penetración de una barrera de potencial
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7/29/2019 Penetracin de una barrera de potencial
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Penetracin de una barrera de potencial
Soluciones de la ecuacin de SchrdingerPenetracin de una barrera de potencial
Se puede determinar a partir de la ecuacin de Schrdinger la probabilidad T de que una partcula
atraviese una barrera de potencial. Esta probabilidad es proporcional al cuadrado de la relacin de
amplitudes de las funciones senoidales de onda, a los dos lados de la barrera. Estas amplitudes se
determinan igualando las funciones de onda y sus derivadas en los puntos limtrofes, lo cual es un
problema matemtico bastante complicado. Cuando T es mucho menor que la unidad, T se determina de
forma aproximada con la frmula que sigue:
Donde
E = Energa de la partcula
V = Potencial de la barrera
a = espesor de la barrera
Nos interesa estudiar el caso en que la partcula llega a la barrera desde la izquierda (regin 1, x < 0) con
una energa E < V. En ese caso la Mecnica Clsica predice que la partcula se refleja en x < 0 y no puedellegar a la regin 3 (x < a). Se demostrar entonces que la Mecnica Cuntica predice en cambio que la
partcula tiene cierta probabilidad T de atravesar la barrera.
Aclaremos que la ecuacin de Schrdinger no es vlida para partculas relativistas. Esto es as porque la
ecuacin de la mecnica clsica est implcita en su desarrollo y la energa para esta partcula es
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En 1928 Paul Dirac desarroll una teora relativista de la mecnica cuntica utilizando esencialmente los
mismos postulados de la teora de Schrdinger, excepto que la ecuacin anterior la sustituy por su
anloga relativista
Por supuesto que la teora de Dirac se reduce a la de Schrdinger a bajas velocidades. Afortunadamente,
la mayora de los fenmenos cunticos se pueden estudiar en casos que no son relativistas.
Para el caso que nos atae, las soluciones generales de la ecuacin de Schrdinger independiente del
tiempo en las tres regiones en que se divide el eje x son:
Partimos de la ecuacin de Schrdinger
Y a partir de aqu se plantea la ecuacin de Schrdinger independiente del tiempo:
En la primera regin, el potencial V es cero y se puede reacomodar haciendo
Esta es una ecuacin diferencial de segundo orden homognea con coeficientes constantes. Recordemos
que las soluciones sern:
Aqu:
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Y la solucin ser
En la segunda regin el potencial V es distinto de cero y vale V.
Cuya solucin ahora es:
En la tercera regin el potencial vuelve a ser cero:
A partir de aqu se aplican las condiciones frontera (tambin denominadas de contorno o empalme):
En matemticas, en el campo de las ecuaciones diferenciales, un problema de valor de frontera se lo
denomina al conjunto de una ecuacin diferencial y a las condiciones de frontera. Una solucin de un
problema de condiciones de frontera es una solucin de una ecuacin diferencial que tambin satisface
condiciones de frontera.
Un problema de condiciones de frontera aparece en muchos aspectos de la fsica, como en las ecuaciones
diferenciales que explican ciertos problemas fsicos. Problemas que involucran la ecuacin de onda son
comnmente problemas de condiciones de frontera. Muchas clases de problemas de valores de frontera
importantes son los problemas de Sturm-Liouville. El anlisis de estos problemas involucra funciones
propias y operadores diferenciales.
Muchos de los primeros problemas de valor de frontera han sido estudiados mediante los problemas de
Dirichlet, o buscando una funcin armnica (solucin de una ecuacin de Laplace) cuya solucin est dada
por el principio de Dirichlet.
