψ+(~r)
Ψ−(~r)
. (9.4.16)
O bra 〈Ψ| associado ao ket |Ψ〉 e o adjunto de (9.4.14)
〈Ψ| =∑
ǫ
∫
d3~r〈Ψ|~r, ǫ〉〈~r, ǫ| ≡∑
ǫ
∫
d3~rΨ∗ǫ〈~r, ǫ| , (9.4.17)
que pode ser representado na forma de um spinor que e adjunto de (9.4.16)
[Ψ]†(~r) =(
Ψ∗+(~r),Ψ∗
−(~r))
. (9.4.18)
O produto escalar 〈Ψ|Φ〉 e representado por
〈Ψ|Φ〉 =∑
ǫ
∫
d3~r〈Ψ|~r, ǫ〉〈~r, ǫ|Φ〉 =
∫
d3~r[
Ψ∗+(~r)Φ+(~r) + Ψ∗
−(~r)Φ−(~r)]
=
∫
d3~r[Ψ]†(~r)[Φ](~r) .
(9.4.19)
Logo a condicao de normalizacao e
〈Ψ|Ψ〉 =∫
d3~r[Ψ]†(~r)[Ψ](~r) =
∫
d3~r[
|Ψ+(~r)|2 + |Ψ−(~r)|2]
= 1 . (9.4.20)
Um caso particular de estados de E sao estados obtidos pelo produto tensorial de um estado
de E~r com outro de ES, isto e
|Ψ〉 = |Φ〉 ⊗ |χ〉 , (9.4.21)
com
|Φ〉 =
∫
d3~rΦ(~r)|~r〉 ∈ E~r , |χ〉 = c+|+〉+ c−|−〉 ∈ ES . (9.4.22)
Nesse caso as funcoes de onda orbitais e de spin separam
[Ψ](~r) = Φ(~r)
c+
c−
, (9.4.23)
tal como as relacoes de normalizacao
1 = 〈Ψ|Ψ〉 = 〈Φ|Φ〉〈χ|χ〉 = (|c+|2 + |c−|2)∫
d3~r|Φ(~r)|2 . (9.4.24)
278 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Operadores na representacao |~r, ǫ〉
Consideremos a accao de um operador linear A num ket |Ψ〉 ∈ E
A|Ψ〉 = |Ψ′〉 . (9.4.25)
Este operador tem uma representacao matricial que actua em 2-spinors
A[Ψ](~r) = [Ψ′](~r) , (9.4.26)
onde os elementos de matriz que representam A serao, em geral, operadores diferenciais
que actuam na variavel ~r. Consideremos os varios casos possıveis:
• Operadores de spin: estes actuam apenas no ındice ǫ da base |~r, ǫ〉. Um exemplo e um
dos operadores em escada (9.4.6):
S+ =~
2(σx + iσy) = ~
0 1
0 0
. (9.4.27)
• Operadores orbitais: estes deixam invariante o ındice ǫ pelo que as suas matrizes associ-
adas sao proporcionais a matriz identidade. Dois exemplos sao os operadores:
X =
x 0
0 x
, Px = −i~
∂/∂x 0
0 ∂/∂x
. (9.4.28)
• Operadores mistos: os operadores mais gerais a actuar em E serao representados por
matrizes de 2× 2 cujos elementos sao operadores diferencias relativamente a variavel
~r. Um exemplo e um produto de um operador orbital com um operador de spin
LzSz =~
2
−i~∂/∂ϕ 0
0 i~∂/∂ϕ
; (9.4.29)
mas mais geralmente teremos combinacoes lineares de produtos de operadores orbitais
com operadores de spin; por exemplo
~S · ~P =
~
2
(
σxPx + σyPy + σzPz
)
= −i~2
2
∂/∂z ∂/∂x − i∂/∂y∂/∂x + i∂/∂y −∂/∂z
.
(9.4.30)
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
279
Notamos ainda que o elemento de matriz de um operador e dado por
〈Ψ|A|Φ〉 =
∫
d3~r[Ψ]†(~r)A[Φ](~r) . (9.4.31)
Se, alternativamente, tivessemos considerado o C.C.O.C.=Px, Py, Pz, S2, Sz, terıamos
a representacao |~p, ǫ〉, em que cada vector |Ψ〉 ∈ E e o 2-spinor
[Ψ](~p) =
Ψ+(~p)
Ψ−(~p)
, (9.4.32)
com
Ψ+(~p) = 〈~p,+|Ψ〉 , Ψ−(~p) = 〈~p,−|Ψ〉 . (9.4.33)
Notando que
〈~r, ǫ|~p, ǫ′〉 = 〈~r|~p〉〈ǫ|ǫ′〉 =1
(2π~)3/2ei~p·~r/~δǫǫ′ , (9.4.34)
concluımos que Ψ+(~p) e Ψ−(~p) sao transformadas de Fourier de Ψ+(~r) e Ψ−(~r), respecti-
vamente:
Ψǫ(~p) = 〈~p, ǫ|Ψ〉 =∑
ǫ′
∫
d3~r〈~p, ǫ|~r, ǫ′〉〈~r, ǫ′|Ψ〉
=1
(2π~)3/2
∫
d3~re−i~p·~r/~Ψǫ(~r) .
(9.4.35)
Finalmente, notamos que os postulados do capıtulo 4 se aplicam naturalmente neste for-
malismo. Por exemplo, a probabilidade d3P(~r,+) de encontrar um electrao num volume
infinitesimal d3~r em torno do ponto ~r com o spin para cima, Sz = +~/2, e
d3P(~r,+) = |〈~r,+|Ψ〉|2d3~r = |Ψ+(~r)|2d3~r , (9.4.36)
enquanto que a probabilidade d3P(~r) de encontrar um electrao num volume infinitesimal
d3~r em torno de ~r, qualquer que seja o spin, e
d3P(~r) = (|Ψ+(~r)|2 + |Ψ−(~r)|2)d3~r . (9.4.37)
Operador de rotacao para uma partıcula de spin 1/2
Uma partıcula de spin 1/2 pode possuir, para alem do seu momento angular intrınseco ~S,
um momento angular orbital ~L. O seu momento angular total sera
~J = ~L+ ~S . (9.4.38)
280 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Como se comporta a funcao de onda de uma partıcula de spin 1/2 sob a accao de uma
rotacao? O operador de rotacao a actuar no espaco de estados orbitais E~r toma a forma,
R~u(α) = e−iα~L·~u/~ , (9.4.39)
em que a rotacao e em torno de um eixo definido pelo versor ~u e de um angulo α. Natu-
ralmente, o operador de rotacao que actua no espaco de estados E tera a forma
R~u(α) = e−iα ~J ·~u/~ . (9.4.40)
Como~L so actua em E~r e
~S so actua em ES, podemos escrever R~u(α) na forma de um
produto tensorial
R~u(α) = R(~r)~u (α)⊗R(S)
~u (α) , (9.4.41)
onde
R(~r)~u (α) = e−iα~L·~u/~ , R(S)
~u (α) = e−iα~S·~u/~ , (9.4.42)
sao os operadores de rotacao que actuam em E~r e ES respectivamente. Deste modo, se a
partıcula de spin 1/2 estiver num estado que seja um produto tensorial, do tipo (9.4.21),
o seu estado apos a rotacao sera
|Ψ′〉 = R~u(α)|Ψ〉 = [R(~r)~u (α)|Φ〉]⊗ [R(S)
~u (α)|χ〉] . (9.4.43)
Claro que R(~r)~u (2π) = 1 pois esta e uma rotacao orbital; mas por (9.1.47), R(S)
~u (2π) = −1;
logo
R~u(2π) = R(~r)~u (2π)⊗R(S)
~u (2π) = −1 . (9.4.44)
Esta e uma famosa propriedade de uma partıcula de spin 1/2: uma tal partıcula necessita
de dar duas voltas para voltar ao mesmo estado, i.e ser descrita pelo mesmo spinor; de
facto
R~u(4π) = R(~r)~u (4π)⊗R(S)
~u (4π) = 1 . (9.4.45)
A periodicidade de 4π dos fermioes de spin 1/2 foi observada directamente em experiencias
de interferencia com neutroes lentos (S.A.Warner et al, Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1053.)
9.4 Descricao nao relativista de partıculas de spin 12
281
Note-se, no entanto, que uma observavel nao muda de sinal pela accao de uma rotacao de
2π:
A′ = R~u(2π)AR~u(2π)† = A . (9.4.46)
O comportamento global de uma partıcula de spin 1/2 sob a accao de uma rotacao
pode ser visto do seguinte modo: o estado |Ψ〉 e representado pelo 2-spinor [Ψ](~r) com
componentes
Ψǫ(~r) = 〈~r, ǫ|Ψ〉 , (9.4.47)
sob a accao de uma rotacao |Ψ′〉 = R|Ψ〉, onde R = R(~r)⊗R(S), obtemos um novo 2-spinor,
cujas componentes sao
Ψ′ǫ(~r) = 〈~r, ǫ|Ψ′〉 = 〈~r, ǫ|R|Ψ〉 =
∑
ǫ′
∫
d3~r′〈~r, ǫ|R|~r′, ǫ′〉〈~r′, ǫ′|Ψ〉 ; (9.4.48)
mas
〈~r, ǫ|R|~r′, ǫ′〉 = 〈~r|R(~r)|~r′〉〈ǫ|R(S)|ǫ′〉 ≡ 〈R−1~r|~r′〉R(S)ǫǫ′ = δ(R−1~r − ~r′)R(S)
ǫǫ′ . (9.4.49)
Logo
Ψ′ǫ(~r) =
∑
ǫ′
R(S)ǫǫ′ Ψǫ′(R−1~r) . (9.4.50)
Explicitamente, em notacao tensorial temos
Ψ′+(~r)
Ψ′−(~r)
=
R(S)++ R
(S)+−
R(S)−+ R
(S)−−
Ψ+(R−1~r)
Ψ−(R−1~r)
. (9.4.51)
Note-se a analogia com o caso de spin 1.
Exemplo: Para ilustrar a fısica das partıculas com spin 1/2 vamos considerar um
problema de difusao um dimensional do tipo do capıtulo 3, mas adicionando um campo
magnetico, tal como representado na figura 9.3. Uma partıcula de spin 1/2, massa m, sem
carga e com razao giromagnetica g incide no potencial, proveniente de x = −∞. Para alem
do salto de potencial existe na regiao II um campo magnetico ~B = B0ez. Logo, o operador
Hamiltoniano para o sistema, escrito na forma (9.3.4) e
H =P 2
2m+ V (X)− ~µ · ~B =
P 2
2m+ θ(x)
(
V0 + ωSz
)
, (9.4.52)
282 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
~B = 0 ~B = B0ez
~µ = gµB~S~
V0
I II
V(x)
x0
E
Figura 9.3: Um salto de potencial com campo magnetico na regiao II.
onde ω = −gµBB0/~ e θ(x) e a funcao de Heaviside, que toma valores
θ(x) ≡
0 , x < 0
1 , x > 0.
Podemos tomar como C.C.O.C.=H, Py, Pz, Sz e a base de estados para o sistema,
que sao estados estacionarios, sendo
|Φ±E,py,pz
〉 = |Φ±E〉 ⊗ |py〉 ⊗ |pz〉 ⊗ |±〉 . (9.4.53)
A equacao de Schrodinger
H|Φ±E,py,pz
〉 = E|Φ±E,py,pz
〉 ,
reduz-se a(
P 2x
2m+p2
y + p2z
2m+ θ(x)
(
V0 ±ω~
2
)
)
|Φ±E〉 = E|Φ±
E〉 .
Projectando na representacao |x〉, 〈x|Φ±E〉 = Φ±
E(x) e assumindo py = pz = 0 obtemos[
− ~2
2m
d2
dx2+ θ(x)
(
V0 ±~ω
2
)]
Φ±E(x) = EΦ±
E(x) . (9.4.54)
A inclusao do spin, tornada visıvel pela presenca do campo magnetico, da origem a um
potencial efectivo diferente para cada um dos dois modos da partıcula, isto e Vefe =
V0 ± ~ω/2, para os modos |+〉 e |−〉, respectivamente. Esta e a licao generica a reter: o
potencial efectivo pode ser diferente para feixes com polarizacoes diferentes. A partir daqui
podemos calcular o factor de transmissao e reflexao, para cada um dos dois modos, usando
os metodos do capıtulo 3.
9.5 Adicao de momento angular 283
9.5 Adicao de momento angular
Tendo estabelecido que uma partıcula quantica pode ter um momento angular intrınseco,
para alem do momento angular orbital, ambos quantificados, coloca-se a questao de saber
quais sao os valores possıveis para o seu momento angular total. O mesmo se pode per-
guntar relativamente a um sistema fısico constituıdo por dois sub-sistemas (por exemplo,
um sistema de duas partıculas), cada um possuindo momento angular. E esta a questao
que vamos agora considerar. 7
Analisemos, por exemplo, um sistema de duas partıculas, que se identificarao por ındices
1 e 2. Designamos por ~J1 e ~J2 os respectivos momentos angulares e seja
~J = ~J1 + ~J2 ,
o momento angular total do sistema, com componentes (Jx, Jy, Jz). Admitimos que se
conhece, no espaco de estados do sistema i, Ei, i = 1, 2, a base padrao |ki, Ji,Mi〉constituıda por vectores proprios comuns a J2
i e a Jiz :
J2i |ki, Ji,Mi〉 = Ji(Ji + 1)~2 |ki, Ji,Mi〉 , (9.5.1)
Jiz |ki, Ji,Mi〉 = Mi~ |ki, Ji,Mi〉 , (9.5.2)
Ji± |ki, Ji,Mi〉 = ~√
Ji(Ji + 1)−Mi(Mi ± 1) |ki, Ji,Mi ± 1〉 , (9.5.3)
onde ki representa o conjunto de numeros quanticos adicionais necessarios a especificacao
completa do estado do sistema.
O espaco de estados do sistema total, E , e o produto tensorial de E1 e E2:
E = E1 ⊗ E2 . (9.5.4)
Uma base neste espaco e obtida fazendo o produto tensorial das bases de E1 e de E2:
| k1, k2; J1, J2;M1,M2〉 = | k1, J1,M1〉 ⊗ | k2, J2,M2〉 , (9.5.5)
7Esta seccao foi escrita com a colaboracao da Prof. Fatima Mota.
284 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
que e uma base propria comum aos operadores J21 , J
22 , J1z, J2z. Um outro C.C.O.C. em
E e
J21 , J
22 , J
2, Jz , (9.5.6)
e podemos escolher uma base propria comum a estas observaveis:
|k, J1, J2; J,M〉 . (9.5.7)
A questao que se poe e a de determinar esta base em termos da base conhecida (9.5.5).
O problema e tanto mais relevante quando se sabe que, genericamente, num sistema de
partıculas com interaccao apenas o momento angular total e uma constante de movimento,
isto e, apenas o momento angular total comutara com o Hamiltoniano. Consequentemente,
os estados estacionarios (e a evolucao do sistema) podem ser determinados se se conhecer
a base (9.5.7).
Mesmo num sistema de uma so partıcula, surge genericamente um acoplamento entre o
momento angular intrınseco e o orbital, o acoplamento spin-orbita, ja discutido na seccao
9.2, proporcional a ~L · ~S. Na presenca deste termo apenas ~J ≡ ~L + ~S comuta com o
Hamiltoniano do sistema, pelo que os estados estacionarios deverao ser rotulados pelo
valor proprio de J e nao dos momentos angulares individuais, como sera visto, para o
atomo de Hidrogenio, na seccao 11.1.4.
Enunciamos e provamos agora o teorema de adicao de dois momentos angulares.
Teorema de adicao de dois momentos angulares:
No espaco E gerado pelos vectores |k; J1, J2;M1,M2〉 (k, J1, J2, fixos; M1,M2 variaveis),que tem dimensao (2J1 + 1)(2J2 + 1):
• Os valores possıveis de J sao:
J1 + J2, J1 + J2 − 1, J1 + J2 − 2, . . . |J1 − J2| . (9.5.8)
• A cada valor de J correspondem 2J+1 vectores proprios |J,M〉 do momento angulartotal.
Demonstracao:
9.5 Adicao de momento angular 285
A demonstracao do teorema tem por base tres observacoes:
(1) O numero quantico M toma valores J1+J2, J1+J2−1, J1+J2−2, . . . ,−J1−J2. De
facto o ket | k1; J1, J2;M1,M2〉 e ket proprio das observaveis J1z, J2z e de Jz. Em particular:
Jz|k; J1, J2;M1,M2〉 =(
J1z + J2z
)
|k; J1, J2;M1,M2〉
= ~ (M1 +M2) |k; J1, J2;M1,M2〉 .
Logo M = M1 + M2. Como Mi toma todos os valores entre −Ji e Ji, M toma todos os
valores entre −(J1+J2) e J1+J2, o que demonstra a afirmacao. Sem perda de generalidade,
no desenvolvimento que se segue, considerar-se-a J1 ≥ J2.
(2) A degenerescencia dos valores de M , g(M), e:
g(M) = g(−M)
0 , |M | > J1 + J2 ,
J1 + J2 + 1− |M | , J1 + J2 ≥ |M | ≥ |J1 − J2| ,
2J2 + 1 , |J1 − J2| ≥ |M | ≥ 0 .
Para deteminar g(M) pode proceder-se como se segue. Num diagrama bidimensional,
associa-se a cada ket |k; J1, J2;M1,M2〉 um ponto cuja abcissa e M1 e cuja ordenada e M2.
Na figura 9.4 mostra-se o caso especıfico de J1 = 2 e J2 = 1. Sendo M = M1 +M2 todos
os pontos do diagrama que estao sobre rectas de declive -1 tem o mesmo M . O numero
desses pontos e g(M). Analisem-se os diferentes valores de M :
• M = J1 + J2 = 3 e nao degenerado. Portanto
g(J1 + J2) = 1 . (9.5.9)
• M = J1 + J2 − 1 = 2 e duplamente degenerado. Portanto:
g(J1 + J2 − 1) = 2 . (9.5.10)
• O grau de degenerescencia cresce entao de 1 cada vez que M decresce de 1, ate se
atingir o vertice inferior direito do diagrama (M1 = J1,M2 = −J2), isto eM = J1−J2.
A degenerescencia de M e maxima para este ponto e vale:
g(J1 − J2) = 2J2 + 1 . (9.5.11)
286 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
m2
(0,0)
m1
(1,0) (2,0)(-1,0)(-2,0)
(-2,-1) (-1,-1) (0,-1) (1,-1) (2,-1)
(-2,1) (-1,1) (0,1) (1,1) (2,1)
Figura 9.4: Analise da degenerescencia da componente azimutal do momento angular total.
• Para valores de M < J1−J2 a degenerescencia de M mantem-se constante e igual ao
seu valor maximo ate que a linha atravessa o vertice superior esquerdo do diagrama
(M1 = −J1,M2 = J2), isto e M = −J1 + J2:
g(M) = 2J2 + 1 , para − (J1 − J2) ≤ M ≤ J1 − J2 . (9.5.12)
• Finalmente para valores de M inferiores a −(J1 − J2), g(M) decresce de 1 cada vez
que M diminui de 1, ate atingir novamente o valor 1 quando M = −(J1 +J2) (vertice
inferior esquerdo do diagrama). Ou seja:
g(−M) = g(M) . (9.5.13)
(3) Para J1 e J2 fixos, os valores proprios de J2 correspondem a
J = J1 + J2, J1 + J2 − 1, J1 + J2 − 2, . . . , |J1 − J2|, (9.5.14)
e a cada um destes valores corresponde um unico subespaco invariante E(J), isto e, um
multipleto de valores de M .8 Designe-se por p(J) o numero de multipletos associados a um
dado valor J . Os valores de p(J) e de g(M) estao relacionados de uma forma simples:
g(M) = p(J = |M |) + p(J = |M |+ 1) + p(J = |M |+ 2) + . . . . (9.5.15)
8No presente contexto, um multipleto corresponde a um conjunto de estados que se transformam entresi numa rotacao. Mais geralmente, o multipleto de estados numa determinada representacao de um grupode Lie sao estados que se transformam entre si pela accao desse grupo.
9.5 Adicao de momento angular 287
Invertendo (9.5.15) obtem-se:
p(M) = g(M = J) − g(M = J + 1) (9.5.16)
= g(M = −J) − g(M = −J − 1) (9.5.17)
Usando os resultados da observacao (2) obtem-se sucessivamente:
• p(J) = 0 para J > J1 + J2, pois g(M) = 0 se |M | > J1 + J2.
• Usando (9.5.9) e (9.5.10) obtem-se:
p(J = J1 + J2) = g(M = J1 + J2) = 1 ,
p(J = J1 + J2 − 1) = g(M = J1 + J2 − 1)− g(M = J1 + J2) = 1 .
Por iteraccao obtem-se todos os valores de p(J):
p(J = J1 + J2 − 2) = 1 , . . . , p(J = J1 − J2) = 1 .
• Finalmente: p(J) = 0 para J < J1 − J2.
Concluimos que a cada valor possıvel de J esta associado apenas um multipleto e como
tal 2J + 1 vectores proprios do momento angular total. (q.e.d.)
Matematicamente podemos escrever que o espaco vectorial obtido como produto tenso-
rial (9.5.4) se decompoe na soma directa de espacos vectoriais que tem como base os varios
multipletos, ou seja, na soma directa de varias representacoes irredutıveis do momento
angular:
E(J1)⊗ E(J2) = E(J1 + J2)⊕ E(J1 + J2 − 1)⊕ . . .⊕ E(|J1 − J2|+ 1)⊕ E(|J1 − J2|) .
9.5.1 Calculo dos vectores proprios comuns a J2 e a Jz
Os vectores |J,M〉 (rigorosamente dever-se-ia escrever |J1, J2, J,M〉, mas na pratica usamos
a primeira notacao) podem-se escrever como combinacoes lineares dos vectores da base
inicial |J1, J2;M1,M2〉:
|J,M〉 =
J1∑
M1=−J1
J2∑
M2=−J2
|J1, J2;M1,M2〉 〈J1, J2;M1,M2|J,M〉 . (9.5.18)
288 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Os coeficientes 〈J1, J2;M1,M2|J,M〉 desta expansao sao os coeficientes de Clebsch-Gordan.
Nao e possıvel dar uma expressao geral destes coeficientes, mas eles podem ser determinados
seguindo o metodo que a seguir se desenvolve para o caso particular de momentos angulares
1/2 e atendendo a uma serie de convencoes de fase (por exemplo, os coeficientes de Clebsch-
Gordan sao reais).
O caso particular de dois spins 1/2
Como exemplo consideremos um sistema de duas partıculas de spin 1/2. De acordo com
os resultados anteriores, o momento angular total do sistema sera S = 1 ou S = 0.
E(S1 = 1/2)⊗ E(S2 = 1/2) = E(S = 1) ⊕ E(S = 0) (9.5.19)
Teremos portanto dois multipletos: um estado tripleto (dado existirem tres valores de M
para S = 1) e um estado singleto (um unico M para S = 0).
⋆ O estado tripleto (subespaco E(S = 1)): Este subespaco, tridimensional, e gerado pela
base propria |1, 1〉, |1, 0〉, |1,−1〉. E imediato escrever-se, apos uma escolha de fase:
|1, 1〉 = |+,+〉 . (9.5.20)
Os outros estados do tripleto sao obtidos por aplicacao do operador de escada S−:
|1, 0〉 =1
~√
2S− |1, 1〉 (9.5.21)
=1
~√
2(S1− + S2−) |1, 1〉 (9.5.22)
=1√2
[|+,−〉 + | −,+〉] , (9.5.23)
e ainda,
|1,−1〉 =1
~√
2S− |1, 0〉 (9.5.24)
= |−,−〉 . (9.5.25)
9.5 Adicao de momento angular 289
⋆ O estado singleto (subespaco E(S = 0)): O unico vector |0, 0〉 deste subespaco e determi-
nado, a menos de um factor constante de fase, usando-se a condicao de ortogonalidade
relativamente aos outros vectores |1,M〉, ja determinados. |0, 0〉 e necessariamente
uma combinacao linear dos vectores |+,−〉 e |−,+〉:
|0, 0〉 = α|+,−〉+ β|−,+〉 . (9.5.26)
A condicao de normalizacao implica que:
〈0, 0|0, 0〉 = |α|2 + |β|2 = 1 . (9.5.27)
A condicao de ortogonalidade a |1, 0〉 (|0, 0〉 e obviamente ortogonal a |1, 1〉 e a |1,−1〉)implica que:
〈0, 0|1, 0〉 =1√2(α+ β) = 0 . (9.5.28)
De (9.5.26) e de (9.5.27) conclui-se que:
α = −β =1√2eiχ , (9.5.29)
onde χ e um numero real. Escolhendo χ = 09 donde:
|0, 0〉 = 1√2
[|+,−〉 − |−,+〉] . (9.5.30)
Caso geral de dois momentos angulares
De acordo com o teorema de adicao do dois momentos angulares:
E(J1)⊗E(J2) = E(J = J1+J2) ⊕ E(J = J1+J2−1) ⊕ . . . ⊕ E(J = |J1−J2|) . (9.5.31)
Para determinar os vectores |J,M〉 que geram os diferentes subespacos segue-se o metodo
exposto no paragrafo anterior. Em especıfico:
i) Considera-se o subespaco de maior multiplicidade, isto e, o maior multipleto, que cor-
responde a J = J1 + J2. Aqui o vector |J, J〉 e facilmente reconhecido:
|J = J1 + J2,M = J1 + J2〉 = |J1, J2;M1 = J1,M2 = J2〉 (9.5.32)
9Por convencao 〈J1, J2; J1, J − J1|J, J〉 sao reais e positivos, 〈J1, J2; M1, J −M1|J, J〉 sao reais e o seusinal e (−1)J1−M1 .
290 Teoria Geral do Momento Angular e Spin
Os outros vectores deste subespaco sao determinados por aplicacao dos operadores
de escada.
ii) Os vectores de base dos outros subespacos sao determinados escrevendo as combinacoes
lineares de vectores |J1, J2;M1,M2〉 adequadas e usando as condicoes de ortogonali-
dade, as condicoes de normalizacao e as convencoes de fase.
Propriedades dos coeficientes de Clebsch-Gordan
Como se referiu, a determinacao dos coeficientes de Clebsch-Gordan obedece a determi-
nadas convencoes. Existem tabelas destes coeficientes. Importa no entanto referir algumas
propriedades interessantes destes coeficientes. Em particular:
(i) Regras de seleccao: De acordo com o que se referiu no ponto (2) da demonstracao do
teorema de adicao de momento angular, os coeficientes de Clebsch-Gordon sao nulos
se nao se verificarem simultaneamente as duas condicoes:
|J1 − J2| ≤ J ≤ J1 + J2 , M = M1 +M2 .
A desigualdade e conhecida como a desigualdade triangular ja que tem implıcito que
um triangulo pode ser construıdo com lados de comprimentos J1, J2 e J . Estes tres
numeros desempenham papeis identicos; a desigualdade pode ser reescrita sob as
formas equivalentes:
|J − J1| ≤ J2 ≤ J + J1 , ou |J − J2| ≤ J1 ≤ J + J2 .
(ii) Relacoes de ortogonalidade:∑
M1,M2
〈J1, J2;M1,M2|J,M〉 〈J1, J2;M1,M2|J ′,M ′〉 = δJJ ′δMM ′ ,
∑
J,M
〈J1, J2;M1,M2|J,M〉 〈J1, J2;M′
1,M′
2|J,M〉 = δM1M′1δM2M
′2.
(9.5.33)
(iii) Relacoes de recorrencia:√
J(J + 1)−M(M + 1)〈J1, J2;M1,M2|J,M + 1〉 =
√
J1(J1 + 1)−M1(M1 − 1)〈J1, J2;M1 − 1,M2|J,M 〉
+√
J2(J2 + 1)−M2(M2 − 1)〈J1, J2;M1,M2 − 1|J,M〉 ,
(9.5.34)
9.6 Sumario 291
√
J(J + 1)−M(M − 1)〈J1, J2;M1,M2|J,M − 1〉 =
√
J1(J1 + 1)−M1(M1 + 1)〈J1, J2;M1 + 1,M2|J,M〉
+√
J2(J2 + 1)−M2(M2 + 1)〈J1, J2;M1,M2 + 1|J,M〉 .
(9.5.35)
9.6 Sumario
Neste capıtulo comecamos por discutir as representacoes da algebra do momento angular,
descobrindo que existem em maior numero do que as que correspondem ao momento angu-
lar orbital. As representacoes extra correspondem a spin semi-inteiro. Vimos seguidamente
que estas representacoes sao necessarias para descrever certos resultados experimentais,
como a estrutura fina, o efeito Zeeman anomalo e a experiencia de Stern-Gerlach. Em
particular, estas experiencias requerem que se descreva o electrao como uma partıcula de
spin 1/2. Dada esta necessidade, Pauli introduziu certos postulados adicionais na mecanica
quantica nao relativista, para descrever o spin das partıculas, que enunciamos. Estudamos
em detalhe o formalismo quantico para o caso das partıculas de spin 1/2, como o electrao,
em que o espaco de estados de spin tem dimensao 2. Consideramos o teorema de adicao do
momento angular e descobrimos quais os valores possıveis para o momento angular total
de um sistema com varios momentos angulares individuais. Na transformacao entre a base
do momento angular total e dos momentos angulares individuais aparecem os coeficientes
de Clebsch-Gordan, que estudamos em detalhe no caso de um sistema de duas partıculas
de spin 1/2.
CAPITULO 10
Teoria da Difusao
Nos capıtulos anteriores estabelecemos metodos que nos permitem calcular a funcao de
onda dado o potencial. O conhecimento da funcao de onda permite-nos entao calcular
quantidades fısicas, como o espectro de estados ligados ou o factor de transmissao. Estas
sao quantidades relacionaveis com a experimentacao. Portanto, tendo um modelo teorico
do potencial fazemos previsoes que podem ser comparadas com a experiencia.
Muitas vezes, em fısica, o problema em mao e o inverso do descrito anteriormente.
Temos resultados experimentais e pretendemos obter um modelo teorico. Por exemplo,
um tipo de experiencias frequente em fısica, especialmente em fısica das altas energias,
consiste em fazer incidir um feixe de partıculas - que denominamos por ′′(1)′′ - num alvo
composto por outras partıculas - que denominamos por ′′(2)′′ - e estudar a colisao resultante.
Genericamente mede-se o estado final do sistema apos a colisao, isto e, o tipo de partıculas
resultantes e as suas caracterısticas, como direccao de emissao, energia, etc. Mas o objectivo
fundamental do estudo e determinar as interaccoes que ocorreram entre as varias partıculas
que entraram no processo de colisao.
Os fenomenos observados na colisao, ditos reaccoes variam em complexidade:
• Nos casos mais simples o estado inicial e final do sistema sao compostos pelas mesmas
294 Teoria da Difusao
partıculas (1) e (2):
(1) + (2) −→ (1) + (2) .
Estas reaccoes sao denominadas reaccoes de difusao, (“scattering” em ingles).
• Em casos mais gerais nao e assim. As partıculas (1) e (2) podem ser compostas por
outras mais elementares (como nucleos sao compostos por nucleoes e nucleoes por
quarks), que se podem redistribuir durante a colisao, originando novas partıculas
compostas, diferentes das partıculas iniciais:
(1) + (2) −→ (3) + (4) + (5) + . . . .
Estas reaccoes sao denominadas reaccoes com rearranjo.
• Notemos ainda que a altas energias existe a possibilidade relativista de “materializacao”
de parte da energia, originando novas partıculas no estado final.
No nosso estudo vamo-nos restringir a difusao. Na maior parte deste capıtulo vamos
considerar ainda que esta difusao e elastica, isto e, que para alem de as partıculas iniciais
e finais serem as mesmas, os seus estados internos nao se modificam durante a colisao.
Isto significa, em particular, que nao ha emissao ou absorcao de energia por estes estados
internos. Na seccao 10.4 sera considerada a difusao inelastica.
Se o nosso problema de colisao caisse no ambito da mecanica classica, o nosso objectivo
seria determinar os desvios das trajectorias das partıculas incidentes (1) devido a forca
exercida pelas partıculas alvo (2). Mas o problema em que estamos interessados ocorre a
escala atomica ou nuclear, caindo no ambito da mecanica quantica. Assim devemos estudar
a evolucao da funcao de onda associada as partıculas incidentes (1) devida a influencia das
interaccoes com as partıculas alvo (2). A funcao de onda ira ‘difundir-se’, justificando o
nome do processo.
No nosso estudo iremos usar algumas hipoteses simplificativas:
• Consideraremos que as partıculas (1) e (2) nao tem spin. Esta hipotese tem como ob-
jectivo simplificar a teoria e nao deve ser interpretada como implicando que o spin
295
nao tem importancia em fenomenos de difusao. Pelo contrario, se no Hamiltoniano
houver termos dependentes de spin, diferentes estados de spin difundir-se-ao difer-
entemente; no final sera necessario pesar a contribuicao dos diferentes estados de
spin. Este estudo sera considerado em detalhe no capıtulo 12, onde estudaremos
partıculas identicas e consideraremos problemas de difusao com spin.
• Nao levaremos em consideracao uma possıvel estrutura interna das partıculas (1) e (2).
O formalismo que iremos desenvolver ate a seccao 10.4 nao sera portanto aplicavel a
fenomenos de difusao inelastica onde parte da energia cinetica de (1) e absorvida, no
estado final pelos graus de liberdade internos de (1) e (2); sera apenas para difusao
elastica. Na seccao 10.4 consideraremos brevemente difusao inelastica.
• Assumiremos que o alvo e suficientemente fino para nos permitir negligenciar processos
de difusao multiplos, em que uma partıcula incidente e difundida varias vezes antes
de abandonar o alvo.
• Negligenciaremos qualquer possibilidade de coerencia entre as ondas difundidas pelas
diferentes partıculas que constituem o alvo. Esta simplificacao e justificada quando
a dispersao dos pacotes de ondas associados as partıculas incidentes (1) e pequena
comparada com as distancias tıpicas das partıculas do alvo. Ou seja, concentrar-
nos-emos em processos elementares de difusao de uma partıcula incidente (1), por
uma partıcula do alvo (2). Negligenciando estes efeitos de coerencia, o fluxo de
partıculas detectadas e simplesmente a soma dos fluxos difundidos por cada uma das
N partıculas do alvo, isto e, N vezes o fluxo difundido por cada uma das partıculas
do alvo. Note-se que esta aproximacao exclui fenomenos interessantes, como difusao
coerente de um cristal - difraccao de Bragg.
• Assumiremos que a interaccao entre as partıculas (1) e (2) pode ser descrita por uma
energia potencial V (~r1 − ~r2) que depende apenas da posicao relativa ~r = ~r1 − ~r2das partıculas. Utilizando o referencial do centro de massa, o problema reduz-se ao
estudo da difusao de uma partıcula devido ao potencial V (~r). Esta partıcula tem
296 Teoria da Difusao
massa µ, que e a massa reduzida
1
µ=
1
m1
+1
m2
, (10.0.1)
onde m1 e m2 sao as massas de (1) e de (2).
10.1 Formalismo para descrever processos de difusao
10.1.1 Definicao da seccao eficaz de difusao
Seja Oz a direccao das partıculas incidentes, de massa µ. O potencial V (~r) esta local-
izado a volta da origem, O - figura 10.1. Seja Fi o fluxo de partıculas no feixe incidente,
isto e, o numero de partıculas que, por unidade de tempo, atravessam uma superfıcie de
area unitaria perpendicular a Oz na regiao com z → −∞. Assumimos que este fluxo e
suficientemente pequeno para negligenciar as interaccoes entre as partıculas do feixe. Um
detector e colocado longe da regiao onde o potencial e efectivo, numa direccao definida
pelos angulos polar θ e azimutal φ, com a abertura voltada para o centro de difusao O e
compreendendo um angulo solido dΩ. Podemos assim contar o numero de partıculas dn,
difundidas por unidade de tempo para dentro do angulo solido dΩ, em torno da direccao
definida por (θ, φ). E de esperar que dn seja proporcional a dΩ e tambem a Fi; logo1
dn = σ(θ, φ)FidΩ , (10.1.1)
onde o coeficiente de proporcionalidade σ(θ, φ) e denominado seccao eficaz diferencial de
difusao na direccao (θ, φ). Dimensionalmente, a equacao anterior e
1
T= [σ(θ, φ)]
1
TL2⇔ [σ(θ, φ)] = L2 . (10.1.2)
Ou seja, a seccao eficaz diferencial de difusao tem as dimensoes de uma area. Frequente-
mente, σ(θ, φ) e medida em termos de ‘barns’ 2
1Note que por vezes sao usadas diferentes notacoes na literatura; o numero de partıculas difundidas porunidade de tempo para dentro do angulo solido dΩ e por vezes denotado dn/dt e a seccao eficaz diferencialde difusao na direccao (θ, φ) por dσ(θ, φ)/dΩ.
2O termo “barn” como unidade de area para seccoes eficazes surge durante o esforco de guerra norte-americano para o desenvolvimento da bomba atomica, durante trabalho feito na Universidade de Purdue
10.1 Formalismo para descrever processos de difusao 297
Fi
feixe incidente
Zona onde o potencial difundeFluxo
zO
Detector
V(r)
dΩ
θ
Figura 10.1: Representacao dos varios elementos que entram num processo de difusao.
e seus sub-multiplos, onde
1 barn ≡ 10−24 cm2 .
De um modo natural define-se a seccao eficaz total de difusao σ, como
σ ≡∫
σ(θ, φ)dΩ . (10.1.3)
num projecto precursor do projecto Manhattan - o famoso projecto em Los Alamos onde seriam construidasas primeiras bombas. Como reportado na edicao de Julho de 1972 da “Physics Today”, por altura deDezembro de 1942 os fısicos Marshall Holloway e Charles P. Baker da Universidade de Cornell, duranteum jantar, atiravam ideias para denominar a unidade para a seccao eficaz nuclear tıpica. Na sequencia deuma associacao de ideias bem humurada sugeriram o “barn”. Nas suas palavras: “The tradition of naming
a unit after some great man closely associated with the field ran into difficulties since no such person could
be brought to mind. Failing in this, the names Oppenheimer and Bethe were tried, since these men had
suggested and made possible the work on the problem with which the Purdue project was concerned. The
”Oppenheimer” was discarded because of its length, although in retrospect an ”Oppy” or ”Oppie” would
seem to be short enough. The ”Bethe” was thought to lend itself to confusion because of the widespread
use of the Greek letter. Since John Manley was directing the work at Purdue, his name was tried, but the
”Manley” was thought to be too long. The ”John” was considered, but was discarded because of the use
of the term for purposes other than as the name of a person. The rural background of one of the authors
then led to the bridging of the gap between the ”John” and the ”barn”. This immediately seemed good
and further it was pointed out that a cross section of 10-24 cm2 for nuclear processes was really as big
as a barn. Such was the birth of the ”barn”.” Claro que a necessidade de uma nova unidade foi forcadaaos fısicos nucleares pela necessidade de comunicar telefonicamente com outros sobre topicos altamentesecretos. O nome “pegou” e a unidade “barn” foi adoptada em Los Alamos, tornando-se o seu significadosecreto. Os dois autores da proposta descreveram a sua sugestao num relatorio de 13 de Setembro de 1944e daqui resultou o relatorio de Los Alamos ”Origin of the Term ‘barn’”(LAMS523) de 5 de Marco de 1947.O significado foi “desclassificado” em 4 de Agosto de 1948.
298 Teoria da Difusao
Note-se que, na definicao de σ(θ, φ), dn contabiliza apenas as partıculas difundidas. O
fluxo destas partıculas que atingem o detector e inversamente proporcional ao quadrado
da distancia entre O e o detector. Se se colocar o detector em θ = 0, misturar-se-ao a
estas as partıculas transmitidas, que terao a mesma forma das do feixe incidente, pelo que
σ(0, φ) nao e obtido directamente, mas por extrapolacao de σ(θ, φ) para θ pequeno.
10.1.2 Estados estacionarios de difusao
Para descrevermos, em Mecanica Quantica, a difusao de uma partıcula incidente devido
a um potencial V (~r) e necessario estudar a evolucao temporal do pacote de ondas que
descreve a partıcula. Assumimos conhecer o pacote de ondas para t → −∞ quando a
partıcula esta na regiao negativa do eixo Oz, inafectada pelo potencial V (~r). A evolucao
subsequente do pacote de ondas e trivialmente estabelecida se expressarmos o pacote de
ondas como uma sobreposicao de estados estacionarios do Hamiltoniano do problema
H =~p2
2µ+ V (~r) . (10.1.4)
Por isso, e tal como no capıtulo 3, em vez de estudarmos pacotes de ondas, vamos
concentrar-nos nos proprios estados estacionarios.
A equacao de Schrodinger independente do tempo para o Hamiltoniano anterior e:(
− ~2
2µ∆ + V (~r)
)
Φ(~r) = EΦ(~r) . (10.1.5)
Consideremos apenas energias positivas, E, iguais a energia cinetica da partıcula incidente
antes de entrar na zona de influencia do potencial
E =~2k2
2µ, (10.1.6)
onde k e o modulo do vector de onda ~k que descreve a partıcula quando e livre. Definindo
V (~r) ≡ ~2
2µU(~r) , (10.1.7)
reescrevemos a equacao de Schrodinger como
[∆ + k2 − U(~r)]Φ(~r) = 0 . (10.1.8)
10.1 Formalismo para descrever processos de difusao 299
Para cada energia, isto e, para cada k, existe um numero infinito de solucoes desta equacao,
dependendo das condicoes fronteira; o espectro de energias e infinitamente degenerado.
Mas tal como nos problemas de potenciais constantes por pedacos do capıtulo 3 impuse-
mos restricoes de caracter fısico as solucoes (como normalizabilidade da funcao de onda
que excluia funcoes com crescimento assimptotico exponencial, ou a existencia de apenas
uma onda transmitida no lado oposto ao da onda incidente), tambem aqui impomos re-
stricoes fısicas as solucoes que descrevem um processo de difusao. As funcoes de onda que
obedecem a essas condicoes, denotadas vdifk (~r), representam os estados estacionarios de
difusao. Devem ter as seguintes duas propriedades:
1) Para valores grandes negativos de t, a partıcula incidente e livre pois o potencial e
negligenciavel. Logo a funcao de onda que descreve o estado estacionario de difusao
deve conter um termo da forma eikz, que descreve a onda incidente
vinck (~r) ∼ eikz . (10.1.9)
2) Quando o pacote de ondas atinge a zona onde o potencial e efectivo, a sua estrutura
pode ser drasticamente alterada. Mas para valores grandes e positivos de t esperamos
que os estados estacionarios sejam compostos por uma onda difundida. Para r →∞,
U(~r)→ 0 e como tal a onda difundida obedece a
(∆ + k2)vdifk ≃ 0 . (10.1.10)
Se esta onda fosse isotropica, isto e se tivesse apenas dependencia radial, esta equacao
ficaria, em coordenadas esfericas,
(
1
r2
d
drr2 d
dr+ k2
)
vdifk (r) = 0 , (10.1.11)
que se verifica facilmente ter solucoes do tipo
e±ikr
r. (10.1.12)
300 Teoria da Difusao
Escolhendo o sinal positivo, de modo a representar uma onda que se propague para fora,
e considerando a possibilidade de anisotropia, tomamos a funcao de onda associada ao
estado estacionario de difusao, para ~r →∞, como tendo a forma
vdifk (~r)
~r→∞−→ eikz + fk(θ, φ)eikr
r. (10.1.13)
E na funcao fk(θ, φ), denominada amplitude de difusao, que surge toda a dependencia
desta solucao assimptotica no potencial. Por exemplo, se V = 0, fk(θ, φ) = 0. Pode-se
demonstrar que a equacao (10.1.8) tem uma unica solucao que obedece a (10.1.13).
