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Mecánica cuántica




Enviado por Pablo Turmero



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    1.- El estado de un sistema de N partículas está descrito por una función de estado o función de onda ?(q, t) que depende de las 3N coordenadas de espaciales de las partículas (q) y del tiempo, y que contiene la máxima información del sistema.
    La interpretación de Born (1926) establece que el módulo al cuadrado de la función de onda representa la función densidad probabilidad para las coordenadas del sistema en el estado representado.
    2.-Los observables físicos están representados por operadores hermíticos que actúan sobre la función de onda del sistema. Estos operadores se construyen respetando la regla de conmutación
    [x,px] =[y,py] =[z,pz] = ih
    Espacio de las posiciones
    Conmutador
    Se escribe el conmutador entre dos operadores como
    Si se cumple que se dice que los operadores conmutan.
    Si entonces A y B representan observables complementarios, lo que implica que para un estado no es posible conocer simultáneamente con certeza (sin dispersión en la medida) las magnitudes que representan.
    Postulados de la Mecánica Cuántica: Resumen

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    Construcción de los operadores
    Según la expresión clásica de la magnitud. Se expresa ésta en función de las magnitudes posición y momento lineal y se substituye por el operador correspondiente
    Energía Cinética en una dimensión
    El operador más importante es el llamado operador de Hamilton o Hamiltoniano, que representa el observable energía del sistema. Para construir el Hamiltoniano de un sistema debemos tener en cuenta todas las contribuciones a la energía del mismo, básicamente la energía cinética de las partículas y la energía potencial debida a las interacciones entre las mismas.
    Energía total de un sistema (expresión general)
    Energía Potencial en un campo de fuerzas central
    Postulados de la Mecánica Cuántica: Resumen

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    Notación Braket
    También podemos expresar en notación braket integrales que incluyan la acción de operadores
    En notación braket, las funciones se representan por el simbolo ket

    donde a menudo se omite la variable o variables.

    Por otro lado, su conjugada compleja se representa por el simbolo bra

    La unión de un bra con un ket
    indica producto escalar e implica una integración respecto a todas las coordenadas de que dependan las funciones. El resultado es un escalar. Estas integrales reciben el nombre de integrales de solapamiento.
    Funciones propias
    diremos que la función f es función propia del operador y el escalar a su respectivo valor propio.
    Los operadores hermíticos tienen un numero infinito de funciones propias por lo que escribiremos

    Cuando dos o más funciones propias tienen el mismo valor propio diremos que son degeneradas.
    Cuando el resultado de aplicar un operador sobre una función es proporcional a la propia función
    Postulados de la Mecánica Cuántica: Resumen

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    3. Cuando un sistema esta descrito por una función de onda ?(q,t), el valor medio del observable A es igual al valor esperado del operador correspondiente, que se calcula como
    a) Si ?(q,t) es función propia del operador A con valor propio a

    Por tanto, cualquier medida de la magnitud A para este sistema en este estado daría como resultado a.
    b) Si ?(q,t) no es función propia del operador A
    Donde pj representa la probabilidad de que al realizar la medida obtengamos el valor aj.
    Conjunto de valores propios del operador A
    Si se realiza una medida de la magnitud A obtendremos siempre alguno de los posibles valores propios aj . La probabilidad asociada a obtener cada uno de ellos viene dada por el cuadrado del coeficiente de la combinación lineal que expresa la función de onda del sistema en la base de las funciones propias del operador.
    Postulados de la Mecánica Cuántica: Resumen

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    Postulados de la Mecánica Cuántica: Resumen
    4. La evolución temporal de la función de onda de un sistema viene dada por la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo
    donde H representa el operador correspondiente a la energía total del sistema
    Cuando el Hamiltoniano no depende del tiempo se pueden definir estados estacionarios
    La parte espacial de la función de onda total viene dada por la soluciones de la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo
    El valor esperado de la energía para un estado estacionario es constante, independiente del tiempo y coincide con el valor propio correspondiente del Hamiltoniano independiente del tiempo. La función densidad también es independiente del tiempo.
    Cada estado estacionario viene caracterizado por el valor de la energía total, así como por la magnitud de todos los observables compatibles con la energía del sistema, es decir, con los valores propios de los operadores que conmuten con el Hamiltoniano del sistema.