Entonces, las condiciones de empalme en x = 0 son
http://3.bp.blogspot.com/-R_RDvIBDyEE/TqScIjjXYvI/AAAAAAAAAXw/Rpx-0En7_R0/s1600/13.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-lSlk_Mu09UM/TqScG-ym0jI/AAAAAAAAAXo/wX9v9NMh6f4/s1600/12.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-Df_Z_JVqzPI/TqScE6qC_FI/AAAAAAAAAXg/7na7TQq94tY/s1600/11.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-IHB1npKsPos/TqSZ7ev-X2I/AAAAAAAAAXQ/1CCoWIsc0Nk/s1600/10.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-9icgA7YALVQ/TqSZ6Sjl6CI/AAAAAAAAAXI/F0r9QL6xS-I/s1600/9.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-R_RDvIBDyEE/TqScIjjXYvI/AAAAAAAAAXw/Rpx-0En7_R0/s1600/13.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-lSlk_Mu09UM/TqScG-ym0jI/AAAAAAAAAXo/wX9v9NMh6f4/s1600/12.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-Df_Z_JVqzPI/TqScE6qC_FI/AAAAAAAAAXg/7na7TQq94tY/s1600/11.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-IHB1npKsPos/TqSZ7ev-X2I/AAAAAAAAAXQ/1CCoWIsc0Nk/s1600/10.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-9icgA7YALVQ/TqSZ6Sjl6CI/AAAAAAAAAXI/F0r9QL6xS-I/s1600/9.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-R_RDvIBDyEE/TqScIjjXYvI/AAAAAAAAAXw/Rpx-0En7_R0/s1600/13.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-lSlk_Mu09UM/TqScG-ym0jI/AAAAAAAAAXo/wX9v9NMh6f4/s1600/12.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-Df_Z_JVqzPI/TqScE6qC_FI/AAAAAAAAAXg/7na7TQq94tY/s1600/11.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-IHB1npKsPos/TqSZ7ev-X2I/AAAAAAAAAXQ/1CCoWIsc0Nk/s1600/10.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-9icgA7YALVQ/TqSZ6Sjl6CI/AAAAAAAAAXI/F0r9QL6xS-I/s1600/9.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-R_RDvIBDyEE/TqScIjjXYvI/AAAAAAAAAXw/Rpx-0En7_R0/s1600/13.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-lSlk_Mu09UM/TqScG-ym0jI/AAAAAAAAAXo/wX9v9NMh6f4/s1600/12.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-Df_Z_JVqzPI/TqScE6qC_FI/AAAAAAAAAXg/7na7TQq94tY/s1600/11.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-IHB1npKsPos/TqSZ7ev-X2I/AAAAAAAAAXQ/1CCoWIsc0Nk/s1600/10.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-9icgA7YALVQ/TqSZ6Sjl6CI/AAAAAAAAAXI/F0r9QL6xS-I/s1600/9.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-R_RDvIBDyEE/TqScIjjXYvI/AAAAAAAAAXw/Rpx-0En7_R0/s1600/13.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-lSlk_Mu09UM/TqScG-ym0jI/AAAAAAAAAXo/wX9v9NMh6f4/s1600/12.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-Df_Z_JVqzPI/TqScE6qC_FI/AAAAAAAAAXg/7na7TQq94tY/s1600/11.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-IHB1npKsPos/TqSZ7ev-X2I/AAAAAAAAAXQ/1CCoWIsc0Nk/s1600/10.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-9icgA7YALVQ/TqSZ6Sjl6CI/AAAAAAAAAXI/F0r9QL6xS-I/s1600/9.jpg -
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Si resolvemos el sistema para A y B en trminos de C y D resulta:
Que se puede escribir en forma matricial
Las condiciones de empalme en x=a son
Y nos dan:
Si resolvemos el sistema para D y C en trminos de F y G