Concluimos esta seccao com duas notas:
• A equacao (10.1.10) e singular em r = 0; assim, a solucao (10.1.12) so tem que verificar
a equacao para r 6= 0. Veremos na seccao 10.2.1 que, mais correctamente,
(∆ + k2)e±ikr
r∝ δ(~r) . (10.1.14)
• O pacote de ondas que representa o estado da partıcula pode ser expandido em termos
dos estados estacionarios do Hamiltoniano (que nao sao ondas planas); a sua funcao
de onda tera a forma
Ψ(t, ~r) =
∫ +∞
0
dk g(k)vdifk (~r)e−iEkt/~ , Ek =
~2k2
2µ. (10.1.15)
10.1.3 Relacao entre amplitude e seccao eficaz de difusao
Como ja discutimos anteriormente, num problema fısico, uma partıcula quantica sera de-
scrita por um pacote de ondas. Para calcular a seccao eficaz de difusao deverıamos consid-
erar a difusao desse pacote de ondas incidente pelo potencial V (~r). Mas, mais uma vez de-
vido a linearidade da equacao de Schrodinger, podemos tratar apenas estados estacionarios
de difusao. Podemos pensar nesses estados como descrevendo uma corrente estacionaria
de um fluido de probabilidade e calculamos entao a seccao eficaz da corrente incidente e
difundida. O metodo e analogo ao usado na barreira quadrada do capıtulo 3, onde a razao
entre a corrente transmitida (ou reflectida) e a corrente incidente da-nos o coeficiente de
10.1 Formalismo para descrever processos de difusao 301
transmissao (ou reflexao). Assim iremos calcular as contribuicoes da onda incidente e da
onda difundida de um estado estacionario de difusao para a corrente de probabilidade.
Recordemos que o vector densidade de corrente de probabilidade (4.4.53), se pode
escrever, para um estado estacionario
~J(~r) =i~
2µ[Φ(~r)∇Φ(~r)∗ − Φ(~r)∗∇Φ(~r)] =
1
µRe
(
Φ∗(~r)~
i∇Φ(~r)
)
. (10.1.16)
Calculemos o vector densidade de corrente de probabilidade para:
• Onda incidente/transmitida eikz. Neste caso so existe componente segundo z
J iz(~r) =
1
µRe
(
e−ikz ~
iikeikz
)
=k~
µ, (10.1.17)
que nao e mais do que a intensidade da funcao de onda incidente Ii, (3.2.18).
• Onda difundida fk(θ, φ)eikr/r. Notamos primeiro que em coordenadas esfericas
∇ ≡(
∂
∂r,1
r
∂
∂θ,
1
r sin θ
∂
∂φ
)
; (10.1.18)
logo, as componentes em coordenadas esfericas do vector densidade de corrente de
probabilidade sao:
Jdr =
1
µRe
(
f ∗k
e−ikr
r
~
i
(
− 1
r2+ik
r
)
eikrfk
)
=~k
µ
|fk(θ, φ)|2r2
, (10.1.19)
Jdθ =
1
µRe
(
f ∗k
e−ikr
r3
~
ieikr ∂
∂θfk
)
=~
µr3Re
(
−if ∗k
∂
∂θfk
)
, (10.1.20)
Jdφ =
~
µr3 sin θRe
(
−if ∗k
∂
∂φfk
)
. (10.1.21)
Concluimos que, assimptoticamente, Jθ e Jφ sao negligenciaveis e a corrente difundida
e essencialmente radial.
Para relacionarmos σ(θ, φ) com fk(θ, φ) recordemos a definicao de seccao diferencial de
difusao (10.1.1). Quer o fluxo incidente de partıculas quer o fluxo difundido serao propor-
cionais as respectivas densidades de corrente de probabilidade com a mesma constante de
302 Teoria da Difusao
proporcionalidade.3 Logo, obtemos para o fluxo incidente
Fi = C|J i| = C~k
µ. (10.1.22)
O numero de partıculas que atinge a abertura do detector por unidade de tempo e pro-
porcional ao fluxo do vector densidade de corrente de probabilidade difundido atraves da
superfıcie d~S da abertura do detector:
dn = C ~Jd · d~S assimptoticamente≃ C(Jd)rr2dΩ = C
~k
µ|fk(θ, φ)|2dΩ . (10.1.23)
Logo, (10.1.1) diz-nos que
σ(θ, φ) = |fk(θ, φ)|2 . (10.1.24)
Ou seja, a seccao eficaz diferencial de difusao e o quadrado do modulo da amplitude de
difusao, o que justifica o nome da ultima quantidade.
Notemos que no calculo da corrente probabilidade difundida negligenciamos a inter-
ferencia entre eikz (corrente incidente) e fk(θ, φ)eikr/r (corrente difundida). Na realidade
esta interferencia so e importante perto de θ = 0, onde de qualquer modo extrapolamos
o resultado para a seccao eficaz diferencial a partir dos valores para θ pequeno, como
comentamos anteriormente.
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born
Para demonstrar a existencia de estados estacionarios cujo comportamento assimptotico
e (10.1.13) vamos estabelecer uma equacao integral de difusao da qual tais estados serao
solucoes. Recordemos a equacao (10.1.8) que reescrevemos na forma
[∆ + k2]Φ(~r) = U(~r)Φ(~r) . (10.2.1)
Introduzimos agora a funcao de Green, G(~r), do operador ∆ + k2, definida pela equacao:
[∆ + k2]G(~r) = δ(~r) , (10.2.2)
3Da mesma maneira que o fluxo de partıculas num fluido ou numa corrente electrica e proporcional aosrespectivos vectores densidade de corrente.
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 303
onde δ(~r) e um delta de Dirac. Podemos tomar partido desta funcao para construir solucoes
de (10.2.1). Seja Φ0(~r) uma solucao da equacao (10.2.1) com o lado direito igual a zero,
isto e
[∆ + k2]Φ0(~r) = 0 . (10.2.3)
A funcao
Φ(~r) = Φ0(~r) +
∫
d3~r′G(~r − ~r′)U(~r′)Φ(~r′) , (10.2.4)
e entao tambem solucao de (10.2.1). Para demonstrar este facto actuamos com o operador
(∆ + k2) em ambos os lados da equacao (10.2.4); obtemos
(∆ + k2)Φ(~r) = (∆ + k2)Φ0(~r) +
∫
d3~r′U(~r′)Φ(~r′)(∆ + k2)G(~r − ~r′) , (10.2.5)
onde usamos o facto de que (∆ + k2) actua na variavel ~r e nao ~r′, e como tal pode ser
colocado dentro do integral. Usando agora (10.2.2) e (10.2.3) obtemos
(∆ + k2)Φ(~r) =
∫
d3~r′U(~r′)Φ(~r′)δ(~r − ~r′) = U(~r)Φ(~r) , (10.2.6)
o que demonstra que (10.2.4) e solucao de (10.2.1). Reciprocamente pode-se demonstrar
que qualquer solucao de (10.2.1) se pode apresentar na forma (10.2.4). Isto e intuitivo se
pensarmos em (10.2.1) como uma equacao diferencial homogenea - lado esquerdo - com
uma fonte - termo do lado direito; pensamos entao em (10.2.4) como a soma da solucao
geral da equacao homogenea, Φ0, com uma solucao particular que considera o termo de
fonte.
A equacao integral (10.2.4) e denominada equacao integral de difusao. A sua principal
vantagem relativamente a equacao diferencial (10.2.1) e que, escolhendo Φ0(~r) e G(~r) apro-
priadamente, podemos obter, sem mais trabalho, Φ(~r) com o comportamento assimptotico
desejado. Portanto a equacao integral (10.2.4) torna-se equivalente a equacao diferencial
(10.2.1) mais a condicao assimptotica (10.1.13). E exactamente esse resultado que vamos
agora estabelecer.
304 Teoria da Difusao
10.2.1 Escolha da funcao de Green e de Φ0
Comecemos por discutir as funcoes de Green. Com este proposito enunciamos, sem prova,
o seguinte resultado
∆
(
1
r
)
= −4πδ(~r) , (10.2.7)
onde ∆ e o laplaciano em tres dimensoes, r a coordenada esferica radial e δ(~r) o delta de
Dirac em tres dimensoes.4 Considerando este resultado e a equacao de definicao da funcao
de Green, (10.2.2), concluimos que, perto de r = 0,
G(~r)r→0≃ − 1
4πr. (10.2.8)
Por outro lado ja vimos, na seccao 10.1.2, que para ~r 6= 0,
(∆ + k2)e±ikr
r= 0 . (10.2.9)
Logo, tomamos as funcoes de Green,
G±(~r) = − 1
4π
e±ikr
r, (10.2.10)
onde G+ e denominada funcao de Green ‘outgoing’ e G− e denominada funcao de Green
‘incoming’. Equivalentemente estamos a estabelecer o resultado
(
∆ + k2) e±ikr
r= −4πδ(~r) . (10.2.11)
4Podemos motivar este resultado (o que nao constitui uma prova!) pelo seguinte raciocınio. Consider-amos a equacao de Poisson para o campo gravıtico com uma massa pontual M , descrita por um delta deDirac:
∆φ(~r) = 4πGMδ(~r) ⇔ 1
r2
d
drr2 d
drφ = 4πGMδ(~r) .
Integramos ambos numa esfera de raio R. Do lado esquerdo usamos coordenadas esfericas e do lado direitocoordenadas cartesianas:
4π
∫ R
0
drr2 1
r2
d
drr2 d
drφ = 4πGM
∫
dx
∫
dy
∫
dzδ(x)δ(y)δ(z) ,
logo
R2 d
dRφ = GM ⇔ φ(R) = −GM
R+ constante .
Colocando esta solucao na primeira equacao temos
∆
(
−GM
r+ constante
)
= 4πGMδ(~r) ⇔ ∆
(
1
r
)
= −4πδ(~r) ,
que e a equacao (10.2.7).
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 305
u
r
r’
r r’
PO
L
M
Figura 10.2: Representacao de um ponto assimptoticamente longe da zona de influenciade um potencial.
O comportamento assimptotico que desejamos obter (10.1.13) sugere que escolhamos
Φ0 = eikz , (10.2.12)
e a funcao de Green ‘outgoing’, G(~r) = G+(~r). Isto e, tomamos os estados estacionarios
de difusao na forma (10.2.4) com estas escolhas:
vdifk (~r) = eikz +
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)vdifk (~r′) . (10.2.13)
Vamos entao demonstrar que estes estados estacionarios tem o comportamento assimptotico
correcto. Para isso consideramos um potencial cuja zona de influencia, centrada em ~r = 0,
tem uma escala linear L - figura 10.2. Consideramos um ponto longe desta zona de in-
fluencia, M , para o qual |~r| ≫ L. Considerando o vector de posicao de um outro ponto, ~r′
temos que
|~r−~r′| =√
(~r − ~r′) · (~r − ~r′) =
√
r2 − 2~r · ~r′ + (r′)2 = r
√
1− 2~r′ · ~ur
+
(
r′
r
)2
, (10.2.14)
onde r = |~r|, r′ = |~r′| e ~u e o versor na direccao de ~r, ~r = r~u. Especializemos para o caso
em que ~r′ e a posicao de um ponto arbitrario, P , na zona de influencia do potencial. Para
todos estes pontos verifica-se que |~r′| < L≪ |~r|; logo expandimos a expressao anterior em
potencias de r′/r, obtendo
|~r − ~r′| ≃ r − ~r′ · ~u . (10.2.15)
306 Teoria da Difusao
Nestas condicoes obtemos a expressao assimptotica
G+(~r − ~r′) = − 1
4π
eik|~r−~r′|
|~r − ~r′|≃ − 1
4π
eikr
re−ik~u·~r′ . (10.2.16)
Substituindo no estado de difusao (10.2.13) obtemos o comportamento assimptotico
vdifk (~r)
r→∞≃ eikz − eikr
4πr
∫
d3~r′e−ik~u·~r′U(~r′)vdifk (~r′) . (10.2.17)
Este e, de facto, o comportamento assimptotico (10.1.13), dado que o integral ja nao de-
pende da distancia r, mas apenas dos angulos θ e φ, atraves de ~u. Concluimos deste
modo que os estados definidos pela equacao integral (10.2.13) tem o comportamento as-
simptotico correcto para serem estados estacionarios de difusao. Mais ainda, comparando
com (10.1.13) reconhecemos a amplitude de difusao como sendo
fk(θ, φ) = − 1
4π
∫
d3~r′e−ik~u·~r′U(~r′)vdifk (~r′) . (10.2.18)
10.2.2 A aproximacao de Born
Vamos agora estabelecer uma solucao aproximada da equacao integral de difusao para os
estados estacionarios de difusao, e como tal para a amplitude de difusao e seccao eficaz
diferencial de difusao. Comecamos por escrever
eikz = ei~ki·~r , (10.2.19)
onde ~ki e o vector de onda incidente. Em termos de ~ki, os estados estacionarios de difusao
(10.2.13) ficam:
vdifk (~r) = ei~ki·~r +
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)vdifk (~r′) . (10.2.20)
Facamos uma mudanca de notacao: ~r → ~r′ e ~r′ → ~r′′; logo
vdifk (~r′) = ei~ki·~r′ +
∫
d3 ~r′′G+(~r′ − ~r′′)U(~r′′)vdifk (~r′′) . (10.2.21)
Seguidamente inserimos (10.2.21) em (10.2.20) e obtemos
vdifk (~r) = ei~ki·~r +
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)ei~ki·~r′
+
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)
∫
d3 ~r′′G+(~r′ − ~r′′)U(~r′′)vdifk (~r′′) .
(10.2.22)
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 307
Note-se que agora conhecemos os dois primeiros termos do lado direito. Apenas descon-
hecemos o terceiro, pois inclui a funcao desconhecida vdifk . Podemos repetir novamente
o procedimento, substituindo em (10.2.20) ~r → ~r′′ e ~r′ → ~r′′′. Substituindo a expressao
resultante em (10.2.22) obtemos
vdifk (~r) = ei~ki·~r +
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)ei~ki·~r′
+
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)
∫
d3 ~r′′G+(~r′ − ~r′′)U(~r′′)ei~ki· ~r′′
+
∫
d3~r′G+(~r − ~r′)U(~r′)
∫
d3 ~r′′G+(~r′ − ~r′′)U(~r′′)
∫
d3 ~r′′′G+(~r′′ − ~r′′′)U( ~r′′′)vdifk ( ~r′′′) .
(10.2.23)
Agora, os tres primeiros termos do lado direito sao conhecidos e apenas o quarto descon-
hecido. Podemos repetir o processo quantas vezes desejarmos, de modo a ficarmos com os
n primeiros termos do lado direito conhecidos e apenas o termo n + 1 desconhecido. Este
metodo, denominado expansao de Born pode ser usado para construir a funcao de onda
dos estados estacionarios de difusao, desde que o potencial seja fraco. O ponto principal
desta expansao e que cada novo termo introduziu mais uma potencia do potencial U(~r). O
significado de o potencial ser fraco e de que este novo termo devera ser pequeno. Sendo L a
escala tıpica do potencial, e U = 2µV/~2 a sua magnitude tıpica, o significado quantitativo
de “o potencial ser fraco” e√U =
√2µV
~≪ 1
L. (10.2.24)
Isto e a escala de energia associada a magnitude do potencial e muito menor do que a escala
de energia associada ao seu comprimento. Logo, se o potencial for fraco, a expansao de
Born e uma expansao perturbativa; isto e, cada termo e menor do que o anterior, pelo que
podemos truncar a expansao num determinado ponto e negligenciar o ultimo termo, e como
tal calcular o lado direito da equacao. Se substituirmos a expansao de Born para vdifk (~r′)
em (10.2.18), obtemos a expansao de Born para a amplitude de difusao. A aproximacao
de Born e truncar a expansao de Born considerando apenas os primeiros dois termos, isto
e
vdifk (~r′) = ei~ki·~r′ , (10.2.25)
308 Teoria da Difusao
r
r’
r
r’r’’
Figura 10.3: Esquerda: Na aproximacao de Born contabilizamos apenas a contribuicaoda onda incidente e de ondas difundidas uma vez na zona onde o potencial e efectivo.Direita: As aproximacoes seguintes levam em conta multiplas difusoes, que podem sernegligenciadas, caso o potencial seja fraco.
pelo que (10.2.18) fica
fBornk (θ, φ) = − 1
4π
∫
d3~r′e−ik~u·~r′U(~r′)ei~ki·~r′ . (10.2.26)
Denotando o vector de onda difundido ~kd ≡ k~u e o vector de onda transferido ~q ≡ ~kd −~ki,
reescrevemos este resultado como
fBornk (θ, φ) = − 1
4π
∫
d3~r′e−i~q·~r′U(~r′) = − 2µ
4π~2
∫
d3~r′e−i~q·~r′V (~r′) , (10.2.27)
onde usamos (10.1.7). Finalmente, usando (10.1.24), obtemos para a seccao eficaz diferen-
cial de difusao na aproximacao de Born
σBornk (θ, φ) =
µ2
4π2~4
∣
∣
∣
∣
∫
d3~re−i~q·~rV (~r)
∣
∣
∣
∣
2
. (10.2.28)
Concluimos, portanto, que na aproximacao de Born, a seccao eficaz diferencial de difusao
esta muito simplesmente relacionada com a transformada de Fourier do potencial. O vector
de onda transferido ~q, depende do modulo de ~ki e ~kd (que e o mesmo - k) e da direccao
de difusao (θ, φ). Para uma dada direccao de difusao, a seccao eficaz de Born varia com
k, ou seja com a energia do feixe incidente. Por outro lado, para uma dada energia σBorn
varia com (θ, φ). Concluimos que estudando as variacoes de σBorn com θ, φ ou ainda com
a energia incidente, deduzimos informacao sobre o potencial V (~r).
10.2.3 Interpretacao da aproximacao de Born
Recordemos a equacao (10.2.20). Podemos pensar na funcao G+(~r−~r′) como representando
a amplitude, no ponto ~r, da onda emitida por uma fonte pontual em ~r′. Este ponto de
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 309
vista e corroborado pela expressao (10.2.16). Tomando a aproximacao de Born (10.2.25),
(10.2.20) diz-nos que a onda difundida em ~r e a soma da onda incidente com um numero
infinito de ondas provenientes de fontes secundarias; estas fontes secundarias existem em
todos os ~r′ onde U(~r′ 6= 0) - figura 10.3 esquerda. Os termos seguintes da expansao de
Born levam em conta novas fontes secundarias que sao elas proprias excitadas por ondas
emitidas por fontes secundarias - figura 10.3 direita. Podemos assim interpretar o facto de
a expansao de Born ser perturbativa, quando o potencial e fraco, como significando que
podemos negligenciar a influencia de fontes secundarias umas nas outras.
Nota: Os processos de difusao multipla considerados na expansao de Born nada tem
a ver com os processos de difusao multipla que dissemos ir negligenciar no princıpio deste
capıtulo. No primeiro caso estamos a falar pela difusao multipla da partıcula incidente por
uma partıcula alvo; no segundo na difusao multipla da partıcula incidente por diferentes
partıculas do alvo.
10.2.4 A aproximacao de Born para potenciais centrais
No caso de o potencial difusor ser central, que inclui muitos casos de interesse fısico,
podemos escrever uma formula mais usavel para a amplitude de difusao e consequentemente
para a seccao eficaz de difusao. Esta formula e estabelecida usando a seguinte propriedade
de transformadas de Fourier tres dimensionais:
Lema: Seja f(~r) uma funcao tres dimensional com transformada de Fourier
f(~q) =1
(2π)3/2
∫
d3~rf(~r)e−i~q·~r . (10.2.29)
Se f(~r) = f(r), isto e, a funcao depende apenas do modulo de ~r, r, entao:
i) f depende apenas do modulo de ~q, q;
ii) f(q) pode ser calculada pela expressao:
f(q) =2√2π q
∫ +∞
0
r sin qrf(r)dr . (10.2.30)
310 Teoria da Difusao
Demonstracao:
i) Consideremos f(~q′), onde ~q′ = R~q e R e uma rotacao arbitraria. Logo
f(~q′) =1
(2π)3/2
∫
d3~rf(~r)e−i~q′·~r . (10.2.31)
Aplicamos a mesma rotacao a variavel de integracao, ~r′ = R~r. Logo
f(~q′) =1
(2π)3/2
∫
d3~r′f(~r′)e−i~q′·~r′ . (10.2.32)
Como o elemento de volume e produto escalar sao invariantes por uma rotacao
d3~r = d3~r′ , ~q · ~r = ~q′ · ~r′ , (10.2.33)
e como, por hipotese, f(~r) = f(~r′), pois a funcao so depende do modulo, concluimos
que
f(~q) = f(~q′) . (10.2.34)
Logo f depende apenas do modulo de ~q.
ii) Podemos, por isso, escolher uma direccao arbitraria de ~q, para calcular a transformada
de Fourier (10.2.29). Seja ~q = qez; (10.2.29) fica:
f(q) =1
(2π)3/2
∫ 2π
0
dφ
∫ +∞
0
r2f(r)
∫ π
0
dθ sin θe−iqr cos θdr . (10.2.35)
Fazendo os integrais angulares obtemos
f(q) =1√2π
∫ +∞
0
r2f(r)
iqre−iqr cos θ|θ=π
θ=0dr =1√2π
∫ +∞
0
2rf(r)
qsin (qr)dr . (10.2.36)
(q.e.d.)
Como a amplitude de difusao, na aproximacao de Born, e dada por uma transformada
de Fourier (10.2.27), podemos para o caso de potenciais centrais V (~r) = V (r), usar este
lema. Usando (10.2.29) e (10.2.30) obtemos
fBornk (θ) = − 2µ
q~2
∫ +∞
0
r sin (qr)V (r)dr . (10.2.37)
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 311
E esta expressao que usamos na pratica. Note-se que nestes casos a amplitude de difusao
fica independente do angulo azimutal. De facto, toda a dependencia angular esta contida
no vector de onda transferido, ~q, que entra na expressao apenas em modulo q = |~q|. Para
incidencia segundo o eixo Oz, o vector de onda transferido e
~q = ~kd − ~ki = k~r
r− kez , (10.2.38)
onde ez e um versor unitario na direccao z; calculamos entao facilmente que
q2 = k2
(
1− 2z
r+ 1
)
= 2k2(1− cos θ) = 4k2 sin2 θ
2, (10.2.39)
o que demonstra que |~q| depende apenas, de facto, do angulo polar θ. Note-se que a
independencia de φ resulta das simetrias do sistema. De facto tanto o feixe incidente como
o potencial difusor sao independentes do angulo azimutal.
Consideremos dois exemplos explıcitos de calculo de seccao eficaz diferencial de difusao
usando (10.2.37).
Poco de potencial esferico
Como primeiro exemplo consideramos um poco de potencial esferico
V (r) =
−V0 , r < R
0 , r > R. (10.2.40)
Este e um potencial contınuo por pedacos onde e particularmente simples calcular a am-
plitude de difusao. Note, em primeiro lugar, que a condicao de validade da aproximacao
de Born (10.2.24) e √2µV0
~≪ 1
R. (10.2.41)
A expressao geral (10.2.37) fica
fBornk (θ) =
2µV0
q~2
∫ R
0
r sin (qr)dr =2µV0
q3~2(sin qR− qR cos qR) . (10.2.42)
Como tal, obtemos para a seccao eficaz diferencial de difusao, na aproximacao de Born
σBorn(θ) =R2
(qR)6
(
4µ2V 20 R
4
~4
)
(sin qR− qR cos qR)2 , (10.2.43)
312 Teoria da Difusao
0.11
0.1
0.105
0.095
0.09
theta
1.5 3210 2.50.5
Figura 10.4: Seccao eficaz de difusao em funcao do angulo de difusao θ para o potencial(10.2.40) na aproximacao de Born. Estao representados tres valores de qR, sendo que amedida que a energia da onda enviada diminui (e como tal tambem qR), a seccao se tornacada vez mais constante (i.e isotropica).
onde q = 2k| sin θ/2|. Esta seccao eficaz encontra-se representada graficamente na figura
10.4. Esta seccao eficaz tem um limite particularmente simples se, para alem da condicao
de validade da aproximacao de Born (10.2.41) assumirmos baixas energias
k ≪ 1
R(⇔ qR≪ 1) . (10.2.44)
Isto e, a escala de energia das ondas difundidas e muito menor que a escala de energia
definida pelo alcance do potencial. Neste caso, podemos expandir as funcoes trigonometricas
em serie de Taylor e tomar a primeira contribuicao nao nula. Obtemos
σBorn(θ)baixa energia≃ 4µ2V 2
0 R6
9~4. (10.2.45)
A seccao eficaz diferencial nao tem dependencia angular, nesta aproximacao, de acordo
com o exibido na figura 10.4. A seccao eficaz total e
σBorn baixa energia≃ 16π
9
µ2V 20 R
6
~4. (10.2.46)
Iremos recuperar este resultado usando o metodo das ondas parciais (formula (10.3.97)),
do qual extrairemos uma maior interpretacao fısica.
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 313
Potencial de Yukawa
Como segundo exemplo calculamos a seccao eficaz diferencial de difusao para um potencial
do tipo
V (~r) = V0e−αr
r, (10.2.47)
onde V0 e α sao constantes reais e α > 0. O potencial sera atractivo (repulsivo) se V0 < 0
(V0 > 0). A magnitude do potencial e caracterizada por |V0|; o seu alcance por
r0 =1
α; (10.2.48)
pois, para distancias muito maiores do que 1/α, o potencial e praticamente nulo - figura
10.5. Este potencial e designado por potencial de Yukawa, em homenagem a Hideki Yukawa
(1907-1981), que o introduziu em 1935 para descrever as forcas nucleares, cujo alcance e
da ordem do Fermi (10−15 m). Para explicar a origem deste potencial, Yukawa introduziu
uma nova partıcula - o mesao π - cuja existencia foi, de facto, descoberta em 1947 por
Cecil Powell (1903-1969). Esta partıcula, que era vista como a mediadora da forca nuclear,
possuıa massa e essa era a razao do curto alcance do potencial. Por estas descobertas
Yukawa ganhou o premio Nobel da Fısica em 1949 e Powell em 1950. Contudo, a teoria
de Yukawa foi posteriormente ultrapassada pela Cromodinamica Quantica, como descricao
da forca nuclear forte. Note-se que para α = 0 o potencial (10.2.47) se torna o potencial
de Coulomb, pelo que o potencial de Coulomb se pode considerar um potencial de Yukawa
com alcance infinito.
Se assumirmos que |V0| e suficientemente pequeno para a aproximacao de Born poder
ser usada, isto e (10.2.24)√
2µ|V0|~
≪ α , (10.2.49)
e observando que o potencial e central, temos, por (10.2.37),
fBornk (θ, φ) = −2µV0
~2q
∫ +∞
0
sin (qr)e−αrdr = − 2µV0
~2q2i
∫ +∞
0
e(iq−α)r−e−(α+iq)rdr , (10.2.50)
que agora se pode integrar facilmente para obter
fBornk (θ, φ) = −2µV0
~2
1
q2 + α2. (10.2.51)
314 Teoria da Difusao
r
10864200
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
Figura 10.5: Potencial de Yukawa com α = 1 versus potencial de Coulomb com a mesmamagnitude. Claramente o potencial de Yukawa tem um alcance efectivamente finito, en-quanto que o potencial de Coulomb tem um alcance infinito.
Usando (10.2.39) para expressar q em funcao do angulo θ, a seccao eficaz diferencial de
difusao para o potencial de Yukawa na aproximacao de Born fica
σBorn(θ) = |fBornk (θ, φ)|2 =
(
4µ2V 20
α2~4
)[
1 +4k2 sin2(θ/2)
α2
]−2
. (10.2.52)
Este resultado esta representado na figura 10.6. Comentarios ao resultado:
• Esta seccao eficaz e independente do angulo azimutal, come seria de esperar dadas as
simetrias do problema: o potencial e central e o feixe e paralelo a Oz, pelo que existe
simetria azimutal.
• Mas a seccao eficaz depende do angulo polar. Em particular, para energia (k) fixa, e
maior para θ = 0 (partıculas que seguem em frente) do que para θ = π (partıculas
rechacadas).
• A seccao eficaz diminui com o aumento de energia.
• O sinal de V0 e irrelevante, na aproximacao de Born.
• A seccao eficaz total e
σBorn =
∫
σBorn(θ)dΩ =4µ2V 2
0
α2~4
4π
[α2 + 4k2]. (10.2.53)
10.2 Equacao integral de difusao e o metodo de Born 315
1
0.6
0.8
theta
0.4
320 2.51.5
0.2
0.5 1
Figura 10.6: Seccao eficaz de difusao em funcao do angulo de difusao θ para o potencial(10.2.47) na aproximacao de Born. Estao representados tres valores de q/α, sendo que amedida que a energia da onda enviada diminui (e como tal tambem q/α), a seccao se tornacada vez mais constante (i.e isotropica).
Ja comentamos anteriormente que o potencial de Coulomb pode ser visto como o caso
limite do potencial de Yukawa em que o alcance e infinito; isto e tomando
α = 0 , V0 = Z1Z2e2 , e2 =
q2
4πǫ0, (10.2.54)
onde q e a carga do electrao e Z1q e Z2q sao as cargas das duas partıculas envolvidas
na interaccao, (10.2.47) reduz-se ao potencial de Coulomb. Tomando estes valores em
(10.2.52), obtemos a seccao eficaz diferencial de difusao
σBorn(Coulomb)(θ) =
4µ2
~4
Z21Z
22e
4
16k4 sin4 θ/2=
Z21Z
22e
4
16E2 sin4 θ/2, (10.2.55)
onde usamos (10.1.6). Esta e a famosa formula de Rutherford que descreve a seccao eficaz
para o potencial de Coulomb. E curioso que tenhamos obtido a formula correcta neste caso,
dado que a teoria que desenvolvemos nao e aplicavel, a priori, ao potencial de Coulomb,
devido ao alcance infinito (que implica que a condicao (10.2.49) nao e obedecida). O
resultado encontra-se representado na figura 10.7.
316 Teoria da Difusao
150
100
50
200
0
theta
32.5210.5 1.5
250
Figura 10.7: Seccao eficaz de difusao em funcao do angulo de difusao θ para o potencialde Coulomb na aproximacao de Born. Repare-se que embora Rutherford tenha detectadoque algumas partıculas α completamente rechacadas - i.e. com θ = π/2-, a probabilidadede isso acontecer e pequenıssima.
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por
um potencial central
No caso particular de o potencial difusor ser um potencial central, podemos diagonalizar
simultaneamente os operadores H , L2 e Lz, tal como discutido na seccao 6.3. Isto e, existem
estados estacionarios com momento angular bem definido, aos quais, no contexto da teoria
da difusao, chamamos ondas parciais e denotamos por Φk,ℓ,m(~r), ou ainda, na notacao de
Dirac, |Φk,ℓ,m〉. Os valores proprios dos operadores acima mencionados sao, nestes estados:
H|Φk,ℓ,m〉 =~
2k2
2µ|Φk,ℓ,m〉 , L2|Φk,ℓ,m〉 = ℓ(ℓ+ 1)~2|Φk,ℓ,m〉 , Lz|Φk,ℓ,m〉 = m~|Φk,ℓ,m〉 .
(10.3.1)
A dependencia angular destas ondas parciais e sempre dada por harmonicos esfericos
Y mℓ (θ, φ); o potencial V (r) so influencia a parte radial.
Nesta seccao iremos comecar por estudar estados estacionarios com momento angular
bem definido para uma partıcula livre. Denominamos estes estados por ondas esfericas
livres e denotamo-los por Φ0k,ℓ,m(~r), ou ainda, na notacao de Dirac, |Φ0
k,ℓ,m〉. Veremos
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 317
que, assimptoticamente, a dependencia radial destas ondas esfericas livres sera dada pela
sobreposicao de uma onda ‘incoming’ e−ikr/r com uma onda ‘outgoing’ eikr/r, tendo as
duas ondas uma diferenca de fase bem definida.
No caso das ondas parciais para um potencial V (r) que e assimptoticamente negli-
genciavel, esperamos um comportamento semelhante: assimptoticamente a dependencia
radial devera ainda ser dada pela sobreposicao das ondas ‘incoming’ e ‘outgoing’. Mas
neste caso, a diferenca de fase entre as duas ondas e diferente daquela que caracteriza as
ondas esfericas livres: o potencial V (r) introduz uma diferenca de fase adicional ou des-
fasamento, δℓ. Esta quantidade e a unica diferenca entre o comportamento assimptotico
de Φ0k,ℓ,m(~r) e Φk,ℓ,m(~r). Logo, se soubermos:
1) Para uma dada energia, a diferenca de fase adicional δℓ para todos os ℓ;
2) Expressar os estados estacionarios de difusao vdifk (~r) como uma combinacao linear das
ondas parciais Φk,ℓ,m(~r);
saberemos caracterizar o comportamento assimptotico dos estados estacionarios de difusao
e como tal extrair a amplitude de difusao e a seccao eficaz diferencial de difusao. E esta
tecnica que vamos estabelecer nesta seccao.
10.3.1 Ondas esfericas versus ondas planas para uma partıculalivre
Em mecanica classica, uma partıcula livre de massa µ tem um movimento rectilıneo e
uniforme. O seu momento ~p, energia E = ~p 2/2µ e momento angular relativamente a
origem do sistema coordenado, ~L = ~r × ~p, sao constantes do movimento (|~L| = |~p|b, onde
b e o parametro de impacto).
Em mecanica quantica, os operadores~L =
~R × ~
P e~P nao comutam, pelo que nao
podemos classificar os estados fısicos de uma partıcula livre simultaneamente pelo momento
angular e pelo momento linear. Portanto, em mecanica quantica, temos (pelo menos) duas
opcoes para o C.C.O.C. que descreve uma partıcula livre:
• C.C.O.C.=Px, Py, Pz. Neste caso os estados proprios sao ondas planas.
318 Teoria da Difusao
• C.C.O.C.=H0, Lz, L2. Neste caso os estados proprios sao ondas esfericas livres.
Consideremos com mais detalhe estas duas possibilidades.
Ondas planas
Estes estados formam a representacao |~p〉 estudada na seccao 4.4.2. Obedecem a
Pi|~p〉 = pi|~p〉 , H0|~p〉 =~P
2
2µ|~p〉 =
~p2
2µ|~p〉 . (10.3.2)
Notemos ainda que a projeccao das ondas planas em estados proprios do operador posicao
e dada por (4.4.23)
〈~r|~p〉 =
(
1
2π~
)3/2
ei~p·~r/~ . (10.3.3)
Em termos do vector de onda ~k = ~p/~, definimos os estados
|~k〉 ≡ ~3/2|~p〉 , (10.3.4)
em termos dos quais as relacoes anteriores ficam
Pi|~k〉 = ~ki|~k〉 , H0|~k〉 =~k2
~2
2µ|~k〉 , (10.3.5)
e
〈~r|~k〉 =
(
1
2π
)3/2
ei~k·~r . (10.3.6)
Ondas esfericas livres
Pretendemos encontrar as funcoes proprias que diagonalizam simultaneamente H0 =~P
2
/2µ,
L2 e Lz. De acordo com a seccao 6.3, resolvemos a equacao de Schrodinger independente
do tempo com o ansatz
Φ0k,ℓ,m(~r) = R0
k,ℓ(r)Ymℓ (θ, φ) , (10.3.7)
e obtemos (6.3.12) com V (r) = 0,
[
− ~2
2µr2
d
dr
(
r2 d
dr
)
+ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2
]
R0k,ℓ(r) = ER0
k,ℓ(r) . (10.3.8)
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 319
Note-se que como o valor mınimo do potencial e zero (de facto e sempre zero!) nao pode
haver estados estacionarios com E < 0; definimos entao
k =
√2µE
~⇔ E =
~2k2
2µ. (10.3.9)
Esta equacao pode ser reescrita como[
r2 d2
dr2+ 2r
d
dr+ k2r2 − ℓ(ℓ+ 1)
]
R0k,ℓ(r) = 0 , (10.3.10)
que e conhecida como a equacao de Bessel esferica5; e uma equacao que pode ser transfor-
mada numa equacao de Bessel com ordem semi-inteira. As suas solucoes sao bem conheci-
das e denominam-se por funcoes de Bessel esfericas. Aqui iremos construir as solucoes desta
equacao usando um metodo algebrico, semelhante ao usado na construcao dos harmonicos
esfericos.
10.3.2 Deducao da forma explıcita das ondas esfericas livres
Comecemos por considerar, tal como na seccao 6.4, solucoes de (10.3.8) da forma
R0k,ℓ =
u0k,ℓ
r; (10.3.11)
a equacao (10.3.8) fica entao[
d2
dr2− ℓ(ℓ+ 1)
r2+ k2
]
u0k,ℓ(r) = 0 . (10.3.12)
Esta equacao e suplementada pela condicao
u0k,ℓ(r = 0) = 0 , (10.3.13)
que e necessaria para que as ondas esfericas livres nao sejam (todas) divergentes em r = 0
(se assim fosse qualquer estado estacionario seria divergente em r = 0, o que nao e o caso).
Assimptoticamente, a equacao (10.3.12) fica[
d2
dr2+ k2
]
u0k,ℓ(r) ≃ 0 ⇒ u0
k,ℓ(r) ≃ Aeikr + A′e−ikr , (10.3.14)
5Ver, por exemplo, G.B.Arfken e H.J.Webber, Mathematical Methods for Physicists, seccao 11.7, Quartaedicao.
320 Teoria da Difusao
e como tal
Φ0k,ℓ,m(~r) ≃ Aeikr + A′e−ikr
rY m
ℓ (θ, φ) , (10.3.15)
ou seja, a parte radial da onda esferica livre e, assimptoticamente, a sobreposicao de uma
onda ‘incoming’ com uma onda ‘outgoing’. A diferenca de fase destas duas ondas esta
contida nos coeficientes A e A′; mas para os determinarmos teremos de saber mais do que
a solucao assimptotica da equacao, pois teremos de usar a condicao fronteira (10.3.13).
Para isso vamos calcular as solucoes exactas usando um metodo algebrico.
Comecamos por definir o operador
P+ = Px + iPy . (10.3.16)
As relacoes de comutacao deste operador com os operadores do C.C.O.C sao
[H0, P+] = 0 , [Lz, P+] = ~P+ , [L2, P+] = 2~(P+Lz − PzL+) + 2~2P+ . (10.3.17)
Exercıcio: Demonstre estas relacoes usando as relacoes de comutacao canonicas.
Usando os operadores L+ e P+ podemos construir novos estados estacionarios a custa
de antigos. Em primeiro lugar, recordemos a accao de L± nos harmonicos esfericos, dada
por (6.2.35); logo
L±|Φ0k,ℓ,m〉 ∝ |Φ0
k,ℓ,m±1〉 . (10.3.18)
Isto e L±|Φ0k,ℓ,m〉 e ainda um estado proprio de H0, L
2, Lz com valores proprios rotulados
por (k, ℓ,m±1). Utilizando as relacoes de comutacao (10.3.17) estabelecemos tambem que
• P+|Φ0k,ℓ,m〉 e ainda estado proprio de H0, com valor proprio rotulado por k. De facto
H0P+|Φ0k,ℓ,m〉 = P+H0|Φ0
k,ℓ,m〉 =~2k2
2µP+|Φ0
k,ℓ,m〉 . (10.3.19)
• P+|Φ0k,ℓ,m〉 e ainda estado proprio de Lz, com valor proprio rotulado por m+1. De facto
LzP+|Φ0k,ℓ,m〉 = (P+Lz + ~P+)|Φ0
k,ℓ,m〉 = (m+ 1)~P+|Φ0k,ℓ,m〉 . (10.3.20)
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 321
• P+|Φ0k,ℓ,m〉 nao e, em geral, estado proprio de L2; mas se m = ℓ, entao P+|Φ0
k,ℓ,ℓ〉 e estado
proprio de L2 com valor proprio rotulado por ℓ+ 1. De facto
L2P+|Φ0k,ℓ,ℓ〉 = (P+L
2+2~(P+Lz−PzL+)+2~2P+)|Φ0
k,ℓ,ℓ〉 = (ℓ+1)(ℓ+2)~2P+|Φ0k,ℓ,ℓ〉 .
(10.3.21)
Logo concluimos que
P+|Φ0k,ℓ,ℓ〉 ∝ |Φ0
k,ℓ+1,ℓ+1〉 . (10.3.22)
O nosso procedimento vai ser: Primeiro calcular as ondas esfericas livres com ℓ = m = 0
resolvendo a equacao (10.3.12) e segundo calcular as restantes usando (10.3.18) e (10.3.22).
• Primeiro, a solucao da equacao (10.3.12) com ℓ = m = 0 e obedecendo a condicao
(10.3.13) e
u0k,0(r) = ak sin kr ⇒ Φ0
k,0,0(~r) =u0
k,0(r)
rY 0
0 =ak sin kr√
4πr. (10.3.23)
As constantes ak podem ser obtidas pela condicao de ortonormalizacao
δ(k − k′) =
∫
d3~r(
Φ0k,0,0
)∗Φ0
k′,0,0 = (ak)∗ak′
∫ +∞
0
dr sin kr sin k′r . (10.3.24)
Escrevendo os senos em termos de exponenciais imaginarias e duplicando o intervalo de
integracao temos
δ(k − k′) =(ak)
∗ak′
4
∫ +∞
−∞
(
ei(k−k′)r − ei(k+k′)r)
dr =(ak)
∗ak′
42π(δ(k − k′)− δ(k + k′)) .
(10.3.25)
Como tanto k como k′ sao positivos, o segundo delta de Dirac nunca contribui. Concluimos
que ak =√
2/π, pelo que podemos escrever as ondas esfericas livres com ℓ = m = 0 como
Φ0k,0,0(~r) =
√
2k2
π
sin kr
kr
1√4π
. (10.3.26)
• Segundo, notamos que o operador P+ actua, na representacao |~x〉 como
P+ = −i~(
∂
∂x+ i
∂
∂y
)
. (10.3.27)
322 Teoria da Difusao
A sua accao numa funcao puramente radial e
P+f(r) = −i~(x
r+ i
y
r
) d
drf(r) = −i~ sin θeiφ d
drf(r) . (10.3.28)
Logo, actuando com este operador em (10.3.26) obtemos
Φ0k,1,1(~r) ∝ P+Φ0
k,0,0(~r) ∝ P+sin kr
kr∝ sin θeiφ
(
cos kr
kr− sin kr
(kr)2
)
∝ Y 11 (θ, φ)
(
cos kr
kr− sin kr
(kr)2
)
.
(10.3.29)
Aplicando L− a esta onda esferica livre calculamos Φ0k,1,0 e Φ0
k,1,−1, que tem a mesma
dependencia radial e dependencia angular dada pelos harmonicos esfericos respectivos.
Para calcular as ondas esfericas livres com ℓ > 1, notamos que
[P+, X + iY ] = 0 . (10.3.30)
Logo
Φ0k,2,2(~r) ∝ P 2
+Φ0k,0,0(~r) ∝ P+
x+ iy
r
d
dr
sin kr
kr∝ (x+ iy)P+
1
r
d
dr
sin kr
kr
∝ (x+ iy)2
(
1
r
d
dr
)2sin kr
kr.
(10.3.31)
Em geral
Φ0k,ℓ,ℓ(~r) ∝ (x+ iy)ℓ
(
1
r
d
dr
)ℓsin kr
kr, (10.3.32)
onde notamos que a dependencia angular e
(x+ iy)ℓ = rℓ sinℓ θeiℓφ ∝ rℓY ℓℓ (θ, φ) . (10.3.33)
Se definirmos
jℓ(ρ) ≡ ρℓ
(
−1
ρ
d
dρ
)ℓsin ρ
ρ, (10.3.34)
que sao as funcoes de Bessel esfericas de ordem l,6 podemos escrever
Φ0k,ℓ,m(~r) =
√
2k2
πjℓ(kr)Y
mℓ (θ, φ) , (10.3.35)
6A formula (10.3.34) designa-se por Formula de Rayleigh; veja, por exemplo 10.1.25 de ‘Handbook of
Mathematical Functions’, Ed. M. Abramowitz and I. Stegun, Dover, Ninth Printing.
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 323
1
0.6
-0.2
0.8
0.4
r
30251550
0.2
20100
0.2
0.1
-0.1
0.15
0.05
r
3025155
-0.05
0
20100
Figura 10.8: Parte radial das funcoes de Bessel esfericas (10.3.34). Esquerda: ℓ = 0 e ℓ = 1(zero na origem); direita ℓ = 4 e ℓ = 5 (comeca a oscilar mais a direita).
onde a constante de normalizacao e escolhida de modo a verificar
〈Φ0k,ℓ,m|Φ0
k′,ℓ′,m′〉 =
∫
d3~r(
Φ0k,ℓ,m
)∗Φ0
k′,ℓ′,m′ = δ(k − k′)δℓℓ′δmm′ . (10.3.36)
Estas funcoes formam uma base do espaco de estados (isto e uma base do espaco de funcoes
de quadrado somavel em R3), o que e manifesto na relacao de fecho
∫ +∞
0
dk
+∞∑
ℓ=0
ℓ∑
m=−ℓ
|Φ0k,ℓ,m〉〈Φ0
k,ℓ,m| = 1 , (10.3.37)
ou, equivalentemente
∫ +∞
0
dk
+∞∑
ℓ=0
ℓ∑
m=−ℓ
Φ0k,ℓ,m(~r)Φ0
k,ℓ,m(~r′) = δ(~r − ~r′) . (10.3.38)
Na figura 10.8 encontram-se os graficos da parte radial das funcoes de Bessel esfericas para
varios ℓ’s.
10.3.3 Propriedades das ondas esfericas livres
As ondas esfericas livres (10.3.35) tem uma dependencia angular totalmente definida pelos
numeros quanticos ℓ e m, que determinam o correspondente harmonico esferico Y mℓ , e
324 Teoria da Difusao
como tal independente da energia. Utiliza-se, por vezes, a notacao dos espectroscopistas
mencionada na seccao 6.4, no caso das ondas esfericas livres: onda s (ℓ = 0), onda p
(ℓ = 1), etc. Assim dizemos que a onda s esferica livre e sempre isotropica.
A dependencia radial fica clara nas figuras 10.8. Analisemos, analiticamente, os casos
limite:
Perto da origem
Neste caso podemos escrever:
jℓ(ρ) ≡ (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓsin ρ
ρ= (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓ +∞∑
p=0
(−1)p ρ2p
(2p+ 1)!
= (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓ−1 +∞∑
p=0
(−1)p 2p
(2p+ 1)!ρ2p−2
= (−1)ℓρℓ+∞∑
p=0
(−1)p 2p(2p− 2)(2p− 4) . . . [2p− 2(ℓ− 1)]
(2p+ 1)!ρ2p−2ℓ .
(10.3.39)
Os termos com p = 0, 1, . . . , ℓ− 1 sao zero na soma. O primeiro termo que contribui, que
e o mais importante perto da origem, e
jℓ(ρ)ρ→0≃ (−1)ℓρℓ(−1)ℓ 2ℓ(2ℓ− 2)(2ℓ− 4) . . . 2
(2ℓ+ 1)!=
2ℓ(2ℓ− 2)(2ℓ− 4) . . . 2
(2ℓ+ 1)!ρℓ ≡ ρℓ
(2ℓ+ 1)!!,
(10.3.40)
onde definimos
N !! = N(N − 2)(N − 4) . . . . (10.3.41)
Concluimos pois que todas as funcoes de Bessel esfericas tendem para zero na origem,
excepto a onda s (ℓ = 0), de acordo com as figuras 10.8.
Consideremos ainda a densidade de probabilidade de uma partıcula que se encontre no
estado Φ0k,ℓ,m. A probabilidade de encontrar a partıcula no angulo solido dΩ0 em torno da
direccao (θ0, φ0) e entre r e r + dr e proporcional a
r2j2ℓ (kr)|Y m
ℓ (θ0, φ0)|2drdΩ0 . (10.3.42)
Logo, a funcao radial de interesse para a densidade de probabilidade e j2ℓ (ρ)ρ
2. Esta
funcao encontra-se representada na figura 10.9 para varios ℓ’s. Perto da origem esta funcao
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 325
1
0.6
0.8
0.4
0
rho
15
0.2
0 5 10 20
1.4
1
0.2
1.2
0.8
0
rho
15105
0.4
0.6
200
Figura 10.9: Representacao da funcao ρ2j2ℓ (r). Esquerda: ℓ = 0 (e exactamente o sin2 ρ)
e ℓ = 1 (comeca a oscilar mais a direita); direita ℓ = 4 e ℓ = 5 (comeca a oscilar mais adireita).
comporta-se como ρ2ℓ+2/(2ℓ+ 1)!!. Logo quanto maior for ℓ mais lento sera o crescimento
desta funcao perto de ρ = 0. A probabilidade de encontrar a partıcula para r suficiente-
mente pequeno e, assim, negligenciavel; estimamos que para
ρ <√
ℓ(ℓ+ 1) ⇔ r <
√
ℓ(ℓ+ 1)
k=|L||~p| , (10.3.43)
a probabilidade de encontrar a partıcula seja praticamente nula. Este valor e qualitativa-
mente justificado pela figura 10.9. Facamos uma analogia classica para uma justificacao
mais quantitativa. Se considerarmos uma partıcula classica livre no plano xy, tera equacoes
do movimento
x = x0 + vxt
y = y0 + vyt⇒ D2(t) = x2+y2 = x2
0+y20 +(v2
x+v2y)t
2+2(x0vx+y0vy)t , (10.3.44)
onde D2(t) e o quadrado da distancia a origem. Extremizando esta funcao calculamos o
parametro de impacto, b (distancia mınima a origem):
D2min =
(x0vy − y0vx)2
v2x + v2
y
⇒ b = |Dmin| =|L||~p| , (10.3.45)
326 Teoria da Difusao
que e a versao classica de (10.3.43). Assim, a partıcula quantica no estado |Φ0k,ℓ,m〉 e
praticamente inafectada pelo que acontece dentro de uma esfera com raio
bℓ(k) =
√
ℓ(ℓ+ 1)
k. (10.3.46)
Comportamento assimptotico
jℓ(ρ) ≡ (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓsin ρ
ρ= (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓ−1(cos ρ
ρ2− sin ρ
ρ3
)
ρ→∞≃ (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓ−1cos ρ
ρ2.
(10.3.47)
Aplicando outra derivada, o termo dominante sera a derivada do cosseno
jℓ(ρ)ρ→∞≃ (−1)ℓρℓ
(
1
ρ
d
dρ
)ℓ−2 − sin ρ
ρ3. (10.3.48)
Concluimos que, de um modo geral, o termo assimptoticamente dominante vira de aplicar
todas as derivadas a funcao trigonometrica (e nao as potencias de ρ)
jℓ(ρ)ρ→∞≃ (−1)ℓρℓ 1
ρℓ
1
ρ
(
d
dρ
)ℓ
sin ρ =(−1)ℓ
ρ
(
d
dρ
)ℓ
sin ρ . (10.3.49)
Notando que podemos escrever(
d
dρ
)ℓ
sin ρ = (−1)ℓ sin
(
ρ− ℓπ
2
)
. (10.3.50)
Logo,
jℓ(ρ)ρ→∞≃ sin
(
ρ− ℓπ2
)
ρ. (10.3.51)
Assim sendo, as ondas esfericas livres (10.3.35) ficam, assimptoticamente,
Φ0k,ℓ,m
ρ→∞≃√
2k2
π
sin(kr − ℓπ/2)
krY m
ℓ (θ, φ) =
√
2k2
πY m
ℓ (θ, φ)eikre−iℓπ/2 − e−ikreiℓπ/2
2ikr.
(10.3.52)
Este comportamento assimptotico corresponde a sobreposicao de uma onda ‘incoming’
(e−ikr/r) com uma onda ‘outgoing’ (eikr/r), com uma diferenca de fase
∆ϕ = ϕincoming − ϕoutgoing =ℓπ
2−(
−ℓπ2
)
= πℓ . (10.3.53)
Ou seja, as componentes ‘incoming’ e ‘outgoing’ das ondas esfericas livres com ℓ par (ℓ
ımpar) estao em fase (oposicao de fase). Tal como antecipado no inıcio desta seccao, a
diferenca de fase e bem definida e funcao do numero quantico ℓ.
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 327
Expansao de uma onda plana em termos de ondas esfericas livres
Estudamos duas ‘bases’ distintas do espaco de funcoes de quadrado somavel em R3 que
sao bases proprias de H0: ondas planas, |~k〉 = |kx, ky, kz〉, e ondas esfericas livres, |Φ0k,ℓ,m〉.
Dado serem bases e possıvel expandir qualquer ket de uma base em termos dos kets da
outra base.
Consideremos o ket |0, 0, k〉, que representa a onda plana eikz; de facto
〈~r|0, 0, k〉 = 1
(2π)3/2eikz . (10.3.54)
Este e um estado proprio de H0 com momento (~p = ~~k) e energia (E = ~2k2/2µ) bem
definidos. Para alem disso, como
eikz = eikr cos θ , (10.3.55)
e independente da coordenada φ, na representacao |~r〉, o ket |0, 0, k〉 e tambem um estado
proprio de Lz (Lz = −i~∂/∂φ), com valor proprio 0:
Lz|0, 0, k〉 = 0 . (10.3.56)
Usando a relacao de fecho (10.3.37), podemos escrever
|0, 0, k〉 =
∫ +∞
0
dk′+∞∑
ℓ=0
ℓ∑
m=−ℓ
|Φ0k′,ℓ,m〉〈Φ0
k′,ℓ,m|0, 0, k〉 . (10.3.57)
Para m 6= 0, |0, 0, k〉 e |Φ0k′,ℓ,m〉 sao dois vectores proprios de um operador hermıtico (Lz),
com valores proprios diferentes. Logo sao ortogonais. Sao tambem 2 vectores proprios
de H0 - tambem hermıtico - com valores proprios diferentes caso k 6= k′; logo ortogonais.
Podemos pois escrever que
〈Φ0k′,ℓ,m|0, 0, k〉 ∝ δm0δ(k − k′) , (10.3.58)
e como tal
|0, 0, k〉 =+∞∑
ℓ=0
ck,ℓ|Φ0k,ℓ,0〉 , (10.3.59)
328 Teoria da Difusao
ou, na representacao |~r〉,
eikz
(2π)3/2=
+∞∑
ℓ=0
ck,ℓ
√
2k2
πjℓ(kr)Y
0ℓ (θ) . (10.3.60)
Os coeficientes ck,ℓ podem ser calculados explicitamente, obtendo-se7
ck,ℓ = iℓ√
2ℓ+ 1
4πk2. (10.3.61)
Logo
eikz =+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)jℓ(kr)Y0ℓ (θ) . (10.3.62)
Note-se que, assimptoticamente, usando (10.3.51), (10.3.52) temos a expressao
eikz r→∞≃+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)eikre−iℓπ/2 − e−ikreiℓπ/2
2ikrY 0
ℓ (θ) . (10.3.63)
10.3.4 Ondas parciais num potencial V (r)
Vamos agora introduzir um potencial central arbitrario V (r). O ponto principal e que para
qualquer V (r) com suporte compacto a forma assimptotica das ondas parciais sera identica
a das ondas esfericas livres, apenas mudando o desfasamento entre a onda ‘incoming’ e a
onda ‘outgoing’.
Consideremos novamente a equacao de Schrodinger tres dimensional. Para a resolver-
mos em termos de ondas parciais tomamos um ansatz analogo a (10.3.7) com (10.3.11),
Φk,ℓ,m =uk,ℓ(r)
rY m
ℓ (θ, φ) , (10.3.64)
onde uk,ℓ(r) e solucao da generalizacao de (10.3.12), isto e
[
d2
dr2− ℓ(ℓ+ 1)
r2+ k2 − 2µV (r)
~2
]
uk,ℓ(r) = 0 , (10.3.65)
com a condicao (10.3.13)
uk,ℓ(r = 0) = 0 . (10.3.66)
7Este calculo sera efectuado nas aulas teorico-praticas.
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 329
Note-se que isto nao e mais do que a equacao de Schrodinger para um problema em uma
dimensao, onde a partıcula de massa µ esta sob a accao do potencial
Veff(r) =
V (r) +ℓ(ℓ+ 1)~2
2µr2, r > 0
+∞ , r < 0
; (10.3.67)
esta perspectiva um dimensional justifica a utilizacao da condicao fronteira (10.3.66). As-
sumindo que o potencial e assimptoticamente negligenciavel, (10.3.65) fica, assimptotica-
mente[
d2
dr2+ k2
]
uk,ℓ(r)r→∞≃ 0 , (10.3.68)
com solucao geral
uk,ℓ(r)r→∞≃ Aeikr + A′e−ikr . (10.3.69)
Podemos pensar nesta solucao, na perspectiva do potencial efectivo um dimensional: existe
uma onda incidente de r = +∞ (e−ikr) e uma onda reflectida (eikr). Como nao pode haver
onda transmitida para r < 0 - dado que o potencial e infinito nessa regiao - a corrente
reflectida tem que ser igual a transmitida, pelo que concluimos que
|A| = |A′| ⇒ uk,ℓ(r)r→∞≃ |A|
[
eikreϕr + e−ikreϕi]
⇔ uk,ℓ(r)r→∞≃ C sin(kr + βℓ) .
(10.3.70)
A fase βℓ vai ser determinada pela condicao fronteira na origem (10.3.66). No caso das
ondas esfericas livres (V (r) = 0), vimos em (10.3.51) que βℓ = −ℓπ/2; tomando este valor
como referencia escrevemos
uk,ℓ(r)r→∞≃ C sin
(
kr − ℓπ
2+ δℓ
)
, (10.3.71)
onde δℓ, que em geral sera funcao da energia e como tal de k, e a diferenca de fase adicional
ou desfasamento para as ondas parciais.
Concluimos que as ondas parciais terao a forma assimptotica
Φk,ℓ,m(~r)r→∞≃ C sin
(
kr − ℓπ2
+ δℓ)
rY m
ℓ (θ, φ)
= CY mℓ (θ, φ)
eikre−i(ℓπ/2−δℓ) − e−ikrei(ℓπ/2−δℓ)
2ir,
(10.3.72)
330 Teoria da Difusao
e vemos que as ondas parciais sao ainda a sobreposicao de uma onda “incoming” com uma
onda “outgoing” com uma diferenca de fase
∆ϕ = ϕincoming − ϕoutgoing = ℓπ − 2δℓ . (10.3.73)
Portanto, o potencial originou a diferenca de fase adicional −2δℓ relativamente ao que
aconteceria na ausencia de potencial. Este factor traduz o efeito total do potencial numa
partıcula com momento angular ℓ.
E conveniente definir uma nova funcao de onda Φk,ℓ,m(~r) proporcional, assimptotica-
mente, a (10.3.72), do seguinte modo:
• Φk,ℓ,m(~r) = eiδℓΦk,ℓ,m(~r); esta redefinicao por uma fase global e irrelevante fisicamente e
e conveniente porque fazendo-o podemos pensar no processo de difusao, na presenca
do potencial, da seguinte maneira: a onda incidente de r = +∞ e a mesma do
que aquela considerada na ausencia de potencial, mas a onda reflectida tem a fase
adicional 2δℓ.
• Tomamos a constante C = 1/k em (10.3.72). Esta escolha nada tem de fısico. E apenas
uma questao de conveniencia como veremos em baixo. Logo
Φk,ℓ,m(~r)r→∞∼ −Y m
ℓ (θ, φ)e−ikreiℓπ/2 − eikre−iℓπ/2e2iδℓ
2ikr. (10.3.74)
Recordemos que as ondas esfericas livres Φ0k,ℓ,m praticamente nao penetram na regiao
com r <√
ℓ(ℓ+ 1)/k, como visto na seccao anterior. Se considerarmos um potencial
com alcance finito - digamos r0 - tal que V (r) = 0 para r > r0, necessitamos apenas de
considerar a diferenca de fase adicional δℓ para ℓ < ℓM , onde
√
ℓM(ℓM + 1) ≃ r0k . (10.3.75)
Isto e, para potenciais com alcance finito, existe, para cada energia, um ℓ maximo e
as unicas diferencas de fase adicionais que necessitamos de calcular acontecerao para as
primeiras ondas parciais (s, p, . . .).
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 331
Seccao eficaz diferencial de difusao em termos de δℓ
Como toda a informacao sobre o potencial V (r) fica contida, assimptoticamente, em δℓ,
deveremos ser capazes de calcular σ(θ, φ) em termos de δℓ. Para isso escrevemos os estados
estacionarios de difusao em termos das ondas parciais. Tendo em conta as simetrias do
problema (onda incidente segundo Oz e potencial central), as unicas ondas parciais que
respeitam esta simetria sao Φk,ℓ,0(~r). Logo
vdifk (~r) =
+∞∑
ℓ=0
cℓΦk,ℓ,0(~r) . (10.3.76)
Para estes serem estados estacionarios de difusao, tem que ter o comportamento as-
simptotico correcto. Isso e verificado se escolhermos os coeficientes cℓ apropriadamente:
Lema: A forma de cℓ para (10.3.76) ser um estado estacionario de difusao e8
cℓ = iℓ√
4π(2ℓ+ 1) . (10.3.77)
Demonstracao: Introduzindo (10.3.77) em (10.3.76) temos
vdifk (~r) =
+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)Φk,ℓ,0(~r) ; (10.3.78)
usando a forma assimptotica (10.3.74),
vdifk (~r)
r→∞≃ −+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
e−ikreiℓπ/2 − eikre−iℓπ/2e2iδℓ
2irk, (10.3.79)
ou ainda, escrevendo
e2iδℓ = 1 + 2ieiδℓ sin δℓ , (10.3.80)
temos
vdifk (~r)
r→∞≃ −+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
[
e−ikreiℓπ/2 − eikre−iℓπ/2
2irk− e−iℓπ/2eiδℓ sin δℓ
k
eikr
r
]
.
(10.3.81)
8Para obter (10.3.74) usamos C = 1/k em (10.3.72); caso tivessemos usado outro valor alteraria a formade (10.3.77), mas o resultado final (10.3.83) seria inalterado.
332 Teoria da Difusao
Comparando com (10.3.63) concluimos que o primeiro termo e a forma assimptotica de
eikz; logo
vdifk (~r)
r→∞≃ eikz ++∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
e−iℓπ/2eiδℓ sin δℓk
eikr
r. (10.3.82)
Esta e, de facto a forma assimptotica correcta para um estado estacionario de difusao,
(10.1.13). Concluimos ainda que a expressao para a amplitude de difusao em termos das
diferencas de fase adicionais, δℓ, toma a forma
fk(θ) =1
k
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)eiδℓ sin δℓY0ℓ (θ) , (10.3.83)
onde usamos que e−iℓπ/2 = (−i)ℓ. (q.e.d.)
A seccao eficaz diferencial de difusao e, portanto,
σ(θ) = |fk(θ)|2 =
∣
∣
∣
∣
∣
1
k
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)eiδℓ sin δℓY0ℓ (θ)
∣
∣
∣
∣
∣
2
. (10.3.84)
Note-se, em particular, que a contribuicao da onda s para a seccao eficaz diferencial de
difusao e independente de θ e toma a forma
σonda s =sin2 δ0k2
. (10.3.85)
A seccao eficaz total de difusao e simples de calcular usando a ortonormalizacao dos
harmonicos esfericos, com resultado
σ =
∫
dΩσ(θ) =4π
k2
+∞∑
ℓ=0
(2ℓ+ 1) sin2 δℓ . (10.3.86)
Em particular, a contribuicao da onda s para a seccao eficaz total e
σonda sparcial = 4π
sin2 δ0k2
; (10.3.87)
as contribuicoes de ondas especıficas para a seccao eficaz total, sao denominadas seccoes
eficazes de difusao parciais.
Comentarios:
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 333
• Nao ha contribuicoes provenientes de interferencias entre diferentes ℓ’s para σ;
• Cada ℓ pode dar uma contribuicao maxima de 4π(2ℓ+ 1)/k2 para σ;
• Para calcular σ sera em princıpio necessario saber δℓ para todos os ℓ. Ha duas situacoes
possıveis:
i) Se V (r) e conhecido isto implica resolver a equacao radial para cada ℓ. Frequente-
mente isto tem de ser feito numericamente. Na pratica o metodo das ondas
parciais so e atractivo se δℓ tiver que ser calculado apenas para um numero sufi-
cientemente pequeno de ℓ’s. Este sera o caso para potenciais de alcance finito L,
discutido anteriormente, se considerarmos a difusao de modos de baixa energia:
k ≪ 1
L. (10.3.88)
Para estes modos, apenas os desfasamentos com ℓ mais baixo terao de ser cal-
culados. Em particular para energias suficientemente baixas, apenas a onda s
devera ser considerada, pelo que a seccao eficaz de difusao sera bem aproximada
por (10.3.85);
ii) Se V (r) for desconhecido, tentaremos reproduzir a curva experimental usando
um pequeno numero de δℓ’s, isto e, usando apenas ℓ = 1, 2, . . . , ℓmaximo. A
dependencia em θ ira sugerir que ℓ’s necessitamos de considerar. Por exemplo,
se σ for independente de θ, so necessitamos de considerar ℓ = 0 - dado que
Y 00 e independente de θ. Pelo mesmo raciocınio se σ for dependente de θ,
necessitamos de considerar ℓ’s diferentes de zero. Depois de estabelecermos
quais os ℓ’s necessarios para reproduzir os resultados experimentais, procuramos
potenciais que reproduzam os δℓ necessarios.
Exemplo: Poco de potencial esferico
Como exemplo de aplicacao do metodo das ondas parciais consideramos o poco de potencial
esferico (10.2.40), ja considerado na aproximacao de Born. No metodo das ondas parciais
334 Teoria da Difusao
temos de calcular os desfasamentos δℓ para todos os ℓ. Para isso temos de resolver a equacao
(10.3.65) para o potencial (10.2.40), com a condicao fronteira (10.3.66); isto e resolver[
d2
dr2− ℓ(ℓ+ 1)
r2+ k2 +
2µV0
~2
]
uk,ℓ(r) = 0 , r < R
[
d2
dr2− ℓ(ℓ+ 1)
r2+ k2
]
uk,ℓ(r) = 0 , r > R
. (10.3.89)
Se kR≪ 1, apenas a onda s (ℓ = 0) e relevante e neste caso as equacoes sao particularmente
simples de resolver. De facto, o problema reduz-se a resolver a equacao de Schrodinger um
dimensional num potencial contınuo por pedacos (capıtulo 3). As solucoes para uk,0(r) sao:
uk,0(r) =
Aeik′r + A′e−ik′r , r < R
A1eikr + A′
1e−ikr , r > R ,
(10.3.90)
onde
k′ =
√
2µ(V0 + E)
~.
Impondo a condicao fronteira (10.3.66) (que corresponde a continuidade da funcao de onda
na descontinuidade infinita do potencial em r = 0) e a continuidade da funcao de onda
uk,0(r) e da sua derivada em r = R, obtemos
A′ = −A , A1 = e−ikR
(
k′
kcos k′R + i sin k′R
)
A , A′1 = eikR
(
−k′
kcos k′R + i sin k′R
)
A .
(10.3.91)
Concluimos que a funcao de onda tem a forma
uk,0(r) =
2iA sin k′r , r < R
2iA
[
k′
kcos k′R sin k(r − R) + sin k′R cos k(r −R)
]
, r > R .
(10.3.92)
Para lermos o desfasamento, escrevemos a parte assimptotica da solucao (r > R) na forma
(10.3.71), com ℓ = 0, isto e
uk,0(r) = 2Ai sin(kr + δ0) , r > R . (10.3.93)
Expandindo este seno como o seno de uma soma (escrevendo sin[(kr − kR) + (δ0 + kR)])
e igualando a (10.3.92) obtemos
δ0 = arctan
(
k
k′tan k′R
)
− kR . (10.3.94)
10.3 Metodo das ondas parciais para a difusao por um potencial central 335
Usando (10.3.87) obtemos para a seccao eficaz parcial de difusao
σonda sparcial =
4π
k2sin
(
arctan
(
k
k′tan k′R
)
− kR)2
. (10.3.95)
A seccao eficaz parcial sera uma boa aproximacao a seccao eficaz total no limite de baixas
energias, kR≪ 1 (note-se que esta e a condicao (10.2.44). Neste limite podemos aproximar
(desde que k′R 6= nπ/2)
arctan
(
kR
k′Rtan k′R
)
≃ kR
k′Rtan k′R .
Se a energia da partıcula difundida for baixa, nao so relativamente ao alcance do potencial,
mas tambem relativamente a sua magnitude E ≪ V0, podemos aproximar
k′ ≃ k0 =
√2µV0
~.
Logo
δ0 ≃ kR
(
tan k0R
k0R− 1
)
,
e
σonda sparcial ≃ 4πR2
(
tan k0R
k0R− 1
)2
. (10.3.96)
Para compararamos com o resultado obtido na aproximacao de Born, temos de considerar
a aproximacao que esta sempre presente na aproximacao de Born, isto e, que o potencial
e fraco. Neste caso, k0R ≪ 1 (note-se que esta e a condicao (10.2.41)). Usando tanx ≃x+ x3/3, para x≪ 1 obtemos
σonda sparcial ≃ 4πR2 (k0R)4
9=
16π
9
µ2V 20 R
6
~4, (10.3.97)
em concordancia com o resultado (10.2.46) obtido na aproximacao de Born.
Alguns comentarios:
• Na aproximacao de Born, o potencial e considerado suficientemente fraco. Para alem
disso podemos, ou nao, considerar uma aproximacao de baixas energias. Por con-
traste, no metodo das ondas parciais, ao aproximarmos a seccao eficaz total de difusao
pela seccao eficaz parcial da onda s estamos a assumir uma aproximacao de baixas
336 Teoria da Difusao
energias. Para alem disso podemos, ou nao, considerar uma aproximacao de poten-
cial fraco. Claro que so obtemos um acordo entre os dois metodos se considerarmos
ambas as aproximacoes nos dois casos.
• Por (10.3.96) vemos que, a seccao eficaz aumenta com a profundidade do poco V0 e
diverge para tan k0R = π/2. Esta e a profundidade para a qual o poco admite o
primeiro estado ligado (Problema 4, Folha de Problemas 4, Mecanica Quantica I). Se
continuarmos a aumentar a profundidade do poco a seccao eficaz diminui ate zero,
valor que e obtido para tan k0R = k0R. Aumentando a profundidade do poco a seccao
eficaz oscila entre 0 e∞, divergindo sempre que a profundidade do poco permite um
novo estado ligado.
10.4 Difusao Inelastica
Ate agora lidamos neste capıtulo unicamente com difusao elastica. Porem, existem fenomenos
onde parte da energia do feixe incidente e absorvida, no estado final, pelos graus de liber-
dade internos das diferentes partıculas iniciais ou das partıculas alvo. Se estamos essencial-
mente interessados na parte da difusao elastica, descrevemos esta absorcao globalmente, i.e.
sem entrar nos detalhes das reaccoes de absorcao. O metodo das ondas parciais fornece-nos
o enquadramento adequado para uma descricao fenomenologica da absorcao. Comecemos
por discutir, conceptualmente, a modificacao do metodo de modo a incluir o fenomeno de
absorcao.
O metodo das ondas parciais e usado para potenciais centrais. Por isso vamos as-
sumir que as interaccoes que conduzem a absorcao sao tambem invariantes por rotacao. O
metodo baseia-se no calculo de desfasamentos entre as ondas ‘incoming’ e ‘outgoing’, do
tipo e2iδℓ , de acordo com (10.3.74). Como o modulo deste factor e 1, as amplitudes das
ondas ‘incoming’ e ‘outgoing’ sao iguais, pelo que a corrente de probabilidade que entra
e igual a que sai. Isto sugere que, se permitirmos que o desfasamento tenha uma parte
imaginaria, de modo a que
|e2iδℓ | < 1 , (10.4.1)
10.4 Difusao Inelastica 337
teremos uma corrente de probabilidade a sair menor do que aquela que entrou, para a
onda parcial ℓ. Este facto manifesta o desaparecimento de algumas partıculas e como tal
um fenomeno de absorcao. Com este princıpio iremos deduzir expressoes para as seccoes
eficazes de difusao e absorcao.
Note que a descricao que aqui e dada e fenomenologica; esconde uma realidade de
processos complexos que levam as absorcoes aqui descritas.
10.4.1 Seccoes eficazes de difusao elastica e de absorcao
Denotemos
e2iδℓ ≡ ηℓ . (10.4.2)
Impomos que |ηℓ| ≤ 1, de modo a descrever difusao elastica (se |ηℓ| = 1) ou difusao com
absorcao (se |ηℓ| < 1). Reescrevemos (10.3.79) como
vdifk (~r)
r→∞≃+∞∑
ℓ=0
iℓ√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
eikre−iℓπ/2(ηℓ − 1) + eikre−iℓπ/2 − e−ikreiℓπ/2
2irk,
(10.4.3)
ou, usando (10.3.63)
vdifk (~r)
r→∞≃ eikz +
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
(ηℓ − 1)
2ik
eikr
r, (10.4.4)
de onde lemos que a amplitude de difusao e
fk(θ) =1
k
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
ηℓ − 1
2i. (10.4.5)
Logo, a seccao eficaz diferencial de difusao, que agora denominamos seccao eficaz de difusao
elastica e denotamos σel e
σel(θ) =1
k2
∣
∣
∣
∣
∣
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)Y 0ℓ (θ)
ηℓ − 1
2i
∣
∣
∣
∣
∣
2
. (10.4.6)
Consequentemente, a seccao eficaz total de difusao elastica e
σel =
∫
σel(θ)dΩ =π
k2
+∞∑
ℓ=0
(2ℓ+ 1)|ηℓ − 1|2 . (10.4.7)
338 Teoria da Difusao
Note que a absorcao sera maxima se ηℓ = 0. Mas mesmo nesse caso a onda ℓ contribui
para a seccao de difusao elastica! Ou seja, mesmo uma regiao de interaccao que seja um
absorvedor perfeito produz difusao elastica. Este e um fenomeno puramente quantico,
denominado de difusao por sombras.
Analogamente ao que foi feito na seccao (10.1.1) para a seccao eficaz diferencial de
difusao, definimos a seccao eficaz de absorcao, σabs, como sendo a razao entre o numero de
partıculas absorvidas por unidade de tempo dnabs e o fluxo incidente Fi:
dnabs = σabsFi . (10.4.8)
Para calcular esta seccao eficaz e suficiente calcular a probabilidade total, ∆P, que desa-
parece por unidade de tempo. Esta probabilidade e, por sua vez, obtida da corrente ~J ,
associada com a funcao de onda (10.4.3): ∆P e a diferenca entre o fluxo de ondas que
entram e o das ondas que saem numa esfera de raio elevado R0; ou seja e menos o fluxo
total atraves dessa esfera:
∆P = −∫
S2
~J · d~S = −∫
r=R0
Jrr2dΩ , (10.4.9)
pois apenas a componente radial Jr contribui. Usando (10.1.16), temos
Jr = Re
[
(vdifk )∗(~r)
~
iµ
∂
∂rvdif
k (~r)
]
. (10.4.10)
Como a derivada radial nao altera a dependencia angular e usando a ortogonalidade dos
harmonicos esfericos obtemos
∆P = −+∞∑
ℓ
∫
r=R0
J (ℓ)r r2dΩ , (10.4.11)
onde
J (ℓ)r
r→+∞≃ −~k
µ
(2ℓ+ 1)π
k2r2(1− |ηℓ|2)|Y 0
ℓ (θ)|2 , (10.4.12)
e como tal
∆P =~k
µ
π
k2
+∞∑
ℓ
(2ℓ+ 1)(1− |ηℓ|2) . (10.4.13)
10.4 Difusao Inelastica 339
A seccao eficaz de absorcao e a probabilidade ∆P a dividir pela corrente incidente ~k/µ,
σabs =π
k2
+∞∑
ℓ
(2ℓ+ 1)(1− |ηℓ|2) . (10.4.14)
Note-se que σabs = 0 se todos os |ηℓ| = 1 como seria de esperar quando todos os desfasa-
mentos forem puramente reais. Pelo contrario, se |ηℓ| = 0 a contribuicao da onda ℓ para
σabs e maxima.
10.4.2 Seccao eficaz total e o teorema optico
A seccao eficaz total e definida como a soma de todas as seccoes eficazes (integradas
sobre todo o espaco caso sejam seccoes eficazes diferenciais). Corresponde ao numero de
partıculas que, por unidade de tempo, participam numa das reaccoes possıveis (i.e sao
difundidas ou absorvidas), dividido pelo fluxo incidente. Logo
σtotal = σel + σabs , (10.4.15)
ou usando (10.4.7) e (10.4.14),
σtotal =π
k2
+∞∑
ℓ
(2ℓ+ 1)[
1− |ηℓ|2 + |ηℓ − 1|2]
=π
k2
+∞∑
ℓ
(2ℓ+ 1) [1−Re ηℓ] . (10.4.16)
Usando (10.4.5) e ainda o facto que os harmonicos esfericos envolvidos sao, para angulo
polar igual a zero:
Y 0ℓ (θ = 0) =
√
2ℓ+ 1
4π, (10.4.17)
obtemos
Im fk(θ = 0) =1
2k
+∞∑
ℓ
(2ℓ+ 1)Re (1− ηℓ) , (10.4.18)
ou, comparando com (10.4.16)
σtotal =4π
kIm fk(θ = 0) . (10.4.19)
Este resultado e designado por Teorema optico. E uma relacao entre a seccao eficaz total
e a parte imaginaria da amplitude de difusao elastica na direccao frontal (θ = 0). Note-se
340 Teoria da Difusao
que no caso em que nao ha absorcao σtotal = σel e o teorema reduz-se a uma relacao entre
a amplitude de difusao na direccao frontal e a seccao eficaz total de difusao. Que uma
tal relacao exista e bastante natural. Para o compreender recordemos a forma dos estados
estacionarios de difusao (10.1.13)
vdifk (~r)
~r→∞−→ eikr cos θ + fk(θ, φ)eikr
r; (10.4.20)
A onda transmitida na direccao frontal e
vdifk (r, θ = 0, φ)
~r→∞−→ eikr + fk(θ = 0, φ)eikr
r; (10.4.21)
que nao e mais do que uma sobreposicao entre a onda incidente eikr e a onda difundida na
direccao frontal fk(θ = 0, φ)eikr/r. A ultima e determinada pela amplitude de difusao na
direccao frontal. A onda transmitida e atenuada (relativamente a onda incidente), devido
as partıculas difundidas em todas as direccoes do espaco. Logo a sobreposicao entre a
onda difundida na direccao frontal e a onda incidente tem de ter a informacao sobre as
partıculas difundidas em todas as outras direccoes. Logo e natural que exista uma relacao
entre fk(θ = 0, φ) e σtotal.
10.5 Sumario
Neste capıtulo estudamos reaccoes de difusao. As quantidades fundamentais do formalismo
sao a amplitude de difusao, fk(θ, φ), e as seccoes eficazes (diferencial e total) de difusao
σ(θ, φ) e σ. Todo o formalismo pode ser discutido em termos dos estados estacionarios
de difusao (quando o potencial e indepentente do tempo, que e o caso aqui considerado),
que sao as funcoes de onda do problema com o comportamento assimptotico correcto. Por
consideracoes genericas obtivemos a relacao (10.1.24):
σ(θ, φ) = |fk(θ, φ)|2 .
Esta equacao traduz a relacao entre a quantidade directamente relacionavel com a ex-
periencia σ(θ, φ) e a quantidade derivavel da teoria, fk(θ, φ). Estudamos seguidamente
dois metodos teoricos para calcular a amplitude de difusao.
10.5 Sumario 341
No primeiro metodo - metodo de Born - comecamos por estabelecer a equacao integral
de difusao para obter os estados estacionarios de difusao. Estabelecemos a expansao de
Born e a aproximacao de Born que nos permitiu obter uma formula aproximada, utilizavel,
para calcular a amplitude de difusao (e como tal a seccao eficaz de difusao) para um
determinado potencial (10.2.27):
fBornk (θ, φ) = − µ
2π~2
∫
d3~re−i~q·~rV (~r) , q ≡ 2k sinθ
2.
A formula e valida para potenciais fracos de acordo com o criterio (10.2.24). Como exemplo
calculamos a seccao eficaz de difusao para um poco de potencial esferico e para o potencial
de Yukawa. Para este ultimo caso recuperamos, no limite de alcance infinito, a formula de
Rutherford.
No segundo metodo - metodo das ondas parciais -, valido apenas para potenciais com
simetria esferica, comecamos por estudar em detalhe as ondas esfericas livres e estabelece-
mos que as ondas parciais num potencial central arbitrario diferem, assimptoticamente, das
ondas esfericas livres apenas por um desfasamento. Obtivemos uma expressao exacta para
a amplitude de difusao (10.3.83) em termos destes desfasamentos, causadas pelo potencial
difusor:
fk(θ) =1
k
+∞∑
ℓ=0
√
4π(2ℓ+ 1)eiδℓ sin δℓY0ℓ (θ) .
Embora a formula seja exacta, para ser utilizavel temos que assumir uma aproximacao de
baixas energias (10.3.88), de modo a que seja apenas necessario saber os desfasamentos das
ondas com ℓ mais baixo. Como aplicacao do metodo consideramos novamente um poco de
potencial esferico e recuperamos, no limite de baixas energias e potencial fraco o resultado
da aproximacao de Born.
Finalmente consideramos brevemente a difusao inelastica. Definimos a seccao eficaz de
absorcao, obtivemos uma expressao para o seu calculo e derivamos o teorema optico.
CAPITULO 11
Metodos perturbativos independentes e dependentes
do tempo
Na seccao 9.2 discutimos qualitativamente que, para descrever a estrutura fina do espectro
do atomo de hidrogenio, e necessario levar em consideracao varias correccoes ao Hamilto-
niano do problema de Coulomb, estudado no capıtulo 6. Considerando tais correccoes, o
problema do atomo de hidrogenio deixa de ser exactamente soluvel e portanto e necessario
considerarmos metodos de resolucao aproximada. Sendo que tais correccoes sao pequenas
e natural considerarmos um metodo perturbativo.
Neste capıtulo consideramos sistemas fısicos cujo Hamiltoniano pode ser visto como
uma soma de dois termos. Um primeiro termo pode ser considerado exactamente, isto e,
o seu espectro e funcoes proprias podem ser calculados analiticamente. O segundo termo
nao e, genericamente, diagonalizado pelas funcoes proprias do primeiro termo, e o como tal
o Hamiltoniano total nao pode ser resolvido exactamente. No entanto, o segundo termo
pode ser considerado muito menor do que o primeiro e como tal o Hamiltoniano total pode
ser resolvido atraves de uma expansao perturbativa, que podera ser truncada na ordem
desejada obtendo-se o espectro e funcoes proprias do Hamiltoniano total com uma precisao
que sera tanto maior quanto maior for a ordem considerada.
Comecamos por considerar o calculo de estados estacionarios de sistemas descritos por
344 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Hamiltonianos independentes do tempo. Seguidamente estudaremos Hamiltonianos cujas
perturbacoes sao dependentes do tempo.
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias
Consideramos o Hamiltoniano
H = H0 + W , (11.1.1)
onde H0 e o Hamiltoniano nao perturbado e W e o Hamiltoniano da perturbacao. O facto
de W ser uma perturbacao significa que a sua contribuicao para os valores proprios e os
vectores proprios de H e muito menor do que a contribuicao de H0; esquematicamente
escrevemos
|W | ≪ |H0| , (11.1.2)
mas o sentido preciso deste criterio sera esclarecido posteriormente. Para tornar explıcita
a analise perturbativa, escrevemos W ≡ λV , onde λ≪ 1.
Assumimos que conhecemos a forma exacta dos valores proprios e estados proprios de
H0, sendo o seu espectro E0p discreto:
H0|φip〉 = E0
p |φip〉 , (11.1.3)
onde i = 1, . . . , dp e um ındice no sub-espaco degenerado das energias, e |φip〉 constitui
uma base ortonormalizada de estados proprios
〈φip|φi′
p′〉 = δii′δpp′ ,∑
p
dp∑
i=1
|φip〉〈φi
p| = 1 . (11.1.4)
Com este formalismo, podemos calcular solucoes aproximadas da equacao de valores
proprios
H(λ)|Ψ(λ)〉 = E(λ)|Ψ(λ)〉 , (11.1.5)
onde H = H0 + λV , usando uma expansao perturbativa em λ. Para este fim, assumimos
que tanto o valor proprio E(λ), como o vector proprio, |Ψ(λ)〉, admitem uma expansao em
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 345
potencias de λ, da forma, respectivamente,
E(λ) = ǫ0 + λǫ1 + λ2ǫ2 + . . . =
+∞∑
n=0
λnǫn , (11.1.6)
|Ψ(λ)〉 = |0〉+ λ|1〉+ λ2|2〉+ . . . =
+∞∑
n=0
λn|n〉 . (11.1.7)
Substituindo estas expansoes em (11.1.5) obtemos
(H0 + λV )
(
+∞∑
n=0
λn|n〉)
=
(
+∞∑
n=0
λnǫn
)(
+∞∑
m=0
λm|m〉)
. (11.1.8)
Igualando as potencias de λ obtemos um conjunto infinito de equacoes:
• Ordem 0 :
H0|0〉 = ǫ0|0〉 . (11.1.9)
Este ordem corresponde ao sistema sem perturbacao.
• Ordem 1 :(
H0 − ǫ0)
|1〉+(
V − ǫ1)
|0〉 = 0 ; (11.1.10)
• Ordem 2 :(
H0 − ǫ0)
|2〉+(
V − ǫ1)
|1〉 − ǫ2|0〉 = 0 ; (11.1.11)
• Ordem n:
(
H0 − ǫ0)
|n〉+(
V − ǫ1)
|n− 1〉 − ǫ2|n− 2〉 − . . .− ǫn|0〉 = 0 . (11.1.12)
No que se segue estudaremos as correccao ao espectro e funcoes proprias ate segunda ordem
em λ.
Para determinarmos a funcao de onda numa dada ordem em λ, recordamos que a
equacao de valores proprios (11.1.5) determina a funcao de onda a menos de uma constante.
Esta constante pode ser escolhida de modo a que:
i) a funcao de onda esteja normalizada, 〈Ψ(λ)|Ψ(λ)〉 = 1;
346 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
ii) como fica ainda a liberdade residual de escolher a fase da funcao de onda, tomamos
esta fase de modo a que 〈0|Ψ(λ)〉 seja real em qualquer ordem da expansao em λ.
Com estas duas condicoes temos:
• Ordem 0 : Dado que nesta ordem |Ψ(λ)〉 = |0〉 as duas condicoes traduzem-se em 〈0|0〉 =1; isto e, o estado |0〉 esta normalizado;
• Ordem 1 : Nesta ordem |Ψ(λ)〉 = |0〉 + λ|1〉; a normalizacao da funcao de onda, nesta
ordem, significa
1 = (〈0|+ λ〈1|) (|0〉+ λ|1〉) = 〈0|0〉+ λ (〈0|1〉+ 〈1|0〉) +O(λ2) ; (11.1.13)
usando o resultado de ordem zero, obtemos
〈0|1〉 = −〈0|1〉∗ ,
ou seja, 〈0|1〉 e um imaginario puro. Por outro lado, a condicao ii) implica que
〈0|Ψ(λ)〉 = 〈0|0〉+ λ〈0|1〉 = 1 + λ〈0|1〉
seja real, ou seja 〈0|1〉 tem de ser real. Logo
〈0|1〉 = 〈1|0〉 = 0 . (11.1.14)
• Ordem 2 : Por um raciocınio analogo conclui-se que
〈0|2〉 = 〈2|0〉 = −1
2〈1|1〉 . (11.1.15)
• Ordem n: Analogamente conclui-se que
〈0|n〉 = 〈n|0〉 = −1
2[〈n− 1|1〉+ 〈n− 2|2〉+ . . .+ 〈2|n− 2〉+ 〈1|n− 1〉] . (11.1.16)
Para considerarmos em detalhe o efeito da perturabacao W no espectro e vectores
proprios de H0 consideremos separadamente os nıveis de H0 degenerado e nao degenerados.
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 347
11.1.1 Perturbacao de um nıvel nao degenerado
Consideramos um nıvel nao degenerado de H0, com valor proprio E0n e vector proprio asso-
ciado |φn〉. Vamos calcular o valor proprio de H , En(λ), e a funcao propria correspondente,
|Ψn(λ)〉, ate segunda ordem em λ; ou seja, vamos calcular ǫ0, ǫ1, ǫ2 e |0〉, |1〉, |2〉.
