Il calcolo Le due appendici al calcolo della diffusione

Il calcolo della formula di diffusione si appoggia a due risultati che qui ricaviamo per esteso: la soluzione generale dell’equazione di Helmholtz e un integrale che compare due volte nel testo.

Appendice 1. Equazione di Helmholtz.

L’equazione che abbiamo incontrato nel testo era del tipo:

∇2ψ+k2ψ=f(r⃗)\nabla^2\psi+k^2\psi=f(\vec{r})

con la condizione che ψ→eikz\psi\to e^{ikz} per z→−∞z\to-\infty.

Per risolvere questo problema consideriamo prima l’equazione omogenea con la condizione al contorno effettiva:

{∇2ψ+k2ψ=0con ψ⟶z→−∞eikz⇔ψ=eikz\begin{aligned} \left\{\begin{gathered} \nabla^2\psi+k^2\psi=0 \\ \text{con }\psi\underset{z\to-\infty}{\longrightarrow}e^{ikz} \end{gathered}\right. & \Leftrightarrow \\ \psi & =e^{ikz} \end{aligned}

Ora risolviamo l’equazione completa con la condizione al contorno “nulla”: {∇2ψ+k2ψ=f(r‾)ψ(r‾)→0 come 1r\left\{\begin{gathered} \nabla^2\psi+k^2\psi=f(\overline{r}) \\ \psi(\overline{r})\to0\ \text{come}\ \frac{1}{r} \end{gathered}\right.

Determiniamo la soluzione quando il termine noto è la funzione di Dirac:

∇2ψ+k2ψ=δ(r⃗−r⃗ ′)\nabla^2\psi+k^2\psi=\delta(\vec{r}-\vec{r}{\:}')

In questo caso la soluzione come verificheremo più avanti è

ψ=−eik∣r‾−r‾′∣/(4π∣r‾−r‾′∣)\psi=-e^{ik|\overline{r}-{\overline{r}}'|}/(4\pi|\overline{r}-{\overline{r}}'|)

Utilizzando la linearità dell’equazione, dal fatto che:

f(r‾)=∭Tutto lo Spaziof(r‾ ′)δ(r‾−r‾ ′) dΩ′f(\overline{r})=\iiint_{\text{Tutto lo Spazio}}f(\overline{r}{\:}')\delta(\overline{r}-\overline{r}{\:}')\:d\Omega'

possiamo concludere che:

ψ=−14π∭Tutto lo Spaziof(r⃗ ′)eik∣r⃗−r⃗ ′∣∣r⃗−r⃗ ′∣dΩ′\psi=-\frac{1}{4\pi}\iiint_{\text{Tutto lo Spazio}}f(\vec{r}{\:}')\frac{e^{ik|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|}}{|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|}d\Omega'

Sommando questa soluzione a quella trovata per l’equazione omogenea con la condizione iniziale effettiva abbiamo la formula applicata nel testo:

ψ=eikz−14π∭Tutto lo Spaziof(r‾′)eik∣r‾−r‾′∣∣r‾−r‾′∣dΩ′\psi=e^{ikz}-\frac{1}{4\pi}\iiint_{\text{Tutto lo Spazio}}f({\overline{r}}')\frac{e^{ik|\overline{r}-{\overline{r}}'|}}{|\overline{r}-{\overline{r}}'|}d\Omega'

Ora verifichiamo che la funzione ψ=−eik∣r⃗−r⃗ ′∣/(4π∣r⃗−r⃗ ′∣)\psi=-e^{ik|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|}/(4\pi|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|) soddisfa l’equazione ∇2ψ+k2ψ=δ(r⃗−r⃗ ′)\nabla^2\psi+k^2\psi=\delta(\vec{r}-\vec{r}{\:}'). Eseguiremo la verifica in due passi:

Prima proviamo che l’equazione è soddisfatta per ogni r‾≠r‾′\overline{r}\neq{\overline{r}}':

per r‾≠r‾′\overline{r}\neq{\overline{r}}' si ha δ(r⃗−r⃗′)=0\delta(\vec{r}-{\vec{r}}')=0, quindi dobbiamo verificare che ∇2ψ+k2ψ=0\nabla^2\psi+k^2\psi=0. Per scrivere il laplaciano conviene scegliere un sistema di coordinate sferiche centrate in r‾′{\overline{r}}', in questo modo abbiamo:

