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Elettrodinamica classica/La quantizzazione delle cariche

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Indice del libro

Cerchiamo ora di scrivere l'equazione di Schrödinger di una particella in moto in presenza di un quadripotenziale A. L'equazione di Schrödinger per una particella libera è:

p22mψ=iψt

Se la lagrangiana del sistema è

=12mx˙2

il momento coniugato a x è

p=x˙=mx˙

Nel caso quantistico, [x,p]=i, se p è il momento coniugato a x. Dunque, p può essere rappresentato come

p=ix

e perciò:

22m2ψ=iψt

Con un campo elettromagnetico, la lagrangiana del sistema diventa:

=12mx˙2eAix˙i

e quindi il momento coniugato a x è:

pi=x˙i=mx˙ieAi

che, in meccanica quantistica, si rappresenta come

ixi

In questo caso, l'hamiltoniana del sistema è:

H=px˙=12mx˙2=12m(pi+eAi)2=12m(i+eA)2

H=22m(+ieA)2

Quindi, l'equazione di Schrödinger per una particella in moto in un campo elettromagnetico è:

iψt=22m(+ieA)2ψ

Affinché quest'equazione sia invariante di gauge, si devono effettuare le trasformazioni AA+λ, ψψeieλ/. In D+, dunque, ci sarà una soluzione ψ dell'equazione di Schrödinger, e in D un'altra ψ; nell'intersezione si ha ψ=ψeieλ/. Poiché

λ=g4πφ

allora le soluzioni devono essere periodiche in φ, ossia invarianti sotto φφ+2π: in particolare, anche l'esponenziale deve esserlo. Si ha perciò:

eie2g4πφ=eie2g4π(φ+2π)eg2π=n,n

Questa condizione, che rappresenta la quantizzazione delle cariche (elettriche e magnetiche), è detta “condizione di quantizzazione di Dirac”. Come anticipato, l'esistenza delle cariche magnetiche giustifica la quantizzazione delle cariche elettriche.