Fonction propre d'un opérateur et valeur propre associée

Durée : 10 mn

Note maximale : 5

Question

Montrer que la fonction\(\mathrm{\Psi(\textrm{x}) = \exp  [ipx/ \hbar]}\)(où p et\(\hbar\)sont des constantes) est fonction propre de l'opérateur hamiltonien\(\widehat{\textrm{H}}\)défini par :

\(\widehat{\textrm{H}} = - \mathrm{\frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}}\) (où m est une constante),

et trouver la valeur propre correspondante.

Solution

Si la fonction\(\Psi(\textrm{x})\)est fonction propre de l'opérateur\(\widehat{\textrm{H}}\). elle doit vérifier l'équation aux valeurs propres

\(\mathrm{\widehat{\textrm{H}}  \Psi(x) = \alpha\Psi(x)}\)

dans laquelle le nombre\(\alpha\)est la valeur propre associée à \(\Psi(\textrm{x})\).

Pour démontrer cela, on fait agir l'opérateur sur la fonction :

\(\mathrm{\widehat{\textrm{H}}  \Psi(x) = - \frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi(x)}\)

La dérivée seconde de\(\Psi(\textrm{x})\)est :

\(\mathrm{\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi(x) = \frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\exp  [ipx/ \hbar] = \frac{i}{\hbar}P\frac{ \partial}{ \partial x}\exp  [ipx/ \hbar] = - \frac{P^{2}}{\hbar^{2}}\exp  [ipx/ \hbar]}\)

Il vient donc :\(\mathrm{- \frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi(x) = +  \frac{P^{2}}{2m}\exp  [ipx/ \hbar] = +  \frac{P^{2}}{2m}\Psi(x)}\)

La fonction\(\Psi(\textrm{x})\)vérifie donc l'équation aux valeurs propres de l'opérateur\(\widehat{\textrm{H}}\)

\(\mathrm{\widehat{\textrm{H}}\Psi(x) = \frac{P^{2}}{2m}\Psi(x)}\)

où la valeur propre qui lui est associée vaut :

\(\mathrm{\alpha = \frac{P^{2}}{2m}}\)