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Examen

Solution Manual for Introduction to Quantum Mechanics 3rd Edition by Griffiths & Schroeter – Complete Solved Problems

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-
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1
Páginas
11
Subido en
15-09-2025
Escrito en
2025/2026

Access the complete Solution Manual for Introduction to Quantum Mechanics, 3rd Edition by David J. Griffiths and Darrell F. Schroeter — the trusted companion for students of theoretical and applied quantum physics. This manual provides step-by-step, fully worked solutions to all textbook problems, covering key topics such as wave functions, the Schrödinger equation, quantum operators, angular momentum, spin, perturbation theory, and the hydrogen atom. Ideal for physics majors, graduate students, and anyone preparing for exams in modern or quantum mechanics.

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Mechanics
Grado
Mechanics

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Introduction to Quantum Mechanics, 3rd ed, by
Griffiths, Schroeter. Chapter 1-12




SOLUTION MANUAL

,2




Contents

1 The Wave Function 4

2 The Time-Independent Schrödinger Equation 16

3 Formalism 78

4 Quantum Mechanics in Three Dimensions 109

5 Identical Particles 168

6 Symmetries and Conservation Laws 197

7 Time-Independent Perturbation Theory 235

8 The Variational Principle 301

9 The WKB Approximation 333

10 Scattering 354

11 Quantum Dynamics 372

12 Afterword 420

A Linear Algebra 427

,4 CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION




Chapter 1

The Wave Function

Problem 1.1
(a)

h ji2 = 212 = 441.

1 X 1
h j2 i = j2 N ( j) = (142) + (15 2) + 3(162) + 2(222) + 2(242) + 5(252)
N 14
1 6434
= (196 + 225 + 768 + 968 + 1152 + 3125) = 459.571.
= 14
14

j ∆j = j − hji
14 14 − 21 = −7
15 15 − 21 = −6
(b) 16 16 − 21 = −5
22 22 − 21 = 1
24 24 − 21 = 3
25 25 − 21 = 4

1 X 1
σ2 = (∆j)2 N ( j) = (−7)2 + (−6)2 + (−5)2 · 3 + (1)2 · 2 + (3)2 · 2 + (4)2 · 5
N 14
1 260
= (49 + 36 + 75 + 2 + 18 + 80) = = 18.571.
14 14

σ = 18.571 = 4.309.

(c
)
h j2i − hji2 = 459.571 − 441 = 18.571. [Agrees with (b).]

,CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION 5


Problem 1.2
(a) 1 2
dx = √ x5/2 h 2
2 Z h
= h .
hx i = x2 √1
0 2 2 h 5
0
hx
5

h 2 2h
= 4 h2 ⇒ σ =
2
σ 2 = hx2i − hxi2 = − h √ = 0. 2981h.
5 3 45 3 5

(b
) Z x+ 1 1 √ x+ 1 √
P =1− √ dx = 1 − √ (2 x) =1−√ √ − x− .
2 hx x+
x− 2 h x− h

x+ ≡ hxi + σ = 0.3333h + 0.2981h = 0.6315h; x− ≡ hxi − σ = 0.3333h − 0.2981h = 0.0352h.

√ √
P =1− 0.6315 0.0352 = 0.393.
+



Problem 1.3
(a)
Z ∞ 2
1 = Ae−λ(x −a) dx. Let u ≡ x − a, du = dx, u : −∞ → ∞.
−∞
Z∞ r r
2 π λ
1= e−λu du = A
λ ⇒ A= .
A −∞ π
(b
)
2
Z ∞ Z ∞
− λ ( x− a )
hx i = A xe dx = A (u + a)e−λu du
2


−∞ −∞
Z ∞ Z ∞ r
ue−λu du + a e−λu du = A π = a.
2 2
=A 0+a
−∞ −∞ λ
Z ∞
h x2 i = A x2e−λ (x −a) dx
2


−∞
Z ∞ Z ∞ Z ∞
=A u2e−λu du + 2a
2
ue−λu du + a2
2
e−λu 2du
−∞ −∞ −∞
2 1
=A + 0 + a2 = a + .
2λ λ λ 2λ
1 1 1
σ 2 = hx2i − hxi2 = a2 + − a2 = ; σ= .

