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Protótipo Hyliokeni

Protótipo hyliokyni é um sensor remoto controlador de voltagem, uma tecnologia espacial ainda em pesquisa desenvolvida por Santo Calvino em 2016, para poder obter todas informações da energia elétrica de um satélite espacial.
Com ela é possível controlarmos a voltagem recebida dos painéis solares de um satélite espacial, por meio de um radio controlador.
O protótipo Hyliokeni está constituído por 5 instrumentos eléctricos:

Válvulas eletroquímicas;

Interruptores automático;

Descodificador;

Temporalizador;

Antena.

As válvulas eletroquímicas, é a primeira parte do protótipo, que controla a passagem da corrente elétrica dos painéis do satélite. A corrente elétrica preveniente dos painéis solares primeiro passa por essas válvulas para dar uma voltagem desejada remotamente a partir da Terra.
A válvulas eletroquímicas é o dispositivo que controla a passagem da corrente eléctrica, através de sulfatos contidos nos recipientes de vidro. Cada recipiente representa a sua voltagem que ela vai deixar entrar para o satélite espacial.

Por meio do controlo remoto é possível ligarmos e desligar energia eléctrica. Cada interruptor nela contém sensores capazes de transformar sinais electromagnéticos em energia eléctrica que possibilita então mover os interruptores em longa distância da Terra até ao espaço.

Existe um pequeno descodificador no protótipo que tem a função de descodificar o sinal enviado a patir da Terra.
Essa tecnologia é apenas uma ideia de como serão controlados os painéis solares dos satélites angolanos nos próximos anos.
O protótipo funciona perfeitamente, mas ainda nunca não foi testado em órbita terrestre. Mas em 2019 este protótipo será lançado para o espaço em miniatura dentro de um nanossatelite para poder se realizar os testes.

Estados Estacionários III

Prove que para soluções normalizáveis a constante de separação {E} deve ser real .

Vamos escrever {E} Como

\displaystyle E=E_0+i\Gamma

Então a equação de onda fica

\displaystyle  \Psi(x,t)=\psi(x)e^{-i\frac{E_0}{\hbar}t}e^{\frac{\Gamma}{\hbar}t}

{\begin{aligned} 1 &= \int_{-\infty}^{+\infty}|\Psi(x,t)|^2\, dx \\ &= \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(x,t)^*\psi(x,t)e^{-i\frac{E_0}{\hbar}t}e^{i\frac{E_0}{\hbar}t}e^{\frac{\Gamma}{\hbar}t}e^{\frac{\Gamma}{\hbar}t}\, dx \\ &= e^{\frac{2\Gamma}{\hbar}t}\int_{-\infty}^{+\infty}|\psi(x,t)|^2\, dx \end{aligned}}

A expressão final tem que ser igual a {1} para todos os valores de {t} . A única maneira de isso acontecer é tendo {\Gamma=0}. Portanto {E} é real.

Mostre que a função de onda independente do tempo pode ser sempre considerada como uma função de valor real.

Sabemos que {\psi(x)} é uma solução de

\displaystyle  -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi}{d x^2}+V\psi=E\psi

Tomando o complexo conjugado da equação anterior

\displaystyle  -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi^*}{d x^2}+V\psi^*=E\psi^*

Assim {\psi^*} é também uma solução da equação de Schroedinger independente do tempo.

A seguir vamos mostrar que se {\psi_1} e {\psi_2} são soluções da equação de Schroedinger independente do tempo com energia {E}, então sua combinação linear também é uma solução para a equação de Schroedinger independente do tempo com energia {E}.

Seja

\displaystyle  \psi_3=c_1\psi_1+c_2\psi_2

a combinação linear.

