Particule sur un segment - relation de normalisation

Durée : 10 mn

Note maximale : 5

Question

Soit\(\Psi\textrm{(x,t)}\)une fonction d'onde stationnaire décrivant un état quantique d'une particule astreinte à se déplacer sur un axe x'Ox entre deux bornes \(\textrm{X} = 0\) et \(\textrm{X} = \textrm{L}\). On ne travaille que sur la partie spatiale de la fonction d'onde que l'on prend sous la forme suivante :

\(\mathrm{\Psi(x) = \textrm{A} \sin  (n  \pi  x/L )}\)

\(\textrm{A}\) est une constante réelle positive et n un entier strictement positif.

Déterminer la constante de normalisation\(\textrm{A}\).

On donne : \(\mathrm{2  \sin^{2}(u) = 1 - \cos(2u)}\)

Solution

La densité de probabilité de présence est égale au carré du module de la fonction d'onde. On a donc :

\(\mathrm{\mid\Psi(x)\mid^2 = A^2 \sin^2  (n \pi x/L})\)

On somme sur le segment. On doit trouver 1 si la fonction est normalisée :

\(\mathrm{\displaystyle\int_{0}^{L}\mid\Psi(x)\mid^2 dx= A^2 \displaystyle\int_{0}^{L}\sin^2  (n\pi x/L )  dx = 1}\)

soit :

\(\mathrm{1 = \frac{A^2}{2}\displaystyle\int_{0}^{L}1 - \cos( 2 n \pi x/L)  dx =\frac{A^2}{2}\bigg[\displaystyle\int_{0}^{L}dx - \displaystyle\int_{0}^{L}\cos(2n\pi x/L)  dx \bigg]}\)

Or

\(\mathrm{\displaystyle\int_{0}^{L}\cos(2n\pi x/L)dx = \frac{L}{2n\pi}[\sin(2n\pi x/L)]_{0}^{L} = 0}\)

Il vient donc en définitive :

\(\mathrm{1 = \frac{A^2}{2}\bigg[\int_{0}^{L}dx\bigg] = \frac{A^2 L}{2}}\)

soit :

\(\mathrm{A = \sqrt{\frac{2}{L}}}\)