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    En mecánica cuántica se obtiene la relación

    Podemos encontrar las demás magnitudes a partir de las anteriores.
    Unidades atómicas

    Los estados no estacionarios (cuando el Hamiltoniano depende del tiempo) se pueden expresar formalmente en la base de estados estacionarios, con coeficientes que fluctúan con el tiempo
    Los estados estacionarios no son las únicas soluciones. Una superposición de estados también cumple
    La ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo

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    Sistemas sencillos I
    Caja cuántica monodimensional
    Solución particular

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    Sistemas sencillos I
    Caja cuántica tridimensional
    Solución particular: Variables separables. Producto de las soluciones monodimensionales
    Caja cúbica
    Se utiliza para describir el movimiento de traslación de partículas sin estructura interna de masa m
    GAS IDEAL

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    Sistemas sencillos II
    Rotor rígido lineal
    El modelo del rotor rígido lineal corresponde al movimiento de rotación de un sistema compuesto de dos partículas de masas m1 y m2 separadas por una distancia fija Re . Esta rotación se produce respecto al centro de masas del sistema.
    (Gp:) m1
    (Gp:) m2

    (Gp:) ?
    (Gp:) Re

    Cambio de variable
    Masa reducida
    Modelo de partícula en la superficie de una esfera
    Coordenadas esféricas

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    Sistemas sencillos II
    Rotor rígido lineal
    Los estados son 2J+1 degenerados
    Dos números cuánticos (en el caso del átomo hidrogenoide eran l y ml)
    Constante Rotacional
    Solución Particular: Armónicos Esféricos
    Se utiliza para describir el movimiento de rotación de moléculas diatómicas
    Se puede generalizar a moléculas poliatómicas rígidas mediante la rotación cuantizada respecto a los tres ejes de inercia
    Momento de inercia

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    Sistemas sencillos II
    Oscilador armónico monodimensional
    Solución particular
    Frecuencia fundamental de vibración
    Energía de punto cero
    La energía del oscilador no puede ser cero porque violaría el principio de incertidumbre. Así pues, para el estado fundamental v = 0
    Polinomios de Hermite
    Numero cuántico vibracional

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    Sistemas sencillos II
    El movimiento de vibración de dos partículas de masa m1 y m2 respecto a una distancia de equilibrio Re puede describirse mediante las soluciones del oscilador armónico monodimensional con solo un cambio de variable.

    La constante de fuerza k depende de la naturaleza de la molécula diatómica.
    Masa reducida
    Se utiliza como primer aproximación para describir el movimiento de vibración de moléculas diatómicas
    Oscilador armónico monodimensional
    El modelo se puede extender para describir oscilaciones conjuntas acopladas de diversos átomos en el caso poliatómico a través de los llamados modos normales de vibración
    Energía potencial debida a los electrones

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    Aproximación de Born- Oppenheimer
    Resolver la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo para un sistema molecular en dos pasos consecutivos:
    a) resolver el movimiento electrónico considerando los núcleos fijos
    b) resolver el movimiento nuclear considerando el potencial creado por los electrones
    Superficie de Energía Potencial
    Ecuación de Schrödinger electrónica
    Ecuación de Schrödinger nuclear
    Estado electrónico
    Estado nuclear
    Estados traslacionales
    Estados Rotacionales
    Estados Vibracionales

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    Aproximación de Born- Oppenheimer
    Estado electrónico fundamental
    Estados rotacionales
    Estados vibracionales
    Estado electrónico excitado
    Energía
    R (distancia internuclear)

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    Ampliació de Química-Física

