Particule sur un segment

Durée : 15 mn

Note maximale : 5

Question

Soit\(\Psi_{\textrm{n}}(\textrm{x,t})\)une fonction d'onde stationnaire décrivant un état quantique d'une particule de masse m, astreinte à se déplacer sur un axe x'Ox entre deux bornes\(\textrm{X} = 0\) et \(\textrm{X} = \textrm{L}\).

La particule n'est soumise à aucune énergie potentielle sur le segment.

On ne travaille que sur la partie spatiale de la fonction d'onde que l'on prend sous la forme suivante :

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

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

Montrer que la fonction\(\mathrm{\Psi_{n}(x)}\)est fonction propre de l'opérateur\(\widehat{\textrm{H}}\)défini par :

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

et déterminer la valeur propre\(\alpha_{\textrm{n}}\)correspondante.

Solution

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

\(\mathrm{\widehat{H}  \Psi_{n}(x) = \alpha_{n}\Psi_{n}(x)}\)

dans laquelle le nombre\(\alpha_{\textrm{n}}\)est la valeur propre associée à \(\Psi_{\textrm{n}}(\textrm{x})\).

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

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

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

\(\mathrm{\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi_{n}(x) =A \frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\sin  (n\pi x/ L) = \frac{n\pi A}{L}\frac{ \partial}{ \partial x}\cos  (n\pi x/L)}\)

\(\mathrm{\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi_{n}(x) =-  \frac{ n^{2}\pi^{2}A}{  L^{2}}\sin  (n\pi x/ L) = -\frac{ n^{2}\pi^{2}}{  L^{2}}\Psi_{n}(x)}\)

Il vient donc :\(\mathrm{- \frac{\hbar^{2}}{2m}\frac{ \partial^{2}}{ \partial x^{2}}\Psi_{n}(x) = +  \frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2mL^{2}}n^{2}\Psi_{n}(x)}\)

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

\(\mathrm{\widehat{\textrm{H}}\Psi_{n}(x) = +  \frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2mL^{2}}n^{2}\Psi_{n}(x)}\)

où la valeur propre qui lui est associée vaut :

\(\mathrm{\alpha_{n} = +  \frac{\hbar^{2}\pi^{2}}{2mL^{2}}n^{2}}\)