Ordem 0
Em ordem 0, En(λ) = ǫ0 e |Ψn(λ)〉 = |0〉, isto e, ignoramos a perturbacao. A energia e
estado correspondem aos de H0
ǫ0 = E0n , |0〉 = |φn〉 . (11.1.17)
Ordem 1
Em ordem 1, En(λ) = ǫ0 + λǫ1 e |Ψn(λ)〉 = |0〉 + λ|1〉. Para calcular ǫ1 projectamos a
equacao (11.1.10) em 〈φn| = 〈0|:
〈φn|(
H0 − ǫ0)
|1〉+ 〈φn|(
V − ǫ1)
|0〉 = 0 ;
dado que H0|φn〉 = ǫ0|φn〉, o primeiro termo e zero; como |0〉 = |φn〉 esta normalizado
concluimos que
ǫ1 = 〈φn|V |φn〉 . (11.1.18)
Logo, em primeira ordem
En(λ) = E0n + 〈φn|W |φn〉+O(λ2) . (11.1.19)
A correccao de primeira ordem a energia de um nıvel nao degenerado |φn〉 e dada pelo
valor esperado da perturbacao nesse mesmo estado nao perturbado |φn〉.Para calcularmos o estado em primeira ordem em λ projectamos (11.1.10) em todos os
outros estados proprios de H0 (que nao |φn〉), |φip〉. Note-se que os outros nıveis p 6= n
podem ser degenerados, pelo que mantemos o ındice i. Obtemos
〈φip|(
H0 − ǫ0)
|1〉+ 〈φip|(
V − ǫ1)
|0〉 = 0 ;
348 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Como |φn〉 e |φip〉 para n 6= p sao estados proprios associados a valores proprios distintos,
〈φip|φn〉 = 0; usando ainda que H0|φi
p〉 = E0p |φi
p〉 obtemos
〈φip|1〉 =
〈φip|V |φn〉
E0n −E0
p
, p 6= n . (11.1.20)
Como 〈φn|1〉 = 0, por (11.1.14) temos todos os coeficientes da projeccao de |1〉 na base de
funcoes proprias de H0. Logo
|1〉 =∑
p
dp∑
i=1
|φip〉〈φi
p|1〉 =∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|V |φn〉
E0n −E0
p
|φip〉 . (11.1.21)
Consequentemente, em primeira ordem em λ, o estado proprio de H e
|Ψn(λ)〉 = |φn〉+∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|W |φn〉E0
n −E0p
|φip〉+O(λ2) . (11.1.22)
A correccao de primeira ordem ao estado proprio |φn〉 de H0 e uma mistura de todos os
outros estados proprios de H0, |φip〉. A contribuicao de um determinado estado |φi
p〉para esta mistura e tanto maior quanto: i) maior for o elemento de matriz da perturbacao
entre este estado e o estado nao perturbado; ii) mais proxima da energia do estado nao
perturbado for a energia deste estado.
Podemos agora precisar o criterio (11.1.2) relativo a validade do metodo perturbativo:
1) Por (11.1.19) requeremos que os elementos diagonais da perturbacao sejam muito
menores que os elementos diagonais de H0 correspondentes
|〈φn|W |φn〉| ≪ |E0n| ; (11.1.23)
2) Por (11.1.22) requeremos que os elementos nao diagonais da perturbacao sejam muito
menores que as diferencas entre os valores proprios de H0 correspondentes aos estados
em questao
|〈φip|W |φn〉| ≪ |E0
n −E0p | . (11.1.24)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 349
Ordem 2
Em ordem 2, En(λ) = ǫ0 + λǫ1 + λ2ǫ2 e |Ψn(λ)〉 = |0〉 + λ|1〉 + λ2|2〉. Para calcular ǫ2
projectamos a equacao (11.1.11) em 〈φn| = 〈0|:
〈φn|(
H0 − ǫ0)
|2〉+ 〈φn|(
V − ǫ1)
|1〉 − ǫ2〈φn|0〉 = 0 . (11.1.25)
Tal como em ordem 1, o primeiro termo e zero; por (11.1.14), 〈φn|1〉 = 0 e usando 〈φn|0〉 = 1
temos1
ǫ2 = 〈φn|V |1〉(11.1.21)
=∑
p 6=n
dp∑
i=1
|〈φip|V |φn〉|2E0
n − E0p
, (11.1.26)
Logo, em segunda ordem em λ:
En(λ) = E0n + 〈φn|W |φn〉+
∑
p 6=n
dp∑
i=1
|〈φip|W |φn〉|2E0
n − E0p
+O(λ3) . (11.1.27)
Nesta ordem, a contribuicao do estado |φip〉 para o valor proprio da energia do estado nao
perturbado |φn〉, devida a perturbacao W , e tanto maior quanto: i) maior for o acoplamento
〈φip|W |φn〉; ii) mais proximas forem as energias E0
p e E0n. Quanto maiores forem estas
contribuicoes mais os estados |φn〉 e |φip〉 se repelem.
Para calcularmos o estado em segunda ordem em λ projectamos (11.1.11) em todos os
outros estados proprios de H0 (que nao |φn〉), |φip〉. Obtemos
〈φip|(
H0 − ǫ0)
|2〉+ 〈φip|(
V − ǫ1)
|1〉+ ǫ2〈φip|0〉 = 0 ;
Como |φn〉 e |φip〉 para n 6= p sao estados proprios associados a valores proprios distintos,
〈φip|φn〉 = 0 e o ultimo termo e zero; usando ainda que H0|φi
p〉 = E0p |φi
p〉 obtemos
〈φip|2〉 =
〈φip|(
V − ǫ1)
|1〉E0
n − E0p
, n 6= p . (11.1.28)
Expandindo |2〉 na base propria de H0,
|2〉 =∑
p
dp∑
i=1
〈φip|2〉|φi
p〉 =∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|2〉|φi
p〉+ 〈φn|2〉|φn〉 ,
1Note-se que, para conhecer a energia em segunda ordem necessitamos do estado em primeira ordem.Genericamente, para conhecermos a energia em ordem n necessitamos do estado ate ordem n− 1.
350 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
e usando (11.1.28) e a relacao (11.1.15) temos
|2〉 =∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|(
V − ǫ1)
|1〉E0
n − E0p
|φip〉 −
〈1|1〉2|φn〉 . (11.1.29)
Usando agora (11.1.21) e (11.1.18), obtemos uma relacao explıcita para |2〉 em funcao de
elementos de matriz da perturbacao na base |φim〉:
|2〉 =∑
p 6=n
dp∑
i=1
∑
m6=n
dm∑
j=1
〈φip|V |φj
m〉E0
n − E0p
〈φjm|V |φn〉
E0n − E0
m
|φip〉 −
∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|V |φn〉〈φn|V |φn〉
(E0n − E0
p)2
|φip〉
−1
2
∑
p 6=n
dp∑
i=1
|〈φip|V |φn〉|2
(E0n − E0
p)2|φn〉
.
(11.1.30)
Logo, em segunda ordem em λ, o estado proprio de H e
|Ψn(λ)〉 =
(
1− 1
2
∑
p 6=n
dp∑
i=1
|〈φip|W |φn〉|2
(E0n − E0
p)2
)
|φn〉
+∑
p 6=n
dp∑
i=1
〈φip|W |φn〉E0
n − E0p
(
1− 〈φn|W |φn〉E0
n − E0p
)
|φip〉
+∑
p 6=n
dp∑
i=1
∑
m6=n
dm∑
j=1
〈φip|W |φj
m〉E0
n − E0p
〈φjm|W |φn〉E0
n − E0m
|φip〉+O(λ3) .
(11.1.31)
Ordem de grandeza do erro numa aproximacao de primeira ordem
Se decidirmos truncar a expansao de En(λ) e |Ψ(λ)〉 em primeira ordem em λ, podemos
ter uma ideia do erro envolvido no calculo majorando o termo da energia de ordem 2.
Seja E0m a energia mais proxima de E0
n no espectro de H0. Denotemos ∆E ≡ |E0n−E0
m|.Logo
|E0n −E0
p | ≥ ∆E , ∀p 6=n . (11.1.32)
Podemos assim majorar o termo ǫ2 usando a expressao (11.1.26):
|ǫ2| ≤1
∆E
∑
p 6=n
dp∑
i=1
|〈φip|V |φn〉|2 =
1
∆E〈φn|V
[
∑
p 6=n
dp∑
i=1
|φip〉〈φi
p|]
V |φn〉
=1
∆E〈φn|V
[
1− |φn〉〈φn|]
V |φn〉 =1
∆E
[
〈φn|V 2|φn〉 −(
〈φn|V |φn〉)2]
.
(11.1.33)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 351
Logo
|λ2ǫ2| ≤(∆W )2
∆E, (11.1.34)
onde ∆W e o desvio padrao da perturbacao no estado nao perturbado. Logo, em ordem
1, a correccao a energia e o valor medio da perturbacao no estado nao perturbado e o erro
e estimado usando o desvio padrao da perturbacao nesse mesmo estado.
11.1.2 Perturbacao a um nıvel degenerado
Consideremos agora um nıvel degenerado de H0, com valor proprio E0n e grau de de-
generescencia dn, 1 < dn < +∞. Seja E0n o sub-espaco vectorial gerado pelos vectores
proprios de H0 associados a E0n, |φi
n〉. Neste caso vamos limitar a nossa analise a primeira
ordem nos valores proprios e ordem zero nos vectores proprios.
Ordem 0
Em ordem 0, En(λ) = ǫ0 e |Ψn(λ)〉 = |0〉. Claramente
ǫ0 = E0n , |0〉 =
dn∑
i=1
ci|φin〉 , onde
dn∑
i=1
|ci|2 = 1 . (11.1.35)
Note-se que existe uma indefinicao na escolha de |0〉, devida a degenerescencia do nıvel
em analise. Essa indefinicao sera levantada em ordens superiores, caso a degenerescencia
tambem o seja.
Ordem 1
Em ordem 1, En(λ) = ǫ0+λǫ1 e |Ψn(λ)〉 = |0〉+λ|1〉. Para calcular ǫ1 e simultaneamente |0〉,projectamos a equacao (11.1.10) em 〈φi
n|. Por uma analise analoga ao caso nao degenerado
obtemos
〈φin|V |0〉 = ǫ1〈φi
n|0〉 . (11.1.36)
Inserindo a relacao de fecho,
∑
p
dp∑
j=1
〈φin|V |φj
p〉〈φjp|0〉 = ǫ1〈φi
n|0〉 . (11.1.37)
352 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Por (11.1.35), o termo 〈φjp|0〉 so e diferente de zero para p = n; logo
dn∑
j=1
〈φin|V |φj
n〉〈φjn|0〉 = ǫ1〈φi
n|0〉 . (11.1.38)
Escrevendo os elementos de matriz 〈φin|V |φj
n〉 ≡ V ijn e usando (11.1.35), esta equacao
reescreve-se
V ijn cj = ǫ1ci ⇔ Vn|0〉 = ǫ1|0〉 . (11.1.39)
Isto e, para calcular os valores proprios em ordem 1 e simultaneamente o vector proprio em
ordem zero, de H(λ), correspondentes a perturbacao de um nıvel degenerado E0n, temos
de diagonalizar a perturbacao V no sub-espaco E0n associado a E0
n. Cada estado em E0n
pode ter uma correccao diferente na energia por accao da perturbacao; isto e, em primeira
ordem
En,j(λ) = E0n + λǫj1 , j = 1, . . . , f (1)
n ≤ dn , (11.1.40)
onde os varios ǫj1 sao obtidos resolvendo a equacao caracterıstica (11.1.39), correspondendo
o ındice j ao numero de solucoes distintas, num total de (em primeira ordem) f(1)n , que
necessariamente nao ira exceder a dimensao do sub-espaco vectorial degenerado, dn.
Relativamente ao vector proprio |0〉, existem duas possibilidades:
• Se a perturbacao levantar totalmente a degenerescencia de E0n em primeira ordem, i.e.
f(1)n = dn, o vector proprio |0〉 e unicamente determinado pela equacao caracterıstica
(11.1.39). Neste caso existe um unico vector proprio de H(λ) em ordem zero com
valor proprio E0n + λǫj1 em ordem 1.
• Se a perturbacao nao levantar totalmente a degenerescencia de E0n em primeira ordem,
i.e. f(1)n < dn, o vector proprio |0〉 nao e unicamente determinado pela equacao
caracterıstica (11.1.39); para cada energia E0n +λǫj1, em primeira ordem, |0〉 pertence
a um espaco vectorial cuja dimensao e a degenerescencia E0n + λǫj1 em ordem 1.
11.1.3 Perturbacoes X, X2 e X3 a um potencial harmonico
Vamos agora ilustrar o formalismo estudado considerando perturbacoes do tipo X, X2 e X3
num potencial harmonico um dimensional. No primeiro e segundo caso, o problema com a
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 353
perturbacao e ainda exactamente soluvel, pelo que podemos testar o metodo perturbativo
comparando-o com a solucao exacta. O terceiro caso nao tem solucao exacta, mas e de
interesse pratico, pois um termo do tipo X3 e o primeiro termo nao harmonico na expansao
de Taylor de um potencial arbitrario em torno de um ponto estacionario. Note que o
espectro de H0 sera nao degenerado.
Perturbacao por um potencial linear
Seja H0 o Hamiltoniano do oscilador harmonico em uma dimensao (5.1.1)
H0 =P 2
2m+mω2
2X2 . (11.1.41)
O seu espectro e
E0n =
(
n+1
2
)
~ω, n ∈ N0 , (11.1.42)
e o conjunto de funcoes proprias normalizadas e denotado, tal como no capıtulo 5, |Φn〉.Consideramos a perturbacao
W = λ√m~ω3X . (11.1.43)
Analisemos primeiro a solucao exacta. O Hamiltoniano total H(λ) = H0 + W pode ser
escrito
H(λ) =P 2
2m+mω2
2
(
X + λ
√
~
mω1
)2
− λ2ω~
21 . (11.1.44)
Concluimos imediatamente que o espectro de H e
En(λ) =
(
n +1− λ2
2
)
~ω, n ∈ N0 . (11.1.45)
Para calcularmos as novas funcoes proprias notamos que o efeito da perturbacao consiste,
para alem da adicao de uma energia ao Hamiltoniano, numa translacao
X → X + λ
√
~
mω1 .
O Hamiltoniano H(λ) e ainda um problema harmonico canonico (a menos da soma de
uma energia) quando interpretado em termos da posicao transladada, dado que o operador
momento pode ainda ser interpretado como o momento canonico conjugado da posicao
354 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
transladada. Recordamos que o operador translacao foi definido no Problema 8 da folha
de problemas 5, como sendo T∆x, com accao
T∆xf(x) = f(x+ ∆x) , (11.1.46)
e com representacao
T∆x = ei∆xP/~ . (11.1.47)
Usando ∆x = λ√
~/mω e, de (5.1.4), P = −i√
mω~/2(a − a†), obtemos, em termos de
operadores de criacao e destruicao
T∆x = eλ(a−a†)/√
2 . (11.1.48)
Logo, as funcoes proprias de H(λ), |Ψn(λ)〉, podem ser obtidas pela accao da translacao
em |Φn〉:|Ψn(λ)〉 = eλ(a−a†)/
√2|Φn〉 , (11.1.49)
ou, usando (5.1.30), (5.1.31) e expandindo a exponencial em serie de Taylor,
|Ψn(λ)〉 = |Φn〉+ λ
√
n
2|Φn−1〉 − λ
√
n + 1
2|Φn+1〉+O(λ2) . (11.1.50)
Vamos agora usar a teoria de perturbacoes estacionarias para reproduzir os resultados
(11.1.45) e (11.1.50). Comecamos por escrever a perturbacao W em termos dos operadores
de destruicao e criacao, usando (5.1.4):
X =
√
~
2mω(a+ a†) ⇒ W = λ
~ω√2(a + a†) . (11.1.51)
Claramente, a perturbacao mistura o estado |Φn〉 apenas com |Φn−1〉 e |Φn+1〉; os unicos
elementos de matriz da perturbacao nao nulos sao
〈Φn+1|W |Φn〉 = λ~ω
√
n+ 1
2, 〈Φn−1|W |Φn〉 = λ~ω
√
n
2. (11.1.52)
Logo, usando (11.1.27), En(λ) em ordem 2 e
En(λ) = ~ω
(
n+1
2
)
− λ2 ~ω
2+O(λ3) . (11.1.53)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 355
Nesta ordem obtemos o resultado exacto (11.1.45); pode-se demonstrar que todos os termos
de ordem superior a 2 sao de facto zero. Usando (11.1.22) obtemos
|Ψn(λ)〉 = |Φn〉+ λ
√
n
2|Φn−1〉 − λ
√
n+ 1
2|Φn+1〉+O(λ2) , (11.1.54)
em acordo com (11.1.50) nesta ordem.
Perturbacao por um potencial quadratico
Perturbamos agora (11.1.41) por um potencial quadratico
W = λmω2
2X2 . (11.1.55)
Obviamente, o Hamiltoniano total e o de um oscilador harmonico canonico com frequencia
ω√
1 + λ. Como tal, o espectro de energias e
En(λ) = ~ω
(
n+1
2
)(
1 +λ
2− λ2
8+ . . .
)
. (11.1.56)
Podemos tambem relacionar os operadores de criacao e destruicao na presenca da per-
turbacao e na ausencia da perturbacao. Como a relacao entre eles e complexa, vamos
restringir a nossa analise ao espectro. Para usarmos a teoria de perturbacoes escrevemos
a perturbacao em termos de operadores de criacao e destruicao,
W = λ~ω
4
(
(a†)2 + aa† + a†a+ (a)2)
, (11.1.57)
de onde se conclui que os elementos de matriz nao nulos sao
〈Φn|W |Φn〉 =λ~ω
2
(
n+1
2
)
,
〈Φn+2|W |Φn〉 =λ~ω
4
√
(n+ 1) (n+ 2) , 〈Φn−2|W |Φn〉 =λ~ω
4
√
n (n− 1) .
(11.1.58)
Logo, usando (11.1.27), En(λ) em ordem 2 e
En(λ) = ~ω
(
n +1
2
)
+λ~ω
2
(
n+1
2
)
−(
λ~ω
4
)2(n+ 1)(n+ 2)
2~ω+
(
λ~ω
4
)2n(n− 1)
2~ω
= ~ω
(
n +1
2
)(
1 +λ
2− λ2
8+ . . .
)
+O(λ3) ,
(11.1.59)
em acordo com o calculo exacto (11.1.56).
356 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Perturbacao por um potencial cubico
Perturbamos agora (11.1.41) por um potencial cubico
W = λ
√
m3ω5
~X3 . (11.1.60)
No problema classico, x(t) deixa de ser sinusoidal, aparecendo uma serie de harmonicos
da frequencia fundamental; o perıodo deixa de ser independente da energia e o movi-
mento deixa de ser simetrico relativamente a origem. Relativamente ao problema quantico
comecamos por exprimir a perturbacao em termos de operadores de criacao e destruicao.
Usando (11.1.51) obtemos, usando as relacoes de comutacao entre a, a† e o operador de
numero N = a†a,
W = λ~ω√
8
(
a3 + (a†)3 + 3N a† + 3(N + 1)a)
. (11.1.61)
Com esta forma e simples concluir que os unicos elementos de matriz nao nulos para a
perturbacao sao
〈Φn+3|W |Φn〉 =λω~√
8
√
(n+ 1)(n+ 2)(n + 3) , 〈Φn−3|W |Φn〉 =λω~√
8
√
n(n− 1)(n− 2) ,
〈Φn+1|W |Φn〉 =3λω~√
8(n + 1)3/2 , 〈Φn−1|W |Φn〉 =
3λω~√8n3/2 .
(11.1.62)
Usando (11.1.27), verificamos que a contribuicao de primeira ordem para En(λ) e zero;
levando em conta a contribuicao de segunda ordem obtemos
En(λ) = ~ω
(
n+1
2
)
− 15
4λ2ω~
(
n+1
2
)2
− 7
16λ2ω~ +O(λ3) . (11.1.63)
Em segunda ordem, a perturbacao diminui a energia de todos os nıveis. Quanto mais
elevado for o nıvel maior a diminuicao de energia. Note-se que, como tal, nıveis consecutivos
ja nao sao equidistantes.
Usando (11.1.22) obtemos, para os estados de H , em primeira ordem,
|Ψn(λ)〉 = |Φn〉 −λ
3
√
(n + 1)(n+ 2)(n+ 3)
8|Φn+3〉+
λ
3
√
n(n− 1)(n− 2)
8|Φn−3〉
+3λ
√
n3
8|Φn−1〉 − 3λ
√
(n+ 1)3
8|Φn+1〉+O(λ2) .
(11.1.64)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 357
O efeito da perturbacao e misturar o estado |Φn〉 com os estados |Φn+3〉, |Φn−3〉, |Φn+1〉 e
|Φn−1〉.
11.1.4 Estrutura fina do atomo de Hidrogenio
Como aplicacao da teoria de perturbacoes estacionarias vamos estudar a estrutura fina e
hiperfina2 do atomo de Hidrogenio. Como discutido na seccao 9.2, o Hamiltoniano usado
para descrever o atomo de Hidrogenio no capıtulo 6, H0, e apenas aproximado, dado que
negligencia todos os efeitos relativistas, em particular os efeitos magneticos e de spin,
para alem de nao considerar o spin nuclear. Estes efeitos sao necessarios para explicar os
espectros observados; de facto, embora conduzam a apenas pequenas alteracoes do espectro
estudado no capıtulo 6, a enorme precisao da espectroscopia evidencia claramente estas
alteracoes. Sendo pequenas podemos usar teoria de perturbacoes para as estudar.
O Hamiltoniano de estrutura fina
O Hamiltoniano de estrutura fina pode ser obtido directamente da equacao de Dirac.
Embora esta equacao possa ser resolvida exactamente para um potencial de Coulomb,
e instrutivo considerar uma analise perturbativa, que evidencia a interpretacao fısica de
cada um dos termos no problema. O operador Hamiltoniano que descreve o atomo de
Hidrogenio, incluindo os termos responsaveis pela estrutura fina, toma a seguinte forma:
H = mec21 + H0 + Wmv + WSO + WD . (11.1.65)
Consideremos os varios termos individualmente:
• mec2 e a energia associada a massa em repouso do electrao;
• H0 e o Hamiltoniano considerado no capıtulo 6; este leva apenas em conta o termo
cinetico nao relativista e o potencial de Coulomb
H0 =P 2
2me− 1
4πǫ0
e2
r. (11.1.66)
2A estrutura hiperfina sera descrita nas aulas teorico-praticas se houver tempo para tal.
358 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Note-se, que neste termo, o facto de a massa do protao ser finita pode ser levado em
consideracao substituindo me pela massa reduzida do sistema protao-electrao µ.
• Wmv e a primeira correccao relativista ao termo cinetico:
Wmv = − P 4
8m3ec
2. (11.1.67)
Este termo e facil de obter considerando a expressao relativista para a energia
E = c√
~p2 +m2ec
2 = mec2
√
1 +~p2
m2ec
2= mec
2
(
1 +~p2
2m2ec
2− ~p4
8m4ec
4+ . . .
)
;
(11.1.68)
os tres primeiros termos mec2, ~p2
2mee − ~p4
8m3ec2
, correspondem a tres dos termos pre-
sentes em (11.1.65): a energia correspondente a massa em repouso, o termo cinetico
nao relativista presente em H0 e a primeira correccao relativista a energia cinetica
que resulta da variacao da massa com a velocidade. Para estimarmos a ordem de
magnitude relativa entre Wmv e H0 estimamos o ultimo pelo termo cinetico:
|Wmv||H0|
=
|~p4|8m3
ec2
|~p2|2me
∼ |~p2|
m2ec
2∼(v
c
)2
∼ α2 ≃(
1
137
)2
, (11.1.69)
onde usamos a relacao (9.2.2). Como as energias do espectro nao perturbado sao da
ordem de |H0| ∼ 10 eV , a perturbacao sera da ordem de |Wmv| ∼ 10−3 eV , o que
justifica o uso de teoria de perturbacoes.
• WSO e o acoplamento spin-orbita:
WSO =1
2m2ec
2R
dV (R)
dR
~L · ~S . (11.1.70)
A origem fısica deste termo pode ser compreendida pela seguinte analise classica:
o electrao move-se com velocidade ~v no campo electrico do protao. Logo ve um
campo magnetico que pode ser estimado pela transformacao de Lorentz do campo
electrostatico do protao ~E
~B′ ≃ − ~vc2× ~E . (11.1.71)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 359
Como o electrao tem um dipolo magnetico que resulta do seu spin, existe uma in-
teracao do tipo
W ′SO = −~µS · ~B′ = −
(
2e
2me
~S
)
·(
− ~vc2×[
−1
e
dV
dr
~r
r
])
. (11.1.72)
Usando a definicao classica de momento angular me~v × ~r = −~L obtemos
W ′SO =
1
m2ec
2r
dV
dr~L · ~S . (11.1.73)
A menos de um factor de 1/2, este e o acoplamento spin-orbita. O factor de 1/2 e
devido a nossa estimativa do campo magnetico produzido pelo nucleo assumir um
movimento rectilıneo, o que nao acontece. O movimento nao rectilıneo origina uma
precessao do spin electronico - Precessao de Thomas ; quando levada em consideracao
o factor de 1/2 surge naturalmente.
Estimemos agora a ordem de grandeza deste termo, relativamente a H0, usando para
este ultimo o termo potencial, estimando
~L ∼ ~ , ~S ∼ ~ , r ∼ a0 =~
cmeα,
dV
dr∼ e2
4πǫ0a20
,
temos
|WSO||H0|
=
e2~2
8πǫ0m2ec2a3
0
e2
4πǫ0a0
∼ ~2
m2ec
2a20
∼ α2 . (11.1.74)
Este termo e, portanto, da ordem da mesma ordem de grandeza de Hmv.
• WD e o termo de Darwin:
WD =~
2
8m2ec
2∆V (R) . (11.1.75)
A origem fısica deste termo pode ser compreendida da seguinte maneira. Na equacao
de Dirac a interaccao entre o campo do nucleo e o electrao e local, isto e, o electrao e
afectado pelo potencial no ponto onde se encontra, ~r. Na aproximacao nao relativista,
no entanto, a expansao em v/c origina uma interaccao nao local, isto e, o electrao e
afectado pelo campo do protao num certo volume, centrado em ~r. Esse volume e da
360 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
ordem de (~/mec)3, onde λ = ~/mc e o comprimento de onda de Compton.3 Assim,
a energia potencial nao e apenas V (~r), mas toma a forma
Energia potencial ∼∫
d3ρf(ρ)V (~r + ρ) , (11.1.76)
onde a funcao f(ρ) tem as seguintes propriedades: i) depende apenas de |ρ|, dado que
o potencial tem simetria esferica; ii) tem suporte num volume da ordem de (~/mec)3,
centrado em ρ = 0; iii)∫
d3ρf(ρ) = 1. Considerando uma expansao em serie de
Taylor, de V (~r+ ρ) e notando que o integral do termo de ordem um e nulo devido a
simetria esferica obtemos que a energia potencial fica∫
d3ρf(ρ)
(
V (~r) +ρ2
2∆V (~r) + . . .
)
. (11.1.77)
O primeiro termo e o termo potencial de H0; o segundo termo tem a forma
∆V (~r)
∫
d3ρρ2f(ρ) ∼ ∆V (~r)(~/mec)2 ,
que, a menos de um factor numerico tem a forma do termo de Darwin.
Para estimar a ordem de grandeza do termo de Darwin relativamente a H0 notamos
que, usando (10.2.7) o termo pode ser reescrito
WD = − ~2e2
8m2ec
2(4πǫ0)∆
(
1
R
)
=~
2e2
8m2ec
2ǫ0δ(R) . (11.1.78)
O valor esperado deste operador num estado proprio de H0 e
〈WD〉 =~2e2
8m2ec
2ǫ0|Ψ(0)|2 . (11.1.79)
Imediatamente concluimos que o termo de Darwin so afecta electroes em orbitais s,
pois de acordo com os resultados do capıtulo 6 (ver por exemplo tabela na seccao
3Uma maneira de pensar neste comprimento de onda e a seguinte: tal como o comprimento de ondade de Broglie de uma partıcula de massa m e com velocidade v, λdB = ~/mv nos da a escala na qual ocaracter ondulatorio de uma partıcula quantica nao pode ser negligenciado, o comprimento de onda deCompton da mesma partıcula λC = ~/mc da-nos uma escala para a qual os efeitos relativistas nao podem,igualmente, ser negligenciados. Claramente λC < λdB. Na teoria de Dirac, a origem fısica do termo deDarwin e um fenomeno denominado zitterbewegung que consiste no facto de que o electrao nao se movesuavemente, mas sofre flutuacoes de pequena escala (da ordem de λC) extremamente rapidas; assim, aofazermos uma expansao em v/c o electrao ve efectivamente o potencial de Coulomb do nucleo espalhadopor uma vizinhanca da ordem de λC .
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 361
6.4, ou expressao (7.2.63)) estas sao as unicas para as quais Ψ(0) 6= 0. Como |Ψ(0)|2
e uma densidade de probabilidade estimamos o seu valor por |Ψ(0)|2 ∼ 1/a30. Logo
|WD||H0|
=
e2~2
8m2ec2a3
0ǫ0
p2
2me
∼ mec2α4
mec2α2∼ α2 , (11.1.80)
tal como para os termos anteriores.
A estrutura fina do nıvel N = 2
Vamos exemplificar o efeito da perturbacao a H0 dada em (11.1.65) calculando a estrutura
fina do nıvel N = 2 do atomo de Hidrogenio.4 Recordamos que o espectro deste atomo
(6.4.23) depende apenas do numero quantico principal
E0N = − ~2
2mea20
1
N2= −mec
2
2N2α2 . (11.1.81)
Assim, o nıvel 2s (N = 2, ℓ = 0) e o nıvel 2p (N = 2, ℓ = 1) tem a mesma energia, dada
por
E02 = −mec
2
8α2 . (11.1.82)
Para alem desta degenerescencia, concluimos no capıtulo 6, que o nıvel p e ele proprio
degenerado, pois o momento angular ℓ = 1 pode ter momento angular azimutal descrito
pormℓ = −1, 0, 1. Mas no capıtulo 6 foi negligenciado o spin. Considerando tambem o spin,
quer do electrao quer do protao, cado um dos 4 nıveis anteriores tem uma degenerescencia
adicional de 4. Assim, uma base para o espaco de estados de cada uma das orbitais sera:
• Orbital 2s: |N = 2, ℓ = 0, mℓ = 0, mS = ±;mI = ±〉; onde mS refere-se ao spin
electronico e mI ao spin do protao;
• Orbital 2p: |N = 2, ℓ = 1, mℓ = −1, 0, 1, mS = ±;mI = ±〉.
A degenerescencia total do nıvel N = 2 e entao 4 + 12 = 16.
De acordo com os resultados vistos na seccao 11.1 para perturbacoes de um nıvel degen-
erado, necessitamos de diagonalizar a perturbacao W neste sub-espaco 16 dimensional. Os
4Nota: Para o nıvel N = 1 a perturbacao associada a estrutura fina produz apenas uma correccaoglobal ao nıvel e nao levanta a degenerescencia. Assim e mais interessante estudar o nıvel N = 2.
362 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
valores proprios nesta diagonalizacao serao as correccoes de primeira ordem das energias; os
vectores proprios correspondentes serao os vectores proprios de ordem zero. Consideremos
entao a perturbacao
Wf = Wmv + WSO + WD , (11.1.83)
que sera responsavel pela chamada “estrutura fina”. O calculo desta estrutura e facilitado
pelas duas seguintes observacoes: i) Dado que esta perturbacao nao actua no spin do protao,
este grau de liberdade pode ser ignorado para a estrutura fina. Assim sendo, a dimensao
do espaco degenerado associado a N = 2 reduz-se efectivamente a 8; ii) A perturbacao
comuta com o momento angular total, [L2, Wf ] = 0. De facto L2 comuta com Wmv pois
[L2, P 2] = 0 ⇒ [L2, P 4] = 0 ;
L2 comuta com WSO pois
[L2, f(R)] = 0 , [L2,~L] = 0 , [L2,
~S] = 0 ,
onde f(R) e uma funcao arbitraria de R; devido a primeira relacao na ultima equacao L2
comuta com WD. Logo, Wf nao mistura estados 2s com estados 2p e a matriz de 8 × 8
que representa Wf parte-se numa matriz de 2× 2 que actua nos estados 2s e uma matriz
de 6× 6 que actua nos estados 2p. De facto e facil verificar que Wf e um operador par e
como tal nao poderia misturar estados com paridade diferente, como e o caso de estados s
e estados p. Consideramos seguidamente e separadamente as representacoes matriciais de
Wf que actuam em estados 2s e estados 2p.
Estrutura fina para o nıvel 2s
Consideramos a base |N, ℓ,mℓ, mS〉 = |2, 0, 0,±〉. Wmv e WD nao actuam no grau de
liberdade de spin, mS. Logo estes operadores sao proporcionais ao operador identidade no
espaco de spin. Os coeficientes de proporcionalidade serao dados por elementos de matriz
puramente orbitais, respectivamente,
〈Wmv〉2s = − 1
8m3ec
2〈2, 0, 0|P 4|2, 0, 0〉 , 〈WD〉2s =
~2
8m2ec
2〈2, 0, 0|∆V (R)|2, 0, 0〉 .
(11.1.84)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 363
Por outro lado, os elementos de matriz de WSO sao nulos; de facto
〈WSO〉2s ∝ 〈2, 0, 0,±|Lx,y,z|2, 0, 0,±〉 = 0 ,
pois qualquer componente do momento angular tem valor esperado nulo no harmonico
esferico com ℓ = 0 = mℓ. Assim, o efeito dos termos de estrutura fina nos estados 2s e
alterar a sua energia para
E2s = −mec2
8α2 + 〈Wmv〉2s + 〈WD〉2s . (11.1.85)
Calculemos explicitamente estes elementos de matriz. Para calcular 〈Wmv〉2s notamos que
H0 =P 2
2me+ V (R) ⇒ P 2 = 2me(H0 − V (R)) .
Logo
〈Wmv〉2s = − 4m2e
8m3ec
2〈(
H0 − V (R))2
〉2s = − 1
2mec2
[
(E02)
2 +2E0
2e2
4πǫ0〈 1R〉2s +
e4
(4πǫ0)2〈 1
R2〉2s
]
.
(11.1.86)
Para calcular os valores esperados 〈1/Rn〉2s, recordamos que a parte radial da funcao de
onda do estado 2s e (6.4.33)
f(2,0)(r) =2
(2a0)3/2
(
1− r
2a0
)
e−r/2a0 . (11.1.87)
Como tal
〈 1
Rn〉2s =
∫ +∞
0
4
(2a0)3
(
1− r
2a0
)2
e−r/a0r2
rndr =
1
4a0, n = 1 ,
1
4a20
, n = 2 .(11.1.88)
Notando que
a0 ≡4πǫ0~
2
mee2, a0α =
~
mec,
obtemos
〈Wmv〉2s = −mec2α4
2
[
1
64− 1
16+
1
4
]
= − 13
128mec
2α4 . (11.1.89)
Para calcular 〈WD〉2s recordamos (11.1.79); logo
〈WD〉2s =~
2e2
8m2ec
2ǫ0|Ψ(0)2s|2 =
~2e2
8m2ec
2ǫ0
1
4π
4
(2a0)3=mec
2α4
16, (11.1.90)
364 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
onde usamos (11.1.87) bem como o harmonico esferico Y 00 = 1/
√4π.
Finalmente podemos juntar os resultados e concluir que a energia dos estados 2s,
levando em conta a perturbacao da estrutura fina e
E2s = −mec2
(
α2
8+
5
128α4 +O(α6)
)
. (11.1.91)
Estrutura fina para o nıvel 2p
Os termos Wmv e WD nao actuam nas variaveis de spin e comutam com as varias
componentes de~L. Logo, no sub-espaco associado aos 6 nıveis 2p (ignorando o spin do
protao), os termos Wmv e WD serao proporcionais ao operador identidade neste espaco.
Para WD a constante de proporcionalidade e zero, dado que este termo tem valor esperado
nao nulo apenas em orbitais s:
〈WD〉2p = 0 . (11.1.92)
O valor de 〈Wmv〉2p pode ser calculado de um modo analogo a 〈Wmv〉2s; para este calculo
necessitamos da funcao radial para a orbital 2p que e dada por
f(2,1)(r) =1
(2a0)3/2√
3
r
a0e−r/2a0 , (11.1.93)
com a qual se conclui que
〈 1R〉2p =
1
4a0, 〈 1
R2〉2p =
1
12a20
. (11.1.94)
Usando uma formula analoga a (11.1.86) com 2s substituido por 2p obtem-se que
〈Wmv〉2p = − 7
384mec
2α4 . (11.1.95)
Consideramos agora o termo de spin-orbita. Temos de calcular elementos de matriz do
tipo
〈N = 2, ℓ = 1, s =1
2, m′
ℓ, m′S|
e2
8πǫ0m2ec
2R3
~L · ~S|N = 2, ℓ = 1, s =
1
2, mℓ, mS〉 . (11.1.96)
Nestes elementos de matriz podemos separar a parte radial, usando a representacao |~r〉:
e2
8πǫ0m2ec
2〈 1
R3〉2p〈ℓ = 1, s =
1
2, m′
ℓ, m′S|~L · ~S|ℓ = 1, s =
1
2, mℓ, mS〉 . (11.1.97)
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 365
Usando (11.1.93) conclui-se que
〈 1
R3〉2p =
1
24a30
,
de onde se conclui que os elementos de matriz sob consideracao podem ser escritos
α4
48~2mec
2〈ℓ = 1, s =1
2, m′
ℓ, m′S|~L · ~S|ℓ = 1, s =
1
2, mℓ, mS〉 . (11.1.98)
O problema reduz-se agora a diagonalizar o operador~L·~S neste espaco 6 dimensional, o que
e automaticamente conseguido se usarmos uma base diferente. A base usada em (11.1.98),
no espaco ℓ = 1, s = 1/2, e uma base propria de L2, S2, Lz e Sz. Se introduzirmos o
momento angular total (tal como na seccao 9.5)
~J =
~L+
~S , (11.1.99)
podemos introduzir a base propria dos operadores L2, S2, J2 e Jz,
|ℓ = 1, s =1
2, J,mJ〉
. (11.1.100)
A relacao entre as duas bases e dada pelos coeficientes de Clebsch-Gordon, que nos permite
traduzir entre elas sem dificuldade.
Usando as regras de adicao de momento angular, vistas na seccao 9.5, J toma dois
valores possıveis: J = 1/2 e J = 3/2, com 2 e 4 valores de mJ associados, respectivamente.
Mostramos agora que o operador~L · ~S esta diagonalizado na base (11.1.100), tendo valor
esperado diferente para diferentes valores de J . Para isso escrevemos
J2 = L2 + S2 + 2~L · ~S ⇔ ~
L · ~S =J2 − L2 − S2
2, (11.1.101)
o que demonstra que~L·~S pode ser escrito em termos de operadores que estao diagonalizados
na base (11.1.100). Daqui resulta que e muito simples calcular os valores esperados de~L · ~S
nesta base:
〈ℓ = 1, s =1
2, J =
1
2, mJ |~L · ~S|ℓ = 1, s =
1
2, J =
1
2, mJ〉 =
~2
2
(
3
4− 2− 3
4
)
= −~2 ,
(11.1.102)
366 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
e
〈ℓ = 1, s =1
2, J =
3
2, mJ |~L · ~S|ℓ = 1, s =
1
2, J =
3
2, mJ〉 =
~2
2
(
15
4− 2− 3
4
)
=~2
2.
(11.1.103)
Como afirmado anteriormente a correccao a energia ira depender de J , mas nao de mJ .
Esta e uma caracterıstica generica.5 Na notacao dos espectroscopistas, introduzida na
seccao 6.4, adiciona-se por isso um sub-ındice J a notacao que tem vindo a ser usada.
Assim, para os estados 2p existem agora os nıveis 2p1/2 e 2p3/2, enquanto que os estados
2s existe apenas o nıvel 2s1/2 (tal como para o estado 1s existe apenas 1s1/2). O valor
esperado nos nıveis 2p1/2 e 2p3/2 da perturbacao WSO e:
〈WSO〉2p1/2= −α
4
48mec
2 , 〈WSO〉2p3/2=α4
96mec
2 . (11.1.106)
Juntando os resultados (11.1.92), (11.1.95) e (11.1.106) obtemos os seguintes nıveis de
energia para os estados 2p:
E2p1/2= −mec
2
(
α2
8+
7α4
384+α4
48
)
= −mec2
(
α2
8+
5α4
128+O(α6)
)
, (11.1.107)
que tem uma degenerescencia 2. Curiosamente a correccao a energia devida a Wf e a
mesma que para o nıvel 2s1/2 (11.1.91). Esta degenerescencia parece ser acidental, ao
contrario da degenerescencia em mJ que resulta da simetria esferica. No entanto, quando
se considera a quantificacao do campo electromagnetico esta degenerescencia e levantada
pelo chamado desvio de Lamb; a energia do nıvel 2s1/2 e entao aumentada, relativamente a
5De facto, a solucao exacta, obtida da equacao de Dirac, para a energia das orbitais do atomo deHidrogenio e dada por
EN,J = mec2
1 +
α2
(
N − J − 1
2+√
(J + 1
2)2 − α2
)2
−1/2
, (11.1.104)
onde se ve que existe apenas dependencia em N e J . Fazendo uma expansao em potencias de α obtem-se:
EN,J = mec2
[
1− α2
2N2− α4
2N4
(
N
J + 1
2
− 3
4
)
+O(α6)
]
. (11.1.105)
Por exemplo, tomando N = 2, J = 1/2 obtem-se (11.1.91), que coincide com (11.1.107); tomando N = 2,J = 3/2, obtem-se (11.1.108).
11.1 Teoria das perturbacoes estacionarias 367
do nıvel 2p1/2 por uma quantidade que e cerca de dez vezes menor que a separacao entre os
nıveis 2p1/2 e 2p3/2. O desvio de Lamb foi descoberto em 1949 e teve grande importancia
no desenvolvimento da Electrodinamica Quantica.
Para o nıvel 2p3/2 obtem-se
E2p3/2= −mec
2
(
α2
8+
7α4
384− α4
96
)
= −mec2
(
α2
8+
α4
128+O(α6)
)
. (11.1.108)
Note-se que a correccao ao nıvel 2p3/2 e ligeiramente inferior a do nıvel 2p1/2, o que levanta
parcialmente a degenerescencia dos estados 2p. Como tal, se considerarmos a transicao
2p −→ 1s, que corresponde a risca α da serie de Lyman do espectro do hidrogenio (λ = 1216A), esta risca, quando analisada com uma resolucao suficiente, divide-se em duas riscas
vizinhas
2p −→ 1s
2p1/2 −→ 1s1/2
2p3/2 −→ 1s1/2
,
que estao separadas por uma energia 4mec2α4/128 - figura 11.1. O espectro do Hidrogenio
apresenta, de facto, uma estrutura fina.
Energia
2s1/2 2s1/2 2p1/2 2p1/2
−mec2“
α2
8+ 5α4
128
”
2p3/2 2p3/2 2p3/2 2p3/2
−mec2“
α2
8+ α4
128
”
|0,0,+〉 |0,0,−〉 |1,0,+〉 |1,0,−〉 |1,1,+〉 |1,1,−〉 |1,−1,+〉 |1,−1,−〉−mec2 α2
8
Figura 11.1: Nıvel N = 2 do atomo de hidrogenio. As linhas solidas representam o espectrode H0, que tem degenerescencia 8, correspondente aos 8 estados possıveis |ℓ,mℓ, ms〉 paraN = 2. As linhas a tracejado representam o espectro com as correccoes da estrutura fina.Ha um levantamento parcial da degenerescencia que passa a ser 4+4. Note que os estadoscorrigidos correspondem a combinacoes lineares dos estados nao perturbados.