2λ 2λ 2λ

,6 CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION

(c
x)
)
A




a x




Problem 1.4
(a)
2Z a b
( a b
)
2 |A| 2 Z 1 x3 3
|A| x dx + (b 2
x) dx = A 2 + (b − x)
1= 2 1
− −
a2 (b − a) a | | 3 (b − a)2 3
0 a2 0 a

b−a b r
a+ 3
= |A|2 = |A|2
3 3 3 ⇒ A= b
.


(b)

A




a b x


(c) At x = a.

(d)
Z a 2 Z a P =1 if b = a, X
2 |A| 2 2a a
P = |Ψ| dx = x dx = |A| = .
0 a2 0 3 b P = 1/2 if b = 2a. X

(e
)
Z Z 1 Z b
hx i = 1 a x3 dx +
2
x|Ψ| dx = |A| 2 x(b − x)2dx
( a2 0 (b − a)2 a
)
=3 1 x2
a x3 x4 b
1
b2 — 2b
x4
+ (b − a)2 2 3 + 4
b a2 4 0 a
3
= a2 (b − a)2 + 2b4 − 8 b4 /3 + b4 − 2a2 b2 + 8a3 b/3 − a4
4b(b − a)2
3 b4 2 3 1 2a + b
= − a2b2 + ab = (b3 − 3a2b + 2a3) = .
4b(b − a)2 3 3 4(b − a)2 4

,CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION 7


Problem 1.5
(a)
Z Z ∞ e−2 λx
∞ 2
−2 λx √
e dx = 2|A| 2 |A| A = λ.
= λ ;
2 2
1 = |Ψ| dx = 2|A|
0 2λ
− 0

(b)
Z Z ∞
hx i = xe−2λ|x |dx = [Odd integrand.]
x|Ψ|2dx = |A|2 0.
−∞

Z ∞ (2λ)3 1
2
hx i = 2|A| 2 x2e−2λx dx = 2λ =2 .
0 2λ2

(c
) √
1 1 √

2
= 0.2431λ.
2 2
σ = hx i − hxi = 2
. |Ψ(±σ )| = |A| e2 2 −2 λσ
= λe −2 λ/ = λe−
2λ2 ; σ= √







.24

x
 
Probability outside:

Z ∞ Z ∞ e−2 λx √
2
e−2λx dx = 2λ e− = 0.2431.
2 |Ψ|2dx = 2|A|2 −2λ =e −2 λσ
=
o σ
σ




Problem 1.6
For integration by parts, the differentiation has to be with respect to the integration variable – in this case the
differentiation is with respect to t, but the integration variable is x. It’s true that
∂ ∂x ∂ ∂
(x Ψ 2 ) = Ψ 2+x Ψ2=x Ψ 2,
∂t | | ∂t | | ∂t | | ∂t |
|

but this does not allow us to perform the integration:

Zbx Z b ∂
∂ |Ψ|2dx = (x|Ψ|2)dx 6= (x|Ψ|2) b.
a ∂t a ∂t a

,8 CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION

Problem 1.7
dhpi R ∂
From Eq. 1.33, = −i~ Ψ∗ ∂Ψ dx. But, noting that ∂ Ψ 2
= ∂ 2Ψ and using Eqs. 1.23-1.24:
dt ∂t ∂x ∂x∂t ∂t∂ x

∂ ∂Ψ ∂Ψ∗ ∂ Ψ ∂ ∂Ψ i~ ∂ 2 Ψ ∗ i ∂Ψ ∂ i~ ∂ 2 Ψ i
Ψ∗ = + Ψ∗ = − + V Ψ∗ + Ψ∗ − VΨ
∂t ∂x ∂t ∂x ∂x ∂t 2m ∂x2 ~ ∂x ∂x 2m ∂x2 ~
i~ ∗ ∂ 3 Ψ ∂2 Ψ ∗ ∂ Ψ i ∂Ψ ∂
= Ψ − + V Ψ∗ − Ψ∗ (V Ψ)
2m ∂x3 ∂x2 ∂x ~ ∂x ∂x

