Introdução à mecânica quântica relativística: a equação de Klein-Gordon

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Autor(a) principal: Dias, Isabela Pereira Lima
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14614
Resumo: The end of the 19th century and the beginning of the 20th century was marked by the emergence of two theories that revolutionized Physics, the theory of special relativity and quantum mechanics. The theory of special relativity provides a generalization of Newton's ideas about space and time, imposing a speed limit for interactions in nature given by the speed of light in free space, making Newton's laws of motion compatible with the laws of James Clerk Maxwell for electromagnetism. Quantum mechanics, on the other hand, was formulated from the necessity to build a theory applicable to atomic phenomena, impacting the way of thinking about science in a very significant way, explaining the stability of atoms and stars and providing support for the description of phenomena and technological applications in modern electronics and telecommunications. Although there are some incompatibilities between these two theories, their unification provide a very consistent theory named as relativistic quantum mechanics to approach the behavior of elementary particles in high-energy physics. Since this field is quite broad, in this work we restrict ourselves to relativistic wave equations, considering their most introductory development, given by the Klein-Gordon equation. For this purpose, we introduce the fundamental concepts of special relativity, such as its postulates, the implications related to the structure of space-time for high-speed regime, the four-vectors notation, and we also discuss the concepts of covariance, contravariance and invariance. Regarding quantum mechanics, we restrict ourselves to the description of the free-particle Schrödinger wave equation. The relativistic Klein-Gordon wave equation was introduced from the necessity of modification of the Schrödinger equation to make it covariant under Lorentz transformations. Considering the free-particle Klein-Gordon equation we discuss what is meant by a relativistic wavenfuncion, an equivalent continuity equation, the postulate of existence of antiparticles and how the Schrödinger wave equation can be recovered considering the non-relativistic limit, showing that the Klein-Gordon equation can be considered as a direct relativistic generalization of the quantum mechanics Schrödinger equation for spin-zero particles.
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The theory of special relativity provides a generalization of Newton's ideas about space and time, imposing a speed limit for interactions in nature given by the speed of light in free space, making Newton's laws of motion compatible with the laws of James Clerk Maxwell for electromagnetism. Quantum mechanics, on the other hand, was formulated from the necessity to build a theory applicable to atomic phenomena, impacting the way of thinking about science in a very significant way, explaining the stability of atoms and stars and providing support for the description of phenomena and technological applications in modern electronics and telecommunications. Although there are some incompatibilities between these two theories, their unification provide a very consistent theory named as relativistic quantum mechanics to approach the behavior of elementary particles in high-energy physics. Since this field is quite broad, in this work we restrict ourselves to relativistic wave equations, considering their most introductory development, given by the Klein-Gordon equation. For this purpose, we introduce the fundamental concepts of special relativity, such as its postulates, the implications related to the structure of space-time for high-speed regime, the four-vectors notation, and we also discuss the concepts of covariance, contravariance and invariance. Regarding quantum mechanics, we restrict ourselves to the description of the free-particle Schrödinger wave equation. The relativistic Klein-Gordon wave equation was introduced from the necessity of modification of the Schrödinger equation to make it covariant under Lorentz transformations. Considering the free-particle Klein-Gordon equation we discuss what is meant by a relativistic wavenfuncion, an equivalent continuity equation, the postulate of existence of antiparticles and how the Schrödinger wave equation can be recovered considering the non-relativistic limit, showing that the Klein-Gordon equation can be considered as a direct relativistic generalization of the quantum mechanics Schrödinger equation for spin-zero particles.O final do século XIX e início do século XX foi marcado pelo surgimento de duas teorias que revolucionaram a Física, a teoria da relatividade restrita e a mecânica quântica. A teoria da relatividade restrita fornece uma generalização das ideias de Newton sobre o espaço e o tempo, impondo uma velocidade limite para as interações na natureza, dada pela velocidade da luz no vácuo, tornando as leis de movimento de Newton compatíveis com as leis do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell. Já a mecânica quântica surgiu da necessidade da construção de uma teoria aplicável à fenômenos atômicos, impactando a forma de pensar ciência de uma maneira bastante significativa, explicando a estabilidade de átomos e estrelas e fornecendo suporte para descrição de fenômenos e aplicações tecnológicas na eletrônica e telecomunicações modernas. Apesar de existir algumas incompatibilidades entres essas duas teorias, a unificação das duas conduziu a uma teoria muito consistente dada pela mecânica quântica relativística, a qual é capaz de descrever o comportamento de