368 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo
O objectivo principal da teoria das perturbacoes estacionarias e a determinacao da energia
dos estados estacionarios. Contudo, existem situacoes em que essa nao e a informacao
mais importante. Consideremos, por exemplo, um estado excitado de um atomo. Sabe-
se, experimentalmente, que o sistema decai para o estado fundamental ao fim de algum
tempo. Isso significa que, na presenca do acoplamento ao campo de radiacao, o estado
excitado nao e um estado estacionario do Hamiltoniano. Habitualmente o que interessa
e determinar a probabilidade de transicao para o estado fundamental do atomo e nao os
estados estacionarios do sistema atomo mais campo electromagnetico. E o calculo deste
tipo de probabilidades que iremos descrever nesta seccao.
11.2.1 Formulacao do problema
Consideremos um sistema fısico com Hamiltoniano H0, estados estacionarios |Φn〉 e es-
pectro de energias En:H0|Φn〉 = En|Φn〉 . (11.2.109)
Assumimos que o espectro e discreto e nao degenerado, de modo a facilitar a exposicao;
tomando os estados estacionarios como normalizados temos
〈Φn|Φn′〉 = δnn′ ,∑
n
|Φn〉〈Φn| = 1 . (11.2.110)
Note-se que H0 e independente do tempo, de modo a que os estados |Φn〉 sejam realmente
estados estacionarios.
No instante t = 0, uma pequena perturbacao dependente do tempo e aplicada ao
sistema. O Hamiltoniano toma entao a forma:
H(t) = H0 + W (t) , W (t) = λV (t) , (11.2.111)
onde introduzimos a constante adimensional λ ≪ 1 e a observavel V (t), que pode ser
explicitamente dependente do tempo e e da mesma ordem de magnitude do que H0. A
perturbacao e zero para t < 0.
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 369
Assumimos que o sistema se encontra inicialmente no estado |Φi〉, que e um estado
estacionario de H0 com valor proprio Ei. Depois de aplicada a perturbacao W (t), em
t = 0, o sistema evolui, pelo que |Φi〉 deixara de ser, em geral, um estado estacionario do
Hamiltoniano perturbado. O nosso objectivo e calcular a probabilidade Pif (t), de encontrar
o sistema num outro estado estacionario de H0, |Φf〉, no instante t. Ou seja, pretendemos
estudar as transicoes entre estados estacionarios do Hamiltoniano nao perturbado, que
podem ser induzidas pela perturbacao W (t) - figura 11.2.
t = 0
H0 H0 + W (t)
|Φi〉 |Φi〉Pif (t)−→ |Φf〉
Figura 11.2: Transicao entre dois estados estacionarios de H0 induzida por uma perturbacaoW (t).
Conceptualmente o problema e simples: entre os instantes 0 e t a evolucao do sistema
e descrita pela equacao de Schrodinger
i~d
dt|Ψ(t)〉 =
[
H0 + λV (t)]
|Ψ(t)〉 ; (11.2.112)
como esta e uma equacao diferencial de primeira ordem, impondo a condicao inicial
|Ψ(t = 0)〉 = |Φi〉 , (11.2.113)
a solucao e unica. A probabilidade que pretendemos calcular e:
Pif (t) = |〈Φf |Ψ(t)〉|2 . (11.2.114)
Assim, matematicamente, o problema consiste em resolver a equacao de Schrodinger (11.2.112)
com a condicao inicial (11.2.113), o que em geral tera de ser feito perturbativamente.
11.2.2 Solucao aproximada da equacao de Schrodinger
Como o calculo de (11.2.114) envolve explicitamente os estados estacionarios de H0, vamos
utiliza-los como base, isto e, vamos expandir o estado do sistema |Ψ(t)〉 na representacao
|Φn〉,|Ψ(t)〉 =
∑
n
cn(t)|Φn〉 , cn(t) = 〈Φn|Ψ(t)〉 . (11.2.115)
370 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Obviamente, o Hamiltoniano nao perturbado e representado nesta base por uma matriz
diagonal
〈Φn|H0|Φm〉 = Enδnm , (11.2.116)
enquanto que a observavel W (t) tem elementos de matriz
〈Φn|W (t)|Φm〉 = Wnm(t) = λVnm(t) . (11.2.117)
Introduzindo na equacao de Schrodinger (11.2.112) a relacao de fecho
i~d
dt
∑
k
|Φk〉〈Φk|Ψ(t)〉 =∑
k
|Φk〉[
〈Φk|H0|Ψ(t)〉+ 〈Φk|λV (t)|Ψ(t)〉]
⇔ i~d
dtck(t) = Ekck(t) + λ
∑
p
Vkp(t)cp(t) .
(11.2.118)
Estas equacoes ordinarias diferenciais de primeira ordem acopladas (pelos elementos de
matriz da perturbacao Vkp) permitem-nos determinar, perturbativamente, os coeficientes
ck(t). Vejamos como.
Primeiro observamos que se λV (t) = 0, as equacoes deixam de estar acopladas. Neste
caso a solucao e muito simples:
cn(t) = bne−iEnt/~ , (11.2.119)
onde bn sao constantes que dependem das condicoes iniciais. Por exemplo, com a condicao
(11.2.113), teremos bi = 1 e bj = 0 para j 6= i.
Se λV (t) nao for zero mas ainda assim for muito pequeno (i.e. λ≪ 1 sendo os elementos
de matriz de V (t) da ordem dos de H0), a solucao devera ser ainda proxima de (11.2.119).
Tomamos como forma para esta solucao
cn(t) = bn(t)e−iEnt/~ , (11.2.120)
e esperamos que bn(t) sejam funcoes que variam lentamente com o tempo. Inserindo
(11.2.120) em (11.2.118) obtemos
i~
(
d
dtbn(t)
)
e−iEnt/~ = λ∑
p
Vnp(t)bp(t)e−iEpt/~ . (11.2.121)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 371
Multiplicando ambos os lados por eiEnt/~ e introduzindo a frequencia angular de Bohr :
ωnp =En −Ep
~, (11.2.122)
obtemos
i~
(
d
dtbn(t)
)
= λ∑
p
Vnp(t)bp(t)eiωnpt . (11.2.123)
Este sistema de equacoes e rigorosamente equivalente a equacao de Schrodinger, dado
que ainda nao introduzimos qualquer aproximacao. Mas como em geral nao conseguimos
encontrar uma solucao exacta de (11.2.123), teremos de recorrer a metodos de aproximacao.
Dado que λ≪ 1 fazemos uma expansao em serie de potencias para bn(t)
bn(t) = b0n(t) + λb1n(t) + λ2b2n(t) + . . . =
+∞∑
k=0
λkbkn(t) ; (11.2.124)
esperamos que esta expansao convirja rapidamente, permitindo-nos trunca-la numa dada
ordem para obter uma solucao aproximada. Substituindo esta expansao em (11.2.123)
obtemos
i~
(
d
dt
+∞∑
k=0
λkbkn(t)
)
=∑
p
Vnp(t)+∞∑
k=0
λk+1bkp(t)eiωnpt ; (11.2.125)
igualando as potencias de λ temos:
• Ordem λ0:
i~d
dtb0n(t) = 0 . (11.2.126)
Isto e, b0n nao depende do tempo. Este e o resultado esperado para λ = 0;
• Ordem λk, k ≥ 1:
i~d
dtbkn(t) =
∑
p
Vnp(t)eiωnptbk−1
p . (11.2.127)
Obtemos, pois, uma relacao de recorrencia: inserindo a solucao de ordem zero em
(11.2.127), obtemos a solucao de primeira ordem, que por sua vez inserida no lado
direito de (11.2.127) origina a relacao de segunda ordem, etc.
372 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Examinemos em detalhe a solucao ate primeira ordem. Assumimos, tal como referido
anteriormente, que para t < 0 o sistema se encontra no estado |Φi〉. Em t = 0 existe uma
descontinuidade no Hamiltoniano, pois
H = H0t=0−→ H = H0 + λV (t) ;
mas dado que a descontinuidade e finita, a funcao de onda e contınua em t = 0. A condicao
inicial e
bn(t = 0) = δni ⇒
b0n(t = 0) = δni ,
bkn(t = 0) = 0 , k ≥ 1 .(11.2.128)
A equacao (11.2.126) implica que
b0n(t) = δni , t ≥ 0 , (11.2.129)
o que determina a solucao de ordem zero. Introduzindo esta solucao em (11.2.127) com
k = 1 temos
i~d
dtb1n(t) =
∑
p
Vnp(t)eiωnptδpi = Vni(t)e
iωnit . (11.2.130)
Levando em conta a condicao inicial b1n(t = 0) = 0, obtemos
b1n(t) =1
i~
∫ t
0
Vni(t′)eiωnit
′
dt′ . (11.2.131)
Logo, o estado do sistema em primeira ordem em λ e
|Ψ(t)〉 =
|Φi〉 , t < 0 ,
(
δni +λ
i~
∑
n
[∫ t
0
Vni(t′)eiωnit′dt′
]
e−iEnt/~ +O(λ2)
)
|Φn〉 , t ≥ 0 .
(11.2.132)
Note que a funcao de onda esta normalizada apenas em primeira ordem em λ. A per-
turbacao mistura |Φi〉 com todos os outros estados proprios de H0, |Φn〉, para os quais
Vni 6= 0. A probabilidade de transicao para um estado final |Φf〉 e dada por
Pif (t) = |〈Φf |Ψ(t)〉|2 = |〈Φf |∑
n
cn(t)|Φn〉|2 = |cf(t)|2(11.2.120)
= |bf(t)|2 . (11.2.133)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 373
Queremos considerar uma transicao induzida pela perturbacao W (t); logo consideramos o
estado final diferente do inicial. Em primeira ordem
bf (t) = 0 +λ
i~
∫ t
0
Vfi(t′)eiωfit
′
dt′ +O(λ2) , (11.2.134)
e como tal
Pif (t) =1
~2
∣
∣
∣
∣
∫ t
0
Wfi(t′)eiωfit
′
dt′∣
∣
∣
∣
2
, i 6= f . (11.2.135)
Alguns comentarios:
• Para t fixo e considerando Pif como funcao de Ef , a probabilidade de transicao e pro-
porcional ao quadrado do modulo da transformada de Fourier da perturbacao (a
semelhanca do que acontece com a aproximacao de Born (10.2.28));
• A probabilidade de transicao e zero, nesta ordem, se Wfi(t′) = 0, ∀t′ ∈ [0, t];
• A aproximacao de primeira ordem resulta de substituir na equacao de Schrodinger
(11.2.123), bp(t) pelos seus valores em t = 0. E natural que esta seja uma boa
aproximacao para t pequeno, mas para t grande em princıpio teremos de considerar
termos de ordem λ2, λ3, etc, que deverao ser importantes.
11.2.3 Aplicacao a uma perturbacao sinusoidal ou constante
Como aplicacao do formalismo desenvolvido na seccao anterior consideramos uma per-
turbacao com uma das seguintes formas:
V (t) = V sinωt ∨ V (t) = V cosωt , (11.2.136)
onde V e uma observavel independente do tempo e ω e uma frequencia angular constante.
Este tipo de perturbacao e a que se encontra, por exemplo, na interaccao de uma onda
electromagnetica monocromatica de frequencia ω com um sistema fısico. Neste caso, Pif (t)
representara a probabilidade de transicao |Φi〉 −→ |Φf 〉 induzida pela radiacao incidente.
Algo ingenuamente poderıamos ser levados a pensar que esta transicao seria possıvel se
e so se ω = ±ωfi. Isto e, que Pif para t fixo e como funcao de ω teria dois picos (tipo
374 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
delta de Dirac) em ω = ±ωfi, sendo zero para outros ω. Contudo, devido ao princıpio da
incerteza a situacao e um pouco diferente, como agora demonstramos.
Na base dos estados estacionarios do Hamiltoniano nao perturbado, podemos escrever
os elementos de matriz da primeira perturbacao em (11.2.136) como
〈Φf |V (t)|Φi〉 = 〈Φf |V |Φi〉 sinωt ≡ Vfi sinωt = Vfieiωt − e−iωt
2i. (11.2.137)
Substituindo na formula geral (11.2.131)
b1f(t) =1
i~
∫ t
0
Vfiei(ωfi+ω)t′ − ei(ωfi−ω)t′
2idt′ = −Vfi
2i~
(
ei(ωfi+ω)t − 1
ωfi + ω− ei(ωfi−ω)t − 1
ωfi − ω
)
.
(11.2.138)
Usando (11.2.133), temos em primeira ordem
Pif (t) = |bf (t)|2 = λ2|b1f (t)|2 , (11.2.139)
que no caso em estudo depende tambem do parametro da perturbacao ω, pelo que escreve-
mos
Pif (t, ω) =|Wfi|24~2
∣
∣
∣
∣
1− ei(ωfi+ω)t
ωfi + ω∓ 1− ei(ωfi−ω)t
ωfi − ω
∣
∣
∣
∣
2
. (11.2.140)
O sinal inferior refere-se ao resultado do mesmo calculo usando a segunda perturbacao
(V (t) = V cosωt) em (11.2.136), em vez da primeira. Para uso posterior consideramos
essa perturbacao (i.e o cos) no limite ω = 0 em que obtemos uma perturbacao constante,
para a qual, o resultado e
Pif (t) =|Wfi|2ω2
fi~2|1− eiωfit|2 =
|Wfi|2~2
sin2 ωfit
2(ωfi
2
)2 . (11.2.141)
Vamos agora considerar dois casos distintos:
1) Quando ambos os estados |Φi〉 e |Φf〉 pertencem a um espectro discreto;
2) Quando |Φf 〉 pertence a um contınuo de estados finais.
No primeiro caso Pif representa uma probabilidade, enquanto que no segundo representa
uma densidade de probabilidade.
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 375
1) Perturbacao sinusoidal que acopla dois estados discretos: um fenomeno deressonancia
Fixemos o tempo t, de modo a considerarmos a probabilidade Pif(t, ω) como funcao apenas
da frequencia ω. A analise de (11.2.140) envolve analisarmos os termos
A± =1− ei(ωfi±ω)t
ωfi ± ω= −iei(ωfi±ω)t/2 sin
(
(ωfi ± ω) t2
)
(ωfi ± ω)/2. (11.2.142)
Se ω ≃ ±ωfi, o denominador de A∓ fica aproximadamente zero. Se simultaneamente t
for suficientemente elevado, o argumento do seno no numerador de A∓ nao e aproximada-
mente zero. Nestas condicoes esperamos que A∓ domine em (11.2.140) sobre A±; o primeiro
e o ultimo designam-se por, respectivamente, termo ressonante e termo anti-ressonante.
Estabelecemos desde ja, o seguinte criterio quantitativo que comentaremos graficamente
em baixo: se
i) |ω ∓ ωfi| ≪ |ωfi| , ii) 1≪ t|ωfi| , (11.2.143)
podemos negligenciar A± em (11.2.140); obtemos entao:
Pif (t, ω) ≃ |Wfi|24~2
(
sin(
(ωfi ∓ ω) t2
)
(ωfi ∓ ω)/2
)2
. (11.2.144)
Para t fixo representamos Pif (t, ω) em funcao de ω na figura 11.3, para ω ≃ ωfi. Note-
se o fenomeno de ressonancia para Pif (t, ω) quando ω = ωfi. Para ω ≃ −ωfi existe um
fenomeno semelhante de ressonancia em ω = −ωfi, sendo o grafico respectivo o simetrico
relativamente ao eixo w = 0 da figura 11.3.
Podemos compreender graficamente o significado das aproximacoes i) e ii) (11.2.143):
i) significa que estamos a considerar o grafico de Pif(t, ω) na regiao em que ω esta proxima
do pico (logo proxima de ωfi); ii) significa que as zonas do grafico de (11.2.140) em que
A+ e A− dominam estao bem separadas; isto e
2|ωfi| ≫ ∆ω ⇔ |ωfi| ≫2π
t⇔ |ωfi|t≫ 1 .
Fisicamente, esta condicao significa que temos de esperar tempo suficiente para o sistema
perceber que a perturbacao e sinusoidal.
376 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Figura 11.3: Probabilidade de transicao Pif(t, ω) em funcao de ω para t fixo. Existe umfenomeno de ressonancia quando ω = ωfi. A curva apresenta um “padrao de difraccao”.Pif (t, ω) tem zeros em ωfi−ω = 2nπ/t; logo, a largura da ressonancia, ∆ω, estimada comoa distancia entre os dois zeros de Pif (t, ω) que rodeiam o maximo e ∆ω = 4π/t (Extraıdode Cohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
Notemos a diferente interpretacao fısica das duas ressonancias de Pif . A ressonancia
em ω = ωfi corresponde a um processo com Ef > Ei, ou seja a excitacao do sistema pela
absorcao de um fotao enquanto que a ressonancia em ω = −ωfi corresponde a um processo
com Ef < Ei, ou seja o decaimento do sistema pela emissao de um fotao - figura 11.4.
Ei
Ef
γ
|Φi〉
|Φf 〉
Ei
Ef
|Φi〉
|Φf〉
γ
Figura 11.4: As ressonancias para ω = ±ωfi tem interpretacoes de absorcao (ω = ωfi) -esquerda - ou emissao (ω = −ωfi) - direita - de um fotao.
Comentarios:
• Pif (t, ω) tem maximos em ω = ±ωif , correspondendo a absorcao/emissao de fotoes
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 377
com a frequencia de Bohr; mas as ressonancias tem largura, ∆ω, estimada como a
distancia entre os dois zeros de Pif(t, ω) que rodeiam o maximo. Esta largura pode
ser entendida como uma manifestacao da relacao de incerteza para tempo e energia.
Se tentassemos medir a diferenca de energia Ef − Ei = ~ωfi, aplicando uma onda
electromagnetica, variando ω e tentando encontrar a ressonancia, obteriamos uma
incerteza na energia:
∆E = ~∆ω ≃ ~4π
t⇒ ∆E∆t & ~ ,
para uma perturbacao que actuou um tempo ∆t. Logo, para medir a diferenca de
energia Ef −Ei com incerteza nula ∆E = 0, teriamos de deixar actuar a perturbacao
durante um tempo infinito.
• No final da seccao anterior comentamos que a aproximacao de primeira ordem deixara
de ser valida para t grande. No entanto, neste exemplo requeremos que t seja sufi-
cientemente grande na aproximacao que usamos, o que podera parecer incompatıvel.
De facto, que t nao podera ser demasiado grande e manifesto em que (de (11.2.144)
usando limx→0 sin x/x)
Pif (t;ω = ωfi) =|Wfi|2t2
4~2
t→+∞−→ +∞ ;
em particular a probabilidade torna-se maior do que 1, o que nao faz sentido. Neces-
sitamos por isso de impor|Wfi|t
~≪ 1 ;
o estudo das proximas ordens perturbativas revela que esta condicao e, de facto,
necessaria, se bem que nao suficiente, para garantir a validade da analise de primeira
ordem aqui feita.
• Analisando o grafico da figura 11.3 vemos que a altura da ressonancia depende de Wfi.
Se a perturbacao tiver elementos de matriz Wfi diferentes para diferentes linhas
espectrais, podemos compreender porque e que algumas linhas espectrais sao mais
378 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
intensas do que outras. Esta era uma lacuna importante na teoria de Bohr (capıtulo
2), que a Mecanica Quantica resolve.
• No caso de uma perturbacao constante, Pif (t, ω) e dado por (11.2.141) que tem uma
ressonancia para ω = 0 - figura 11.5, de modo a conservar a energia do sistema.
Note-se que a largura da ressonancia e a mesma que antes, mas a altura e 4 vezes
superior, devido a interferencia construtiva entre termo ressonante e anti-ressonante.
Figura 11.5: Pif(t, ω) para t constante como funcao de ω (Extraıdo de Cohen et al, ‘Quan-tum Mechanics ’).
2) Acoplamento entre estados de um espectro contınuo
Se a energia Ef pertencer a uma zona contınua do espectro de H0, temos de interpretar
|〈Φf |Ψ〉|2 como uma densidade de probabilidade. A probabilidade fısica e obtida integrando
esta densidade de probabilidade sobre uma conjunto de estados finais. Esta integracao
introduz uma medida, denominada densidade de estados finais ρ(E), como explicamos
com o seguinte exemplo.
Consideramos o problema da difusao de uma partıcula sem spin, de massa m por um
potencial W (~r). No instante t, o estado |Ψ(t)〉 pode ser expandido na representacao |~p〉,correspondendo a estados com momento bem definido ~p, energia E = ~p2/2m e funcao de
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 379
onda espacial
〈~r|~p〉 =
(
1
2π~
)3/2
ei~p·~r/~ .
Se o estado |Ψ(t)〉 estiver normalizado, a densidade de probabilidade associada ao momento
~p e
d3P(~p) = |〈~p|Ψ(t)〉|2d3~p .
Conceptualmente podemos, numa experiencia, programar um detector para dar sinal quando
a partıcula difundida tiver um momento ~pf . Mas na pratica, o detector tera uma abertura
finita e o seu filtro de energia nao sera perfeito; dara sinal sempre que o momento da
partıcula difundida estiver num angulo solido δΩf , em torno de ~pf e a sua energia num
intervalo δEf centrada em ~p2f/2m. Seja Df o domınio no espaco de momentos definido por
estas condicoes. A probabilidade de obter um sinal do detector e
δP(~pf , t) =
∫
~p∈Df
|〈~p|Ψ(t)〉|2d3~p .
Mudamos a variavel de integracao de momento para energia:
d3~p = p2dpdΩ ≡ ρ(E)dEdΩ ,
onde, genericamente, ρ(E) e a densidade de estados finais. No exemplo que estamos a
considerar,
E =p2
2m⇒ dp =
√
m
2EdE ; (11.2.145)
logo identificando p2dp ≡ ρ(E)dE lemos
ρ(E) = p2 dp
dE=√
2Em3 . (11.2.146)
Em termos de um integral na energia, a probabilidade de o detector dar sinal e
δP(~pf , t) =
∫
Ω∈δΩf ,E∈δEf
|〈~p|Ψ(t)〉|2ρ(E)dΩdE . (11.2.147)
A densidade de estados funciona pois como uma medida de integracao.
Consideramos agora o caso geral. Tomamos um contınuo de estados estacionarios de
H0, rotulados por um conjunto de numeros quanticos que denotamos por α. Estes estados
380 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
obedecem a
〈α|α′〉 = δ(α− α′) .
A probabilidade de encontrar o sistema num dado grupo de estados finais, denominado
Df , com um conjunto de valores de α centrados a volta de αf e
δP(αf , t) =
∫
α∈Df
dα|〈α|Ψ(t)〉|2 . (11.2.148)
Tal como no exemplo anterior, mudamos de variavel de integracao para a energia, o que
introduz uma medida de integracao ρ(β,E), que e uma densidade de estados finais que
pode depender de outros numeros quanticos que designamos genericamente por β (que
existirao caso H0 nao constitua, per se, o C.C.O.C.):
dα = ρ(β,E)dβdE .
Mudando da base |α〉 para a base |β,E〉 e sendo o domınio Df caracterizado, na nova
base, por β ∈ δβf e E ∈ δEf , a probabilidade (11.2.148) fica
δP(αf , t) =
∫
β∈δβf ,E∈δEf
dβdEρ(β,E)|〈β,E|Ψ(t)〉|2 . (11.2.149)
Usando esta expressao vamos agora deduzir um importante resultado para a probabilidade
de transicao por unidade de tempo, denominado Regra de Ouro de Fermi.
Consideramos que o sistema se encontra num estado proprio |Φi〉 de H0. Vimos an-
teriormente que para o caso de uma perturbacao constante a probabilidade de transicao
|Φi〉 −→ |Φf 〉 e (11.2.141):
Pif (t) =|Wfi|2
~2
sin2 ωfit
2(ωfi
2
)2 , (11.2.150)
que reescrevemos na forma
|〈Φf |Ψ(t)〉|2 =|〈Φf |W |Φi〉|2
~2F (t, ωfi) . (11.2.151)
O calculo que nos levou a esta formula permanece valido se em vez de calcular 〈Φf |Ψ(t)〉tivessemos calculado 〈β,E|Ψ(t)〉, onde |β,E〉 pertence a um contınuo de estados finais;
neste caso o resultado e reescrito
|〈β,E|Ψ(t)〉|2 =|〈β,E|W |Φi〉|2
~2F
(
t,E − Ei
~
)
. (11.2.152)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 381
Usando (11.2.149) obtemos, para a probabilidade de transicao de |Φi〉 para um conjunto
de estados num domınio em torno do estado com energia Ef e outros numeros quanticos
βf (isto e αf )
δP(Φi, αf , t) =1
~2
∫
β∈δβf ,E∈δEf
dβdEρ(β,E)|〈β,E|W |Φi〉|2F(
t,E −Ei
~
)
. (11.2.153)
Analisemos a funcao
F
(
t,E −Ei
~
)
≡ sin2(
E−Ei
2~t)
(
E−Ei
2~
)2 ,
para t fixo em funcao de ωfi. Para t suficientemente grande, esta funcao pode ser aproxi-
mada por um delta de Dirac, centrado em E = Ei. De facto, uma das funcoes que aproxima
um delta de Dirac e:
δǫ(x) = ǫsin2 x
ǫ
x2, δ(x) = lim
ǫ→0
δǫ(x)
π.
Na figura 11.6 representamos δǫ(x) para diferentes valores de ǫ.
Figura 11.6: δǫ(x) para ǫ = 1, 0.5, 0.25, respectivamente.
Tomando ǫ = 1/t, x = (E −Ei)/2~, temos
δ
(
E −Ei
2~
)
= limt→∞
1
tπ
sin2(
E−Ei
2~t)
(
E−Ei
2~
)2 = limt→∞
1
tπF
(
t,E − Ei
~
)
.
Logo, para t elevado
F
(
t,E −Ei
~
)
≃ tπδ
(
E − Ei
2~
)
.
382 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Usando ainda que para a funcao delta de Dirac
δ(cx) =1
|c|δ(x) ,
obtemos, para t elevado,
F
(
t,E − Ei
~
)
≃ 2~tπδ(E − Ei) . (11.2.154)
Vamos concentrar-nos numa perturbacao constante e consideramos as seguintes aprox-
imacoes:
• t e suficientemente elevado para (11.2.154) ser uma boa aproximacao;
• t e suficientemente pequeno para o tratamento perturbativo de primeira ordem ser boa
aproximacao; isto significa que os coeficientes bnf (t) nao variam demasiado rapida-
mente com t; concretamente, se considerarmos b1f (t), temos, por (11.2.131) e para
uma perturbacao constante
b1f (t) =Vfi
i~
∫ t
0
eiωfit′
dt′ = −2iVfi
ωfieiωfit/2 sin
ωfit
2. (11.2.155)
Para esta quantidade nao variar “demasiado rapidamente” tomamos
ωfit
2≪ 1 ⇔ Ef −Ei ≪
2~
t, (11.2.156)
que corresponde a frequencia de Bohr pequena. Assim, depois de fixar t suficiente-
mente grande para (11.2.154) ser uma boa aproximacao tomamos Ef suficientemente
proximo de Ei.
• No pequeno intervalo de estados finais que resulta das condicoes da alınea anterior,
assumimos que δβf e pequeno, pelo que a integracao em β e desnecessaria.
Sob tais condicoes, (11.2.153) fica
δP(Φi, αf , t) =
δβf2πt~|〈βf , Ef = Ei|W |Φi〉|2ρ(βf , Ef = Ei) , se Ei ∈ δEf ,
0 , se Ei /∈ δEf .
(11.2.157)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 383
Ou seja, a perturbacao constante so pode induzir transicoes entre nıveis com a mesma
energia, a menos de uma largura δEf igual a 2π~/t (estimada como a distancia entre zeros
consecutivos de F (t, (E −Ei)/~)), que resulta da incerteza tempo/energia.
Como a probabilidade aumenta linearmente com o tempo6, a probabilidade de transicao
por unidade de tempo e constante. A densidade de probabilidade de transicao, por unidade
de tempo e por unidade da variavel βf e:
p(Φi, αf ) =d
dt
δP(Φi, αf , t)
δβf=
2π
~|〈βf , Ef = Ei|W |Φi〉|2ρ(βf , Ef = Ei) . (11.2.158)
Esta e a Regra de Ouro de Fermi (ou, mais correctamente Fermi-Dirac, pois foi Dirac quem
fez grande parte do trabalho que levou a esta regra). Mais esquematicamente
pi→f =2π
~|Wfi|2ρf . (11.2.159)
Note-se que esta regra se aplica a perturbacoes independentes do tempo, embora seja
derivada usando o formalismo de teoria de perturbacoes dependentes do tempo.
Existem muitas aplicacoes de importancia da regra de ouro de Fermi nesta forma; mas
a regra pode ser generalizada para perturbacoes dependentes do tempo. Por exemplo,
se em vez de termos considerado a perturbacao constante tivessemos considerado uma
perturbacao sinusoidal (11.2.136), que acopla |Φi〉 a um contınuo de estados |βf , Ef 〉, com
energias proximas de Ei + ~ω, terıamos obtido
p(Φi, αf) =π
2~|〈βf , Ef = Ei + ~ω|W |Φi〉|2ρ(βf , Ef = Ei + ~ω) . (11.2.160)
Entre as aplicacoes da regra de ouro de Fermi encontram-se os calculos de seccao eficaz
de difusao e probabilidades de decaimento (como o decaimento beta). Como exemplo de
aplicacao consideramos de seguida um calculo de difusao.
Exemplo: Derivacao da aproximacao de Born para a seccao eficaz de difusao pela
regra de ouro de Fermi.
6O que sera valido apenas para tempos pequenos e e o resultado esperado para uma perturbacaoconstante.
384 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Consideramos a difusao de uma partıcula por um potencial W , cujos elementos de
matriz, na representacao |~r〉 sao dados por
〈~r|W |~r′〉 = W (~r)δ(~r − ~r′) .
Assumimos que o estado inicial do sistema e um estado proprio do momento:
|Ψ(t = 0)〉 = |~pi〉 . (11.2.161)
Vamos calcular a probabilidade de transicao desta partıcula (i.e a difusao pelo potencial)
para estados com momento ~p em torno de ~pf (|~pi| = |~pf |) por unidade de tempo e de angulo
solido. Pela regra de ouro de Fermi (11.2.158)
p(~pi, ~pf) =2π
~|〈~pf |W |~pi〉|2ρ(Ef = Ei) ;
usamos
〈~pf |W |~pi〉 =
∫ ∫
d~rd~r′〈~pf |~r〉〈~r|W |~r′〉〈~r′|~pi〉
=
∫ ∫
d~rd~r′(
1
2π~
)3/2
e−i~pf ·~r/~W (~r)δ(~r − ~r′)(
1
2π~
)3/2
ei~pi·~r′/~
=
(
1
2π~
)3 ∫
d~rei(~pi−~pf )·~r/~W (~r) ;
e levando em consideracao (11.2.146) obtemos
p(~pi, ~pf) =2π
~(2π~)6
∣
∣
∣
∣
∫
d~rei(~pi−~pf )·~r/~W (~r)
∣
∣
∣
∣
2
m√
2mE . (11.2.162)
A seccao eficaz diferencial de difusao foi definida por (10.1.1)
dn = σ(θ, φ)FidΩ , (11.2.163)
e portanto
σ(θ, φ) =dn
FidΩ, [σ] = L2 ,
que corresponde um “numero de partıculas detectadas por unidade de tempo, fluxo inci-
dente e angulo solido”. Comparando com
p(~pi, ~pf) , [p] =1
T,
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 385
que corresponde a uma “probabilidade de transicao por unidade de tempo e angulo solido”,
concluimos que para identificar p(~pi, ~pf) com σ(θ, φ) necessitamos de dividir a primeira
quantidade por um “fluxo”. O candidato natural e o vector densidade de corrente de
probabilidade ~Ji para as partıculas incidentes:
~Ji(~r) =1
mRe
(
Φ∗(~r)~
i∇Φ(~r)
)
, [ ~J ] = [Fluxo] =1
TL2. (11.2.164)
Para
Φ(~r) =
(
1
2π~
)3/2
ei~pi·~r/~ ,
obtemos
~Ji =~pi
m(2π~)3⇒ | ~Ji| =
1
m(2π~)3
√
2Eim .
Assimp(~pi, ~pf)
| ~Ji|=
m2
4π2~4
∣
∣
∣
∣
∫
d3~rei(~pi−~pf )·~r/~W (~r)
∣
∣
∣
∣
2
, (11.2.165)
que coincide com a formula para σ(θ, φ) na aproximacao de Born (10.2.28).
11.2.4 Probabilidade de transicao via operador de evolucao
A probabilidade de transicao (11.2.135), pode ser obtida por um outro metodo que tem
a vantagem de se tornar mais simples em ordens superiores a primeira. A razao e que
este outro metodo emprega uma tecnica de diagramas, bastante intuitivos, para construir
as amplitudes de transicao em cada ordem. O metodo em questao, que iremos agora
estudar, usa o operador de evolucao U(t, t0), introduzido na seccao 4.5.3, para deduzir a
probabilidade de transicao Pif (t). Este metodo levara naturalmente a uma interpretacao
grafica da serie perturbativa, no espırito dos diagramas de Feynman usados em Teoria
Quantica de Campo. Com este objectivo comecaremos por discutir as varias representacoes
da Mecanica Quantica.
As representacoes de Schrodinger, Heisenberg e Interaccao
O formalismo com que temos estudado a Mecanica Quantica contem:
• Operadores (observaveis) genericamente independentes do tempo: R, P , etc.
386 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
• Um estado genericamente dependente do tempo, |Ψ(t)〉, que nesta seccao denotamos
|ΨS(t)〉.
A evolucao do sistema esta inteiramente contida na evolucao do estado |ΨS(t)〉 e e deter-
minada pela equacao de Schrodinger; por isso este formalismo e denominado representacao
de Schrodinger.
O operador de evolucao U(t, t0) depende do tempo e podemos usa-lo para construir um
formalismo em que:
• Operadores (observaveis) serao dependentes do tempo;
• O estado sera independente do tempo, sendo denotado por |ΨH〉;
Este formalismo e denominado representacao de Heisenberg. A unitariedade do operador
de evolucao garante que as previsoes da Mecanica Quantica (probabilidades e valores es-
perados) feitas nas duas representacoes sao perfeitamente equivalentes. Para confirmarmos
que assim e consideremos, mais explicitamente, a relacao entre os dois formalismos.
Por definicao, o operador de evolucao relaciona o estado do sistema em dois instantes
diferentes do seguinte modo:
|ΨS(t)〉 = U(t, t0)|ΨS(t0)〉 . (11.2.166)
O estado na representacao de Heisenberg e introduzido como
|ΨH〉 ≡ |ΨS(t0)〉 = U †(t, t0)|ΨS(t)〉 , (11.2.167)
onde usamos a unitariedade do operador de evolucao. Isto e, o estado na representacao de
Heisenberg e o estado inicial na representacao de Schrodinger e como tal e independente
do tempo.
Consideramos agora um operador generico na representacao de Schrodinger, que podera
ou nao depender do tempo e que denotamos por AS(t). O seu valor esperado no estado
|ΨS(t)〉 e dado por
〈A〉(t) = 〈ΨS(t)|AS(t)|ΨS(t)〉 = 〈ΨS(t0)|U †(t, t0)AS(t)U(t, t0)|ΨS(t0)〉 . (11.2.168)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 387
Na representacao de Heisenberg, a mesma observavel sera representada pelo operador
AH(t), e o seu valor esperado sera
〈A〉(t) = 〈ΨH|AH(t)|ΨH〉 . (11.2.169)
Requerendo que (11.2.168) e (11.2.169) sejam equivalentes obtemos
AH(t) = U †(t, t0)AS(t)U(t, t0) , (11.2.170)
que genericamente depende do tempo, mesmo que AS nao dependa.
Calculemos agora a evolucao temporal de um operador na representacao de Heisenberg.
Como calculo preliminar derivamos (11.2.166) em ordem ao tempo
i~d
dt|ΨS(t)〉 =
(
i~d
dtU(t, t0)
)
|ΨS(t0)〉 , (11.2.171)
dado que |ΨS(t0)〉 nao depende do tempo; substituindo o lado esquerdo pelo uso da equacao
de Schrodinger na forma
i~d
dt|ΨS(t)〉 = HS(t)U(t, t0)|ΨS(t0)〉 , (11.2.172)
obtem-sed
dtU(t, t0) =
1
i~HS(t)U(t, t0) . (11.2.173)
A equacao adjunta ed
dtU †(t, t0) = − 1
i~U †(t, t0)HS(t) . (11.2.174)
Derivamos agora (11.2.170) em ordem ao tempo; usando (11.2.173) e (11.2.174) obtemos
d
dtAH(t) =
− 1
i~U †(t, t0)HS(t)AS(t)U(t, t0) + U †(t, t0)
dAS(t)
dtU(t, t0) +
1
i~U †(t, t0)AS(t)HS(t)U(t, t0) ;
(11.2.175)
Introduzindo 1 = U(t, t0)U†(t, t0) no primeiro e terceiro termo do lado direito entre os
operadores AS e HS obtemos:
i~d
dtAH(t) =
[
AH(t), HH(t)]
+ i~
(
dAS(t)
dt
)
H
. (11.2.176)
388 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
Esta e a equacao de evolucao na representacao de Heisenberg. Do mesmo modo que,
na representacao de Schrodinger, toda a informacao sobre a evolucao do sistema (con-
tida em |ΨS(t)〉) e dada pela equacao de Schrodinger, na representacao de Heisenberg,
toda a informacao sobre a evolucao do sistema (contida em AH(t)) e dada pela equacao
(11.2.176).7 Note-se a semelhanca formal entre (11.2.176) e (1.3.28); na representacao
de Schrodinger uma tal semelhanca existe apenas para a evolucao dos valores medios de
observaveis (4.4.59).
Existe uma terceira representacao, que e introduzida para lidar com perturbacoes a um
sistema cuja solucao exacta e conhecida: a representacao de interaccao. Consideremos o
Hamiltoniano:
H = H0(t) + W (t) . (11.2.177)
Seja U0(t, t0) o operador de evolucao do Hamiltoniano nao perturbado H0(t); isto e, se
W (t) = 0, entao
|ΨS(t)〉 = U0(t, t0)|ΨS(t0)〉 . (11.2.178)
Seja U(t, t0) o operador de evolucao do Hamiltoniano total; entao
|ΨS(t)〉 = U(t, t0)|ΨS(t0)〉 . (11.2.179)
Definimos o estado do sistema na representacao de interaccao |ΨI(t)〉 como
|ΨS(t)〉 = U0(t, t0)|ΨI(t)〉 ⇔ |ΨI(t)〉 = U †0 (t, t0)|ΨS(t)〉 , (11.2.180)
em que t0 e o instante em que a perturbacao comecou a actuar. Note-se a semelhanca com
(11.2.167), substituindo U ↔ U0, o que nos leva a concluir que se o Hamiltoniano fosse
apenas o Hamiltoniano no perturbado, o estado de interaccao coincidiria com o estado de
Heisenberg e seria constante. Para verificarmos isto calculemos a evolucao do estado na
representacao de interaccao:
i~d
dt|ΨI(t)〉 =
(
i~d
dtU †
0(t, t0)
)
|ΨS(t)〉+ U †0(t, t0)
(
i~d
dt|ΨS(t)〉
)
. (11.2.181)
7Historicamente, as duas representacoes aparecem no mesmo ano, 1925, com a equacao de Schrodingere a mecanica matricial de Heisenberg. A equivalencia foi provada por Schrodinger em Marco de 1926 noartigo ‘Uber das Verhaltnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen’.
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 389
Usando o analogo de (11.2.174) para U0,
i~d
dtU †
0(t, t0) = −U †0 (t, t0)H0(t) , (11.2.182)
no primeiro termo do lado direito e a equacao de Schrodinger
i~d
dt|ΨS(t)〉 = (H0(t) + W (t))|ΨS(t)〉 , (11.2.183)
para o segundo termo, (11.2.181) toma a forma:
i~d
dt|ΨI(t)〉 = U †
0(t, t0)W (t)U0(t, t0)|ΨI(t)〉 ≡ WI(t)|ΨI(t)〉 . (11.2.184)
Note-se que a relacao de WI com W , i.e. da perturbacao na representacao de interaccao
e na representacao de Schrodinger e semelhante a relacao dos operadores na representacao
de Heisenberg e de Schrodinger (11.2.170), mais uma vez substituindo U ↔ U0. Esta e a
equacao de evolucao na representacao de interaccao. Se W = 0, entao |ΨI(t)〉 = constante;
por (11.2.180)
|ΨS(t)〉 = U0(t, t0)|ΨI(t)〉 , (11.2.185)
pelo que podemos interpretar o estado constante no tempo como |ΨI(t)〉 = |ΨS(t0)〉 =
|ΨH〉; logo interpretamos o estado de interaccao como a evolucao de |ΨS(t0)〉 devida so-
mente a perturbacao, como ilustrado na figura 11.7.
|ΨS(t0)〉
H0
|ΨI(t)〉W (t)
U0(t, t0)|ΨS(t0)〉
Figura 11.7: Evolucao do estado |ΨS(t0)〉, separando as contribuicoes do Hamiltonianonao perturbado H0 e da perturbacao W (t). Se W (t) ≪ H0 esperamos que a evolucao de|ΨI(t)〉 seja muito mais lenta do que a de U0(t, t0)|ΨS(t0)〉.
Podemos integrar, formalmente, a equacao (11.2.184), obtendo
|ΨI(t)〉 = |ΨI(t0)〉+1
i~
∫ t
t0
dt′WI(t′)|ΨI(t
′)〉 ; (11.2.186)
390 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
onde |ΨI(t0)〉 = |ΨS(t0)〉. Substituindo esta equacao nela propria repetidamente obtemos:
|ΨI(t)〉 =
(
1 +1
i~
∫ t
t0
dt′WI(t′) +
1
(i~)2
∫ t
t0
dt′WI(t′)
∫ t′
t0
dt′′WI(t′′) + . . .
)
|ΨI(t0)〉 ,
(11.2.187)
ou
|ΨI(t)〉 = UI(t, t0)|ΨI(t0)〉 , (11.2.188)
que define o operador de evolucao na representacao de interaccao. Usando (11.2.180) temos
|ΨI(t)〉 = U †0(t, t0)|ΨS(t)〉 = U †
0(t, t0)U(t, t0)|ΨS(t0)〉 = U †0(t, t0)U(t, t0)|ΨI(t0)〉 ;
(11.2.189)
comparando com (11.2.187) deduzimos que
UI(t, t0) = U †0(t, t0)U(t, t0) . (11.2.190)
Esta relacao permite-nos mostrar que UI(t, t0) tem as propriedades adequadas para poder
ser considerado um operador de evolucao. De facto, usando que U0(t, t0) e U(t, t0) sao
operadores de evolucao demonstra-se que:
a) UI(t0, t0) = 1;
b) U †I (t, t0)UI(t, t0) = UI(t, t0)U
†I (t, t0) = 1;
c) UI(t, t′) = UI(t, t
′′)UI(t′′, t′).
Derivamos agora uma expansao perturbativa para o operador de evolucao total. Recorde-
mos a definicao do operador de evolucao UI(t, t0) dada em (11.2.187):
UI(t, t0) = 1 +1
i~
∫ t
t0
dt′WI(t′) +
1
(i~)2
∫ t
t0
dt′WI(t′)
∫ t′
t0
dt′′WI(t′′) + . . . ; (11.2.191)
usando (11.2.190) para o lado esquerdo da equacao, a definicao de WI(t) dada em (11.2.184),
WI(t) = U †0 (t, t0)W (t)U0(t, t0) , (11.2.192)
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 391
para o lado direito e multiplicando (11.2.191) por U0(t, t0) obtemos
U(t, t0) = U0(t, t0) +1
i~
∫ t
t0
dt′U0(t, t0)U†0(t
′, t0)W (t′)U0(t′, t0)
+1
(i~)2
∫ t
t0
dt′∫ t′
t0
dt′′U0(t, t0)U†0(t
′, t0)W (t′)U0(t′, t0)U
†0(t
′′, t0)W (t′′)U0(t′′, t0) + . . . ;
(11.2.193)
notando que
U †0(t
′, t0) = U0(t0, t′) , (11.2.194)
logo
U0(t, t0)U†0(t
′, t0) = U0(t, t0)U0(t0, t′) = U0(t, t
′) , (11.2.195)
e de um modo semelhante para outras combinacoes analogas, (11.2.193) toma a forma final
U(t, t0) = U0(t, t0) ++∞∑
n=1
U (n)(t, t0) , (11.2.196)
onde definimos
U (n)(t, t0) =1
(i~)n
∫ t
t0
dt1
∫ t1
t0
dt2 . . .