∇2ψ+k2ψ=0⇔∇2(−14πeik∣r⃗−r⃗′∣∣r⃗−r⃗′∣)+k2(−14πeik∣r⃗−r⃗′∣∣r⃗−r⃗′∣)=0⇔\begin{aligned} \nabla^2\psi+k^2\psi & =0\Leftrightarrow \\ \nabla^2\left(-\frac{1}{4\pi}\frac{e^{ik|\vec{r}-{\vec{r}}'|}}{|\vec{r}-{\vec{r}}'|}\right)+k^2\left(-\frac{1}{4\pi}\frac{e^{ik|\vec{r}-{\vec{r}}'|}}{|\vec{r}-{\vec{r}}'|}\right) & =0\Leftrightarrow \end{aligned}

sostituendo la formula per il laplaciano e semplificando i termini comuni

⇔1r2ddr(r2ddreikrr)+k2eikrr=0⇔1r2ddr(r2(ikeikrr−eikrr2))+k2eikrr=0⇔1r2ddr(ikreikr−eikr)+k2eikrr=0⇔1r2(ikeikr−rk2eikr−ikeikr)+k2eikrr=0⇔−1r2rk2eikr+k2eikrr=0Verificata.\begin{aligned} \Leftrightarrow\frac{1}{r^2}\frac{d}{dr}\left(r^2\frac{d}{dr}\frac{e^{ikr}}{r}\right)+k^2\frac{e^{ikr}}{r} & =0\Leftrightarrow \\ \frac{1}{r^2}\frac{d}{dr}\left(r^2\left(ik\frac{e^{ikr}}{r}-\frac{e^{ikr}}{r^2}\right)\right)+k^2\frac{e^{ikr}}{r} & =0\Leftrightarrow \\ \frac{1}{r^2}\frac{d}{dr}\left(ikre^{ikr}-e^{ikr}\right)+k^2\frac{e^{ikr}}{r} & =0\Leftrightarrow \\ \frac{1}{r^2}\left(ike^{ikr}-rk^2e^{ikr}-ike^{ikr}\right)+k^2\frac{e^{ikr}}{r} & =0\Leftrightarrow \\ -\frac{1}{r^2}rk^2e^{ikr}+k^2\frac{e^{ikr}}{r} & =0 \\ \text{Verificata}. & \end{aligned}

Come secondo punto proviamo che vale la proprietà della funzione di Dirac:

∭(∇2ψ+k2ψ)dΩ′=1\iiint\left(\nabla^2\psi+k^2\psi\right)d\Omega'=1

Sostituendo ψ=−eik∣r⃗−r⃗ ′∣/(4π∣r⃗−r⃗ ′∣)\psi=-e^{ik|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|}/(4\pi|\vec{r}-\vec{r}{\:}'|) abbiamo

∭Sfera centrata in r‾(∇2(−14πeik∣r‾−r‾′∣∣r‾−r‾′∣)+k2(−14πeik∣r‾−r‾′∣∣r‾−r‾′∣))dΩ′=\iiint_{\text{Sfera centrata in }\overline{r}}\left(\nabla^2\left(-\frac{1}{4\pi}\frac{e^{ik|\overline{r}-{\overline{r}}'|}}{|\overline{r}-{\overline{r}}'|}\right)+k^2\left(-\frac{1}{4\pi}\frac{e^{ik|\overline{r}-{\overline{r}}'|}}{|\overline{r}-{\overline{r}}'|}\right)\right)d\Omega'=

scegliendo un sistema di coordinate sferiche centrato in r‾\overline{r} abbiamo

=−14π∭Sfera(∇2eikr′r′+k2eikr′r′)dΩ′=−14π∭Sfera(∇2eikr′r′+k2eikr′r′)dΩ′=−14π∭Sfera(∇⋅∇eikr′r′+k2eikr′r′)dΩ′=\begin{aligned} & \\ & =-\frac{1}{4\pi}\iiint_{\text{Sfera}}\left(\nabla^2\frac{e^{ikr'}}{r'}+k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega' \\ & =-\frac{1}{4\pi}\iiint_{\text{Sfera}}\left(\nabla^2\frac{e^{ikr'}}{r'}+k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega' \\ & =-\frac{1}{4\pi}\iiint_{\text{Sfera}}\left(\nabla\cdot\nabla\frac{e^{ikr'}}{r'}+k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega'= \end{aligned}

applicando il teorema della divergenza abbiamo

=−14π[∬Sfera∇eikr′r′⋅r^′ dS′+∭Sfera(k2eikr′r′)dΩ′]=-\frac{1}{4\pi}\left[\iint_{\text{Sfera}}\nabla\frac{e^{ikr'}}{r'}\cdot{\hat{r}}'\:dS'+\iiint_{\text{Sfera}}\left(k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega'\right]