{\begin{aligned} -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi_3}{d x^2}+V\psi_3 &= -\frac{\hbar^2}{2m}\left( c_1\dfrac{\partial ^2\psi_1}{\partial x^2}+c_2\dfrac{\partial ^2\psi_2}{\partial x^2} \right)+ V(c_1\psi_1+c_2\psi_2)\\ &= c_1\left( -\frac{\hbar^2}{2m}\dfrac{\partial ^2\psi_1}{\partial x^2}+V\psi_1 \right)+c_2\left( -\frac{\hbar^2}{2m}\dfrac{\partial ^2\psi_2}{\partial x^2}+V\psi_2 \right)\\ &= c_1E\psi_1 + c_2E\psi_2\\ &= E(c_1\psi_1+c_2\psi_2)\\ &= E\psi_3 \end{aligned}}

Depois de mostrar este resultado, é óbvio que {\psi+\psi^*} e que {i(\psi-\psi^*)} são soluções para a equação de Schroedinger independente do tempo. Além de serem soluções para a equação de Schroedinger independente do tempo, também é evidente, a partir de sua construção, que essas funções são funções reais. Uma vez que eles têm o mesmo valor {E} como {\psi} podemos usar qualquer um deles como uma solução para a equação de Schroedinger independente do tempo

Mostre que se {V(x)} é uma função par então {\psi(x)} pode ser escrita na forma de uma função par ou uma função ímpar .

Uma vez que {V(x)} é par sabemos que {V(-x)=V(x)}. Agora precisamos provar que se {\psi(x)} é uma solução para a equação de Schroedinger independente do tempo {\psi(-x)} também é uma solução.

Fazendo a mudança de variável {x} para {-x} na equação de Schroedinger independente do tempo

\displaystyle  -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi(-x)}{d (-x)^2}+V(-x)\psi(-x)=E\psi(-x)

Para percebermos a equação anterior vamos simplificar

\displaystyle \dfrac{d^2}{d (-x)^2}

Vamos introduzir a variável {u} e defini-la como {u=-x}. Então

\displaystyle \frac{d}{du}=\frac{dx}{du}\frac{d}{dx}=-\frac{d}{dx}

E para a segunda derivada é

\displaystyle  \frac{d^2}{du^2}=\frac{dx}{du}\frac{d}{dx}\frac{dx}{du}\frac{d}{dx}=\left(-\frac{d}{dx}\right)\left(-\frac{d}{dx}\right)=\frac{d^2}{dx^2}

Na última expressão {u} é uma variável muda e, portanto, pode ser substituída por qualquer outro símbolo.

Por conveniência, vamos fazer a mudança de variável {u=x}:

(veja também este artigo Derivadas Parciais e Física Estatística )

\displaystyle \dfrac{d^2}{d (-x)^2}=\dfrac{d^2}{d x^2}

Pelo que a nossa expressão inicial fica:

\displaystyle  -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi(-x)}{d x^2}+V(-x)\psi(-x)=E\psi(-x)

Sabemos que {V(x)} é par. Logo

\displaystyle  -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2 \psi(-x)}{d x^2}+V(x)\psi(-x)=E\psi(-x)

Assim {\psi(-x)} também é uma solução para a equação de Schroedinger independente do tempo.

Uma vez que {\psi(x)} e {\psi(-x)} são soluções para a equação Schroedinger independente do tempo sempre que {V(x)} é uma função par, podemos construir funções pares e ímpares que são soluções para a equação de Schroedinger independente do tempo.

As funções pares são construídas como

\displaystyle  h(x)=\psi(x)+\psi(-x)

e as funções ímpares são construídas como

\displaystyle  g(x)=\psi(x)-\psi(-x)

Uma vez que podemos escrever

\displaystyle  \psi(x)=\frac{1}{2}(h(x)+g(x))

mostramos que qualquer solução para a equação de Schroedinger independente do tempo pode ser expressa como uma combinação linear de funções pares e ímpares quando a função potencial é uma função par.

Estados Estacionários II

Agora, vamos apresentar algumas características das soluções separáveis, para melhor compreender a sua importância:

— Estados estacionários —

A função de onda é

\displaystyle \Psi(x,t)=\psi(x)e^{-i\frac{E}{\hbar}t}

e é óbvio que depende de {t}. Por outro lado, a densidade de probabilidade não depende de {t}. Esse resultado pode ser facilmente comprovado com a suposição implícita de que {E} é real (num exercício posterior veremos porque {E} tem que ser real).

\displaystyle \Psi(x,t)^*\Psi(x,t)=\psi^*(x)e^{i\frac{E}{\hbar}t}\psi(x)e^{-i\frac{E}{\hbar}t}=|\psi(x)|^2

Se estivéssemos interessados em calcular o valor médio de qualquer variável dinâmica, veríamos que esses valores são constantes no tempo.

