Shooting method e Método de Crank-Nicolson

De Física Computacional
Revisão de 18h54min de 12 de fevereiro de 2023 por Dzorrer (discussão | contribs)
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O objetivo deste trabalho é aplicar o Shooting method (método do chute) para encontrar as primeiras funções de onda espaciais da Equação de Schrödinger para o caso do poço de potencial infinito. Após, será realizada a evolução temporal através do Método de Crank-Nicolson.

Equação de Schrödinger

A equação de Schrödinger unidimensional pode ser escrita da seguinte maneira:

iℏ∂Ψ∂t=−ℏ22m∂2Ψ∂x2+VΨ.

Para resolvê-la é necessário efetuar uma separação de variáveis:

Ψ(x,t)=ψ(x)φ(t).

Aplicando na primeira equação e separando os termos espaciais dos termos temporais, chega-se a uma equação com o seguinte formato:

iℏ1φdφdt=−ℏ22m1ψd2ψdx2+V.

Pelo fato da parte da esquerda ser dependente de t e a parte da direita ser dependente de x e de ambas estarem relacionadas por uma igualdade, é necessário que ambos os lados sejam constantes: em outras palavras, não é possível modificar um lado sem necessariamente alterar o outro. Através de um raciocínio perspicaz, a constante em questão será denominada E.

Parte temporal

A parte que diz respeito à evolução temporal:

dφdt=−iEℏφ.

A solução geral possui o seguinte formato

φ(t)=Ce−−iEtℏ,

cuja constante C pode, neste caso, ser absorvida, de modo que

φ(t)=e−−iEtℏ.

Parte espacial

Quanto à parte espacial, utilizando o mesmo raciocínio empregado anteriormente, a equação pode ser escrita como

−ℏ22md2ψdx2+Vψ=Eψ

Para este caso, no entanto, não há uma única solução, pois esta depende do potencial V escolhido. Para o presente trabalho optou-se por trabalhar com o caso do poço infinito de potencial pelo fato das soluções analíticas já serem conhecidas, de modo a tornar possível avaliar os resultados numéricos obtidos à luz da solução analítica.

Poço de potencial infinito