∫ tn−1
t0
dtnU0(t, t1)W (t1)U0(t1, t2)W (t2) . . . W (tn)U0(tn, t0) ,
(11.2.197)
onde t > t1 > . . . > tn−1.
Consideremos agora a probabilidade de transicao no instante t, tal como discutida na
seccao 11.2.1, entre os estados estacionarios |Φi〉 e |Φf〉 de um Hamiltoniano H0 indepen-
dente do tempo, devido a uma perturbacao W (t), ligada em t = 0; em termos do operador
de evolucao ela pode ser escrita da forma
Pif(t) = |〈Φf |U(t, 0)|Φi〉|2 = |〈Φf |U0(t, 0) ++∞∑
n=1
U (n)(t, 0)|Φi〉|2 . (11.2.198)
Em ordem zero necessitamos dos elementos de matriz:
〈Φf |U0(t, 0)|Φi〉 = 〈Φf |e−itH0/~|Φi〉 = e−iE0i t/~δif , (11.2.199)
392 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
onde E0n e o valor proprio de H0 associado ao estado proprio |Φn〉. Em ordem um necessi-
tamos dos elementos de matriz:
〈Φf |U (1)(t, 0)|Φi〉 = 〈Φf |1
i~
∫ t
0
dt1U0(t, t1)W (t1)U0(t1, 0)|Φi〉
=1
i~
∫ t
0
dt1e−iE0
f (t−t1)/~Wfi(t1)e−iE0
i (t−0)/~ ,
(11.2.200)
onde denotamos 〈Φf |W (t1)|Φi〉 = Wfi(t1). Os elementos de matriz de ordem dois sao
calculados de maneira semelhante, sendo necessario introduzir a relacao de fecho. Obtem-
se:
〈Φf |U (2)(t, 0)|Φi〉 =
∑
k
(i~)2
∫ t
0
dt1
∫ t1
0
dt2e−iE0
f (t−t1)/~Wfk(t1)e−iE0
k(t1−t2)/~Wki(t2)e−iE0
i (t2−0)/~ .
(11.2.201)
Podemos agora interpretar os termos nas varias ordens:
• Termo de ordem zero: corresponde ao sistema nao perturbado; o operador de evolucao
e apenas exp (−iE0i (t− 0)/~);
• Termo de ordem um: o sistema evolui de t = 0→ t1 por accao de exp (−iE0i (t1 − 0)/~);
em t1 actua a perturbacao que transforma |Φi〉 → |Φf〉; seguidamente o sistema
evolui de t1 → t por accao de exp (−iE0f (t− t1)/~). Integramos sobre todos os t1 de
modo a que a perturbacao possa actuar em qualquer instante;
• Termo de ordem dois: o sistema evolui de t = 0→ t2 por accao de exp (−iE0i (t2 − 0)/~);
em t2 actua a perturbacao que transforma |Φi〉 → |Φk〉 que e um estado intermedio ar-
bitrario; seguidamente o sistema evolui de t2 → t1 por accao de exp (−iE0k(t1 − t2)/~);
em t1 actua a perturbacao que transforma |Φk〉 → |Φf 〉; seguidamente o sistema
evolui de t1 → t por accao de exp (−iE0f (t− t1)/~). Integramos sobre todos os t1, t2
de modo a que as perturbacoes possam actuar em qualquer instante; somamos sobre
todos os estados intermedios de modo que o estado final possa ser atingido usando
qualquer estado intermedio.
Cada termo nesta serie perturbativa pode ser representado por um diagrama. Os tres
primeiros estao representados na figura 11.8. Aos diagramas associamos as seguintes regras:
11.2 Teoria das Perturbacoes dependentes do tempo 393
t = 0
|Φi〉 = |Φf〉
t
t = 0
|Φi〉
|Φf〉
W (t1)
t
t1
t = 0
W (t1)
W (t2)
|Φi〉
|Φk〉
|Φf〉t
t1
t2
Ordem 1Ordem 0 Ordem 2
Figura 11.8: Diagramas de ‘Feynman’ que ilustram o processo de ordem zero, um e doispara a teoria de perturbacoes dependentes do tempo.
⋆ O diagrama le-se de baixo para cima (ordem temporal) correspondendo a leitura dos
elementos de matriz correspondentes (11.2.199), (11.2.200) e (11.2.201) da direita
para a esquerda;
⋆ a cada linha recta do diagrama, que une os pontos ti → ti+1 e que traduz a evolucao do
sistema no tempo sob a accao de H0 no estado |Φk〉, atribui-se o factor de
e−iE0k(ti+1−ti)/~ ; (11.2.202)
⋆ A cada vertice do diagrama (correspondente a um instante ti) atribui-se um factor de
1
i~
∫ ti−i
0
dtiWab(ti) , (11.2.203)
onde os indices a, b se referem ao estado |Φa〉 - que se encontra imediatamente no
passado do vertice - e |Φb〉 - que se encontra imediatamente no futuro do vertice;
⋆ Soma-se sobre todos os estados intermedios |Φk〉.
Com estas regras, que tem o mesmo espırito das regras de Feynman usadas em teoria
quantica de campo, podemos reconstruir a expressao analıtica de um termo perturba-
tivo dado o respectivo diagrama. Como exemplo consideramos o termo de ordem tres,
394 Metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo
|Φl〉
W (t3)
t
t = 0
W (t1)
W (t2)
|Φi〉
|Φk〉
|Φf 〉t3
t1
t2
Ordem 3
Figura 11.9: Diagrama de ‘Feynman’ que ilustra o processo de ordem tres para a teoria deperturbacoes dependentes do tempo.
representado na figura 11.9. A amplitude deste processo, isto e o elemento de matriz
〈Φf |U (3)(t, 0)|Φi〉, reconstruida usando a figura 11.9 e as regras anteriores e:
1
(i~)3
∑
k,l
∫ t
t0
dt1
∫ t1
t0
dt2
∫ t2
t0
dt3e−iE0
f (t−t3)/~Wfl(t3)e−iE0
l (t3−t2)/~×
×Wlk(t2)e−iE0
k(t2−t1)/~Wki(t1)e−iE0
i (t1−t0)/~ ,
(11.2.204)
onde t > t3 > t2 > t1 > t0. A estrutura dos termos seguintes e agora bastante obvia.
Usando as formulas para as amplitudes e simples calcular a probabilidade de transicao.
Para a transicao |Φi〉 e |Φf〉, i 6= f , obtem-se, em primeira ordem,
Pif(t) = |〈Φf |U (1)(t, 0)|Φi〉|2 =1
~2
∣
∣
∣
∣
e−iE0f t/~
∫ t
0
dt1e−i(E0
i −E0f )t1/~Wfi(t1)
∣
∣
∣
∣
2
=1
~2
∣
∣
∣
∣
∫ t
0
dt1eiωfit1Wfi(t1)
∣
∣
∣
∣
2
,
(11.2.205)
onde usamos a frequencia angular de Bohr (11.2.122), que e exactamente o resultado
(11.2.135).
11.3 Sumario 395
11.3 Sumario
Neste capıtulo estudamos metodos perturbativos independentes e dependentes do tempo,
de modo a podermos considerar problemas que nao admitem solucao exacta. A princi-
pal hipotese e que o Hamiltoniano se decompoe num Hamiltoniano que pode ser resolvido
exactamente H0 e numa perturbacao W , que e “pequena”. Para o caso de perturbacoes
estacionarias, o formalismo considera separadamente as perturbacoes a nıveis nao degen-
erados e degenerados. Como aplicacao do primeiro caso estudamos varias perturbacoes a
um oscilador harmonico em uma dimensao. Como aplicacao do segundo caso calculamos
a estrutura fina do atomo de Hidrogenio. Para perturbacoes dependentes do tempo, estu-
damos como calcular a probabilidade de transicoes entre estados proprios de H0 induzidas
pela perturbacao. Como aplicacao estudamos as ressonancias induzidas por pertubacoes
sinusoidais e a regra de Ouro de Fermi, que usamos para deduzir novamente a seccao eficaz
na aproximacao de Born. Finalmente estudamos um outro metodo, baseado no operador
de evolucao e na representacao de interaccao, para derivar probabilidades de transicao em
teoria de perturbacoes dependentes do tempo. Este metodo introduz uma componente
diagramatica que torna mais intuitiva a construcao das amplitudes de transicao.
CAPITULO 12
Sistemas de partıculas identicas
Os postulados do capıtulo 4 para a Mecanica Quantica nao relativista foram suplementa-
dos, no capıtulo 10, por um conjunto de outros postulados referentes ao spin. O conjunto
resultante de postulados e, ainda assim, insuficiente quando tratamos sistemas com varias
partıculas identicas, levando a ambiguidades nas previsoes fısicas. Para eliminar tais am-
biguidades introduzimos, neste capıtulo um novo postulado, relativo a descricao quantica
de sistemas de partıculas identicas.
12.1 Origem do Problema: a degenerescencia de troca
Duas partıculas sao ditas identicas se todas as suas propriedades intrınsecas - massa, carga,
spin, etc - sao exactamente iguais, sendo por isso impossıvel distinguir uma da outra. Todos
os protoes ou todos os electroes sao, por exemplo, partıculas identicas.
Consideremos um problema de colisao entre duas partıculas identicas, rotuladas por
(1) e (2), no referencial de centro de massa, conforme a figura 12.1. Consideremos que
um aparelho de medida, D, detecta uma das partıculas numa determinada direccao apos
a colisao. A partıcula detectada no aparelho de medida D foi, claro esta, a partıcula (1)
ou a partıcula (2):
398 Sistemas de partıculas identicas
Figura 12.1: Descricao classica de um problema de colisao entre duas partıculas identicas.A partıcula detectada pode ser identificada como sendo a partıcula (1) ou a partıcula (2)(Extraıdo de Cohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
• Classicamente nao existe nenhuma ambiguidade; sabendo as condicoes iniciais sabemos
se as trajectorias efectuadas correspondem ao caso a) ou ao caso b) descrito na figura
12.1, e logo se a partıcula detectada foi (1) ou (2).
• Quanticamente existe uma ambiguidade, porque os pactotes de onda se irao misturar
e as partıculas perderao irreversivelmente qualquer caracterıstica que as distinga -
Figura 12.2.
Figura 12.2: Descricao quantica de um problema de colisao entre duas partıculas identicas.A partıcula detectada nao pode ser identificada como sendo a partıcula (1) ou a partıcula(2) (Extraıdo de Cohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
A conclusao e que, quanticamente, nao existe nenhuma maneira de dizer se a partıcula
detectada foi a partıcula (1) ou a partıcula (2). Para compreender como esta ambiguidade
12.1 Origem do Problema: a degenerescencia de troca 399
introduz ambiguidades fısicas na descricao quantica de um sistema de partıculas identicas
consideramos o seguinte exemplo.
Suponhamos que temos um sistema com duas partıculas de spin 1/2 identicas. Descreve-
mos matematicamente o sistema rotulando as partıculas como partıcula (1) e partıcula (2);
os graus de liberdade de spin sao descritos pelo ket
|ǫ1, ǫ2〉 ,
onde ǫi = ±1, i = 1, 2, se refere ao valor proprio da observavel de spin Siz, da partıcula i,
que e igual a ǫi~/2. Imaginemos que medimos estas observaveis e obtemos como resultado
+~/2 para uma delas e −~/2 para a outra. Em princıpio esta medicao deveria determinar
completamente o estado de spin do sistema. Mas devido a natureza identica das partıculas
os kets
|+−〉 , e | −+〉 ,
parecem igualmente apropriados, a priori, para descrever o sistema. Existe, neste sentido
uma degenerescencia de troca. Mais geralmente, qualquer combinacao linear normalizada
α|+−〉 + β| −+〉 , |α|2 + |β|2 = 1 , (12.1.1)
poderia descrever matematicamene este sistema, dado que respeita a condicao de a com-
ponente Sz do spin de uma das partıculas ser ~/2 e a mesma componente do spin da outra
partıcula ser −~/2, sendo irrelevante qual e qual. E esta degenerescencia de estados que
constitui a degenerescencia de troca, que e a afirmacao que “num sistema de partıculas
identicas, uma medicao completa de cada uma das partıculas nao permite a determinacao
de um unico ket para descrever o sistema”. Assim, no nosso exemplo, apesar de termos
medido individualmente o spin de cada uma das partıculas sabemos apenas que o estado do
sistema e dado por (12.1.1), com α e β indeterminados. Ora, para a descricao da Mecanica
Quantica nao ser ambigua, nenhuma previsao de quantidades fısicas pode depender das
constantes α e β. Mas podemos demonstrar facilmente que nao e assim. Calculemos, por
exemplo, a probabilidade de encontrar as componentes Sx do spin de ambas as partıculas
com valor +~/2.
400 Sistemas de partıculas identicas
Primeiro notamos que na base propria de Sz, Sx tem a forma (9.2.18)
Sx =~
2
0 1
1 0
.
E facil verificar que os seus vectores proprios (normalizados) sao
|+〉x =1√2
(|+〉+ |−〉) , |−〉x =1√2
(|+〉 − |−〉) , (12.1.2)
com valores proprios
Sx|±〉x = ±~
2|±〉x .
Para responder a questao de qual a probabilidade de encontrar as componentes Sx dos
spins de ambas as partıculas iguais a ~/2, invertemos (12.1.2)
|+〉 =1√2
(|+〉x + |−〉x) , |−〉 =1√2
(|+〉x − |−〉x) , (12.1.3)
de modo a escrever (12.1.1) em termos dos estados proprios da componente Sx do spin
α|+−〉 + β| −+〉 = α|+〉 ⊗ |−〉+ β|−〉 ⊗ |+〉
= α|+〉x + |−〉x√
2⊗ |+〉x − |−〉x√
2+ β|+〉x − |−〉x√
2⊗ |+〉x + |−〉x√
2
=α + β
2|+〉x ⊗ |+〉x −
α+ β
2|−〉x ⊗ |−〉x −
α− β2|+〉x ⊗ |−〉x −
β − α2|−〉x ⊗ |+〉x .
(12.1.4)
Logo, a probabilidade pedida e igual a∣
∣
∣
∣
α + β
2
∣
∣
∣
∣
2
,
que depende dos coeficientes α e β e como tal temos uma ambiguidade fısica. Dificuldades
analogas - resultantes da degenerescencia de troca - aparecem no estudo de todos os sistema
com um numero arbitrario de partıculas identicas N , N > 1.
12.2 Operadores de permutacao
Antes de enunciar o postulado adicional da Mecanica Quantica que nos permite remover
as ambiguidades resultantes da degenerescencia de troca, iremos estudar certos operadores
que permutam as varias partıculas de um sistema e simplificam os calculos e raciocınios
que se seguirao.
12.2 Operadores de permutacao 401
12.2.1 Sistema de duas partıculas
Consideremos um sistema constituido por duas partıculas, nao necessariamente identicas
(de modo a evitar as ambiguidades fısicas discutidas anteriormente), mas com espacos de
estados isomorficos. Em particular terao o mesmo spin. Por exemplo, um protao - partıcula
(1) - e um electrao - partıcula (2).
Escolhemos a base |ui〉 para o espaco de estados da partıcula (1), E(1); como este e
isomorfico a E(2), |ui〉 e tambem uma base para este espaco. O espaco de estados total,
E , tem uma base obtida pelo produto tensorial
|1 : ui〉 ⊗ |2 : uj〉 = |1 : ui; 2 : uj〉 .
Note-se que a ordem por que se fez o produto tensorial nao e importante, isto e
|1 : ui; 2 : uj〉 = |2 : uj; 1 : ui〉 ,
o que e importante e qual o estado associado a cada partıcula:
|1 : ui; 2 : uj〉 6= |1 : uj; 2 : ui〉 , para i 6= j .
O operador de permutacao P21 e definido como o operador linear cuja accao nesta base e
dada por:
P21|1 : ui; 2 : uj〉 = |2 : ui; 1 : uj〉 = |1 : uj; 2 : ui〉 .
Sabendo esta accao e facil concluir qual a accao em qualquer ket, bastando expandi-lo
nesta base. Em termos das componentes da funcao de onda de uma partıcula com spin e
graus de liberdade orbitais,
Ψǫ,ǫ′(~r, ~r′) = 〈1 : ~r, ǫ; 2 : ~r′, ǫ′|Ψ〉 ,
a accao do operador de permutacao e
Ψǫ,ǫ′(~r, ~r′)
P21−→ Ψǫ′,ǫ(~r′, ~r) .
Consideremos algumas propriedades do operador de permutacao:
402 Sistemas de partıculas identicas
• E igual ao seu inverso (obvio pela definicao):
P 221 = 1 ;
• E hermıtico:
P21 = P †21 ;
para o demonstramos notamos que (assumimos que a base |ui〉 esta ortonormal-
izada)
〈1 : ui′; 2 : uj′|P21|1 : ui; 2 : uj〉 = δi′jδj′i .
Por outro lado, os mesmos elementos de matriz para o operador P †21 sao
〈1 : ui′; 2 : uj′|P †21|1 : ui; 2 : uj〉 = 〈1 : ui; 2 : uj|P21|1 : ui′; 2 : uj′〉∗
= (δj′iδi′j)∗ = δj′iδi′j ,
o que mostra que os elementos de matriz dos dois operadores sao iguais e prova que
P21 e hermıtico.
• Das duas propriedades anteriores resulta que P21 e unitario:
P21P†21 = P21P21 = 1 .
• Por ser hermıtico os valores proprios de P21 sao reais; como, para alem disso, o seu
quadrado e a unidade, os valores proprios de P21 terao de ser λ = ±1. Asssociados a
cada um destes valores proprios temos um tipo distinto de vectores proprios:
⋆ λ = 1; os vectores proprios associados chamam-se simetricos e denotam-se |ΨS〉:
P21|ΨS〉 = |ΨS〉.
⋆ λ = −1; os vectores proprios associados chamam-se anti-simetricos e denotam-se
|ΨA〉:P21|ΨA〉 = −|ΨA〉.
12.2 Operadores de permutacao 403
Dado um estado arbitrario, podemos definir dois operadores cuja accao nesse estado
origina, um estado proprio de P21, com valor proprio, respectivamente +1 ou −1. Estes
operadores chamam-se o simetrizador, S, e o anti-simetrizador, A e sao definidos pelas
expressoes:
S =1
2
(
1 + P21
)
, A =1
2
(
1− P21
)
. (12.2.1)
Estes operadores tem as seguintes propriedades, todas elas podendo ser facilmente verifi-
cadas a partir das definicoes (12.2.1):
• Ambos sao operadores de projeccao:
S2 = S , A2 = A ;
• Ambos sao operadores hermıticos:
S = S† , A = A† ;
• S e A projectam em espacos ortogonais e suplementares
SA = AS = 0 , S + A = 1 .
• Como antecipado em cima, a accao destes operadores num estado arbitrario |Ψ〉 de Eproduz estados proprios do operador de permutacao:
P21S|Ψ〉 = S|Ψ〉 , P21A|Ψ〉 = −A|Ψ〉 ,
o que justifica a denominacao dos operadores.
Consideremos agora a transformacao de observaveis pela accao do operador de per-
mutacao. Seja B(1) uma observavel definida em E(1). Como e observavel os seus vectores
proprios constituem uma base de E(1). Sem perda de generalidade assumimos que a base
|ui〉 corresponde a base propria de B(1), com valores proprios bi. Consideramos a
accao do operador P21B(1)P †21 num ket de E arbitrario:
P21B(1)P †21|1 : ui; 2 : uj〉 = P21B(1)|1 : uj; 2 : ui〉 = bjP21|1 : uj; 2 : ui〉 = bj |1 : ui; 2 : uj〉 .
404 Sistemas de partıculas identicas
Por outro lado, se considerarmos a accao da observavel analoga em E(2), denotada B(2),
no mesmo ket, temos
B(2)|1 : ui; 2 : uj〉 = bj |1 : ui; 2 : uj〉 .
Como o ket e arbitrario concluimos que
P21B(1)P †21 = B(2) .
Por um metodo analogo pode-se mostrar que
• P21B(2)P †21 = B(1);
• P21(B(1) + C(2))P †21 = B(2) + C(1);
• P21B(1)C(2)P †21 = B(2)C(1), que pode ser facilmente deduzido introduzindo o operador
1 = P †21P21 entre B(1) e C(2).
Generalizando para qualquer observavel O(1, 2), em E , que pode ser expressa em termos
de observaveis B(1) e C(2), temos
P21O(1, 2)P †21 = O(2, 1) , (12.2.2)
que e a mesma observavel trocando 1↔ 2.
Uma observavel e dita simetrica se
OS(2, 1) = OS(1, 2) .
Para uma observavel simetrica, (12.2.2) fica
P21OS(1, 2)P †21 = OS(2, 1) = OS(1, 2) ⇒ P21OS(1, 2) = OS(1, 2)P21 ,
de onde concluimos que
[OS(1, 2), P21] = 0 ,
ou seja, as observaveis simetricas comutam com o operador de permutacao.
12.2 Operadores de permutacao 405
12.2.2 Sistema de tres partıculas e generalizacao para N partıculas
Consideramos agora a generalizacao para N partıculas dos conceitos da subseccao anterior.
Para isso comecamos por considerar explicitamente o caso com N = 3 que introduz a
estrutura do caso geral. Tomamos a base do espaco de estados de tres partıculas, com
espacos de estados individuais isomorficos, como sendo
|1 : ui; 2 : uj; 3 : uk〉 , (12.2.3)
e definimos os 3! = 6 operadores de permutacao que nela actuam:
P123 , P231 , P312 , P321 , P132 , P213 . (12.2.4)
A accao destes operadores na base pode ser sumarizada como
Pnpq|1 : ui; 2 : uj; 3 : uk〉 = |n : ui; p : uj; q : uk〉 .
Logo P123 = 1. A accao em qualquer ket e facilmente escrita expandindo-o na base (12.2.3).
Os N ! operadores num sistema de N partıculas sao definidos analogamente.
Consideremos algumas propriedades dos operadores de permutacao num sistema de N
partıculas, exemplificando com o caso de N = 3:
• O conjunto de operadores de permutacao, com a multiplicacao usual de operadores,
constitui um grupo. Verifiquemos os axiomas de grupo (apresentados na seccao 9.1):
⋆ O produto de dois operadores de permutacao e ainda um operador de permutacao;
por exemplo
P312P132 = P321 ; (12.2.5)
Para calcular o produto do lado esquerdo tome-se o seguinte algoritmo:
1) P132
1→ 1
2→ 3
3→ 2
, 2) P312
1→ 3
3→ 2
2→ 1
, 3) P312P132
1→ 3
2→ 2
3→ 1
. (12.2.6)
Logo a accao de P312P132 e a mesma que a acao de P321, como antecipado.
406 Sistemas de partıculas identicas
⋆ O produto de permutacoes e associativo; por exemplo
P312P132P231 = P312P321 = P213 ,
enquanto que associando as duas permutacoes que actuam em segundo e terceiro
lugar,(
P312P132
)
P231 = P321P231 = P213 ,
obtemos de facto o mesmo resultado.
⋆ Existe um operador identidade, que e P123;
⋆ Cada permutacao tem uma permutacao inversa
(
P231
)−1
= P312 ,
(
P123
)−1
= P123 ,(
P321
)−1
= P321 ,(
P213
)−1
= P213 ,(
P132
)−1
= P132 .
Obviamente as transposicoes (a definir de seguida) e a identidade sao inversos de si
mesmos, como exibido na segunda linha.
Notemos que o grupo nao e abeliano. Por exemplo se trocarmos a ordem do produto
em (12.2.5) obtemos
P132P312 = P213 6= P321 ,
ou seja, as permutacoes, genericamente, nao comutam entre si.
• Definimos transposicao como uma permutacao que troca duas partıculas e deixa as
restantes invariantes. Para N = 3, das seis permutacoes (12.2.4) tres sao trans-
posicoes
P321 , P132 , P213 . (12.2.7)
Em geral, das N ! permutacoes num sistema de N partıculas teremos N(N − 1)/2
transposicoes. Transposicoes sao analogas a permutacao P21 que definimos num
sistema de duas partıculas. Em particular sao operadores hermıticos e unitarios.
12.2 Operadores de permutacao 407
Qualquer permutacao pode ser escrita como um produto de transposicoes. Mas esta
“decomposicao” nao e unica. Por exemplo
P312 = P132P213 = P321P132 = P321P213P132P321 ;
no entanto o numero de transposicoes cujo produto origina P312 e sempre par. De
um modo semelhante, a permutacao P321, que e ela propria uma transposicao, nao
tem uma decomposicao unica, por exemplo pode ser tambem decomposta como
P321 = P132P213P132 ,
mas o numero de transposicoes cujo produto origina P321 e sempre ımpar. Por
esta razao, as permutacoes P123, P231, P312 sao chamadas permutacoes pares e as per-
mutacoes P321, P132, P213 sao chamadas permutacoes ımpares. No caso com N = 3
todas as permutacoes ımpares sao transposicoes. Genericamente, para um sistema de
N partıculas, definimos permutacoes pares (ımpares) como aquelas que so se podem
escrever como produtos de um numero par (ımpar) de transposicoes. Notemos ainda
que para qualquer N ha tantas permutacoes pares como ımpares.
• Operadores de permutacao sao sempre unitarios, pois podem ser escritos como produtos
de operadores unitarios, que sao as transposicoes. De facto notemos que se dois
operadores sao unitarios o seu produto e ainda unitario:
se AA† = 1 , BB† = 1 , ⇒ (AB)(AB)† = ABB†A† = 1 .
• Operadores de permutacao nao sao sempre hermıticos, pois, embora se escrevam como
produtos de operadores hermıticos (transposicoes), estes nao comutam entre si, con-
forme (4.2.31).
• O adjunto de uma permutacao, que e igual ao seu inverso dado serem operadores
unitarios, tem a mesma paridade da permutacao, pois escreve-se a custa das mesmas
transposicoes, mas em ordem contraria.
408 Sistemas de partıculas identicas
Consideramos agora a construcao, para um sistema de N partıculas, dos vectores
proprios simetricos e anti-simetricos, e tambem a do simetrizador e do anti-simetrizador.
Comecamos por notar que, como os operadores de permutacao nao comutam entre
si, nao e possıvel arranjar uma base propria comum a todos eles. Contudo existem, ainda
assim, certos estados que sao estados proprios comuns a todos os operadores de permutacao
Pα. Num sistema de N partıculas estes estados sao de dois tipos:
• Estados completamente simetricos
Pα|ΨS〉 = |ΨS〉 ,
que sao vectores proprios de todas as permutacoes com valor proprio +1;
• Estados completamente anti-simetricos
Pα|ΨA〉 = ǫα|ΨA〉 ,
que sao vectores proprios de todas as permutacoes par (ımpar) com valor proprio +1
(−1). Logo ǫα = (−1)Paridade de Pα.
Tanto o espaco dos kets completamente simetricos ES como o espaco dos kets completa-
mente anti-simetricos EA sao sub-espacos do espaco de estados total E ; mas ao contrario
do caso N = 2, em geral
E 6= ES ⊕ EA ,
isto e, nem todos os estados podem ser escritos como combinacao linear de um estado
totalmente simetrico e um estado totalmente anti-simetrico.
O simetrizador e o anti-simetrizador para um sistema de N partıculas sao os operadores
de projeccao em ES e EA, definidos como
S =1
N !
∑
α
Pα , A =1
N !
∑
α
ǫαPα . (12.2.8)
Consideremos as suas propriedades:
12.2 Operadores de permutacao 409
• Sao ambos hermıticos
S = S† , A = A† .
Esta propriedade pode ser verificada da seguinte maneira. Existe uma correspondencia
biunıvoca entre as permutacoes e as suas inversas; a permutacao inversa tem a mesma
paridade da permutacao; logo as somas (12.2.8) podem ser escritas
S =1
2N !
∑
α
(
Pα + (Pα)−1)
, A =1
2N !
∑
α
ǫα
(
Pα + (Pα)−1)
.
Como todas as permutacoes sao operadores unitarios, P †α = (Pα)−1 e como tal
(
Pα + (Pα)−1)
e hermıtico. Como acabamos de escrever S e A como uma soma
de operadores hermıticos, mostramos que sao hermıticos.
• Se Pα′ for uma permutacao arbitraria
Pα′S = SPα′ = S
Pα′A = APα′ = ǫα′A⇒
Pα′S|Ψ〉 = S|Ψ〉Pα′A|Ψ〉 = ǫα′A|Ψ〉
. (12.2.9)
• Sao operadores de projeccao:
S = S2 , A = A2 ,
em espacos ortogonais
SA = AS = 0 ,
mas, como ja referido anteriormente, para N > 2, os espacos ES e EA nao sao suple-
mentares - Figura 12.3 - i.e.
S + A 6= 1 .
Note-se que a dimensao de ES mais a de EA depende de N e da dimensao de |ui〉.
Podemos agora considerar a transformacao de observaveis pela accao dos operadores de per-
mutacao. Escrevendo o operador de permutacao como produtos de transposicoes, podemos
argumentar de um modo semelhante ao caso N = 2. Em particular observaveis comple-
tamente simetricas na troca dos ındices 1, . . . , N , OS(1, . . . , N), comutam com todos os
operadores de permutacao
[OS(1, . . . , N), Pα] = 0 . (12.2.10)
410 Sistemas de partıculas identicas
N=2 N>2
ES ES
EA EA
E E
Figura 12.3: Representacao esquematica do espaco de estados total, E e dos espacos deestados simetricos ES e anti-simetricos EA, para duas partıculas identicas, em que saosuplementares e para N > 2, em que nao sao. Note-se que a figura da esquerda naosignifica que qualquer estado de E pertenca a ES ou a EA; significa que qualquer estado deE pode ser escrito como combinacao linear de estados de ES e EA.
12.3 O postulado de simetrizacao
Vamos agora introduzir o postulado que vai levantar a degenerescencia de troca e resolver as
ambiguidades fısicas vistas em sistemas de partıculas identicas. O postulado, denominado
postulado de simetrizacao, pode ser enunciado do seguinte modo:
“Quando um sistema inclui varias partıculas identicas, somente certos kets do seu
espaco de estados podem descrever estados fısicos. Os kets fısicos sao, dependendo da
natureza das partıculas identicas, ou completamente simetricos ou completamente anti-
simetricos, com respeito a permutacao destas partıculas. As partıculas para as quais os
kets fısicos sao simetricos (anti-simetricos) chamam-se bosoes (fermioes).
Este postulado limita o espaco de estados num sistema de partıculas identicas. Em vez
de ser o produto tensorial dos espacos de estados das partıculas individuais E (como e para
partıculas distintas), e apenas um sub-espaco de E , respectivamente ES ou EA para bosoes
ou fermioes.
Todas as partıculas conhecidas1 actualmente obedecem a seguinte regra:
Partıculas com spin semi-inteiro sao fermioes (electrao, protao,. . . ); partıculas com
spin inteiro sao bosoes (fotao, mesoes,. . . ).
1Este facto, resulta de as partıculas elementares conhecidas obedecerem a esta regra. Contudo, existempartıculas auxiliares (nao sao reais) mas usadas na descricao matematica da teoria quantica de campo,denominadas ghosts que nao obedecem ao Teorema Spin-Estatıstica.
12.3 O postulado de simetrizacao 411
Esta regra, denominada “Teorema Spin-Estatıstica”, pode ser provada em Teoria Quantica
de Campo, usando hipoteses muito gerais.2 Mas nao e impossıvel que:
• Um bosao/fermiao com spin semi-inteiro/inteiro possa ser descoberto;
• Haja kets fısicos com simetrias mais complexas do que as que sao consideradas pelo
postulado anterior.
Notemos ainda que este postulado nao se aplica em uma e duas dimensoes espaciais;
em duas dimensoes, em particular, existem outras (quasi)partıculas, denominadas “anioes”
(anyons), que se tornaram uteis na descricao de alguns sistemas, como folhas de grafite,
ou no tratamento do efeito Hall quantico.3
12.3.1 Levantamento da degenerescencia de troca
Vejamos agora como o postulado anterior pode resolver as ambiguidades fısicas discutidas.
Para isso, notamos que a degenerescencia de troca pode ser enunciada da seguinte forma:
“Seja |u〉 um ket que descreve matematicamente um estado fısico bem definido de
um sistema contendo N partıculas identicas. O ket Pα|u〉, para qualquer operador de
permutacao Pα, descreve o estado fısico tao bem quanto |u〉. Se o sub-espaco Eu gerado
por |u〉 e todas as suas permutacoes tiver dimensao maior do que 1, existe degenerescencia
de troca. Em geral, a dimensao de Eu podera ir de 1 a N !.”
Com o postulado adicional, o ket fısico tem de pertencer a ES ou a EA. A degenerescencia
de troca sera levantada se demonstrarmos que Eu contem um unico ket de ES ou, caso as
partıculas identicas sejam fermioes, um unico ket de EA. Para demonstrarmos que assim
e, recordamos (12.2.9)
S = SPα , A = ǫαAPα ,
2O trabalho original foi feito por W.Pauli: “The Connection Between Spin and Statistics”, Phys. Rev.58 (1940) 716-722.
3A existencia destas representacoes foi originalmente discutida em J.M.Leinaas e J.Myrheim, “On thetheory of identical particles”, Il Nuovo Cimento, 37B (1977) 1; agradeco ao Prof. Joao Lopes dos Santospor me ter chamado a atencao para este artigo.
412 Sistemas de partıculas identicas
que implicam
S|u〉 = SPα|u〉 , A|u〉 = ǫαAPα|u〉 .
Ou seja, a projeccao em ES ou EA de todos os kets de Eu e a mesma, a menos de um sinal
que nao tem relevancia fısica, o que levanta a degenerescencia de troca.
Deste modo, pelo postulado de simetrizacao, o ket fısico que descreve o estado fısico do
sistema de um sistema de N partıculas identicas e construido da seguinte maneira:
i) Numere-se as partıculas arbitrariamente e construa-se o ket |u〉 correspondendo ao es-
tado fısico considerado com os numeros quanticos de cada partıcula determinados.
ii) Aplique-se S ou A a |u〉, dependendo de as partıculas identicas serem bosoes ou
fermioes.
iii) Normalize-se o ket obtido.
Consideremos alguns exemplos:
1) Sistema de duas partıculas identicas:
Num sistema de duas partıculas identicas sabe-se que uma esta no estado |φ〉 e outra no
estado |χ〉 (normalizados). Apliquemos as regras anteriores:
i) Rotulamos a que esta no estado |φ〉/|χ〉 por (1)/(2). Logo construimos o ket
|u〉 = |1 : φ; 2 : χ〉 .
ii) Se sao bosoes simetrizamos:
S|u〉 =1
2
(
1 + P21
)
|u〉 = 1
2(|1 : φ; 2 : χ〉+ |1 : χ; 2 : φ〉) .
Se sao fermioes anti-simetrizamos:
A|u〉 =1
2
(
1− P21
)
|u〉 =1
2(|1 : φ; 2 : χ〉 − |1 : χ; 2 : φ〉) .
iii) Normalizamos; ha que considerar duas hipoteses:
12.3 O postulado de simetrizacao 413
⋆ Se os dois estados fısicos |φ〉 e |ψ〉 sao distintos, podemos assumir que 〈φ|χ〉 = 0;
obtemos o ket fısico4
|φ, χ〉 = 1√2
[|1 : φ; 2 : χ〉+ ǫ|1 : χ; 2 : φ〉] ,
onde ǫ = +1,−1, para bosoes e fermioes, respectivamente.
⋆ Se os dois estados fısicos sao o mesmo |φ〉 = |χ〉 entao temos, para bosoes
S|u〉 = |1 : φ; 2 : φ〉 ,
o que quer dizer que se as partıculas identicas sao bosoes e estao no mesmo
estado o ket simetrizado e o mesmo que o ket inicial |u〉 = S|u〉; para fermioes
A|u〉 = 0 ,
o que quer dizer que nao existe nenhum ket em EA que descreve dois fermioes
no mesmo estado individual |φ〉. Um tal estado e excluido pelo postulado de
simetrizacao. Acabamos assim, de estabelecer, para um caso particular, o
Princıpio de exclusao de Pauli:
“Dois fermioes identicos nao podem estar no mesmo estado individual.”
2) Sistema de tres partıculas identicas:
Num sistema de tres partıculas identicas sabe-se que uma esta no estado |φ〉, outra no
estado |χ〉 e outra no estado |w〉 (normalizados). Apliquemos as regras anteriores:
i) Rotulamos a que esta no estado |φ〉/|χ〉/|w〉 por (1)/(2)/(3). Logo construimos o ket
|u〉 = |1 : φ; 2 : χ; 3 : w〉 .4Assumimos, por simplicidade que |φ〉 e |χ〉 sao estados proprios de uma observavel (com espectro nao
degenerado) associados a valores proprios distintos.
414 Sistemas de partıculas identicas
ii) Se sao bosoes simetrizamos:
S|u〉 = 1
3!
∑
α
Pα|u〉 =1
3!(|1 : φ; 2 : χ; 3 : w〉+ |1 : w; 2 : φ; 3 : χ〉+ |1 : χ; 2 : w; 3 : φ〉
+|1 : φ; 2 : w; 3 : χ〉+ |1 : χ; 2 : φ; 3 : w〉+ |1 : w; 2 : χ; 3 : φ〉) ;
(12.3.1)
Se sao fermioes anti-simetrizamos:
A|u〉 =1
3!
∑
α
ǫαPα|u〉 ,
notando que os sinais sao exactamente os dados por um determinante, escrevemos
A|u〉 = 1
3!
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
|1 : φ〉 |1 : χ〉 |1 : w〉|2 : φ〉 |2 : χ〉 |2 : w〉|3 : φ〉 |3 : χ〉 |3 : w〉
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
, (12.3.2)
que e chamado o determinante de Slater.5
iii) Normalizamos; ha que considerar tres hipoteses:
⋆ Se todos os estados fısicos |φ〉, |χ〉 e |w〉 sao distintos, podemos assumir ortogonali-
dade entre todos; obtemos os ket fısicos (12.3.1) ou (12.3.2) com 1/3! substituido
por 1/√
3!.
⋆ Se dois dos estados fısicos sao iguais, por exemplo |φ〉 = |χ〉, entao temos, para
bosoes
|φ;φ;w〉 = 1√3
[|1 : φ; 2 : φ; 3 : w〉+ |1 : φ; 2 : w; 3 : φ〉+ |1 : w; 2 : φ; 3 : φ〉] ,
enquanto que para fermioes, o facto de dois estados serem iguais significa que
existem duas colunas iguais no determinante de Slater, que como tal e zero.
Deste modo, nao existe qualquer estado em EA que descreva esta situacao. Esta
e mais uma manifestacao do princıpio de exclusao de Pauli.
5Esta tecnica de usar um determinante foi introduzida por J.C.Slater em “The Theory of ComplexSpectra”, Phys. Rev. 34 (1929) 1293.
12.3 O postulado de simetrizacao 415
⋆ Se os tres estados fısicos sao iguais, entao temos, para bosoes
|φ;φ;φ〉 = |1 : φ; 2 : φ; 3 : φ〉 ,
enquanto que para os fermioes a funcao de onda e zero.
3) Sistema de N partıculas identicas:
Genericamente a situacao e semelhante aos casos anteriores. Para bosoes existe sempre um
estado simetrico, mesmo que varias partıculas estejam no mesmo estado individual. Para
fermioes nao pode haver repeticao do estado individual.
Existe uma outra representacao de kets fısicos que introduz o conceito de numero de
ocupacao. Consideremos um sistema de N partıculas identicas. Tomando uma base |ui〉para o espaco de estados de uma partıcula, construimos a base
|1 : ui; 2 : uj; . . . ;N : up〉 , (12.3.3)
para o espaco de estados E . No entanto, a base do espaco de estados fısicos ES ou EA
e construida actuando com o simetrizador ou o anti-simetrizador na base anterior, o que
torna irrelevante qual a numeracao da partıcula que se encontra num estado |ui〉. O que e
realmente relevante e quantas partıculas se encontram em cada estado, ou seja o numero
de ocupacao de cada estado. Este numero corresponde a quantas vezes cada estado aparece
num ket da forma (12.3.3). Isso leva-nos a introduzir a notacao, para kets fısicos
|n1, . . . , nk, . . .〉 ,
onde o numero de entradas no ket corresponde ao numero de estados possıveis, isto e a
dimensao do espaco de estados de uma partıcula; ni e o numero de ocupacao do estado |ui〉.Subentende-se que este ket corresponde a um ket simetrizado ou anti-simetrizado quando
expresso na base (12.3.3). Obviamente
∑
i
ni = N ,
e para os fermioes ni = 0, 1.
416 Sistemas de partıculas identicas
12.3.2 Observaveis e evolucao temporal
O postulado de simetrizacao restringe os kets fısicos num sistema de partıculas identicas
aos que sao totalmente simetricos ou totalmente anti-simetricos na troca de duas quaisquer
partıculas. Quais as restricoes que devemos impor as observaveis?
Em geral, dado que nenhuma propriedade fısica e modificada quando os papeis das N
partıculas sao permutados, estas N partıculas devem entrar simetricamente em qualquer
observavel passıvel de ser medida, tanto para fermioes como para bosoes. Matematica-
mente, requeremos que as observaveis fısicas, O, sejam invariantes quando as partıculas
sao permutadas, isto e, devem ser operadores simetricos, e como tal de acordo com (12.2.10)
devem comutar com os operadores de permutacao:
[O, Pα] = 0 , ∀Pα . (12.3.4)
Por exemplo;
• Num sistema de duas partıculas, a observavel
~R1 − ~
R2 ,
nao e simetrica, e como tal nao e fısica. A observavel fısica que reflecte a distancia
entre as duas partıculas e
√
(~R1 − ~
R2)2 = |~R1 − ~R2| .
• O operador Hamiltoniano que descreve o atomo de Helio devera ser escrito, em primeira
aproximacao, como
H(1, 2) =P 2
1
2me
+P 2
2
2me
+1
4πǫ0
(
−2e2
R1
− 2e2
R2
+e2
|R1 − R2|
)
.
• O momento angular orbital total num sistema de tres partıculas identicas sera:
~L =
~L1 +
~L2 +
~L3 .
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 417
Note-se que o significado de (12.3.4) e tambem que a accao de uma observavel fısica num
ket fısico nao retira o ket fısico de ES ou EA. Isto e verdade, em particular para o operador
Hamiltoniano, que devera ser uma observavel fısica. Como este operador e o responsavel
pela evoluacao temporal do sistema, atraves da equacao de Schrodinger, esta evolucao
nao devera retirar o ket fısico do espaco vectorial ES ou EA. Isto atesta a consistencia do
formalismo.
Note-se ainda que as observaveis fısicas estarao definidas, a partida, no espaco de
estados total E , podendo por isso ter mais vectores proprios (e correspondentes valores
proprios) do que aqueles que tem em ES ou EA. Neste sentido, o efeito do postulado
de simetrizacao podera ser eliminar alguns dos valores proprios de uma observavel fısica,
restrigindo os valores proprios fısicos aos que tem vectores proprios associados em ES ou
EA.
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao
12.4.1 Diferencas entre bosoes e fermioes
No enunciado do postulado de simetrizacao, a diferenca entre bosoes e fermioes e “apenas”
um sinal. Esta diferenca de sinal tem, no entanto, consequencias notaveis, que sao mani-
festacoes do princıpio de exclusao de Pauli, para fermioes, e da ausencia de um princıpio
semelhante para bosoes. Consideremos duas.
Estado fundamental de um sistema de partıculas identicas independentes
Dado que o Hamiltoniano e uma observavel fısica tem de ser uma observavel simetrica,
num sistema de partıculas identicas. Vamos assumir que estas sao independentes, isto e
nao se encontram acopladas. Se assim e, o Hamiltoniano pode ser decomposto da seguinte
forma:
H(1, 2, . . . , N) = h(1) + h(2) + . . .+ h(N) .
