Shooting method e Método de Crank-Nicolson: mudanças entre as edições

De Física Computacional
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O método descrito acima de forma simplificada recebe o nome, em inglês, de ''Shooting method'', o que em português seria algo como "Método do tiro" ou "Método do chute". Na próxima seção esse método será aplicado para o caso do poço infinito de potencial.
O método descrito acima de forma simplificada recebe o nome, em inglês, de ''Shooting method'', o que em português seria algo como "Método do tiro" ou "Método do chute". Na próxima seção esse método será aplicado para o caso do poço infinito de potencial.
===Poço de potencial infinito===
Seja a equação <math>\frac{d^2\psi}{dx^2}=-k\psi E</math>, onde <math>k=\frac{2m}{\hbar^2}</math>.
Escrevendo com outra notação: <math>\ddot{\psi}=-k\psi E</math>.
Dividindo o problema em <math>\Delta x </math>'s pequenos, pode-se reescrever a equação acima da seguinte forma:
<center><math> \ddot{\psi}=\frac{\Delta \dot{\psi}}{\Delta x}=\frac{\dot{\psi_2}-\dot{\psi_1}}{\Delta x} \implies \dot{\psi_2}=\ddot{\psi} \Delta x + \dot{\psi_1}</math></center>.
Também:
<center><math>\dot{\psi}=\frac{\Delta \psi}{\Delta x}=\frac{\psi_2-\psi_1}{\Delta x} \implies \psi_2 = \dot{\psi}\Delta x + \psi_1</math></center>.
Além disso:
<center><math>\Delta x = x_2-x_1 \implies x_2 = x_1 +\Delta{x}</math></center>.
A integração, então, é realizada utilizando as relações 8, 9, 10 e 11, até que se atinja a borda do poço, isto é, <math>x=L</math>.
Com a discretização acima, foi possível implementar o algoritmo. Das condições de contorno do problema, sabe-se que <math>\psi(0)=0</math>, de modo que <math>\psi_1=0</math>. No entanto, o valor da derivada <math>\dot{\psi_1}</math> não é conhecido, de modo que supõe-se que seja uma constante, a saber, <math>\dot{\psi_1}=1</math>. Chutando que <math>E=0</math>, utilizando a massa do elétron e <math>L=1</math>, obtém-se a primeira solução estacionária:

Edição das 17h38min de 12 de fevereiro de 2023

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:

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

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

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:

A solução geral possui o seguinte formato

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

Parte espacial

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

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

Esquematicamente, tem-se:

Poço de potencial infinito

O potencial pode ser descrito como:

Dentro do poço, onde $V=0$, o problema pode ser modelado da seguinte maneira

ou

onde

A solução é dada por

Aplicando as condições de contorno e efetuando a normalização da função de onda, obtém-se a solução geral

cujas energias discretizadas são

Utilizando a equação acima, pode-se calcular os valores da energia de cada estado estacionário. Para o caso de um elétron, as energias referentes aos três estados estacionários são eV, eV e eV.

Na próxima seção será feita uma estimativa dos valores acima expostos através do "Shooting method".

Shooting Method

Muitos métodos numéricos (e.g. Runge-Kutta, Forward Euler) requerem os valores da função e de sua derivada no ponto inicial. Acontece que podem haver problemas em que estes valores não estarão disponíveis, principalmente o valor da derivada em questão. Uma alternativa seria conjecturar o valor da condição inicial e integrar, através de um método apropriado, em direção à outra condição de contorno: um "chute" apropriado faria com que a integração evoluísse e retornasse um valor muito próximo, a depender da acurácia necessária, ao da condição de contorno. A ideia seria executar os seguintes passos:

  1. Supor um valor para a condição de contorno desconhecida (e.g. ou );
  2. Integrar o problema através de um método conhecido até a próxima condição de contorno (e.g., );
  3. Se o chute inicial não fez com que o sistema evoluísse até , então deve-se supor outro valor para a condição inicial e repetir o procedimento.

O método descrito acima de forma simplificada recebe o nome, em inglês, de Shooting method, o que em português seria algo como "Método do tiro" ou "Método do chute". Na próxima seção esse método será aplicado para o caso do poço infinito de potencial.

Poço de potencial infinito

Seja a equação , onde .

Escrevendo com outra notação: .

Dividindo o problema em 's pequenos, pode-se reescrever a equação acima da seguinte forma:

.

Também:

.

Além disso:

.

A integração, então, é realizada utilizando as relações 8, 9, 10 e 11, até que se atinja a borda do poço, isto é, .

Com a discretização acima, foi possível implementar o algoritmo. Das condições de contorno do problema, sabe-se que , de modo que . No entanto, o valor da derivada não é conhecido, de modo que supõe-se que seja uma constante, a saber, . Chutando que , utilizando a massa do elétron e , obtém-se a primeira solução estacionária: