HAL Id: jpa-00207100
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00207100
Submitted on 1 Jan 1971
HAL
is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire
HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Approximation séparable de la fonction de Green pour un potentiel de portée finie continue par le potentiel
coulombien
C. Gignoux
To cite this version:
C. Gignoux. Approximation séparable de la fonction de Green pour un potentiel de portée finie continue par le potentiel coulombien. Journal de Physique, 1971, 32 (7), pp.467-473.
�10.1051/jphys:01971003207046700�. �jpa-00207100�
LE JOURNAL DE PHYSIQUE
APPROXIMATION SÉPARABLE DE LA FONCTION DE GREEN
POUR UN POTENTIEL DE PORTÉE FINIE CONTINUE
PAR LE POTENTIEL COULOMBIEN
C. GIGNOUX
Institut des Sciences
Nucléaires,
Cédex257, 38,
Grenoble-Gare(Reçu
le 2 novembre1970,
révisé le 11janvier 1971)
Résumé. 2014 Une approximation séparable de la fonction de Green est présentée pour un poten- tiel de portée finie prolongé éventuellement par le potentiel coulombien. Ce développement variable
avec l’énergie est construit avec les états introduits par P. L. Kapur et R. Peierls. La fonction de Green approchée a le bon comportement asymptotique et les bons résidus aux pôles dus aux états
liés. Les tests présentés ici pour le puits carré et le potentiel de Saxon-Woods permettent d’envisager
l’utilisation de ce développement séparable pour la résolution du problème à trois corps ou pour des calculs de voies couplées.
Abstract. 2014 A séparable approximation for the Green function is given for a finite range potential
that can be extended with the coulomb potential. This expansion depending on energy is built on
states introduced by P. L. Kapur and R. Peierls. The approximated Green function has the right asymptotic behaviour and the right residus for the bound states poles. Tests given here for square well and Saxon-Woods potential allow considering the use of this séparable expansion for solving
the three body problem and coupled channel calculations.
Classification Physics Abstract :
12.30, 02.00
1. Introduction. - Dans de nombreux
problèmes
de réaction et de structure, où l’on a besoin des fonc- tions
d’onde,
il est fait usage de la fonction de Green.En
effet, plus
facilementqu’avec
leséquations
dé-rentielles
couplées,
la fonction de Green permet d’assurer aux fonctions d’ondes le comportementasymptotique
désiré.L’emploi
de sonexpression
exacte est
cependant
rarementpossible
car il conduità des
intégrales
doubles ou à deséquations intégrales
à
plusieurs
variables. Uneapproximation séparable qui
aurait lescaractéristiques
essentielles d’une fonc- tion de Greenpourrait simplifier
considérablement leproblème pratique
en le ramenant à une somme d’inté-grales
ou à deséquations intégrales couplées
mais àune seule dimension. L’artifice
d’approximer
unopérateur intégral
par undéveloppement séparable
est couramment utilisé dans la résolution des
équa-
tions de
Faddeev,
où l’onapproxime l’opérateur
detransition à deux corps. Dans cet
article,
undévelop-
pementséparable
de la fonction de Green estprésenté
et discuté. Ce
développement
est valable pour toutpotentiel,
réel ou non, deportée finie,
continué éven-tuellement par le
potentiel Coulombien,
et pour touteénergie.
Il est construit avec les états introduits par P. L.Kapur
et R. Peierls[1].
Cedéveloppement appliqué
à une fonctiondonne,
comme la vraie fonction de Green,uniquement
des ondes sortantesrégulières
àl’origine.
D’autre part, le comportementau
voisinage
des états liés et des résonances est exact.Dans les tests décrits dans le
paragraphe
IV la fonctionde Green exacte et son
approximation
sontcomparées,
ainsi que les
amplitudes
de transition pourplusieurs
ondes et
plusieurs énergies,
dans le cas dupuits
carréet du
potentiel
de Saxon-Woods. Ces tests montrentqu’avec
trois termes pour ledéveloppement
de lafonction de Green on obtient un bon accord dans
un
grand
domained’énergie.
II. Etats mobiles de
projection.
- Pour des raisonsde clarté on considère une
particule
sansspin,
demasse m, dans un
potentiel
localsphérique
et réel!i2
v(r)/2
m, deportée
a, tellequ’au-delà
de cette dis-tance
v(r)
soit nul oureprésente
lepotentiel
coulom-bien 2
vk/r.
Enfait,
les restrictions sur lepotentiel
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003207046700
468
peuvent être facilement
enlevées,
celui-ci peut êtrecomplexe
non local etdépendant
del’énergie.
L’ex-pression
exacte de la fonction de Green est connue :où 0 est
l’angle
que forment les deux vecteurs r etr’,
et
G,
s’écrit :où k est
l’impulsion
et W lewronskien,
évalué à une distancequelconque
R, des deux solutions del’équation
différentielle :
Vl
est une solutionrégulière
àl’origine.
u+
est une solution habituellementirrégulière qui
se comporte pour r > a comme01(k,
r) c’est-à-direcomme
krhi (kr)
ou commeGI(v, kr)
+iFl(v, kr).
Dans la
région
extérieure r > a ladépendance
dela fonction de Green en r est
01(k, r)
et touteapproxi-
mation devra avoir ce comportement.
On considère alors les solutions de
l’équation
diffé-rentielle
précédente qui
sontrégulières
àl’origine
etqui
se continuent à l’extérieur par01(k, r),
c’est-à-direqui
ont même dérivéelogarithmique
que01(k, r)
aurayon de raccordement a. Les conditions aux limites étant
fixées,
ceci ne peut avoir lieu que pour des valeurs discrètes del’énergie Eln
= !i2ki j2 m
où nsert à différencier les solutions et est lié au nombre de noeuds. Ainsi ces états sont définis par l’ensemble de conditions :
La condition de raccordement avec
01(k, r) dépend
de
l’énergie,
de même que lesk 2, qui
serontappelés
dans la suite les
énergies
propres, sont fonction del’énergie
ou de k. Les fonctions d’ondesdépendent
aussi de
l’énergie
et elles sontappelées
dans la suiteo états mobiles ». Ces états ont été étudiés par P. L.
Kapur
et R. Peierls[1] qui
ont montréqu’ils
for-maient une base
complète
dans larégion
intérieure.Dans la suite nous
rappelons
brièvementquelques
unes de leurs
propriétés.
L’orthogonalité
de ces états dans larégion
intérieures’obtient
grâce
auxpropriétés
du wronskien. Eneffet,
si on écrit la même
équation
différentielle pour un autre étatul,,,(k, r)
on obtient par un calculclassique :
Pour r = a, uln et Uln’ ont même dérivées
logarithmi-
ques que
0 l ;
le wronskien est donc nul et les états sontorthogonaux.
On peut établir de la même manière la relation suivante :ou encore en utilisant la notation
L, = SI + iP,1
Il est facile de montrer que
PI(k, a)
facteur depéné-
trabilité est
égal
àkal(F,2(v, ka)
+Gf(v, ka))
et estnul pour une
énergie négative.
Ainsi lesénergies
propres
k 2
ont unepartie imaginaire négative
ounulle.
TRAJECTOIRE DES ÉNERGIES PROPRES. - Il est
impor-
tant de connaître la
dépendance
enénergie
ou enfonction de k des
énergies
propres et de déterminer lestrajectoires k2(k).
On peut remarquer aupréalable
que ces
trajectoires
ont chacune une asymptote. Eneffet,
sil’énergie
tend versplus
ou moins l’infiniLI
croît comme ika et la solution est déterminée par la condition
indépendante
del’énergie
uln(k
=a)
= 0.On peut remarquer aussi
qu’à énergie
nulle et pour l’onde S la dérivéelogarithmique
est nulle et les étatsde P. L.