    Curs 2007-08

    Part de Termodinàmica Estadística
    Tema 1: Fundamentos de Termodinámica Estadística
    Colectivos, Postulados
    Colectivo Canónico: configuraciones, pesos, configuración dominante
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    Funciones de partición
    Función de partición molecular: contribuciones
    Función de partición traslacional
    Función de partición rotacional
    Función de partición vibracional
    Función de partición electrónica

    Tema 2: Funciones termodinámicas
    Relación energía interna y función de partición
    Partición de la energía interna y principio clásico de equipartición de la energía
    Otras funciones termodinámicas:
    Presión
    Entalpia
    Entropia
    Energia Libre
    Equilibrio químico
    Contenido
    Termodinámica Estadística

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    Termodinámica Estadística
    Fundamentos de Termodinámica Estadística
    Estructura
    Molecular
    Niveles de Energía

    Electrónicos
    Vibracionales
    Rotacionales
    +
    correcciones
    Propiedades MACROSCOPICAS
    Teoría
    Cuántica
    Termodinámica Estadística
    Los observables termodinámicos macroscópicos son promedios de las propiedades moleculares
    La termodinámica estadística ayuda a reducir el numero de grados de libertad del sistema
    1 mol gas ideal
    ~1024 variables
    El formalismo estadístico está basado en el concepto de colectivo
    Conjunto hipotético de un número muy grande N de sistemas idénticos, réplica de uno original.
    Los miembros del colectivo se definen especificando alguna de las variables termodinámicas (numero de partículas, Energía, Volumen, Temperatura, etc …)
    N ? ? Arbitrariamente grande

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    Termodinámica Estadística
    Fundamentos de Termodinámica Estadística
    Colectivo Canónico o NVT
    N,V,T

    I
    N,V,T

    II
    N,V,T

    III
    N,V,T

    N

    Características de cada miembro del colectivo
    Numero de partículas constante: N
    Volumen constante: V
    Temperatura constante: T
    Características globales del colectivo
    Energía Total promedio constante
    Las energías de cada miembro del colectivo pueden ser diferentes
    O bien
    Se determina cuantos miembros del colectivo tienen un determinado valor de energía
    Números de ocupación
    Y se suma por todos los posibles valores que puede tomar la energía de un miembro del colectivo
    Restricción
    Los miembros del colectivo son idénticos pero distinguibles

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    Termodinámica Estadística
    Fundamentos de Termodinámica Estadística
    Otros colectivos: Colectivo microcanónico
    N,V,E

    I
    N,V,E

    II
    N,V,E

    III
    N,V,E

    N

    Numero de partículas constante: N
    Volumen constante: V
    Energía constante: E
    T,V,?

    I
    T,V,?

    II
    T,V,?

    III
    T,V,?

    N

    Temperatura constante: T
    Volumen constante: V
    Potencial Químico constante: ?
    Colectivo macrocanónico o gran canónico
    Los miembros del colectivo son idénticos pero distinguibles
    Los miembros del colectivo son idénticos pero distinguibles

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    Termodinámica Estadística
    Fundamentos de Termodinámica Estadística
    Se tiene en cuenta cuántos miembros del colectivo tienen una energía concreta pero no cuáles
    Las diferentes maneras que tiene el colectivo de conseguir la energía total fijada reciben el nombre de distribuciones o configuraciones
    Cada configuración viene especificada por los números de ocupación de cada estado energético accesible para los miembros del colectivo canónico
    Cada posible configuración se puede conseguir de diferentes maneras, ya que los miembros del colectivo son distinguibles. Cada posible manera recibe el nombre de microestado.
    Se especifica un microestado asignando a cada miembro del colectivo una energía concreta
    Al número de microestados que engloba una configuración se le conoce como el peso de la configuración
    La configuración que presenta un mayor peso recibe el nombre de configuración dominante