http://3.bp.blogspot.com/-Lz-sppzJRRA/TqSerlm-VjI/AAAAAAAAAYY/3Cw_1F9OYZc/s1600/18.jpghttp://1.bp.blogspot.com/--b4_Nyb-nOM/TqSeWdk3cSI/AAAAAAAAAYQ/jZ-lvVNF8LQ/s1600/17.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-O1Vfd6iT-NQ/TqSdlwCGXhI/AAAAAAAAAYI/MVJHGX4OfMw/s1600/16.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-dpGKD1QfBIc/TqSdJOVW9AI/AAAAAAAAAYA/vdsmhdUdPqs/s1600/15.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-rDdNTbqfSvY/TqSdHQOkxAI/AAAAAAAAAX4/efwQh0pOSIg/s1600/14.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-Lz-sppzJRRA/TqSerlm-VjI/AAAAAAAAAYY/3Cw_1F9OYZc/s1600/18.jpghttp://1.bp.blogspot.com/--b4_Nyb-nOM/TqSeWdk3cSI/AAAAAAAAAYQ/jZ-lvVNF8LQ/s1600/17.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-O1Vfd6iT-NQ/TqSdlwCGXhI/AAAAAAAAAYI/MVJHGX4OfMw/s1600/16.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-dpGKD1QfBIc/TqSdJOVW9AI/AAAAAAAAAYA/vdsmhdUdPqs/s1600/15.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-rDdNTbqfSvY/TqSdHQOkxAI/AAAAAAAAAX4/efwQh0pOSIg/s1600/14.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-Lz-sppzJRRA/TqSerlm-VjI/AAAAAAAAAYY/3Cw_1F9OYZc/s1600/18.jpghttp://1.bp.blogspot.com/--b4_Nyb-nOM/TqSeWdk3cSI/AAAAAAAAAYQ/jZ-lvVNF8LQ/s1600/17.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-O1Vfd6iT-NQ/TqSdlwCGXhI/AAAAAAAAAYI/MVJHGX4OfMw/s1600/16.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-dpGKD1QfBIc/TqSdJOVW9AI/AAAAAAAAAYA/vdsmhdUdPqs/s1600/15.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-rDdNTbqfSvY/TqSdHQOkxAI/AAAAAAAAAX4/efwQh0pOSIg/s1600/14.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-Lz-sppzJRRA/TqSerlm-VjI/AAAAAAAAAYY/3Cw_1F9OYZc/s1600/18.jpghttp://1.bp.blogspot.com/--b4_Nyb-nOM/TqSeWdk3cSI/AAAAAAAAAYQ/jZ-lvVNF8LQ/s1600/17.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-O1Vfd6iT-NQ/TqSdlwCGXhI/AAAAAAAAAYI/MVJHGX4OfMw/s1600/16.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-dpGKD1QfBIc/TqSdJOVW9AI/AAAAAAAAAYA/vdsmhdUdPqs/s1600/15.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-rDdNTbqfSvY/TqSdHQOkxAI/AAAAAAAAAX4/efwQh0pOSIg/s1600/14.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-Lz-sppzJRRA/TqSerlm-VjI/AAAAAAAAAYY/3Cw_1F9OYZc/s1600/18.jpghttp://1.bp.blogspot.com/--b4_Nyb-nOM/TqSeWdk3cSI/AAAAAAAAAYQ/jZ-lvVNF8LQ/s1600/17.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-O1Vfd6iT-NQ/TqSdlwCGXhI/AAAAAAAAAYI/MVJHGX4OfMw/s1600/16.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-dpGKD1QfBIc/TqSdJOVW9AI/AAAAAAAAAYA/vdsmhdUdPqs/s1600/15.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-rDdNTbqfSvY/TqSdHQOkxAI/AAAAAAAAAX4/efwQh0pOSIg/s1600/14.jpg -
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Que escribimos en forma matricial
Juntando ambas formas matriciales
Donde
La ecuacin matricial anterior vincula las amplitudes de las ondas a izquierda y derecha de la barrera, y
por lo tanto permite resolver cualquier problema de reflexin y transmisin que se desee.
Para el caso nuestro, donde E
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Y sabiendo que
Hacemos el cociente
El coeficiente de transmisin de la barrera es:
Es decir, el mdulo de los nmeros complejos elevado al cuadrado
http://4.bp.blogspot.com/-oscYAP9Lgew/TqSkO7OneNI/AAAAAAAAAZg/Gz9UqBzPgaQ/s1600/27.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-IpJmXaeTwWw/TqSisiZWAyI/AAAAAAAAAZY/-Mizvcujz2M/s1600/26.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-LX8pqyF_F0s/TqSicHPZe4I/AAAAAAAAAZQ/IohrROzPASk/s1600/25.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-t3JSmyLGHEw/TqSiAbUhL8I/AAAAAAAAAZI/Q6smcGOMHGQ/s1600/24.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-oscYAP9Lgew/TqSkO7OneNI/AAAAAAAAAZg/Gz9UqBzPgaQ/s1600/27.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-IpJmXaeTwWw/TqSisiZWAyI/AAAAAAAAAZY/-Mizvcujz2M/s1600/26.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-LX8pqyF_F0s/TqSicHPZe4I/AAAAAAAAAZQ/IohrROzPASk/s1600/25.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-t3JSmyLGHEw/TqSiAbUhL8I/AAAAAAAAAZI/Q6smcGOMHGQ/s1600/24.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-oscYAP9Lgew/TqSkO7OneNI/AAAAAAAAAZg/Gz9UqBzPgaQ/s1600/27.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-IpJmXaeTwWw/TqSisiZWAyI/AAAAAAAAAZY/-Mizvcujz2M/s1600/26.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-LX8pqyF_F0s/TqSicHPZe4I/AAAAAAAAAZQ/IohrROzPASk/s1600/25.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-t3JSmyLGHEw/TqSiAbUhL8I/AAAAAAAAAZI/Q6smcGOMHGQ/s1600/24.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-oscYAP9Lgew/TqSkO7OneNI/AAAAAAAAAZg/Gz9UqBzPgaQ/s1600/27.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-IpJmXaeTwWw/TqSisiZWAyI/AAAAAAAAAZY/-Mizvcujz2M/s1600/26.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-LX8pqyF_F0s/TqSicHPZe4I/AAAAAAAAAZQ/IohrROzPASk/s1600/25.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-t3JSmyLGHEw/TqSiAbUhL8I/AAAAAAAAAZI/Q6smcGOMHGQ/s1600/24.jpg -
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Si la barrera es alta (o sea E/V no es muy prximo a 1) y ancha
de modo que transmita poco, entonces
http://1.bp.blogspot.com/-WNUM_98IO8c/TqSk4uS6KsI/AAAAAAAAAZw/XaNGNXgyvK4/s1600/29.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-KxrxkSIhJKw/TqSkdp3uUFI/AAAAAAAAAZo/o8LNa2-azE4/s1600/28.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-WNUM_98IO8c/TqSk4uS6KsI/AAAAAAAAAZw/XaNGNXgyvK4/s1600/29.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-KxrxkSIhJKw/TqSkdp3uUFI/AAAAAAAAAZo/o8LNa2-azE4/s1600/28.jpg -
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De modo que la expresin se va a reducir bastante
Pues tambin se har
y la expresin de T toma una forma sencilla:
http://elfisicosupernumerario.blogspot.com/2011/10/penetracion-de-una-barrera-de-potencial.html
http://www.lfp.uba.ar/es/notas%20de%20cursos/notasmecanicacuantica/09Ejemplos.pdf
http://elfisicosupernumerario.blogspot.com/2011/10/penetracion-de-una-barrera-de-potencial.htmlhttp://3.bp.blogspot.com/-GKMftfjyBH0/TqSmH_53U5I/AAAAAAAAAaQ/agqudeNL3eY/s1600/33.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-qN8eiLhkBEY/TqSl3eGWuyI/AAAAAAAAAaI/rG7ONZ1iK8g/s1600/32.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-yQMTE4XiWK0/TqSlir2LZ4I/AAAAAAAAAaA/UcJ6CtScGOc/s1600/31.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-QqvFiLIYbYQ/TqSlQ3bLbJI/AAAAAAAAAZ4/R5e2kJy5Ni8/s1600/30.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-GKMftfjyBH0/TqSmH_53U5I/AAAAAAAAAaQ/agqudeNL3eY/s1600/33.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-qN8eiLhkBEY/TqSl3eGWuyI/AAAAAAAAAaI/rG7ONZ1iK8g/s1600/32.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-yQMTE4XiWK0/TqSlir2LZ4I/AAAAAAAAAaA/UcJ6CtScGOc/s1600/31.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-QqvFiLIYbYQ/TqSlQ3bLbJI/AAAAAAAAAZ4/R5e2kJy5Ni8/s1600/30.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-GKMftfjyBH0/TqSmH_53U5I/AAAAAAAAAaQ/agqudeNL3eY/s1600/33.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-qN8eiLhkBEY/TqSl3eGWuyI/AAAAAAAAAaI/rG7ONZ1iK8g/s1600/32.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-yQMTE4XiWK0/TqSlir2LZ4I/AAAAAAAAAaA/UcJ6CtScGOc/s1600/31.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-QqvFiLIYbYQ/TqSlQ3bLbJI/AAAAAAAAAZ4/R5e2kJy5Ni8/s1600/30.jpghttp://3.bp.blogspot.com/-GKMftfjyBH0/TqSmH_53U5I/AAAAAAAAAaQ/agqudeNL3eY/s1600/33.jpghttp://2.bp.blogspot.com/-qN8eiLhkBEY/TqSl3eGWuyI/AAAAAAAAAaI/rG7ONZ1iK8g/s1600/32.jpghttp://4.bp.blogspot.com/-yQMTE4XiWK0/TqSlir2LZ4I/AAAAAAAAAaA/UcJ6CtScGOc/s1600/31.jpghttp://1.bp.blogspot.com/-QqvFiLIYbYQ/TqSlQ3bLbJI/AAAAAAAAAZ4/R5e2kJy5Ni8/s1600/30.jpghttp://elfisicosupernumerario.blogspot.com/2011/10/penetracion-de-una-barrera-de-potencial.html