partículas elementares no limite de altas energias. Uma vez que essa área é bastante ampla, nos restringimos neste trabalho às equações de onda relativísticas considerando o seu desenvolvimento mais introdutório, dado pela equação de Klein-Gordon. Para isso introduzimos os conceitos fundamentais da relatividade restrita, como os postulados desta teoria, as implicações relacionadas à estrutura do espaço-tempo no limite de altas velocidades, a notação relativística através de quadrivetores e ainda discutimos os conceitos de covariância, contravariância e invariância. Com relação à mecânica quântica nos restringimos a descrição da equação de onda de Schrödinger para uma partícula livre. Para introduzir a equação de onda relativística de Klein-Gordon mostramos que esta pode ser obtida a partir da necessidade de modificação da equação de Schrödinger, pelo fato desta não ser covariante sob transformações de Lorentz. Considerando a equação de Klein-Gordon para uma partícula livre foi possível discutir as implicações de tratarmos uma função de onda no regime relativístico com relação à interpretação da função de onda, da equação de continuidade, o postulado da existência de antipartículas e como a equação de onda de Schrödinger pode ser recuperada considerando o limite de baixas velocidades, mostrando que a equação de Klein-Gordon pode ser considerada como uma generalização relativística direta da equação de Schrödinger da mecânica quântica para partículas com spin-0.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus SorocabaFísica - FL-SoUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMecânica quânticaRelatividade restritaPartícula livreTransformações de LorentzEquação de Klein-GordonQuantum mechanicsSpecial relativityFree particleLorentz transformationsKlein-Gordon equationCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::FISICA CLASSICA E FISICA QUANTICA; MECANICA E CAMPOSIntrodução à mecânica quântica relativística: a equação de Klein-GordonIntroduction to relativistic quantum mechanics: the Klein-Gordon equationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis600600a7e76439-54a1-4b89-84c3-264b6b57a010reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdfTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdfTrabalho de Conclusão de Cursoapplication/pdf931773https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14614/1/TCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf9260618e73cb781fd2fcc42799b135d5MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14614/2/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52TEXTTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.txtTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.txtExtracted texttext/plain103676https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14614/3/TCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.txt2918a0179be4b811bc5223d60aa78d2bMD53THUMBNAILTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.jpgTCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6864https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14614/4/TCC_IsabelaDias_JamesSouza.pdf.jpg352f0ce235b00f0c1d98d186d5088d5cMD54ufscar/146142023-09-18 18:32:14.352oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14614Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:14Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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description The end of the 19th century and the beginning of the 20th century was marked by the emergence of two theories that revolutionized Physics, the theory of special relativity and quantum mechanics. The theory of special relativity provides a generalization of Newton's ideas about space and time, imposing a speed limit for interactions in nature given by the speed of light in free space, making Newton's laws of motion compatible with the laws of James Clerk Maxwell for electromagnetism. Quantum mechanics, on the other hand, was formulated from the necessity to build a theory applicable to atomic phenomena, impacting the way of thinking about science in a very significant way, explaining the stability of atoms and stars and providing support for the description of phenomena and technological applications in modern electronics and telecommunications. Although there are some incompatibilities between these two theories, their unification provide a very consistent theory named as relativistic quantum mechanics to approach the behavior of elementary particles in high-energy physics. Since this field is quite broad, in this work we restrict ourselves to relativistic wave equations, considering their most introductory development, given by the Klein-Gordon equation. For this purpose, we introduce the fundamental concepts of special relativity, such as its postulates, the implications related to the structure of space-time for high-speed regime, the four-vectors notation, and we also discuss the concepts of covariance, contravariance and invariance. Regarding quantum mechanics, we restrict ourselves to the description of the free-particle Schrödinger wave equation. The relativistic Klein-Gordon wave equation was introduced from the necessity of modification of the Schrödinger equation to make it covariant under Lorentz transformations. Considering the free-particle Klein-Gordon equation we discuss what is meant by a relativistic wavenfuncion, an equivalent continuity equation, the postulate of existence of antiparticles and how the Schrödinger wave equation can be recovered considering the non-relativistic limit, showing that the Klein-Gordon equation can be considered as a direct relativistic generalization of the quantum mechanics Schrödinger equation for spin-zero particles.
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