Eseguiamo prima l’integrale di superficie per una sfera di raggio R

∯Sfera∇eikr′r′⋅r^′ dS′=∯Sfera(ikeikr′r′−eikr′r′2)dS′=4πR2(ikeikRR−eikRR2)=4π(ikReikR−eikR)\begin{aligned} \oiint_{\text{Sfera}}\nabla\frac{e^{ikr'}}{r'}\cdot{\hat{r}}'\:dS' & =\oiint_{\text{Sfera}}\left(ik\frac{e^{ikr'}}{r'}-\frac{e^{ikr'}}{r^{'2}}\right)dS' \\ & =4\pi R^2\left(ik\frac{e^{ikR}}{R}-\frac{e^{ikR}}{R^2}\right) \\ & =4\pi\left(ikRe^{ikR}-e^{ikR}\right) \end{aligned}

Ora eseguiamo l’integrale di volume per la stessa sfera di raggio R

∭Sfera(k2eikr′r′)dΩ′=∫02πdφ∫0πsin⁡ϑ dϑ∫0Rk2eikr′r′r′2 dr′=4π∫0Rk2eikr′r′ dr′=\begin{aligned} \iiint_{\text{Sfera}}\left(k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega' & =\int_0^{2\pi}d\varphi\int_0^\pi\sin\vartheta\:d\vartheta\int_0^Rk^2\frac{e^{ikr'}}{r'}r^{'2}\:dr' \\ & =4\pi\int_0^Rk^2e^{ikr'}r'\:dr'= \end{aligned}

integrando per parti abbiamo

4π(k2eikr′r′ik∣0R−∫0Rk2eikr′ik dr′)=4π(−ikeikRR+eikR−1)4\pi\left({\frac{k^2e^{ikr'}r'}{ik}|}_0^R-\int_0^Rk^2\frac{e^{ikr'}}{ik}\:dr'\right)=4\pi\left(-ike^{ikR}R+e^{ikR}-1\right)

Sommando i risultati dei due integrali abbiamo

−14π[∬Sfera∇eikr′r′⋅r^′ dS′+∭Sfera(k2eikr′r′)dΩ′]=−14π[4π(ikReikR−eikR)+4π(−ikeikRR+eikR−1)]=−[ikReikR−eikR−ikeikRR+eikR−1]=1\begin{aligned} & -\frac{1}{4\pi}\left[\iint_{\text{Sfera}}\nabla\frac{e^{ikr'}}{r'}\cdot{\hat{r}}'\:dS'+\iiint_{\text{Sfera}}\left(k^2\frac{e^{ikr'}}{r'}\right)d\Omega'\right] \\ & \qquad=-\frac{1}{4\pi}\left[4\pi\left(ikRe^{ikR}-e^{ikR}\right)+4\pi\left(-ike^{ikR}R+e^{ikR}-1\right)\right] \\ & \qquad=-\left[ikRe^{ikR}-e^{ikR}-ike^{ikR}R+e^{ikR}-1\right] \\ & \qquad=1 \end{aligned}

Come volevasi dimostrare.

Appendice 2.

Nel testo abbiamo un integrale del tipo:

∫0+∞sin⁡  (αr′)e−βr′ dr′\int_0^{+\infty}\sin\;\left(\alpha r'\right)e^{-\beta r'}\:dr'

Indichiamo l’integrale con il simbolo I. Integreremo due volte per parti ottenendo così un’equazione nell’incognita I:

I=sin⁡(αr′)e−βr′−β∣0+∞−∫0+∞αcos⁡(αr′)e−βr′−βdr′=−αcos⁡(αr′)e−βr′β2∣0+∞+∫0+∞−α2cos⁡(αr′)e−βr′β2dr′=αβ2−α2β2I\begin{aligned} I & =\sin(\alpha r')\frac{e^{-\beta r'}}{-\beta}|_0^{+\infty}-\int_0^{+\infty}\alpha\cos(\alpha r')\frac{e^{-\beta r'}}{-\beta}dr' \\ & =-\alpha\cos(\alpha r')\frac{e^{-\beta r'}}{\beta^2}|_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}-\alpha^2\cos(\alpha r')\frac{e^{-\beta r'}}{\beta^2}dr' \\ & =\frac{\alpha}{\beta^2}-\frac{\alpha^2}{\beta^2}I \end{aligned}

Dunque abbiamo l’equazione

I=αβ2−α2β2I⟺(1+α2β2)I=αβ2⟺β2+α2β2I=αβ2⟺I=αβ2+α2\begin{aligned} I & =\frac{\alpha}{\beta^2}-\frac{\alpha^2}{\beta^2}I\Longleftrightarrow \\ \left(1+\frac{\alpha^2}{\beta^2}\right)I & =\frac{\alpha}{\beta^2}\Longleftrightarrow \\ \frac{\beta^2+\alpha^2}{\beta^2}I & =\frac{\alpha}{\beta^2}\Longleftrightarrow \\ I & =\frac{\alpha}{\beta^2+\alpha^2} \end{aligned}

Questa è la formula applicata nel testo.

La Quantistica · Nota N.11 · Rev. 2026 F. Palma