Note-se que os varios Hamiltonianos individuais sao iguais (a menos do ındice de partıcula),
de modo a garantir que o operador Hamiltoniano seja simetrico. Consideremos a base
418 Sistemas de partıculas identicas
propria de h(j):
h(j)|φn〉 = en|φn〉 , |φn〉 ∈ E(j) .
Assumimos, por simplicidade, que o espectro e discreto e nao degenerado e ordenamos os
vectores proprios de modo a que e1 < e2 < e3 < . . ..
• Se as partıculas sao bosoes, o estado fundamental e
|φ(S)1,1,...,1〉 = |1 : φ1; 2 : φ1; . . . ;N : φ1〉 ,
que ja esta simetrizado, sendo a energia correspondente
E1,1,...,1 = Ne1 .
• Se as partıculas sao fermioes, o estado fundamental e
|φ(A)1,2,...,N〉 =
1√N !
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
|1 : φ1〉 . . . |1 : φN〉. . . . . . . . .
|N : φ1〉 . . . |N : φN〉
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
∣
,
sendo a energia correspondente
E1,2,...,N = e1 + e2 + . . .+ eN .
A maior energia individual eN que se encontra no estado fundamental e denominada
energia de Fermi.
Estatıstica Quantica
Em mecanica estatıstica classica (estatıstica de Maxwell-Boltzmann), as N partıculas do
sistema sao tratadas como se tivessem diferentes naturezas, mesmo que sejam identicas.
Dois estados microscopicos, sao considerados distintos se as N partıculas forem identicas,
mas a permutacao diferente. Daqui resulta que, em equilıbrio termico a temperatura T , o
numero medio de partıculas com energia Ei e dado por
ni = Ne−βEi
∑
j e−βEj
,
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 419
onde a soma e sobre todos os estados microscopicos do sistema e β = 1/KBT . Este
resultado e aplicavel sempre que a temperatura seja suficientemente alta e a densidade
suficientemente baixa para os efeitos quanticos serem negligenciaveis (isto e nao haver
sobreposicao apreciavel das funcoes de onda das partıculas individuais).
Em mecanica estatıstica quantica o postulado de simetrizacao tem de ser considerado:
• Bosoes obedecem a estatıstica de Bose-Einstein; o numero medio de bosoes num estado
com energia Ei, e dado por
ni =1
eα+βEi − 1,
onde α e determinado pela restricao
N =∑
j
1
eα+βEj − 1. (12.4.1)
Para bosoes sem massa (como o fotao), α = 0. Note-se que esta estatıstica permite
que ni seja muito elevado.
• Fermioes obedecem a estatıstica de Fermi-Dirac; o numero medio de fermioes num estado
com energia Ei, e dado por
ni =1
eα+βEi + 1,
onde α e determinado pela restricao (12.4.1). Note-se que esta estatıstica limita ni a
0 ≤ ni ≤ 1, em concordancia com o princıpio de exclusao de Pauli.
Estas diferentes estatısticas podem ser observadas a baixas temperaturas. Bosoes identicos
tendem a acumular-se no estado de menor energia - condensacao de Bose-Einstein. Para
o 4He, este fenomeno origina a superfluidez. Para o 3He, que e um fermiao, o mesmo
fenomeno nao se verifica. A razao de o 3He ser um fermiao e do 4He ser um bosao e
consequencia do teorema de adicao do momento angular.
Note-se que se tentarmos sobrepor fermioes no mesmo estado quantico, existira uma
forca efectiva que contrariara esta tentativa de sobreposicao, originando a chamada pressao
de Fermi. Esta pressao desempenha um papel importante na evolucao estelar. Quando a
pressao de radiacao deixa de conseguir equilibrar uma estrela, a estrela colapsa. Se a estrela
420 Sistemas de partıculas identicas
tiver menos de 1.44 massas solares (limite de Chandrasekhar), a pressao de Fermi devida
aos electroes (degenerescencia electronica) evita que o colapso gravitacional continue. Para
estrelas com massa superior ao limite de Chandrasekhar, existe energia gravitacional sufi-
ciente para forcar os electroes e os protoes a combinarem-se em neutroes, formando uma
estrela de neutroes. A pressao de Fermi devida aos neutroes pode entao travar o colapso
gravitacional, se a massa da estrela for inferior a 2− 3 massas solares. Para massas muito
superiores a esta nao se conhece nenhum efeito que consiga travar o colapso gravitacional.
A estrela evoluira, em princıpio, para um buraco negro.
12.4.2 Efeitos de interferencia
A simetrizacao/anti-simetrizacao origina termos de interferencia no calculo de probabili-
dades. Para vermos este fenomeno consideramos um sistema de duas partıculas identicas,
uma no estado |φ〉 e outra no estado |χ〉, ortogonais. O estado fısico e
|φ;χ〉 =1√2
[
1 + ǫP21
]
|1 : φ; 2 : χ〉 ,
onde ǫ = +1,−1 para bosoes e fermioes respectivamente.
Queremos medir a grandeza fısica B, associada as observaveis B(1) e B(2). Seja bi o
espectro de B,
B|ui〉 = bi|ui〉 ,
que tomamos como sendo discreto e nao degenerado, por simplicidade. Podemos per-
guntar qual e a probabilidade de encontrar os valores bn e bn′ (diferentes) numa medicao
da grandeza fısica B das duas partıculas. Para respondermos, consideramos o ket fısico
associado a este resultado, que e
|un; un′〉 =1√2
[
1 + ǫP21
]
|1 : un; 2 : un′〉 .
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 421
Logo, a amplitude de probabilidade e
A(bn, bn′) = 〈un; un′|φ;χ〉 =1
2〈1 : un; 2 : un′|(1 + ǫP †
21)(1 + ǫP21)|1 : φ; 2 : χ〉
= 〈1 : un; 2 : un′|(1 + ǫP21)|1 : φ; 2 : χ〉
= 〈1 : un; 2 : un′|1 : φ; 2 : χ〉+ ǫ〈1 : un; 2 : un′|1 : χ; 2 : φ〉
= 〈un|φ〉〈un′|χ〉+ ǫ〈un|χ〉〈un′|φ〉 .
Podemos interpretar o resultado para a amplitude de probabilidade do seguinte modo.
Associamos os dois kets que descrevem o estado fısico |φ〉 e |χ〉 aos dois bras que descrevem
o resultado pretendido 〈un| e 〈un′| das duas maneiras possıveis - figura 12.4.
〈un|
〈un′|
|φ〉
|χ〉
〈un|
〈un′|
|φ〉
|χ〉
a) b)
Figura 12.4: Associacao dos dois kets que descrevem o estado fısico |φ〉 e |χ〉 aos dois brasque descrevem o resultado pretendido 〈un| e 〈un′|. O termo a) e denominado termo directo;o termo b) e denominado termo de troca.
Cada uma das duas maneiras origina uma amplitude de probabilidade e estas duas
amplitudes interferem com sinal diferente para bosoes e fermioes, originando probabilidades
P(bn, bn′) = |A(bn, bn′)|2 ,
diferentes. Explicitamente
P(bn, bn′) = |〈un|φ〉〈un′|χ〉+ ǫ〈un′|φ〉〈un|χ〉|2 . (12.4.2)
Notemos, por contraste, o resultado que seria obtido em Mecanica Quantica se as partıculas
nao fossem identicas. Consideramos que o estado fısico que descreve o sistema das duas
partıculas distinguıveis e
|1 : φ; 2 : χ〉 .
422 Sistemas de partıculas identicas
Fazemos uma medicao que, embora as partıculas sejam distinguiveis, nos da uma pro-
priedade fısica que nao distingue entre elas (por exemplo, temos um electrao e um protao
e medimos o spin). Logo os dois estados
|1 : un; 2 : un′〉 , |1 : un′; 2 : un〉 ,
descrevem o mesmo resultado da medicao. A probabilidade de obtermos os resultados bn
e bn′ e dada pela soma das probabilidades de o sistema estar nos estados |1 : un; 2 : un′〉 e
|1 : un′; 2 : un〉:
P ′(bn, bn′) = |〈1 : un; 2 : un′|1 : φ; 2 : χ〉|2 + |〈1 : un′; 2 : un|1 : φ; 2 : χ〉|2
= |〈un|φ〉〈un′|χ〉|2 + |〈un′|φ〉〈un|χ〉|2 .(12.4.3)
Note-se a ausencia do termo de interferencia, cujo sinal depende de as partıculas identicas
serem bosoes ou fermioes. Este termo manifesta a diferenca nas previsoes fısicas da
Mecanica Quantica dependendo se as partıculas sao identicas - resultado (12.4.2) - ou
distinguıveis - resultado (12.4.3).
Oz
a)
O
z
n
b)
Figura 12.5: Processo de colisao de partıculas identicas no referencial de centro de massa.Assumimos que tanto o estado inicial, a), como o estado final, b), sao estados proprios domomento, associados as direccoes z e n, respectivamente.
Para ilustrarmos o significado fısico dos termos directo e de troca, consideramos um
exemplo mais concreto: a colisao elastica de duas partıculas identicas no referencial de
centro de massa. Assumimos que o estado fısico que representa o estado inicial e
|Ψi〉 =1√2(1 + ǫP21)|1 : pez; 2 : −pez〉 ,
enquanto que o estado final e descrito por
|Ψf〉 =1√2(1 + ǫP21)|1 : pn; 2 : −pn〉 ,
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 423
conforme a figura 12.5. O estado final relaciona-se com o estado inicial atraves do operador
de evolucao (4.5.36)
|Ψ(t1)〉 = U(t1, t0)|Ψi〉 .
Como o Hamiltoniano comuta com P21, tambem o operador de evolucao o fara
[U(t, t′), P21] = 0 .
Assim, a amplitude de probabilidade para o processo descrito e:
〈Ψf |Ψ(t1)〉 =1
2〈1 : pn; 2 : −pn|(1 + ǫP †
21)U(t1, t0)(1 + ǫP21)|1 : pez; 2 : −pez〉 ,
que, usando
(1 + ǫP †21)U(t1, t0)(1 + ǫP21) = (1 + ǫP †
21)(1 + ǫP21)U(t1, t0) = 2(1 + ǫP †21)U(t1, t0) ;
pode ser reescrita
〈Ψf |Ψ(t1)〉 = 〈1 : pn; 2 : −pn|U(t1, t0)|1 : pez; 2 : −pez〉
+ǫ〈1 : −pn; 2 : pn|U(t1, t0)|1 : pez; 2 : −pez〉 .
Podemos pensar graficamente nestes dois termos como estando associados aos processos
descritos na figura 12.6. Qual termo associamos a qual grafico e irrelevante. O que importa
e que temos de somar ou subtrair as respectivas amplitudes de probabilidade para bosoes
ou fermioes, respectivamente.
z
n
z
n
b)a)
Figura 12.6: Representacao diagramatica dos dois processos cujas amplitudes tem de serconsideradas no calculo da probabilidade do processo descrito na figura 12.5. Um diagramacorresponde ao termo directo, por exemplo a), e outro ao termo de troca, por exemplo b).
424 Sistemas de partıculas identicas
Fechamos esta subseccao comentando que ha situacoes em que podemos na pratica
ignorar o postulado de simetrizacao e trabalhar com a funcao de onda para partıculas
identicas, como se fossem partıculas distinguıveis. Consideremos dois exemplos.
1) Se as partıculas identicas tiverem funcoes de onda espaciais com uma sobreposicao
negligenciavel, os problemas vistos no inıcio deste capıtulo nao devem ocorrer, pois
as partıculas nao se misturarao e nao perderemos o “rasto” de cada uma delas. Em
termos matematicos, sejam U1 e U2 as regioes do espaco onde a funcao de onda
das partıculas, que rotulamos como (1) e (2), tem suporte. Se perguntarmos qual
a probabilidade de encontrarmos uma partıcula num sub-espaco da regiao U1, e a
outra num sub-espaco da regiao U2, apenas um dos termos - o termo directo, por
exemplo -, ira contribuir. O termo de troca sera nulo pois corresponde a projectar a
funcao de onda da partıcula (1)/(2) num sub-espaco de U2/U1, onde nao tem suporte.
A resposta obtida para a densidade de probabilidade sera a mesma do que se nao
simetrizarmos/anti-simetrizarmos a funcao de onda das partıculas identicas.
2) Se as duas partıculas se encontrarem em estados ortogonais de spin, e o Hamiltoniano
de interaccao nao actuar nas variaveis de spin, o spin funciona como um numero
quantico conservado que efectivamente distingue as partıculas.
12.4.3 Difusao de duas partıculas identicas com spin
A difusao, tal como foi tratada no capıtulo 10, assumia uma clara separacao entre a
partıcula difundida e a partıcula difusora (modelada por um potencial difusor). O calculo
da seccao eficaz de difusao baseava-se na leitura da amplitude de difusao, atraves da forma
assimptotica dos estados estacionarios de difusao (10.1.13).
No caso de estudarmos difusao de duas partıculas identicas, e impossıvel distinguir entre
a partıcula incidente e a partıcula difundida. Consequentemente, no referencial de centro
de massa, tem-se duas ondas planas incidentes identicas, em rota de colisao: eikz, e−ikz. A
funcao de onda total que descreve o processo de difusao e e obtida pela resolucao da equacao
de Schrodinger, devera ser simetrica (para bosoes) ou anti-simetrica (para fermioes) na
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 425
troca das partıculas ~r1 ↔ ~r2. Esta troca, no referencial de centro de massa, corresponde a
r ↔ r , θ ↔ π − θ , z = r cos θ ↔ −z. (12.4.4)
Logo, num sistema de partıculas identicas, a parte orbital da funcao de onda que descreve
os estados estacionarios de difusao tera a forma assimptotica
(
vdifk
)
S,A(~r)
~r→∞−→ eikz ± e−ikz + (f(θ)± f(π − θ)) eikr
r, (12.4.5)
e nao (10.1.13), onde S,A se referem respectivamente ao sinal ‘+’ e ‘−’ de modo a que
a funcao de onda seja simetrica e anti-simetrica, respectivamente, na troca das duas
partıculas. Note que o sinal desta equacao nao e determinado pela natureza das partıculas
ser bosonica ou fermionica. De facto o postulado de simetrizacao requer que a funcao de
onda total, |Ψ〉, seja simetrica ou anti-simetrica na troca de duas partıculas e nao a funcao
de onda orbital |vdifk 〉. Assim, para compreendermos qual o sinal a utilizar na funcao de
onda orbital temos de considerar a funcao de onda total que tera para alem da parte orbital
uma parte de spin. Como exemplo consideremos a difusao de dois fermioes de spin 1/2.
Vimos na seccao 9.5.1 que o momento angular total e a respectiva funcao de onda de spin,
|S〉, serao:
S = 1 (estado tripleto simetrico) , |S〉S =
|1, 1〉 = |+,+〉|1, 0〉 = (|+,−〉+ |−,+〉)/
√2
|1,−1〉 = |−,−〉S = 0 (estado singleto anti− simetrico) , |S〉A = |0, 0〉 = (|+,−〉 − |−,+〉)/
√2 .
(12.4.6)
Consideramos agora os dois casos possıveis:
⋆ Se o sistema estiver polarizado, isto e num estado de momento angular total bem definido
(|S〉S ou |S〉A), a sua funcao de onda de spin sera simetrica ou anti-simetrica, respec-
tivamente. Como a funcao de onda total devera ser anti-simetrica (as partıculas sao
fermioes) teremos de escolher a funcao de onda orbital anti-simetrica ou simetrica
respectivamente:
|Ψ〉 = |vdifk 〉A ⊗ |S〉S ou |Ψ〉 = |vdif
k 〉S ⊗ |S〉A . (12.4.7)
426 Sistemas de partıculas identicas
Portanto, para um feixe polarizado com S = 1 a seccao eficaz diferencial de difusao,
dada pelo quadrado do modulo da amplitude de difusao, sera:
σ(θ, φ)A = |f(θ)− f(π − θ)|2 , (12.4.8)
enquanto que para S = 0 sera
σ(θ, φ)S = |f(θ) + f(π − θ)|2 . (12.4.9)
⋆ Se o sistema nao estiver polarizado, isto e estiver numa sobreposicao de estado de mo-
mento angular total bem definido, a seccao eficaz diferencial do processo e obtida
calculando uma media de σ(θ, φ)A e σ(θ, φ)S, onde o peso de cada uma e dada pelo
numero de estados de spin que a ela estao associados. Na pratica estamos a consid-
erar todos os estados de spin equiprovaveis. No nosso caso temos tres estados com
S = 1 e um estado com S = 0. Portanto a seccao sera dada por
σ(θ, φ) =3
4σ(θ, φ)A +
1
4σ(θ, φ)S . (12.4.10)
O caso geral e agora simples de concluir. Se o spin de cada uma das partıculas for s havera
2s + 1 valores possıveis para o momento angular total S (S = 2s, 2s − 1, . . . , 0); todos
os estados no multipleto correspondente a cada S terao a mesma simetria (simetricos ou
anti-simetricos na troca de duas partıculas). A funcao de onda orbital e escolhida com a
simetria apropriada de modo a que a funcao de onda total seja simetrica (anti-simetrica)
se as partıculas forem bosoes (fermioes):
⋆ Se o sistema estiver polarizado no estado com momento angular total S e as partıculas
forem fermioes (bosoes) entao a seccao eficaz diferencial e dada por
σ(θ, φ)A = |f(θ)− f(π − θ)|2 , (12.4.11)
se o multipleto com momento angular total S for simetrico (anti-simetrico) ou
σ(θ, φ)S = |f(θ) + f(π − θ)|2 , (12.4.12)
se o multipleto com momento angular total S for anti-simetrico (simetrico).
12.4 Consequencias do postulado de simetrizacao 427
⋆ Se o sistema nao estiver polarizado temos
σ(θ, φ) =s + 1
2s+ 1σ(θ, φ)A +
s
2s+ 1σ(θ, φ)S , (12.4.13)
para fermioes e
σ(θ, φ) =s + 1
2s+ 1σ(θ, φ)S +
s
2s+ 1σ(θ, φ)A , (12.4.14)
para bosoes, dado que genericamente teremos (2s + 1)2 estados de spin dos quais
s(2s+ 1) serao anti-simetricos e (s+ 1)(2s+ 1) serao simetricos.
Exemplo: Considere a difusao neutrao-neutrao a baixa energia, tomando o potencial
de interaccao
V (r) = ~σ1 · ~σ2V0e−αr
r, (12.4.15)
onde α, V0 sao constantes positivas e σi a matriz de Pauli para o neutrao i = 1, 2. Pre-
tendemos calcular a seccao eficaz de difusao supondo que os feixes dos neutroes nao estao
polarizados, na primeira aproximacao de Born. Comecamos por escrever o operador de
spin total do sistema
~S = ~s1 + ~s2 =
~
2(~σ1 + ~σ2) , (12.4.16)
dado serem partıculas de spin 1/2. Logo
~σ1 · ~σ2 =2
~2
(
S2 − s21 − s2
2
)
=
1 , se S = 1
−3 , se S = 0. (12.4.17)
Logo, para feixes polarizados o potencial e efectivamente
V (r) =
V0e−αr
r, se S = 1
−3V0e−αr
r, se S = 0
. (12.4.18)
A amplitude de difusao para cada um destes potenciais na primeira aproximacao de Born
e, usando (10.2.51) e (10.2.39)
fBornk (θ, φ) =
−2µV0
~2
1
4k2 sin2 θ2
+ α2, se S = 1
6µV0
~2
1
4k2 sin2 θ2
+ α2, se S = 0
. (12.4.19)
428 Sistemas de partıculas identicas
A seccao eficaz diferencial de difusao e dada por (12.4.10) usando (12.4.8) e (12.4.9)
σ(θ, φ) =3
4|fS=1
k (θ)− fS=1k (π − θ)|2 +
1
4|fS=0
k (θ) + fS=0k (π − θ)|2 , (12.4.20)
ou
σ(θ, φ) =3
4
∣
∣
∣
∣
∣
−2µV0
~2
(
1
4k2 sin2 θ2
+ α2− 1
4k2 cos2 θ2
+ α2
)∣
∣
∣
∣
∣
2
+1
4
∣
∣
∣
∣
∣
6µV0
~2
(
1
4k2 sin2 θ2
+ α2+
1
4k2 cos2 θ2
+ α2
)∣
∣
∣
∣
∣
2
.
(12.4.21)
12.5 Atomos com varios electroes - A tabela periodica
No capıtulo 6 estudamos o atomo de Hidrogenio, considerando apenas o termo cinetico e
a interaccao de Coulomb entre o electrao e o protao. O problema e exactamente soluvel
e obtivemos o espectro e as funcoes de onda analiticamente. Este estudo foi refinado no
capıtulo 11, em que consideramos as primeiras correccoes relativistas e em particular o spin,
para perceber e calcular perturbativamente a estrutura fina. Ao considerarmos atomos com
varios electroes, o problema, mesmo considerando apenas a interaccao de Coulomb, deixa
de ser exactamente soluvel. A razao e que existe uma interaccao repulsiva de Coulomb
entre os varios electroes, que faz com que os electroes deixem de sentir um potencial central.
Para um atomo com numero atomico Z, o Hamiltoniano sera:
H =
Z∑
i=1
P 2i
2me− 1
4πǫ0
Z∑
i=1
Ze2
Ri
+1
4πǫ0
∑
i<j
e2
|Ri − Rj |, (12.5.1)
onde o ultimo termo (que corresponde, de facto, a Z(Z − 1)/2 termos) descreve as in-
teraccoes entre os electroes do atomo. Note-se que o Hamiltoniano e uma observavel
simetrica, como requerido para uma observavel fısica. Podiamos sugerir um tratamento
perturbativo para este Hamiltoniano, considerando o terceiro termo em (12.5.1) como uma
perturbacao aos outros dois, que podem ser resolvidos exactamente. Estimando tanto Ri
como |Ri − Rj | pelo raio de Bohr, a razao entre o terceiro e segundo termos em (12.5.1) e
Z(Z − 1)/2
Z2,
12.5 Atomos com varios electroes - A tabela periodica 429
que varia entre 1/4 para Z = 2 e 1/2 para Z elevado. Claramente um tratamento pertur-
bativo nao sera uma boa aproximacao.
Existe, no entanto uma aproximacao que pode ser usada para tratar este problema: a
aproximacao de campo central. Esta aproximacao consiste em considerar que cada electrao
sente um potencial efectivo central, Vc(Ri), que leva em conta, nao so o potencial atractivo
do nucleo mas tambem o potencial repulsivo dos outros electroes. Uma intuicao classica
revela que o potencial dos outros electroes depende, ele proprio, da localizacao do electrao
que consideramos; para alem disso, se o electrao considerado estiver muito proximo de
outro electrao e a posicao relativa nao for radial, o potencial central sera uma aproximacao
pobre. Contudo, em mecanica quantica, onde os electroes se encontram delocalizados, esta
aproximacao parece ser mais justificada. Assim consideramos o Hamiltoniano do problema
(12.5.1) na forma seguinte:
H = H0 + W ,
onde
H0 =
Z∑
i=1
(
P 2i
2me+ Vc(Ri)
)
, W = − 1
4πǫ0
Z∑
i=1
Ze2
Ri
+1
4πǫ0
∑
i<j
e2
|Ri − Rj |−
Z∑
i=1
Vc(Ri) .
Se o potencial Vc(Ri) for escolhido apropriadamente, W pode ser considerado uma per-
turbacao a H0, que por sua vez corresponde a Z copias de um Hamiltoniano efectivo para
uma partıcula dado por
Hefe =P 2
i
2me+ Vc(R) . (12.5.2)
A aproximacao de campo central consiste em escolher apropriadamente Vc(R), negligenciar
W e resolver Hefe. O ponto crucial e a escolha de Vc(R), que e um problema complexo e
nao sera aqui tratado. A ideia e procurar uma solucao auto-consistente, isto e:
i) A escolha do potencial Vc(R) tem que garantir que W e uma perturbacao;
ii) A funcao de onda dos outros Z − 1 electroes e calculada usando Vc(R); estas funcoes
de onda tem de ser consistentes com o proprio potencial, no sentido que tem de
reproduzir a densidade de carga que produz Vc(R).
430 Sistemas de partıculas identicas
Se bem que a determinacao exacta de Vc(R) seja um problema complexo, a sua forma
para pequenas e longas distancias pode ser vislumbrada de um modo simples.
• Para r pequeno, o electrao considerado encontra-se dentro da nuvem electronica dos
outros electroes, sentindo por isso, apenas o potencial nuclear; assim, o potencial
sera
Vc(r) ≃ −1
4πǫ0
Ze2
r;
• Para r grande, o electrao considerado encontra-se fora da nuvem electronica dos outros
electroes; efectivamente os Z − 1 electroes anulam Z − 1 cargas positivas do nucleo,
pelo que o potencial sera
Vc(r) ≃ −1
4πǫ0
e2
r.
Para valores intermedios, Vc(r) interpola entre estes dois comportamentos, de um modo
mais ou menos complicado, dependendo do atomo - figura 12.7. Note-se que estes dois
potenciais coincidem para o Hidrogenio.
Figura 12.7: A tracejado representam-se os potenciais correspondentes as aproximacoeslonge e perto do nucleo. A cheio representa-se um potencial que interpola entre os dois(Extraıdo de Cohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
12.5 Atomos com varios electroes - A tabela periodica 431
12.5.1 Nıveis de energia
Estas consideracoes qualitativas, permitem-nos inferir, qualitativamente, a estrutura do
espectro de energias do Hamiltoniano (12.5.2):
i) Dado que o potencial efectivo e central, as funcoes de onda devem ser caracterizadas
por um numero quantico principal N e um numero quantico angular ℓ, tal como no
caso do atomo de Hidrogenio. Mas, enquanto que no caso do Hidrogenio, ha uma
degenerescencia acidental (que pode ser ligada a uma simetria escondida do potencial
1/r que alarga o grupo de simetria do problema para SO(4) e nao SO(3)) que permite
aos valores proprios do Hamiltoniano so dependerem de N , aqui esperamos que os
nıveis de energia dependam de N e ℓ, ou seja, EN,ℓ. Tal como no Hidrogenio, o
numero quantico principal e introduzido a custa de um inteiro n0, que surge quando
resolvemos a equacao radial, e por isso
ℓ ≤ N − 1 .
ii) Esperamos que a energia aumente com N , para ℓ fixo:
EN ′,ℓ > EN,ℓ , N ′ > N .
iii) Esperamos que a energia aumente com ℓ, para N fixo:
EN,ℓ′ > EN,ℓ , ℓ′ > ℓ .
De facto, quanto maior o momento angular, para N fixo, esperamos que a funcao de
onda esteja localizada mais longe do nucleo, correspondendo portanto a um estado
menos ligado.
iv) Existe uma degenerescencia de 2(2ℓ + 1) de cada nıvel de energia; o factor (2ℓ + 1) e
devido a invariancia de rotacao (que torna o modulo da funcao de onda e a energia
independentes de mℓ) e o factor de 2 e devido ao spin.
Verifica-se de facto que a hierarquia de energia e muito semelhante para todos os atomos,
embora os valores absolutos dependam de Z. A figura 12.8 representa essa hierarquia.
Contraste-se o comportamento com o do atomo de Hidrogenio - Figura 6.4.
432 Sistemas de partıculas identicas
Figura 12.8: Hierarquia energetica das varias camadas para um potencial central do tiporepresentado na figura 12.7. Note-se que para N fixo (na figura representado como n), aenergia aumenta com ℓ. Entre parentises encontra-se a degenerescencia de cada nıvel. Entrechavetas encontram-se nıveis muito proximos cuja disposicao relativa depende do atomo. Adireita de cada camada encontram-se os sımbolos quımicos dos atomos cuja ultima camadaocupada (no estado fundamental) e essa (Extraıdo de Cohen et al, ‘Quantum Mechanics ’).
12.5.2 Configuracoes electronicas e princıpio da exclusao de Pauli
Como os electroes sao fermioes, obedecem ao princıpio de exclusao de Pauli. Assim, depois
de resolvermos o Hamiltoniano (12.5.2) construimos, na aproximacao de campo central, as
funcoes de onda de um atomo com numero atomico Z atraves do determinante de Slater,
construido com as funcoes de onda de (12.5.2). O estado fundamental do atomo e assim
obtido quando os Z electroes ocupam as orbitais de menor energia de um modo compatıvel
12.5 Atomos com varios electroes - A tabela periodica 433
com o princıpio de exclusao de Pauli.
Cada nıvel energetico EN,ℓ tem degenerescencia 2(2ℓ + 1) e o conjunto de estados in-
dividuais associados a essa mesma energia chama-se uma “shell” ou camada. A lista
das camadas ocupadas com os respectivos numeros de ocupacao chama-se a configuracao
electronica do atomo. O conhecimento desta configuracao electronica permite-nos inter-
pretar as propriedades fısicas e quımicas de um atomo.
A configuracao electronica de um determinado atomo e obtida enchendo as varias ca-
madas, comecando no nıvel de menor energia, 1s, e seguindo a ordem crescente de energia
(i.e. pela ordem apresentada na figura 12.8), ate esgotar os Z electroes:
Z = 1; O atomo de Hidrogenio, no seu estado fundamental, tem o seu unico electrao no
nıvel 1s:
H : 1s ;
Note-se que para o Hidrogenio, a energia nao depende de ℓ, pelo que devemos usar a
figura 6.4 e nao a figura 12.8.
Z = 2; O atomo de Helio, no seu estado fundamental, tem os seus dois electroes no nıvel
1s:
He : 1s2 ;
ou seja os dois electroes tem spins opostos;
Z = 3; O atomo de Lıtio, no seu estado fundamental, tem dois electroes no nıvel 1s e o
terceiro no nıvel 2s:
Li : 1s2, 2s ;
Z = 4; O atomo de Berılio, no seu estado fundamental, tem dois electroes no nıvel 1s e
dois no nıvel 2s:
Be : 1s2, 2s2 ;
Para Z > 4 comeca-se a encher a camada 2p, que pode comportar 6 electroes, correspon-
dendo aos estados fundamentais dos elementos Boro, Carbono, Azoto, Oxigenio, Fluor e
434 Sistemas de partıculas identicas
Neon. Para Z = 11, 12, enche-se o nıvel 3s, correspondendo aos estados fundamentais do
Sodio e Magnesio, etc. Assim, obtem-se as configuracoes electronicas de todos os atomos,
que, em ultima analise, explicam a tabela periodica de Mandeleev - Figura 12.9.
Figura 12.9: Uma tabela periodica dos elementos.
Note-se que nıveis muito proximos (aqueles dentro de chavetas na figura 12.8), podem
ser enchidos de uma maneira irregular. Por exemplo, na figura 12.8 a camada 4s e repre-
12.6 Sumario 435
sentada como tendo menos energia que a camada 3d. No entanto, o Cromio (Z = 34) tem
5 electroes na camada 3d e a camada 4s incompleta. Irregularidades semelhantes aparecem
para o Cobre (Z = 29), Niobium (Z = 41), etc.
Apesar das subtilezas, algumas caracterısticas sao bastante intuitivas. Por exemplo a
energia de ionizacao para o Helio e 24.6 eV, ligeiramente menos do que o dobro do valor
do Hidrogenio, porque, apesar de existir uma forca atractiva entre os electroes e o nucleo
que e o dobro daquela que existe no Hidrogenio, existe tambem uma forca repulsiva entre
os dois electroes que diminui a energia de ligacao.
Um comentario final prende-se com o momento angular dos atomos. Pode-se mostrar
que numa camada completa, o momento angular total e zero, tal como o momento angular
orbital e o momento angular de spin. Assim, o momento angular de um atomo e totalmente
devido aos seus electroes exteriores. Por exemplo, o momento angular total do helio, no seu
estado fundamental e zero, tal como para todos os gases raros, enquanto que o momento
angular total do Lıtio e 1/2, devido a um electrao desemparelhado numa orbital s, tal
como para todos os metais alcalinos.
12.6 Sumario
Neste capıtulo estudamos a descricao quantica de sistemas com varias partıculas identicas.
Comecamos por observar que existe uma degenerescencia de funcoes de onda que podem
descrever o sistema depois de termos feito uma medicao do mesmo tao completa quanto
possıvel. Essa “degenerescencia de troca” introduz ambiguidades nas previsoes fısicas. Tais
ambiguidades podem ser levantadas introduzindo o postulado de simetrizacao, que postula
que os estados fısicos podem ter dois tipos, bosoes e fermioes, correspondendo a funcoes
de onda totalmente simetricas ou totalmente anti-simetricas na troca de duas quaisquer
partıculas. As funcoes de onda fısicas sao construidas com os operadores simetrizador
e anti-simetrizador, definidos a custa dos operadores de permutacao, que estudamos em
detalhe. Estudamos ainda as diferencas fısicas entre bosoes e fermioes, a principal das
quais e o princıpio de exclusao de Pauli para os fermioes, inexistente para bosoes. A
436 Sistemas de partıculas identicas
existencia deste princıpio em sistemas de fermioes e responsavel pela existencia da energia
de Fermi e pela ausencia de um fenomeno do tipo da condensacao de Bose-Einstein. Ele
esta ainda na origem das diferentes estatısticas para bosoes e fermioes (Bose-Einstein e
Fermi-Dirac). Mostramos como os termos directo e de troca tem interferencias diferentes
para fermioes e bosoes. Terminamos fazendo algumas consideracoes sobre a estrutura
dos atomos com varios electroes. Descrevemos qualitativamente a aproximacao de campo
central, que nos permite resolver o problema e apresentamos a estrutura dos nıveis de
energia. Juntamente com o princıpio de exclusao de Pauli, esta estrutura permitiu-nos
descrever a configuracao electronica dos atomos, que, por sua vez, permite compreender a
estrutura da tabela periodica dos elementos - figura 12.9.
CAPITULO 13
Introducao a Mecanica Quantica Relativista
A teoria quantica que construimos ate agora e uma teoria nao relativista. A equacao
de onda de Schrodinger nao possui invariancia de Lorentz, dado ter sido construida com
base na relacao de dispersao nao relativista (3.0.2). Neste capıtulo vamos introduzir duas
equacoes de onda invariantes por transformacoes de Lorentz, i.e. covariantes, de modo a
obedecer aos princıpios da relatividade restrita: a equacao de Klein-Gordon e a equacao
de Dirac. A covariancia e necessaria para poder aplicar a teoria quantica a partıculas com
energia elevada. Note-se que nao e necessario (felizmente!) fazer a teoria totalmente covari-
ante, i.e. compatıvel com os princıpios da relatividade geral, pois a interaccao gravıtica e
negligenciavel nos fenomenos atomicos de interesse para o estudo aqui efectuado. Veremos
que, das duas equacoes, apenas uma - a de Dirac - descreve partıculas com spin e como tal
e a equacao relativista apropriada para descrever o electrao.
13.1 A teoria de Klein-Gordon
A equacao de Schrodinger (3.0.6) foi construıda no capıtulo 3 a partir da relacao nao
relativista entre a energia e o momento (3.0.2). Como visto na seccao 4.4.2 essa construcao
438 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
pode ser vista como resultando da associacao a energia e ao momento dos operadores:
E → i~∂
∂t, ~p→ −i~∇ . (13.1.1)
Se procuramos uma equacao fundamental da Mecanica Quantica Relativista e natural fazer
esta mesma associacao na relacao relativista entre a energia e o momento, que e:
E2 = m20c
4 + p2c2 ⇔ pµpµ = m2
0c2 , (13.1.2)
onde m0 e a massa em repouso da partıcula, c e a velocidade da luz, p2 = ~p ·~p e o quadrado
do 3-momento e pµ e o 4-vector momento:
pµ =
(
E
c, ~p
)
⇔ pµ =
(
E
c,−~p
)
, (13.1.3)
onde, em conformidade com a maioria da literatura sobre Mecanica Quantica Relativista
e Teoria Quantica de Campo, usamos a metrica de Minkowski com assinatura ‘maioritari-
amente negativa’
ds2 = ηµνdxµdxν = (dx0)2 − δijdxidxj ; (13.1.4)
o 4-vector posicao espaco-temporal e:
xµ = (x0, ~x) = (ct, ~x) . (13.1.5)
Usando (13.1.1) em (13.1.3) obtemos que
pµ =
(
E
c,−~p
)
→ i~
(
1
c
∂
∂t,∇)
= i~∂
∂xµ, (13.1.6)
ou
pµ → i~∂µ , (13.1.7)
que e a associacao de operadores (13.1.1) em notacao manifestamente covariante por trans-
formacoes de Lorentz (i.e relativista). Usando esta associacao em (13.1.2) obtemos a
equacao de Klein-Gordon:1
2Φ(xµ) = −(m0c
~
)2
Φ(xµ) ; (13.1.8)
1Esta equacao foi descoberta independentemente e praticamente simultaneamente pelo fısico suecoOskar Klein (1894 - 1977), Z.f.Phys. 37 (1926) 895, e pelo fısico alemao Walter Gordon (1893-1940),
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon 439
denotamos o operador D’Alambertiano por 2
2 = ∂µ∂µ =
1
c2∂2
∂t2−∆ , (13.1.9)
e ∆ e o operador Laplaciano. Estes operadores sao a segunda derivada covariante num
espaco Lorentziano e Euclidiano respectivamente. Tem uma expressao covariante, isto e
valida para um sistema de coordenadas arbitrario e num espaco arbitrario, que e dada pela
metrica gµν nesse espaco e nesse sistema de coordenadas:
∆,2 . . . =1√
|g|∂µ
(
gµν√
|g|∂ν . . .)
, (13.1.10)
onde |g| e o modulo do determinante da metrica e ‘. . .’ representa a funcao escalar onde
estes operadores actuam.
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon
A equacao (13.1.8) e de facto uma equacao invariante por transformacoes de Lorentz, ao
contrario da equacao de Schrodinger. Mas dadas as diferencas fısicas entre a Mecanica nao
relativista e a Mecanica relativista colocam-se duas questoes:
i) Sera que podemos ainda interpretar as solucoes da equacao de Klein-Gordon Φ(xµ)
como uma funcao de onda, que descreve uma amplitude de probabilidade, do mesmo
modo que fazemos na Mecanica Quantica nao relativista?
ii) Sera que esta e a equacao relativista correcta para descrever o electrao?
Z.f.Phys. 40 (1926) 117. Contudo, a historia parece ser algo mais interessante (ver S.Weinberg, Quantum
Field Theory, Vol I, Sec. 1.1). Em 1926 Schrodinger publicou quatro artigos sobre a mecanica ondulatoria,em que deriva a ‘sua’ equacao, mostra equivalencia com a mecanica matricial e so mais tarde, no quartoartigo, apresenta a equacao de onda relativista. Contudo, apesar de ter publicado primeiro a equacao quetem o seu nome e e nao relativista, Schrodinger tera derivado inicialmente a equacao relativista (13.1.8).Mas ao calcular o espectro do atomo de hidrogenio, Schrodinger observou que a equacao relativista davao resultado errado para a estrutura fina do atomo de hidrogenio. No limite nao relativista, no entanto,a equacao (de Klein-Gordon) reduzia-se a uma equacao que Schrodinger se apercebeu ser util (a eq. deSchrodinger) e que foi a eq. inicialmente publicada por ele, apesar de saber que era o limite nao relativistade uma eq. incorrecta! Quando, mais tarde, Schrodinger publicou a eq. relativista (Ann. Phys. 81 (1926)109), esta ja havia sido redescoberta por Klein e Gordon.
440 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
13.2.1 Energias negativas
Para respondermos a questao i) consideremos, em primeiro lugar, os estados da equacao de
Klein-Gordon analogos aos estados estacionarios da equacao de Schrodinger. Separando
variaveis:
Φ(xµ) = T (t)φ(~x) , (13.2.1)
a equacao de Klein-Gordon fica:
− 1
c21
T (t)
d2T (t)
dt2+
1
φ∆φ(~x) =
(m0c
~
)2
; (13.2.2)
pelo argumento habitual esta equcao separa-se em duas:
− 1
c21
T (t)
d2T (t)
dt2=ω2
c2,
1
φ∆φ(~x) = −k2 , (13.2.3)
onde introduzimos as constantes ω2 e k2, que obedecem a relacao de dispersao:
ω2 = k2c2 +m2
0c4
~2⇒ ω± = ±
√
k2c2 +m2
0c4
~2. (13.2.4)
A solucao geral da primeira equacao em (13.2.3) e
T (t) = c+e−iω+t + c−e
−iω−t , (13.2.5)
enquanto que a segunda equacao pode ser escrita como
−∆φ(~x) = k2φ(~x) , (13.2.6)
que e exactamente a forma da equacao de Schrodinger livre e independente do tempo.
A diferenca fundamental e que no tratamento nao relativista o vector de onda de uma
partıcula livre relaciona-se com a frequencia por:
k2 =p2
~2=
2mE
~2=
2mω
~⇔ ω =
~k2
2m. (13.2.7)
e, em particular existe apenas uma frequencia para cada vector de onda. No caso relativista,
k2 relaciona-se com a frequencia pela relacao de dispersao (13.2.4) e, em particular, existem
duas frequencias possıveis para cada k2, correspondendo a um modo de energia positiva e
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon 441
outro de energia negativa. A existencia de dois modos para cada comprimento de onda e
uma consequencia directa da equacao de Klein-Gordon ser de segunda ordem na derivada
temporal. Assim, escrevemos a solucao como
Φ(xµ) = Φ+(xµ) + Φ−(xµ) , Φ±(xµ) = φ(~x)e−iω±t , (13.2.8)
onde Φ+(xµ) (Φ−(xµ)) correspondem ao modo com energia positiva (negativa), como pode
ser verificado pela accao do operador (13.1.1).
A existencia de modos com energia negativa pode ser problematica, se nao existir um
limite inferior para as energias negativas. Para ilustrar este ponto considermos a equacao
de Klein-Gordon num intervalo. Isto e, requeremos que φ(x) seja nao nulo somente em
0 < x < a, anulando-se, por continuidade nos extremos. Esta situacao e o analogo a
um poco de potencial de profundidade infinita para a eq. de KG. A solucao tem a forma
(13.2.8) com
φ(x) = A sin(knx) , kn =nπ
a, n ∈ N , (13.2.9)
onde A e uma constante de normalizacao. Por (13.2.4),
ω± = ±√
n2π2c2
a2+m2
0c4
~2. (13.2.10)
Logo, a energia nao esta limitada inferiormente; ω− torna-se arbitrariamente grande e neg-
ativo para n grande. Isto implica que somente a teoria livre e consistente. Se introduzirmos
interaccoes que permitam a partıcula saltar de um nıvel energetico para outro, poderemos
extrair uma energia arbitrariamente grande do sistema quando a partıcula de Klein-Gordon
saltar para nıveis de energia arbitrariamente grande e negativa. A existencia de tais nıveis
e uma razao para considerarmos que a equacao de Klein-Gordon nao e adequada para
descrever quanticamente uma partıcula relativista com interaccoes.
13.2.2 Probabilidades negativas
A interpretacao das solucoes da equacao de Schrodinger como amplitudes de probabilidade
foi legitimada por existir um produto escalar. Para sermos concretos consideremos funcoes
442 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
de onda em R3; esse produto escalar toma a forma (4.1.6)
(φ, ψ) =
∫
d3~xφ∗(~x)ψ(~x) . (13.2.11)
Este produto e:
i) positivo (cf. seccao 4.1.1), permitindo como tal definir uma norma positiva,
||ψ||2 =
∫
d3~xψ∗(~x)ψ(~x) , (13.2.12)
associada a uma densidade de probabilidade positiva:
P(~x) = ψ∗(~x)ψ(~x) ≥ 0 , ∀~x ; (13.2.13)
ii) globalmente conservado na evolucao do sistema, dada a hermiticiade do operador
Hamiltoniano (cf. seccao 4.4.4):
d
dt(φ, ψ) = 0 . (13.2.14)
Note que conservacao local de probabilidade e expressa pela equacao de continuidade
(4.4.55)∂
∂tP(~x, t) +∇ · ~J(~x, t) = 0 , (13.2.15)
onde o vector densidade de corrente de probabilidade e (4.4.53).