\displaystyle  <Q(x,p)>=\int\Psi^*Q\left( x,\frac{\hbar}{i}\frac{\partial}{\partial x} \right)\Psi\, dx

Em particular {<x>} é constante no tempo e como consequência {<p>=0}.

— Energia total definida —

Como vimos na mecânica clássica, o Hamiltoniano de uma partícula é

\displaystyle  H(x,p)=\frac{p^2}{2m}+V(x)

Fazendo as substituições apropriadas, o operador da mecânica quântica correspondente é (na mecânica quântica os operadores são denotados por um chapéu):

\displaystyle \hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2}{d x^2}+V

Portanto, a equação de Schroedinger independente do tempo pode ser escrita da seguinte forma:

\displaystyle  \hat{H}\psi=E\psi

O valor médio do Hamiltoniano é

\displaystyle <\hat{H}>=\int\psi ^*\hat{H}\psi\, dx=E\int|\psi|^2\, dx=E

Também temos

\displaystyle \hat{H}^2\psi=\hat{H}(\hat{H}\psi)=\hat{H}(E\psi)=E\hat{H}\psi=EE\psi=E^2\psi

Logo

\displaystyle  <\hat{H}^2>=\int\psi ^*\hat{H}^2\psi\, dx=E^2\int|\psi|^2\, dx=E^2

E a variância é

\displaystyle \sigma_{\hat{H}}^2=<\hat{H}^2>-<\hat{H}>^2=E^2-E^2=0

Em conclusão, para um estado estacionário, toda medição de energia tem o valor {E} uma vez que a distribuição de energia tem valor {E}.

— Combinações lineares —

A solução geral da equação de Schroedinger é uma combinação linear de soluções separáveis.

Veremos em exemplos e exercícios futuros que a equação de Schroedinger independente do tempo contém um número infinito de soluções. Cada uma dessas diferentes funções de onda está associada a uma constante de separação diferente. O que quer dizer que para cada nível de energia permitido existe uma função de onda diferente.

Para a equação de Schroedinger dependente do tempo, qualquer combinação linear de uma solução é também uma solução. Depois de encontrar as soluções separáveis, a tarefa é construir uma solução mais geral da forma

\displaystyle \Psi(x,t)=\sum_{n=1}^{+\infty}c_n\psi_n(x)e^{-i\frac{E_n}{\hbar}t}=\sum_{n=1}^{+\infty}c_n\Psi_n(x,t)

Todas as soluções da equação de Schroedinger dependente do tempo podem ser escritas desta forma, sendo que as condições iniciais do problema sendo estudado fixando os valores das constantes {c_n}.

Tudo isto pode ser um bocado abstrato e como tal vamos resolver alguns exercícios.

Como exemplo, vamos calcular a evolução temporal de uma partícula que começa numa combinação linear de dois estados estacionários:

\displaystyle  \Psi(x,0)=c_1\psi_1(x)+c_2\psi_2(x)

Para a nossa discussão, vamos assumir que {c_n} e {\psi_n} são reais.

Assim a evolução temporal da partícula é:

\displaystyle \Psi(x,t)=c_1\psi_1(x)e^{-i\frac{E_1}{\hbar}t}+c_2\psi_2(x)e^{-i\frac{E_2}{\hbar}t}

Para a densidade de probabilidade é

{\begin{aligned} |\Psi(x,t)|^2 &= \left( c_1\psi_1(x)e^{i\frac{E_1}{\hbar}t}+c_2\psi_2(x)e^{i\frac{E_2}{\hbar}t} \right) \left( c_1\psi_1(x)e^{-i\frac{E_1}{\hbar}t}+c_2\psi_2(x)e^{-i\frac{E_2}{\hbar}t} \right)\\ &= c_1^2\psi_1^2+c_2^2\psi_2^2+2c_1c_2\psi_1\psi_2\cos\left[ \dfrac{E_2-E_1}{\hbar}t \right] \end{aligned}}

Como podemos ver, embora {\psi_1} e {\psi_2} sejam estados estacionários e, portanto,a sua densidade de probabilidade é constante, a densidade de probabilidade da função de onda final oscila sinusoidalmente com frequência angular {(E_2-E_1)/t}.

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