Kapur
et R. Peierls s’identifient avec ceux de la matrice R. Pour la suite il est avantageux d’établir la dérivéebk 2lôk.
A cet effet on écrit les deuxéqua-
tions différentielles :
et par un calcul
simple
on obtient :ou encore :
Cette
expression
permet d’établir unalgorithme
derecherche pour
k 2 qui
convergerapidement, puis
àpartir
d’une valeur initiale obtenue par cetalgorithme d’intégrer l’équation
différentielle destrajectoires.
Sur la
figure 1,
on a tracé lestrajectoires
pour unpuits
carré deprofondeur h2 vo/2 m
avec voa 2 = -
12 suffisant pour lier les niveaux 1 S et 1 P, de rayon apris
comme rayon de raccordement. Dans ce cassimple
les solutionsul,,(k, r)
sont de la formerj,(K’n r)
pour r a avec
K n
=kfn -
vo. Les asymptotes sont les valeurs deki
tels que lesKI, a
soient les zérosde ji
et les valeurs à
énergie
nulle sont obtenues àpartir
des zéros
de j, -,.
De tellestrajectoires
ontdéjà
étéobtenues par A.
Lejeune
et M. A.Nagarajan [2]
pour les ondes S et P. D’une manièregénérale
on observeune variation assez forte de
k 2
auvoisinage de k2
= 0.D’autre part la
partie imaginaire
dek 2 (tracé
en traitsinterrompus)
est du même ordre degrandeur
que lapartie
réelle.FIG. 1. - Trajectoires des énergies propres pour le puits carré.
En abscisse on a porté la partie réelle de
K,2n
=kl -
Vo plutôt que kin. En effet, cette valeur est indépendante de la pro- fondeur du puits. La partie imaginaire est tracée en traits inter- rompus. Les régions hachurées n’indiquent pas forcément unerésonance mais plutôt un déphasage voisin de x/2.
Sur la
figure
2 on a tracé lestrajectoires
pour unpotentiel
de Saxon-Woodstronqué
au rayon de rac-cordement a =
1,5 R
où R est le rayon dupuits
dediffusivité
R/10
deprofondeur
maximum h’vo/2 m
avec
vo R 2
12.Les
trajectoires
sont semblables maisplus comprimées
que pour le
puits
carré. Ceci est essentiellement dû à la différence de rayon de raccordement.III.
Approximation séparable
de la fonction de Green. - On peutdévelopper
la fonction de GreenGl(r, r’)
dans larégion r’
a sur les états mobiles deprojections.
Soit à chercherul(k, r)
solution sortantede :
FIG. 2. - Trajectoires des énergies propres pour un potentiel de Saxon-Woods de rayon unité et de diffusivité 0,1.
ou encore :
où
w(r)
est nul dans larégion r
> a. Le termew(r) ulo(k, r)
peut résulter ducouplage
avec d’autresvoies. Dans le cas de la diffusion d’une
particule
par lepotentiel v(r), u?
sera solution deet la diffusion sera décrite par :
ui(k, r)
doit êtrerégulière
àl’origine
et doit se comporter commeOi(k, r)
pour r > a. Doncui(k, r)
peut seprojeter
sur la basecomplète
desu’n(k, r)
Les coefficients aln sont déterminés par
l’équation
différentielle :
ou encore :
et en utilisant
l’orthogonalité
des états ul, :470
ceci
quelle
que soit la fonctiona°(r) ;
doncpour r’
aqui
est larégion
normale d’utilisation on peut écrire :Dans la suite on
appellera Gl(r, r)
une troncation de cette somme. Apartir
de cetteexpression
de la fonc- tion de Green on peut obtenir undéveloppement
dela matrice de transition à moitié hors de la couche.
En
effet,
si l’on pose :en écrivant la relation
G V 1 k >
=Go T k,
> et en utilisantl’expression asymptotique
deGo
on obtient :La convergence de cette série sera étudiée au para-
graphe
IV.COMPORTEMENT DE LA FONCTION DE GREEN AU VOISINAGE DES PÔLES. - Les
pôles
de la fonction deGreen sont les valeurs
ko
de k telles que pour uneonde donnée on ait
ki (ko)
=k2.
Eneffet,
pour cette valeuru’n(ko, r)
et01(ko, r)
vérifient la mêmeéquation
différentielle :
et ont même dérivée
logarithmique.
C’est-à-direqu’il
existe une solution
ul,,(r)
telle que :régulière
àl’origine
et se comportant à l’extérieurcomme une onde sortante. Ceci est la définition des états liés ou résonnants étudiés par J. Humblet et L. Rosenfeld
[3].
Cette définition est bienindépen-
dante du rayon de raccordement a tant que
v(a)
= 0.Il faut
cependant
s’assurerqu’il
en est de même pour le comportement de la fonction de Green auvoisinage
des
pôles.
En
effet,
la manière dontul,,(k, r)
etk2(k)
tendentrespectivement
versuln(r)
etko 2 lorsque k
tend versko dépend
de a. Pour étudier cettedépendance
on consi-dère
l’équation
différentielle destrajectoires
au voisi-nage d’un état lié ou résonnant.
Ll(k, a)
est la dérivéelogarithmique
deOl(k, r) qui
satisfait
l’équation :
Si on écrit une nouvelle fois cette
équation
pour k + dk on obtient par le calculclassique
du wronskien :Pour la valeur
ko
del’impulsion
ce
qui
permet d’évaluer :On peut donc
préciser
le comportement deau
voisinage
de : k =ko
Cette formule permet d’avoir le comportement de
Gl(r, r’)
auvoisinage
dupôle :
On retrouve
l’approximation
à unpôle
de la fonc-tion de Green dérivé par Minelli et Zardi
[4]
àpartir
de
développement
de la matrice S de J. Humblet.Ce comportement de
l’approximation séparable
estdonc bien
indépendant
du rayon de raccordement a.D’autre part, pour un état lié
ko
estimaginaire
pur,ul,,(r)
décroîtexponentiellement
et on retrouve lebon résidu :
produit
extérieur de l’état lié normalisé par lui-même.Lorsque l’énergie
varie d’une valeurnégative
àune valeur
positive
les valeurs de k2 -k 2(k)
prennent desimportances
relatives différentes comme on peut le voir sur lesfigures
1 et 2. Les états liés s’obtiennent aisément comme intersections destrajectoires
avec lapremière
bissectrice dans la zone oùl’énergie
estnégative.
A leurvoisinage
comme on l’a vu, le compor- tement de la fonction de Green est correct et bienindépendant
de a. Dans la zoned’énergie positive,
ces intersections
correspondent
à lapartie
réelle de k2 -k 2(k)
nulle. On peut seulement dire que s’il y a résonance ce seraprès
de cette intersection.IV. Troncation du
développement
de la fonction de Green. - De nombreux tests derapidité
de conver-gence du
développement séparable
ont été effectués pour lepuits
carré. En effet pour cepotentiel
lafonction de Green exacte, comme le
développement séparable,
peuvent être obtenuslittéralement,
si onconnaît les
énergies
propres. Comme on l’aindiqué précédemment,
cesénergies
s’obtiennent enintégrant l’équation
différentielle destrajectoires jusqu’à l’énergie
désirée. Le raccordement de la fonction d’onde obtenue
avec
Ol(k, r)
pour r = a est testé par lacomparaison
du rapport des dérivés
logarithmiques
à l’unité. Dans tous les cas étudiés laprécision
de ce test a été meil-leure que 10-4. Une fois ces
énergies
propresobtenues
on peut calculer et comparer
GI(r, r’)
etGl(r, r’).
Nous avons
représenté
sur lafigure
3quelques
unsdes résultats pour le
puits
carré décrit au deuxièmeparagraphe
et pour desénergies
telles que(a
est le rayon dupuits)
et pour les ondes 1 = 0 et 1 = 1. Seules des coupes des surfacesG,(r, r’)
etGI(r, r’)
sontreprésentées
sur cettefigure
pourr =
0,2 a 0,4 a 0,6 a 0,8 a
et a. Seule lapartie
descoupes située en avant du
plan
r - r’ a ététracée,
le reste des surfaces pouvant être obtenu par
symétrie.
G1(r, r’)
est en traitplein
et en traitinterrompu
on atracé
GI(r, r’) approximation séparable
à trois termespour les deux
énergies positives
et à deux termespour la valeur
négative.
L’accord est médiocre sur lasection r = r’. En effet
l’approximation
neprésente
pas la discontinuité de la dérivée
qu’a
la vraie fonction de Green. Pour les valeurspositives
del’énergie
onn’a pas
représenté
lacomparaison
des valeurs ima-ginaires
deG,
etG,
car l’accord est bien meilleur. Eneffet,
lapartie imaginaire
deG,
n’a pas de discontinuitécomme
G,
pour r = r’ et d’autre part, les contributionsimaginaires
des rapportsI/(k2 - k 2
décroissentplus
vite que les contrbiutions réelleslorsque kln
s’éloigne
dek2.
_La
comparaison
deG1
etG,
n’a pas étéreprésentée
pour r > a ; en effet la
dépendance
en r est lamême,
c’est-à-dire proportionnelle
à01(k, r),
donc le rapportG, (r
> a,r’)/GL (r
> a,r’)
est le même que pourr = a, c’est-à-dire
qu’il
estreprésenté
par les dernières coupes de lafigure
3. D’une manièregénérale,
il fautprendre
unplus grand
nombre de termes dans ledéveloppement lorsque l’énergie
croît mais dans tousles essais
de k2 a2 - -
20 à 30 quatre termes suffisent.FIG. 3. - Convergence du développement séparable de la
fonction de Green pour le puits carré de rayon unité. Gi(r, r’)
exact est représenté en traits pleins. En traits interrompus on a porté le développement à trois termes pour les énergies positives
et à deux termes pour la valeur négative de l’énergie.
AMPLITUDE DE DIFFUSION, MATRICE S, UNITARITÉ. - Un autre test a été de comparer
l’amplitude
de diffu-sion
Tl
= eUh sinâllk
exacte etapprochée
par unnombre fini de termes du
développement [7]
aveck’ = k. Les résultats sont
portés
sur les tableaux I et IIpour les deux
potentiels déjà
utilisés. On remarque que la convergence n’a lieuqu’à partir
d’un rang ntelle
que 1 k 2 1 > k2
ceciprovient
des dénominateurs de[7]
en k2 -k 2 .
Le nombre de termes nécessaires dans ledéveloppement [6]
de la fonction de Greendépend
del’énergie
extrêmeenvisagée.
La convergencecependant rapide
est essentiellement due au fait quel’amplitude
de diffusion est obtenue comme on peut le voir dansl’expression [7]
àpartir
de la fonction de Greenapprochée
dans larégion r
différent de r’ oùil
n’y
a pas desingularité.
Il est à noter que si la matrice S obtenue par le
développement
infini de la fonction de Green[6]
estidentique
audéveloppement
de P. L.Kapur
et472
R. E.
Peierls,
la matrice S obtenueaprès
troncation dudéveloppement [6]
est différente d’une troncation dudéveloppement
de la matrice S. La différenceentre les deux
expressions
faitapparaître
un termede la forme :
Cependant
ni l’une ni l’autre de cesexpressions
nesont unitaires. On peut
cependant
remarquer que1 S 12 -
1 nedépasse
pas3 %
avec quatre termes.Ceci est sans doute dû à la bonne
représentation
de lapartie imaginaire
de la fonction de Greenqui
a étésignalée précédemment. L’indépendance
de la conver-gence de ce
développement
a été étudiée en fonctiondu rayon de raccordement.
