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Quadrato del modulo di una funzione d'onda

Quadrato del modulo di una funzione d'onda e probabilità di trovare la particella al di fuori di un certo intervallo

Considera la seguente funzione d'onda per una particella in una dimensione:

Funzione d'onda

Calcolarne il modulo quadro, rappresentarlo graficamente ed interpretare dal grafico la probabilità di trovare la particella al di fuori dell'intervallo (<x>-σ; <x>+σ) in cui <x> rappresenta il valore atteso e σ la deviazione standard.

Svolgimento dell'esercizio

Iniziamo col calcolare il modulo quadro della funzione d'onda |Ψ|2 la cui area sottesa rappresenta la probabilità di trovare la particella in un certo range. Ricordiamo che il modulo quadro di un numero complesso è il prodotto del numero stesso per il suo complesso coniugato.

Se si ha un numero complesso z = a +bi dove a e b sono rispettivamente la parte reale e quella immaginaria, allora il suo complesso coniugato sarà z* =a – bi ed il modulo quadro di z sarà dato a |z|2 = z ∙z*.

Quadrato del modulo di una funzione d'onda

Questa è la distribuzione di probabilità relativa alla posizione della particella ad un certo istante di tempo t.

Il valore atteso di una distribuzione di probabilità è l'integrale tra -∞ e +∞ del prodotto di x per la distribuzione di probabilità.

Valore atteso di una distribuzione di probabilità

Essendo la funzione dispari in quanto prodotto di una funzione dispari per una pari, il suo integrale indefinito totale calcolato tra -∞ e +∞  è pari a 0.

<x> = 0: il valore atteso di questa distribuzione di probabilità è zero.

Calcoliamo adesso la deviazione standard tramite la formula:

Deviazione standard

Integrando per parti il precedente integrale otteniamo:

Integrazione deviazione standard

Per cui la deviazione standard risulta:

Calcolo deviazione standard

Disegniamo il grafico della distribuzione di probabilità.

distribuzione di probabilità

La funzione è pari, ha un massimo assoluto per x = 0 pari a λ, tale punto rappresenta un punto angoloso, inoltre la funzione tende a 0 quando x tende a +∞ e -∞; la funzione infine risulta sempre positiva in tutto il suo dominio R e non si annulla mai. Eccone il grafico:

grafico della distribuzione di probabilità

La probabilità di trovare la particella al di fuori dell'intervallo (<x>-σ; <x>+σ) è l'area sottesa dalla curva nelle due code esterne evidenziata in verde nella figura successiva:

probabilità di trovare la particella al di fuori di un intervallo

Possiamo quantificare questa area che rappresenta la probabilità tramite il calcolo integrale:

Probabilità tramite il calcolo integrale

Ed interpretare il risultato in questo modo: è molto probabile che la particella in questione si trovi attorno al suo valore medio; tuttavia, esiste una probabilità considerevole che essa si trovi al di fuori di tale intervallo e questa probabilità vale il 24,3%.

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