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    Termodinámica Estadística
    Fundamentos de Termodinámica Estadística
    El promedio temporal para un propiedad macroscópica de un miembro del colectivo es igual al valor medio de la propiedad en el colectivo
    Postulado de Gibbs
    Eliminación de la variable temporal
    La termodinámica estadística no necesita el concepto de tiempo
    Sistemas en Equilibrio
    En un sistema en equilibrio, todos los estados cuánticos de igual energía tienen la misma probabilidad de ocurrencia
    Postulado Fundamental de la Termodinámica Estadística
    Los números de ocupación de cada estado energético o sus probabilidades de ocurrencia son sólo función de su energía
    El objetivo es el de saber determinar los números de población de un colectivo.
    Valor de una propiedad A para cada estado
    Valor termodinámico de la propiedad

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    Termodinámica Estadística
    Ejemplo numérico
    N,V,T

    a
    N,V,T

    b
    N,V,T

    c
    N,V,T

    ?4= 3
    ?1= 0
    ?2= 1
    ?3= 2
    N = 3
    Configuraciones posibles
    Restricción Energética impuesta
    E = 3
    ?4= 3
    ?1= 0
    ?2= 1
    ?3= 2
    ?4= 3
    ?1= 0
    ?2= 1
    ?3= 2
    ?4= 3
    ?1= 0
    ?2= 1
    ?3= 2
    Números de ocupación
    ?1
    ?2
    ?3
    ?1 : {2,0,0,1} ?2: {1,1,1,0} ?3 : {0,3,0,0}
    Pesos de las configuraciones
    W(?1) = 3 W(?2) =6 W(?3) = 1
    a
    c
    b
    a
    b
    c
    c
    a
    b
    Configuración Dominante
    Microestados

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    Termodinámica Estadística
    Promedio de números de ocupación de cada estado
    Número total de microestados
    Probabilidad de ocupación de cada estado

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    Termodinámica Estadística
    Usando únicamente la configuración dominante
    Los resultados no son muy diferentes a los exactos teniendo en cuenta todas las configuraciones posibles y serán mucho menos diferentes cuando mayor sea N
    Cálculo de propiedades termodinámicas
    N,V,T

    ?4= 3
    ?1= 0
    ?2= 1
    ?3= 2
    a4= 4
    a1= 0
    a2= 2
    a3= 3
    Cada estado del sistema tiene un valor determinado de la propiedad A
    Con probabilidades de ocupación exactas
    Con probabilidades de ocupación de la configuración dominante

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    Termodinámica Estadística
    La estadística de grandes números nos dice que conforme N ? ? el peso de la configuración dominante aumenta de tal manera que la ocupación de cada estado energético viene dada por la población de la configuración dominante
    (Gp:) Configuraciones
    (Gp:) Peso

    Identificaremos cual es la configuración dominante asociada a un colectivo canónico
    Obtención de los números de ocupación de cada estado
    Distribución de Maxwell-Boltzmann

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    Termodinámica Estadística
    Aproximación de Stirling
    Para valores muy grandes de N
    A la practica N será del orden del número de Avogadro por lo que el error es totalmente despreciable.

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    Termodinámica Estadística
    Optimización restringida: Método de los multiplicadores de Lagrange
    Ejemplo: Prisma de volumen máximo con un área fija determinada
    Construcción de la función aumentada
    Restricción
    Multiplicador indeterminado de Lagrange
    Condición de extremo de la función aumentada respecto a cada variable
    Restricción inicial
    Máximo Condicionado

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    Termodinámica Estadística
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    Optimización restringida: Método de los multiplicadores de Lagrange
    En general
    Función aumentada
    k restricciones
    Condición de extremo condicionado
    N variables
    variables
    restricciones

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    Termodinámica Estadística
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    El número de maneras que se pueden distribuir N elementos distinguibles en niveles de energía sin restricción en el nº de elementos por estado es
    Objetivo
    Maximizar el valor de W(?) respecto a los números de ocupación {ni}
    con dos restricciones:
    Número de partículas
    Energía total determinada
    Podemos trabajar con logaritmos ya que
    Aplicando Stirling

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    Termodinámica Estadística
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    Ya que
    Construimos la función aumentada con las dos restricciones y sus correspondiente multiplicadores indeterminados de Lagrange
    Condición de extremo