Quelques
résultatspour a = 1,5 R et a = 2 R sont montrés par le tableau III.
TABLEAU 1
Comparaison
desamplitudes
de transition exactes etapproximées
pour lepuits
carré. On aporté
encolonne pour une
énergie
et une onde données lapartie
réelle etimaginaire
dudéveloppement
avec1, 2, 3,
et4 termes et la valeur
théorique
obtenue par résolution directe.TABLEAU II
Comparaison
desamplitudes
de transition exactes etapproximées
pour le
potentiel
de Saxon-Woods.TABLEAU III
Convergence
del’approximation
del’amplitude
de transitionpour
potentiel
deSaxon-Woods,
avec comme rayons de raccordement 1,5 et 2.V. Conclusion. - Notre
approximation
de la fonc-tion de Green est construite à
partir
des états intro- duits par P. L.Kapur
et R. Peierls. Les dérivéesloga- rithmiques
de cesétats, prises
en un certain rayon deraccordement,
sont celles des ondes sortantes ;aussi,
contrairement aux états habituels de
projection,
cesétats
dépendent
del’énergie.
Auprix
de cettelégère complication,
on obtient une basequi
estadaptée
aussi bien à la recherche d’états liés
qu’aux problèmes
de
diffusion ;
eneffet,
la fonction d’onde obtenue a, parconstruction,
le bon comportementasymptctique
et le bon comportement à
l’origine.
Si cetteapproxi-
mation
séparable
de la fonction de Green redonne bien les étatsliés,
elle a le défaut de ne pas être fonda- mentalement unitaire et de ne pas faireapparaître
lesrésonances du moins si on reste sur l’axe réel des
énergies.
Le bon comportement
asymptotique,
la facilité et larapidité
de construction de ces états et la convergence dudéveloppement (2
ou 3termes)
permettent d’envi- sagerl’application
de cetteapproximation
à de nom-breux
problèmes
comme la recherche d’états liés dans unpotentiel
déformé ou pour la résolutiond’équations couplées
avec despotentiels quelconques
pouvant éventuellement avoir un coeur dur.
Ainsi,
pour la résolution deséquations
de Fad-deev
[5],
on peut utiliserl’approche
deNoyes [6]
dans
l’espace
deconfiguration.
Dans les notationshabituelles,
ceséquations
s’écrivent :On peut
projeter tp
1 sur les ondesplanes
de laparticule
1 relativement au centre de masse(2-3)
etsur les états introduits
précédemment ulnl(k23, r23)
de la coordonnée relative
(2-3).
Ces
équations
se réduisent alors à unsystème d’équations intégrales couplées
à une dimension dontles noyaux s’obtiennent par une
intégration
de - 1à 1. D’autre part, à
partir
du comportement asympto-tique
destp
i on peut obtenir aisément toutes lesamplitudes
de réaction.Je remercie le Professeur J. Yoccoz d’avoir
suggéré
cette étude et A. Laverne pour avoir bien voulu relire
ce manuscrit.
Bibliographie [1] KAPUR (P. L.) et PEIERLS (R.), Proc. Roy. Soc., 1938,
A 166, 277.
[2] LEJEUNE (A.) et NAGARAJAN (M.
A.),
Bull. Soc. Roy.Sciences, Liège, 1970, 5-6, 299.
[3] HUMBLET (J.) et ROSENFELD (L.), Nuclear Physics, 1961, 26, 529.
[4] MINELLI (T. A.) et ZARDI (F.), Lettere Nuovo Cimento, 1970, 3, 369.
[5] FADDEEV (L. D.), Zh. Eksper, Teor. Fiz., 1960, 39, 1459.
[6] PIERRE NOYES (H.), Phys. Rev. Letters, 1969, 23, 1201.