Para a equacao de Klein-Gordon podemos introduzir um 4-vector densidade de corrente
conservado, definido por
Jµ(xα) = i [Φ∗(xα)∂µΦ(xα)− Φ(xα)∂µΦ∗(xα)] . (13.2.16)
A equacao de Klein-Gordon garante que ele e conservado:
∂µJµ = 0 . (13.2.17)
De facto
∂µJµ = i [∂µΦ∗(xα)∂µΦ(xα) + Φ∗(xα)∂µ∂µΦ(xα)− ∂µΦ(xα)∂µΦ∗(xα)− Φ(xα)∂µ∂µΦ∗(xα)]
= i [Φ∗(xα)2Φ(xα)− Φ(xα)2Φ∗(xα)](13.1.8)
= i[
−Φ∗(xα)(
m0c~
)2Φ(xµ) + Φ(xα)
(
m0c~
)2Φ∗(xµ)
]
= 0 .
(13.2.18)
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon 443
A equacao (13.2.17) e uma versao covariante da equacao de continuidade (13.2.15). Por
isso usamos a componente temporal do co-vector Jµ para definir um novo produto escalar :
(Φ,Φ) ≡∫
d3~xJ0(xα) = i
∫
d3~x
Φ∗(xα)∂Φ(xα)
∂x0− Φ(xα)
∂Φ∗(xα)
∂x0
, (13.2.19)
ou, generalizando para campos diferentes e usando x0 = ct
(Φ,Ψ) ≡ i
c
∫
d3~x
Φ∗(xα)∂Ψ(xα)
∂t−Ψ(xα)
∂Φ∗(xα)
∂t
. (13.2.20)
Note-se que este produto escalar pressupoe uma foliacao particular do espaco-tempo: foi
escolhida um certa famılia de hiper-superfıcies espaciais onde se integra. Este produto e
i) Conservadod
dt(Φ,Ψ) = 0 ; (13.2.21)
de facto
d
dt(Φ,Ψ) =
i
c
∫
d3~x
Φ∗(xα)∂2Ψ(xα)
∂t2−Ψ(xα)
∂2Φ∗(xα)
∂t2
(13.1.8)= ic
∫
d3~x Φ∗(xα)∆Ψ(xα)−Ψ(xα)∆Φ∗(xα) = 0 ,
(13.2.22)
onde a ultima igualdade e verificada integrando por partes e negligenciando o termo
fronteira (assume-se que o campo se anula no infinito).
ii) Mas nao e positivo:
Fazendo o produto escalar entre modos de energia positiva (energia negativa) (13.2.8)
obtemos
(Φ±,Φ±) =2ω±c
∫
d3~xφ∗(~x)φ(~x) , (13.2.23)
que e claramente positivo (negativo): modos de energia negativa tem norma negativa.
Deste modo o produto escalar conservado nao nos permite pensar numa solucao generica
da equacao de Klein-Gordon como descrevendo uma amplitude de probabilidade, dado que
a densidade de probabilidade correspondente poderia ser negativa. A existencia de tais
normas negativas revela que a interpretacao de Born nao pode ser extrapolada para as
‘funcoes de onda de Klein-Gordon’. A Mecanica Quantica nao relativista nao encontra
paralelo na teoria de Klein-Gordon.
444 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
13.2.3 Inexistencia de spin
No capıtulo 1 vimos que a forca de Lorentz que actua numa partıcula carregada,2
~F = q
(
~E +~v
c× ~B
)
, (13.2.24)
pode ser reproduzida no formalismo Hamiltoniano tomando
H =(~p− q ~A/c)2
2m+ qφ . (13.2.25)
Como discutido nessa altura vimos que a interaccao com o campo magnetico e efectiva-
mente considerada pela substituicao (designada por acoplamento minimal)
~p −→ ~p− q
c~A . (13.2.26)
Notamos aqui que a interaccao com o campo electrico e tambem efectivamente considerada
pela substituicao
E → E − qφ ; (13.2.27)
as duas ultimas equacoes correspondem as componentes espaciais e temporal, respectiva-
mente, da seguinte equacao covariante:
pµ =
(
E
c, ~p
)
→(
E − qφc
, ~p− q
c~A
)
= pµ − q
cAµ , (13.2.28)
onde definimos o 4-vector potencial electromagnetico como
~Aµ = (φ, ~A) ⇔ ~Aµ = (φ,− ~A) . (13.2.29)
As substituicoes (13.2.26) e (13.2.27) transformam a relacao relativista para a energia em
(E − qφ)2 = m20c
4 + (c~p− q ~A)2 ⇔(
pµ − q
cAµ)2
= m20c
2 . (13.2.30)
A equacao de Klein-Gordon minimalmente acoplada a um campo electromagnetico, e
obtida pela associacao (13.1.7) na ultima equacao, obtendo-se
(
i~∂µ −q
cAµ
)(
i~∂µ − q
cAµ)
Φ(xα) = m20c
2Φ(xα) . (13.2.31)
2Neste capıtulo vamos usar unidades electromagneticas diferentes das usadas no capıtulo 1, de modoa que os campos electrico e magnetico fiquem com as mesmas dimensoes; isto corresponde a transformar~B → ~B/c em (1.1.7) e ~A→ ~A/c em (1.3.20).
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon 445
Potencial de Coulomb
Para testar se o electrao do atomo de Hidrogenio e apropriadamente descrito pela equacao
de Klein-Gordon (13.2.31), vamos resolver esta equacao para o potencial de Coulomb.
Tomamos
Aµ =
(
e
4πǫ0r,~0
)
, q = −e , m0 = me , (13.2.32)
onde e e a carga do electrao (em modulo) e procuramos os estados estacionarios da equacao
de Klein Gordon usando o seguinte ansatz:
Φ(xµ) = F (r)Y mℓ (θ, φ)e−iEt/~ . (13.2.33)
A equacao (13.2.31) fica
[(
i~
c
∂
∂t+
e2
4πǫ0cr
)(
i~
c
∂
∂t+
e2
4πǫ0cr
)
+ ~2∆−m2
ec2
]
F (r)Y mℓ (θ, φ)e−iEt/~ = 0 ,
(13.2.34)
ou, usando
∆ =1
r2
∂
∂r
(
r2 ∂
∂r
)
− L2
r2~2, (13.2.35)
obtemos[
(
E
c+α~
r
)2
+~2
r2
d
dr
(
r2 d
dr
)
− ~2ℓ(ℓ+ 1)
r2−m2
ec2
]
F (r) = 0 , (13.2.36)
onde introduzimos a constante de estrutura fina α, dada por (2.2.4). Escrevendo
F (r) =R(r)
r, (13.2.37)
a equacao fica
−r2 d2
dr2R(r) =
E2 −m2ec
4
~2c2r2 +
2Eα
c~r −
(
ℓ(ℓ+ 1)− α2)
R(r) . (13.2.38)
Notemos que, em primeira aproximacao em v/c,
E2 −m2ec
4 =
(
mec2
√
1− (v/c)2
)2
−m2ec
4 ≃ m2ev
2c2 = 2meEcc2 , E ≃ mec
2 , (13.2.39)
446 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
onde Ec e a expressao habitual para a energia cinetica nao relativista; negligenciando ainda
o termo em α2 em (13.2.38), esta equacao reduz-se a
−r2 d2
dr2R(r) ≃
2meEc
~2r2 +
mee2
2πǫ0~2r − (ℓ(ℓ+ 1))
R(r) , (13.2.40)
que coincide com a equacao (6.4.3) que descreve o atomo de Hidrogenio (sem spin) na
mecanica quantica nao relativista. Portanto, no limite nao relativista, a equacao de Klein-
Gordon acoplada a um campo electromagnetico dara o espectro correcto para o atomo de
hidrogenio (6.4.18). Contudo este resultado so e valido em primeira ordem em α e vimos
no capıtulo 11 as primeiras correccoes que originam a estrutura fina. Se a equacao de
Klein-Gordon for a equacao correcta para descrever o electrao do atomo de Hidrogenio,
essas correccoes deverao emergir naturalmente da solucao de (13.2.38). E simples obter a
solucao exacta desta equacao usando os resultados do capıtulo 6: tal como para (6.4.3),
transformamos (13.2.38) na equacao de Whittaker (6.4.4) fazendo
z2
4=m2
ec4 −E2
~2c2r2 ⇔ z =
2
~c
√
m2ec
4 − E2r , (13.2.41)
que e a relacao analoga a (6.4.15) e
k =Eα
√
m2ec
4 −E2, m =
√
(
ℓ+1
2
)2
− α2 , (13.2.42)
que sao as relacoes analogas a (6.4.16). Como visto em detalhe na seccao 6.4, para que a
funcao de Whittaker convirja quando z → +∞, tem de existir um inteiro n0 tal que
n0 +m− k + 1/2 = 0 , n0 ∈ N0 . (13.2.43)
Esta condicao fica, com as identificacoes anteriores
n0 +
√
(
ℓ+1
2
)2
− α2 − Eα√
m2ec
4 −E2+
1
2= 0 , (13.2.44)
que, introduzindo o numero quantico principal N ≡ n0 + ℓ+ 1 e resolvendo para a energia
fica
EN,ℓ = mec2
1 +α2
(
N − ℓ− 12
+√
(
ℓ+ 12
)2 − α2
)2
−1/2
. (13.2.45)
13.2 Os problemas com a teoria de Klein-Gordon 447
Este e o espectro de energias exacto obtido da equacao de Klein-Gordon acoplada ao
potencial de Coulomb; depende de dois numeros quanticos, N e ℓ que sao os numeros
quanticos principal e de momento angular habituais. Podemos agora verificar que este
espectro nao explica correctamente a estrutura fina do atomo de Hidrogenio. Fazendo uma
expansao de (13.2.45) em potencias de α obtem-se:
EN,ℓ = mec2
[
1− α2
2N2− α4
2N4
(
N
ℓ + 12
− 3
4
)
+O(α6)
]
. (13.2.46)
O primeiro termo e a energia associada a massa em repouso do electrao; o segundo termo e
o espectro de energias obtido no capıtulo 6 para o atomo de Hidrogenio (6.4.18); o terceiro
termo deveria ser o termo de estrutura fina. Para o nıvel N = 2 este termo separa as
orbitais 2s e 2p, que passam a ter energia (ate ordem α4)
E2,0 = −mec2
(
α2
8+
13α4
128
)
, E2,1 = −mec2
(
α2
8+
7α4
384
)
, (13.2.47)
que estao portanto separadas por
E2,1 − E2,0 =8
3
4mec2α4
128. (13.2.48)
Como discutido na seccao 11.1.4 a separacao observada experimentalmente (e correcta-
mente explicada pela teoria perturbativa) e de apenas 4mec2α4/128. Portanto a equacao
de Klein-Gordon nao explica correctamente a estrutura fina. Logo a equacao de Klein-
Gordon nao descreve correctamente a fısica do electrao do atomo de Hidrogenio.
A razao e que a funcao de onda de Klein-Gordon nao contem graus de liberdade de spin,
que e fundamental para obter a estrutura fina correcta. De facto, como visto na seccao
9.4, a descricao (nao relativista) de partıculas de spin 1/2 envolve 2-spinores que contem
duas funcoes de onda espaciais, cada uma descrevendo a amplitude de probabilidade de um
estado de spin. A equacao de Klein-Gordon so possui uma funcao espacial, pelo que nao
possui os graus de liberdade necessarios para descrever o spin e como tal para descrever
apropriadamente o electrao.
448 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
13.3 A teoria de Dirac
Paul Dirac sugeriu, em 1928, uma equacao relativista para o electrao, que naturalmente
introduzia o seu spin, explicando correctamente a sua interaccao com campos electro-
magneticos, e que tinha um produto escalar positivo associado. A intuicao de Dirac foi
que os problemas da equacao de Klein-Gordon, nomeadadamente as probabilidades e en-
ergias negativas, estariam associados a esta equacao ser de segunda ordem nas derivadas
temporais. Dirac tentou, por isso, factorizar a equacao de Klein-Gordon para obter uma
equacao de primeira ordem na derivada temporal e relativista. Dirac tentou factorizar a
expressao da energia relativista (13.1.2) escrevendo-a da seguinte forma:
pµpµ −m2
0c2 = 0 ⇔ (γµpµ +m0c)(γ
νpν −m0c) = 0 , (13.3.1)
o que e verdade se o objecto γµ obedecer a seguinte propriedade:
γ(µγν) ≡ 1
2(γµγν + γνγµ) = ηµν . (13.3.2)
Se as componentes de γµ forem numeros e manifestamente impossıvel resolver estas equacoes.
Por exemplo teriamos de resolver simultaneamente
(γ0)2 = 1 , (γ1)2 = −1 , γ0γ1 = 0 . (13.3.3)
A grande (enormıssima!) intuicao de Dirac foi sugerir que as componentes de γµ poderiam
ser matrizes. Como matrizes genericamente nao comutam, a factorizacao (13.3.1) seria
verdadeira se
γµ, γν = 2ηµν , (13.3.4)
onde definimos o Anti-comutador
A,B ≡ AB +BA . (13.3.5)
As relacoes de anti-comutacao (13.3.4) definem uma algebra denominada algebra de Clifford
e as matrizes ‘gama’ sao designadas por matrizes de Dirac. Usando a associacao (13.1.7),
obtemos uma equacao de primeira ordem igualando a zero qualquer um dos factores em
13.3 A teoria de Dirac 449
(13.3.1), a actuar numa funcao de onda Ψ(~x), que sera um vector coluna no mesmo espaco
vectorial em que estao definidas as matrizes γµ. Escolhendo o segundo factor em (13.3.1),
que corresponde a energia positiva, obtemos a equacao de Dirac:
i~γµ∂µΨ(xα) = m0cΨ(xα) . (13.3.6)
As matrizes γµ
Para estudar detalhadamente a equacao de Dirac temos de ter uma forma explıcita para
as matrizes γµ, µ = 0, 1, 2, 3. Em primeiro lugar podemos perguntar qual sera a dimensao
destas matrizes. Para cada dimensao espaco-temporal, existe uma dimensao mınima para
a representacao da algebra de Clifford; em quatro dimensoes a representacao minimal da
algebra de Clifford tem dimensao quatro que e a dimensao das matrizes γµ. Ha varias
escolhas diferentes (ditas representacoes) para estas matrizes. Aqui iremos usar a seguinte
representacao:
γ0 =
1 0
0 −1
, γi =
0 σi
−σi 0
, (13.3.7)
onde σi sao as matrizes de Pauli (9.1.36) e 1 e a matriz identidade em duas dimensoes.
A ‘funcao de onda de Dirac’ Ψ(xα), sera, portanto, representada por um vector coluna
quatro dimensional que e um spinor de quatro componentes ou 4-spinor :
Ψ(xα) =
[Ψ] (xα)
[χ] (xα)
=
Ψ1(xα)
Ψ2(xα)
χ1(xα)
χ2(xα)
, (13.3.8)
onde [Ψ]a(xα), a = 1, 2 representam dois 2-spinores, na notacao da seccao (9.4.1). Se no
caso da equacao de Klein-Gordon tinhamos graus de liberdade insuficientes para descrever
uma partıcula com spin 1/2, aparentemente, na equacao de Dirac temos demasiados graus
de liberdade para tal!...
Exercıcio: Verifique que as matrizes de Dirac (13.3.7) obedecem a algebra de Clifford
(13.3.4).
450 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
13.3.1 Os sucessos da equacao de Dirac
Vamos agora enumerar, sem demonstrar, os sucessos da teoria de Dirac.
i) E possıvel definir um produto escalar, que e invariante por transformacoes de Lorentz,
conservado e definido positivo; a norma de uma funcao de onda de Dirac e
(Ψ,Ψ) =
∫
d3~xΨ†Ψ =
∫
d3~x(
|Ψ1(xα)|2 + |Ψ2(x
α)|2 + |χ1(xα)|2 + |χ2(x
α)|2)
,
(13.3.9)
que generaliza para 4-spinores a forma da norma para 2-spinors (9.4.20).
ii) No limite nao relativista, a teoria de Dirac reduz-se a teoria de Pauli, com o factor
giromagnetico correcto para o electrao, g = 2. Para obter este resultado e necessario
acoplar a equacao de Dirac a um campo electromagnetico, o que e feito pelo acopla-
mento minimal (13.2.28). Obetem-se a equacao de Dirac na presenca de um campo
electromagnetico descrito pelo 4-potencial Aµ:
i~γµ
(
∂µ +iq
c~Aµ
)
Ψ(xα) = m0cΨ(xα) . (13.3.10)
Especializando para o electrao q = −e. Uma manipulacao desta equacao com, a
aproximacao
p0c ≃ m0c2 +H , (13.3.11)
onde H ≪ m0c2 leva ao resultado, considerando apenas campo magnetico
HΨ(xα) ≃
(~p+ e ~A/c)2
2m0
+e~
2m0c~σ · ~B
, (13.3.12)
que e o Hamiltoniano de Pauli (9.3.4) (com a diferente convencao para os campos elec-
tromagneticos e q = −e) na ausencia de campo electrico, com a razao giromagnetica
correcta.
iii) Na presenca de um campo de Coulomb, a solucao exacta para o espectro de energias
13.3 A teoria de Dirac 451
da equacao de Dirac e
EN,J = mec2
1 +α2
(
N − J − 12
+√
(
J + 12
)2 − α2
)2
−1/2
. (13.3.13)
Esta e a formula (11.1.104) que, como discutido na seccao (11.1.4) da os nıveis correc-
tos para a estrutura fina do atomo de Hidrogenio. O numero quantico J e o numero
quantico de momento angular total (que tem de ser apropriadamente definido). Note-
se que e a mesma formula que (13.2.45) substituindo J ↔ ℓ o que demonstra que a
incapacidade da equacao de Klein-Gordon descrever a estrutura fina resulta de nao
levar em conta o spin.
A equacao de Dirac possui, tal como a equacao de Klein-Gordon, estados de energia
negativa, o que, como discutido anteriormente pode originar problemas na teoria interac-
tiva. No entanto, como a equacao de Dirac descreve fermioes, Dirac concebeu uma teoria
(do ‘mar de electroes’) em que todos estes estados de energia negativa estariam preenchi-
dos (possıveis vagas eram interpretadas como anti-partıculas, isto e, positroes). Assim, o
problema de os usar para extrair infinita energia do sistema era resolvido.
No entanto esta interpretacao, bem como a interpretacao da teoria de Dirac como
descrevendo a Mecanica Quantica Relativista de uma partıcula de spin 1/2, foi rapidamente
ultrapassada. O ponto fundamental e que a Mecanica Quantica Relativista nao deve ser
vista como a descricao de uma partıcula. A possibilidade relativista de conversao de
massa em energia torna a Mecanica Quantica Relativista necessariamente uma teoria de
muitas partıculas. Esta e a perspectiva da Teoria Quantica de Campo, onde os campos sao
promovidos a operadores (deixando de ser vistos como funcoes de onda) sujeitos a regras
de comutacao ou anti-comutacao. Este procedimento de promover os campos a operadores
com regras de comutacao/anti-comutacao e denominado, por vezes, segunda quantificacao
(pois a primeira e a quantificacao das observaveis que discutimos no capıtulo 4). Em teoria
Quantica de Campo, quer a equacao de Dirac quer a equacao de Klein-Gordon encontram
452 Introducao a Mecanica Quantica Relativista
naturalmente o seu lugar, descrevendo a dinamica de sistemas de partıculas de spin 1/2 e
0 respectivamente.
13.4 Sumario
Neste capıtulo fizemos uma breve introducao ao casamento das ideias da Relatividade
Restrita com as ideias da Mecanica Quantica. Uma primeira tentativa deste matrimonio
resulta na equacao de Klein-Gordon, que tem varios problemas para ser compatibilizada
quer com as ideias da Mecanica Quantica nao Relativista, quer com a fısica do electrao.
Estes problemas podem ser resolvidos pela equacao de Dirac. No entanto, a tentativa de
extrapolar as ideias da Mecanica Quantica nao Relativista para uma Mecanica Quantica
Relativista acaba por ser naturalmente ultrapassada por uma descricao que leva em conta
muitas partıculas e nao apenas uma - a Teoria Quantica de Campo.
Parte III
Topicos Avancados e Modernos
CAPITULO 14
Formulacao de integrais de caminho da Mecanica
Quantica
CAPITULO 15
Mecanica Quantica Super-simetrica
CAPITULO 16
Introducao a teoria da Informacao Quantica
Parte IV
Apendices
APENDICE A
Geometria da Transformada de Legendre
A transicao do Lagrangeano para o Hamiltoniano e um exemplo de uma transformada de
Legendre, de que vamos agora fornecer uma interpretacao geometrica. Por simplicidade
vamos considerar apenas o caso com uma unica variavel dinamica.
Consideremos uma funcao diferenciavel L(v), de um variavel v. O grafico de L(v) e
uma curva contınua de todos os pontos (v,L(v)) como a representada na figura A.1. A
derivada da funcao em cada ponto e denotada
p(v) ≡ dLdv
. (A.1)
A transformada de Legendre e uma maneira de reproduzir a curva inteiramente em termos
de p, sem referencia a v; p torna-se a variavel independente cujos valores sao usados para
construir a curva. Mas tal como os valores de v sem os valores de L sao insuficientes para
construir a curva, somente os valores de p sao tambem insuficientes, pelo que necessitamos
de uma nova funcao H(p).
A funcao H(p) e construida da seguinte maneira. Consideremos a tangente a curva
L(v) no ponto v = v0. O declive da tangente e
p(v0) = p0 , (A.2)
460 Geometria da Transformada de Legendre
L(v)
v0
v
y0 = L(v0)− p0v0
Figura A.1: A curva que representa um ‘Lagrangeano’ L(v) como funcao da velocidade v.A tangente a curva em v0 tem declive p0 e ordenada na origem y0 ≡ L(v0)− p0v0.
e a ordenada na origem da tangente e
y0 = L(v0)− p0v0 . (A.3)
Para um ponto arbitrario, (v,L(v)), a tangente a curva tem declive p = dL/dv e tem
ordenada na origem
y(v, p) = L(v)− pv . (A.4)
Vamos assumir que (A.1) e invertivel. Voltaremos a este ponto mais tarde. Podemos entao
obter v = v(p) de um modo unico. Definimos a funcao H(p) como
H(p) = −y(v(p), p) = pv(p)−L(v(p)) . (A.5)
O conhecimento de p e H(p) permite-nos reconstruir a curva da figura A.1. De facto, cada
combincao (p,H(p)) corresponde a uma linha de declive p e ordenada na origem H(p) no
plano (v,L). Geometricamente, a curva L(v) e o envelope destas linhas, a curva contınua
tangente a todas elas. Esta construcao e esquematizada na figura A.2. Analiticamente, a
partir do conhecimento de H(p) determinamos v = v(p)
dH(p)
dp= v + p
dv(p)
dp− dL(v(p))
dp= v(p) . (A.6)
Assumindo a invertibilidade de v = v(p) obtemos p = p(v) e como tal de (A.5) obtemos
L(v) = H(p(v))− p(v)v . (A.7)
461
L(v)
v
Figura A.2: Conhecendo o declive das tangentes, p, e as suas ordenadas na origem, H(p),e possivel reconstruir a forma da curva L(v).
A semelhanca desta equacao com (A.5) e sugestiva. Tal como (p,H(p)) e a representacao
da curva L(v) no plano (v,L) pelo (declive, (menos) ordenada na origem) das tangentes
a essa curva, tambem (v,L(v)) e a representacao da curva H(p) no plano (p,H) pelas
tangentes a essa curva.
Uma nota sobre a invertibilidade de p(v). Invertibilidade significa que p(v) e injectiva.
Logo p(v) nao tem maximos ou mınimos. Dado que p(v) = dL/dv, concluimos que L(v)
nao pode ter pontos de inflexao. Por um raciocınio semelhante concluimos que tambem
H(p) nao pode ter pontos de inflexao. Em mais do que uma dimensao, invertibilidade
significa que as matrizes Hessianas
∂2L∂vi∂vj
,∂2H
∂pi∂pj, (A.8)
sao nao singulares.
APENDICE B
Princıpio do tempo mınimo de Fermat
Neste apendice derivamos as leis da reflexao e refraccao ondulatorias recorrendo ao princıpio
do tempo mınimo de Fermat.
B.1 Reflexao
Consideremos dois pontos no plano xy, como na figura B.1. Consideremos um raio de luz
que une os dois pontos atraves de uma linha recta que e reflectida no eixo do x. Varias
∆ xx
y
Figura B.1: Dois pontos que distam de ∆x ao longo do eixo do x podem ser unidos poruma infinidade de trajectorias que reflectem no eixo do x. De todas essas trajectorias, aque minimiza a distancia entre os dois pontos obedece a lei da reflexao.
464 Princıpio do tempo mınimo de Fermat
θ1 θ2l2
l1
∆ xx
y
Figura B.2: A trajectoria real vai obedecer a θ1 = θ2.
trajectorias possiveis estao desenhadas na figura B.1. O princıpio do tempo mınimo de
Fermat diz-nos que a trajectoria real e a que minimiza o tempo que o raio de luz demora
de um ponto ate ao outro. Como a velocidade e constante, a trajectoria real sera aquela
que minimiza a distancia.
Considermos uma trajectoria possıvel que faz angulos θ1 e θ2 com a perpendicular a
superfıcie de reflexao, conforme esquematizado na figura B.2. A distancia total percorrida
e
∆s(θ1, θ2) =l1
cos θ1+
l2cos θ2
, (B.1)
que e a quantidade que pretendemos minimizar, como funcao de θ1 e θ2, mas onde l1 e l2
sao fixos. Ou seja pertendemos calcular θ1 e θ2 de modo que
0 = d(∆s(θ1, θ2)) =sin θ1l1cos2 θ1
dθ1 +sin θ2l2cos2 θ2
dθ2 . (B.2)
A extremizacao esta sujeita a condicao de que a distancia total segundo x, ∆x e constante
∆x =sin θ1l1cos θ1
+sin θ2l2cos θ2
= constante . (B.3)
Diferenciando esta equacao obtemos
l1cos2 θ1
dθ1 +l2
cos2 θ2dθ2 = 0 , (B.4)
que, substituindo em (B.2), resulta em
sin θ1l2cos2 θ2
dθ2 =sin θ2l2cos2 θ2
dθ2 ⇔ sin θ1 = sin θ2 , (B.5)
B.2 Refraccao 465
ou, como 0 < θ1, θ2 < π/2,
θ1 = θ2 , (B.6)
que e a lei da reflexao.
B.2 Refraccao
Consideramos agora dois pontos em dois meios diferentes. No meio 1, a luz move-se a
velocidade v1; no meio 2 a luz move-se a velocidade v2. Na figura B.3 mostra-se um conjunto
de trajectorias, rectilıneas em cada meio, que unem os dois pontos. A minimizacao do
tempo de viagem de um raio de luz nao corresponde neste caso a minimizacao da distancia
devido a diferente velocidade nos dois meios. A minimizacao do tempo ira corresponder a
um compromisso entre viajar o maximo de distancia possıvel no meio onde a velocidade e
maior, sem, contudo, aumentar demasiado a distancia a percorrer.
y
x
MEIO 1
MEIO 2
Figura B.3: Varias trajectorias possıveis para um raio de luz unindo dois pontos em meiosdiferentes.
Tomando uma trajectoria como aquela exibida na figura B.4, pertendemos extremizar
∆t, dado por
∆t(θ1, θ2) =∆x
v=
l1v1 cos θ1
+l2
v2 cos θ2, (B.1)
ou seja determinar θ1, θ2 de modo a que
0 = d(∆t(θ1, θ2)) =l1 sin θ1v1 cos2 θ1
dθ1 +l2 sin θ2v2 cos2 θ2
dθ2 . (B.2)
466 Princıpio do tempo mınimo de Fermat
θ1
θ2
l2
l1
∆ x
y
x
MEIO 1
MEIO 2
Figura B.4: A trajectoria real vai obedecer a lei de Snell.
A extremizacao e sujeita a condicao de que a distancia segundo x, ∆x e constante,
∆x =l1 sin θ1cos θ1
+l2 sin θ2cos θ2
= constante . (B.3)
Diferenciando a ultima equacao obtemos
l1cos2 θ1
dθ1 +l2
cos2 θ2dθ2 = 0 , (B.4)
que substituindo em (B.2) resulta em
sin θ1sin θ2
=v1
v2
. (B.5)
Obtemos assim a Lei de Snell.
APENDICE C
Analise de Fourier
A analise de Fourier fornece a expansao de uma funcao f(x) em termos de senos e cossenos.
Para este proposito distinguem-se dois tipos de funcoes.
C.1 Series de Fourier
Se a funcao e periodica com perıodo L ∈ R, isto e
f(x) = f(x+ L) , (C.1)
entao as funcoes sinusoidais na expansao tem de ter perıodo
kn ≡2πn
L, n ∈ N ⇒ sin
(
2πnx
L
)
= sin
(
2πn(x+ L)
L
)
, (C.2)
e analogamente para o cosseno. Funcoes sinusoidais com outros perıodos nao respeitam
a periodicidade da funcao a expandir. Neste caso, a expansao de Fourier e uma Serie de
Fourier
f(x) =a0
2+
+∞∑
n=1
[an cos(knx) + bn sin(knx)] , (C.3)
e toda a informacao acerca da funcao fica contida nos coeficientes
a0, an, bn , (C.4)
468 Analise de Fourier
a que se chama o espectro de Fourier de f(x). Uma vantagem das series de Fourier
relativamente a series de Taylor e que a funcao a expandir nao necessita de ser diferenciavel
em todos os pontos; de facto pode ate ser descontinua num numero finito de pontos do
intervalo [x0, x0 + L] para qualquer x0. A condicao essencial para a existencia da serie
de Fourier e integrabilidade.1 O teorema de Fourier diz-nos como calcular os coeficientes
(C.4):
Teorema: (Fourier) Seja f(x) : R −→ R com as seguintes propriedades
i) f(x) e periodica com perıodo L;
ii) f(x) e integravel em [x0, x0 + L] (ou e uma funcao de quadrado integravel conforme
(C.20));
entao, a serie de Fourier de f(x), (C.3) onde
an =2
L
∫ x0+L
x0
f(x) cos(knx)dx , bn =2
L
∫ x0+L
x0
f(x) sin(knx)dx , (C.5)
converge para qualquer x ∈ R. Se num dado ponto, y, f(x) e contınua, a serie converge
para f(y); se e descontinua converge para a media dos limites a esquerda e a direita de
f(x).
Nao vamos aqui demonstrar o teorema de Fourier, mas vamos mostrar a compatibilidade
de (C.5) com (C.3), introduzindo (C.3) nas expressoes (C.5):
• a0:
a0 =2
L
∫ x0+L
x0
(
a0
2+
+∞∑
n=1
[an cos(knx) + bn sin(knx)]
)
dx , (C.6)
que e claramente verificada pois, para n ∈ N
∫ x0+L
x0
sin(knx)dx =
∫ x0+L
x0
cos(knx)dx = 0 . (C.7)
1Rigorosamente o teorema de Fourier e mais geral do que o exposto aqui; contudo em mecanica quanticaa propriedade essencial e integrabilidade.
C.1 Series de Fourier 469
• an:
an =2
L
∫ x0+L
x0
cos(knx)
(
a0
2+
+∞∑
m=1
[am cos(kmx) + bm sin(kmx)]
)
dx
=2
L
+∞∑
m=1
∫ x0+L
x0
cos(knx) (am cos(kmx) + bm sin(kmx)) dx
. (C.8)
Assim, temos de lidar com
∫ x0+L
x0
cos(knx) cos(kmx)dx =L
2δn,m , (C.9)
onde introduzimos o delta de Kronecker, definido como
δn,m ≡
0 se n 6= m
1 se n = m, (C.10)
e∫ x0+L
x0
cos(knx) sin(kmx)dx = 0 , (C.11)
e em baixo iremos tambem necessitar de
∫ x0+L
x0
sin(knx) sin(kmx)dx =L
2δn,m . (C.12)
E agora trivial verificar (C.8).
• bn:
bn =2
L
∫ x0+L
x0
sin(knx)
(
a0
2+
+∞∑
m=1
[am cos(kmx) + bm sin(kmx)]
)
dx
=2
L
+∞∑
m=1
∫ x0+L
x0
sin(knx) (am cos(kmx) + bm sin(kmx)) dx
, (C.13)
que e facilmente verificada usando (C.11) e (C.12).
C.1.1 Representacao em termos de ondas planas
Uma outra maneira de exprimir a serie de Fourier e usando exponenciais imaginarias em
vez de senos e cossenos. A formula de Euler
eiθ = cos θ + i sin θ , (C.14)
470 Analise de Fourier
permite-nos escrever as funcoes sinusoidais como
cos(knx) =1
2
(
eiknx + e−iknx)
, sin(knx) =1
2i
(
eiknx − e−iknx)
. (C.15)
Podemos entao reexpressar (C.3) como
f(x) =+∞∑
n=−∞cne
iknx , (C.16)
onde o espectro de Fourier e agora descrito pelos coeficientes cn, que em geral sao com-
plexos, e estao relacionados com a0, an, bn do seguinte modo
cn =
an − ibn2
para n ∈ N
a0
2para n = 0
a−n + ib−n
2para − n ∈ N
. (C.17)
Nesta representacao da serie de Fourier, cada coeficiente no espectro de Fourier, cn, aparece
associado a uma onda plana eiknx. Note-se, para uso futuro, que o equivalente as relacoes
(C.9), (C.11), (C.12), e, na linguagem de ondas planas, simplesmente
∫ x0+L
x0
dxei(kn−km) = Lδn,m , n,m ∈ Z . (C.18)
Note-se ainda que o espectro de Fourier e calculado nesta linguagem pela relacao
cn =1
L
∫ x0+L
x0
f(x)e−iknxdx . (C.19)
C.1.2 O Espaco de Hilbert e a Igualdade de Bessel-Parseval
Em Mecanica Quantica f(x) ira geralmente representar uma funcao de onda, denotada por
Ψ(x), que e em geral complexa; para ser normalizavel no intervalo [a, b] a funcao de onda
tem de obedecer a
‖Ψ‖2 ≡∫ b
a
|Ψ(x)|2dx <∞ , (C.20)
o que equivale a dizer que e uma funcao de quadrado somavel. O conjunto de todas
as funcoes de quadrado somavel em [a, b] formam o Espaco de Hilbert L2([a, b]), que e
C.2 Integrais de Fourier e Transformadas de Fourier 471
por isso o ‘habitat’ natural das funcoes de onda fısicas que encontramos em Mecanica
Quantica. E um resultado de grande importancia para a aplicacao de series de Fourier em
Mecanica Quantica que todas as funcoes de quadrado integravel num intervalo admitem
uma expansao em serie de Fourier nesse intervalo.
A norma (ao quadrado) ‖Ψ‖2 pode ser calculada directamente do espectro de Fourier,
uma vez que este contem toda a informacao sobre a funcao. O modo como o fazer e descrito
pela Igualdade de Bessel-Parseval :
1
L
∫ x0+L
x0
dx|f(x)|2 =
+∞∑
n=−∞|cn|2 . (C.21)
A demonstracao e trivial usando (C.18). Por outro lado, usando (C.17) podemos reescrever
a igualdade de Bessel-Parseval em termos de a0, an, bn
1
L
∫ x0+L
x0
dx|f(x)|2 =|a0|2
4+
+∞∑
n=1
[
|an|2 + |bn|2]
. (C.22)
C.2 Integrais de Fourier e Transformadas de Fourier
Se a funcao f(x) nao e periodica, funcoes sinusoidais com qualquer perıodo podem ser
usadas na expansao de Fourier que passa a ser uma soma sobre todos os valores de k ∈ R
e como tal um integral de Fourier em vez de uma serie discreta. Assim, esperamos que
(C.16) seja substituido por uma expressao do tipo
f(x) =
∫ +∞
−∞c(k)eikxdx . (C.23)
De facto, tirando o limite L → ∞ das expressoes que temos para a serie de Fourier
podemos mostrar que assim e. Denotemos a funcao com perıodo L por fL(x). Notando
que kn+1 − kn = 2π/L, escolhendo x0 = −L/2 e introduzindo (C.19) em (C.16) obtemos
fL(x) =1
2π
∞∑
n=−∞(kn+1 − kn)eiknx
∫ L/2
−L/2
fL(y)e−iknydy , (C.24)
que tem a forma de uma soma de Riemann. O limite L → ∞ equivale a kn → kn+1 e
fL(x) → f(x). Neste limite, o somatorio e promovido a um integral e kn passa a ser uma
472 Analise de Fourier
variavel contınua, pelo que obtemos
f(x) =1
2π
∫ +∞
−∞eikx
(∫ +∞
−∞f(y)e−ikydy
)
dk , (C.25)
ou
f(x) =1√2π
∫ +∞
−∞f(k)eikxdk , (C.26)
onde definimos
f(k) ≡ 1√2π
∫ +∞
−∞f(x)e−ikxdx . (C.27)
Claramente f(k) desempenha o papel de espectro de Fourier, que passa a ser uma variavel
contınua; ou seja, uma funcao no plano complexo que contem toda a informacao sobre f(x).
A este espectro contınuo de Fourier chama-se transformada de Fourier. Assim, existe uma
dualidade entre as duas funcoes
f(x)←→ f(k) , (C.28)
isto e sao duas descricoes diferentes do mesmo objecto.
A existencia de um integral de Fourier para uma funcao e garantida se a funcao e a sua
transformada de Fourier forem integraveis:
Teorema da Inversao de Fourier: Se f(x) for integravel e f(k) definida em (C.27)
tambem o for, entao a representacao de f(x) como um integral de Fourier (C.26) existe.
C.2.1 A formula de Parseval-Plancherel
Tal como para as series de Fourier e de esperar que do espectro de Fourier, que neste caso
e a transformada de Fourier, se possa deduzir a norma da funcao. A formula analoga a
formula de Bessel-Parseval,(C.21), e chamada formula de Parseval-Plancherel (por vezes
tambem denominada teorema de Fourier-Plancherel):∫ +∞
−∞|f(x)|2dx =
∫ +∞
−∞|f(k)|2dk . (C.29)
Exemplo A1: Consideremos a funcao
f(x) =
1 se |x| < a
0 se |x| > a, a > 0 (C.30)
C.2 Integrais de Fourier e Transformadas de Fourier 473
cuja transformada de Fourier e
f(k) ≡ 1√2π
∫ +∞
−∞f(x)e−ikxdx =
1√2π
∫ a
−a
e−ikxdx =
√
2
π
sin ka
k. (C.31)
Para verificarmos a formula de Parseval-Plancherel temos de calcular tanto a norma de
f(x) como a norma de f(k) no espaco de Fourier. A primeira e elementar∫ +∞
−∞|f(x)|2dx = 2a . (C.32)
A segunda fica∫ +∞
−∞|f(k)|2dk =
2
π
∫ +∞
−∞
sin2(ka)
k2dk . (C.33)
A funcao sin2x/x2 (tal como sinx/x) nao tem uma primitiva que se possa escrever como
um numero finito de funcoes elementares. Mas utilizando o teorema dos resıduos em analise
complexa mostra-se que∫ +∞
−∞
sin2 x
x2dx = π , (C.34)
resultado com o qual se prova que (C.33) e igual a (C.32). De outro ponto de vista, usando
o teorema de Parseval-Plancherel fornece um metodo alternativo aos metodos complexos
de calcular o integral (C.34).
Exemplo A2: Consideremos a funcao Gaussiana
f(x) = e−x2/2a2
, (C.35)
cuja transformada de Fourier e
f(k) ≡ 1√2π
∫ +∞
−∞f(x)e−ikxdx =
e−k2a2/2
√2π
∫ +∞
−∞e−(x+ika2)2/2a2
dx , (C.36)
ou, usando o resultado basico em integracao de Gaussianas∫ +∞
−∞e−αx2
dx =
√
π
α, α > 0 , (C.37)
obtemos
f(k) = ae−k2a2/2 . (C.38)
O resultado a reter e que a transformada de Fourier de uma Gaussiana e ainda uma
Gaussiana. Mas note que tanto o coeficiente como o expoente se alteram. Usando (C.37)
e muito facil verificar a formula de Parseval-Plancherel neste caso.
474 Analise de Fourier
C.2.2 Quantidades estatısticas e a relacao de incerteza
Em estatıstica define-se a funcao de distribuicao de probabilidade ou densidade de proba-
bilidade, P(x), de uma variavel aleatoria, x, definida no intervalo [a, b], como sendo uma
distribuicao que obedece a
P(x) > 0 ,
∫ b
a
P(x)dx = 1 . (C.39)
Definem-se tambem
• Valor esperado de x, ou valor medio de x
〈x〉 ≡∫ b
a
xP(x)dx ; (C.40)
• Analogamente, para uma funcao de x, h(x), define-se o valor esperado de h(x)
〈h(x)〉 ≡∫ b
a
h(x)P(x)dx ; (C.41)
• A variancia ou dispersao e definida como
σx ≡ 〈(x− 〈x〉)2〉 =
∫ b
a
(x− 〈x〉)2P(x)dx
=
∫ b
a
(x2 − 2x〈x〉+ 〈x〉2)P(x)dx = 〈x2〉 − 〈x〉2; (C.42)
• O desvio padrao de x e
∆x =√σx . (C.43)
Como a mecanica quantica fornece uma descricao probabilıstica dos fenomenos fısicos e
natural usar esta terminologia estatıstica. Mais concretamente, a entidade fundamental em
mecanica quantica, a funcao de onda Ψ(x) - uma solucao da equacao de Schrodinger-, e uma
amplitude de probabilidade, em geral uma funcao complexa. A densidade de probabilidade
e
P(x) =Ψ(x)Ψ(x)∗
‖Ψ‖2 , (C.44)
C.2 Integrais de Fourier e Transformadas de Fourier 475
onde ”∗”denota conjugacao complexa, que claramente obedece a (C.39). O que a teoria
quantica produz para um dado sistema fısico sao os ‘valores esperados’ das variaveis fısicas
em jogo.
O famoso prıncipio da incerteza de Heisenberg, um dos pilares da mecanica quantica,
nao e mais do que um exemplo da seguinte propriedade das transformadas de Fourier:
Relacao de incerteza: Seja x uma variavel aleatoria definida em R, cuja distribuicao
e descrita por uma ‘funcao de onda’ Ψ(x) e pela densidade de probabilidade associada P(x).
Seja ∆x o desvio padrao de x associado a esta distribuicao. Por outro lado seja Ψ(k) a
transformada de Fourier de Ψ(x). Associemos a esta funcao de onda no espaco de Fourier
uma densidade de probabilidade Pk(k). Seja ∆k o desvio padrao de k associado a esta
distribuicao. E uma propriedade das transformadas de Fourier (em uma dimensao) que
∆x∆k ≥ 1
2. (C.45)
O significado desta relacao de incerteza e claro quando comparamos a forma de uma
Gaussiana (C.35) com a sua transformada de Fourier (C.38). Uma funcao de onda Gaus-
siana normalizada pode-se escrever
Ψ(x) =e−x2/4(∆x)2
√√2π∆x
, (C.46)
onde ∆x e o desvio padrao de x associado a respectiva densidade de probabilidade |Ψ(x)|2.De (C.35) e (C.38) lemos que
∆x = a/√
2 , ∆k = 1/√
2a , ⇒ ∆x∆k =1
2. (C.47)
Variando ‘a’ podemos fazer ∆x ou ∆k tao pequeno quanto queiramos; isto e, podemos
localizar a variavel aleatoria perto do valor medio com uma probabilidade tao proxima da
unidade quanto desejado. Mas ao localizarmos x, por exemplo, aumentamos necessaria-
mente a dispersao em k. Como discutido no capıtulo 2, fenomenos microscopicos exibem
caracterısticas quer corpusculares quer ondulatorias, mas nao ambas simultaneamente - du-
alidade onda partıcula e complementaridade. Esta realidade e incorporado no formalismo
476 Analise de Fourier
da mecanica quantica descrevendo variaveis canonicas conjugadas - posicao e momento por
exemplo - como transformadas de Fourier uma da outra. Deste modo a incerteza associada
a complementaridade e descrita pela existencia de um limite inferior do produto de desvios
padrao de transformadas de Fourier.
Bibliografia
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478
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