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    Termodinámica Estadística
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    Condición de extremo
    Teniendo en cuenta que
    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    Para el nivel mas bajo de energía
    Relación entre la población de un nivel respecto al fundamental
    Función de partición canónica
    En equilibrio térmico, es imposible que un estado de mayor energía que otro este mas poblado que éste

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    Termodinámica Estadística
    La función de partición
    Asumiendo que la energía del estado fundamental sea cero
    Relación entre el numero total de sistemas y los que ocupan el estado fundamental
    Todos los sistemas en el estado mas bajo de energía
    Suma por todos los estados accesibles del sistema (potencialmente infinitos)
    Parámetro adimensional
    Mayores valores de Q denota menor población del estado fundamental
    Si la energía del estado fundamental no es cero
    La suma de una constante a los niveles de energía solo reescala el valor de la función de partición.
    E = 0
    ?0

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    Termodinámica Estadística
    El parámetro ?
    Consideramos un sistema de partículas no interactuantes (gas ideal) en una caja cúbica. Los niveles de energía tiene la forma
    La fuerza ejercida por una partícula en un estado energético ?i en la dirección X
    Fuerza total ejercida
    La función de partición

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    Termodinámica Estadística
    La presión es la fuerza por unidad de superficie
    La ecuación de estado de N partículas de gas ideal (partículas sin estructura no interactuantes)
    Suma por todos los estados
    Suma por todos los niveles
    Degeneración del nivel
    o bien

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    Termodinámica Estadística
    La función de partición
    Cuanto mayor es el valor de la función de partición mayor número de estados están poblados significativamente
    El aumento de la Temperatura o la disminución en la diferencia de energía entre niveles implica un aumento en la función de partición

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    Termodinámica Estadística
    Otras Distribuciones
    Distribución de Fermi-Dirac
    Fermiones
    Partículas indistinguibles de spin semientero (ex: electrones)
    Principio de antisimetria ? dos partículas no pueden ocupar el mismo estado

    Distribución de Bose-Einstein
    Bosones
    Partículas indistinguibles de spin entero (ex: fotones, 16O, 2H, ..)
    Principio de antisimetria ? sin restricción en número de partículas por estado

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    Termodinámica Estadística
    Distribuciones
    Sistema diluido: muchos más estados que partículas
    Boltzones
    Partículas clásicas distinguibles sin restricción en número de partículas por estado

    Distribución de Maxwell-Boltzmann
    ni términos
    Estadística Maxwell-Boltzmann corregida para partículas indistinguibles

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    Termodinámica Estadística
    Función de partición molecular

    Asumimos que la energía de una molécula es separable en diferentes contribuciones:

    ? = ?trans + ?rot + ?vib + ?elec + (?nuc )
    Energía Traslacional
    Debida al movimiento de traslación de un cuerpo de masa M
    Energía Rotacional
    Debida al movimiento de rotación de la molécula respecto a su centro de masas
    Energía Vibracional
    Debida al movimiento de oscilación de los átomos respecto a su posición de equilibrio
    Energía Electrónica
    Debida a los diferentes estados electrónicos de la molécula (soluciones de la ecuación de Schrödinger electrónica en la geometría de equilibrio)
    Partícula en una caja tridimensional
    Rotor rígido
    Oscilador armónico
    Los estados posibles que puede tener el sistema molecular contienen todos los posibles estados traslacionales, rotacionales, vibracionales y electrónicos, con sus posibles degeneraciones

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    Termodinámica Estadística
    Función de partición molecular

    La función de partición molecular se expresa como producto de las funciones
    de partición para cada contribución energética independiente

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    Termodinámica Estadística
    Función de partición para un conjunto de N partículas

    Cada miembro del colectivo canónico puede estar formado por un conjunto de N partículas o moléculas. Los diferentes estados del colectivo vendrán dados por el conjunto de las diferentes energías de las N partículas
    Aproximación de partículas independientes
    Si el Hamiltoniano del sistema formado por N partículas se expresa únicamente como suma de los Hamiltonianos correspondientes a cada partícula
    Ignoramos

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