The∗∂first term integrates
∗ ∂Ψ ∗ ∂V
to zero, using
2 ∂V
integration by parts twice, and the second term can be simplified to
VΨ Ψ
∂x − Ψ V ∂x − Ψ ∂x Ψ = −|Ψ| ∂x . So
Z ∂V ∂V
dhpi i −|Ψ|2 dx = h− i. QED
= −i~
dt ~ ∂x ∂x



Problem 1.8 ∂2 Ψ
+ V Ψ. We want to find the solution
Suppose Ψ satisfies the Schrödinger equation without V0 : i~ ∂Ψ = − ~2
2 ∂t 2 m ∂x 2
Ψ0 with V0: i~ ∂Ψ0 = − ~2 ∂ Ψ0 + (V + V )Ψ .
∂t 2 m ∂x2 0 0
Claim: Ψ0 = Ψe−iV0t/~ . h i
Proof: i~ ∂Ψ0 = i~ ∂Ψ e−iV0 t/~ + i~Ψ − iV0 e−iV0 t/~ = − ~ ∂ Ψ
2
+2 V Ψ e−iV0 t/~ + V Ψe−iV0 t/~
∂t ∂t2 ~ 2 m ∂x2 0
~ ∂ 2Ψ0
= − 2m ∂x2 + (V + V 0 )Ψ0 . QED
This has no effect on the expectation value of a dynamical variable, since the extra phase factor, being inde-
pendent of x, cancels out in Eq. 1.36.



Problem 1.9
(a)
Z r r

2 1 π π~
1 = 2|A|2 e−2amx /~dx = 2|A|2 = |A|2 ;
A= 2am 1/4
.
0 2 (2am/~) 2am π~


(b
)
∂Ψ ∂Ψ 2amx ∂2 Ψ 2am ∂Ψ 2am 2amx2
Ψ+x
= −ia Ψ; =− Ψ; ∂x = −
2
∂x =− 1− Ψ.
∂t ∂x ~ ~ ~ ~
Plug these into the Schrödinger equation, i~ ∂Ψ = − ~ 2 ∂ 2Ψ
+ V Ψ:
∂t 2 m ∂x 2

~2 2am 2amx2
V Ψ = i~(−ia)Ψ + − 1− Ψ
2m ~ ~
2amx2
= ~a − ~a Ψ = 2a2mx2Ψ, so V (x) = 2ma 2x 2.
1−
~

,CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION 9


(c)
Z ∞
hx i = 0. [Odd integrand.]
x|Ψ|2dx =
−∞
r
Z ∞
2
π~ ~
1
2
hx i = 2|A| 2
x e
2 −2amx /~ 2
dx = 2|A| 22(2am/~) = 4am .
0 2am
dhxi
0.
hpi = m =
dt
Z 2 Z
~ ∂
2
2 2 ∂Ψ
hp i = Ψ ∗ Ψdx = −~ Ψ∗ dx
i ∂x ∂x2
Z Z Z
2 2am 2amx2 2am
= −~ Ψ∗ − Ψ dx = 2am~ 2
|Ψ| dx − x2|Ψ|2dx
~ 1− ~
~
2am 2am ~
2
= 2am~ = 2am~ = 2am~
1− hx i 1− 4am 1 = am~.
~ ~ 2

(d)

~ r
2 2 2 ~ √
σ = hx i − hxi ⇒ x
2 2
σp = hp i − hpi
2
= am~ =⇒ σp = am~.
x
= = σ = 4am ;
4am
q
~

σx σ p = 4am
am~ = ~2 . This is (just barely) consistent with the uncertainty principle.




Problem 1.10
From Math Tables: π = 3.141592653589793238462643 · · ·
P (0) = 0 P (1) = 2/25 P (2) = 3/25 P (3) = 5/25 P (4) = 3/25
(a)
P (5) = 3/25 P (6) = 3/25 P (7) = 1/25 P (8) = 2/25 P (9) = 3/25
N (j)
In general, P (j) = N
.

(b) Most probable: 3. Median: 13 are ≤ 4, 12 are ≥ 5, so median is 4.
Average: hji = 125[0 · 0 + 1 · 2 + 2 · 3 + 3 · 5 + 4 · 3 + 5 · 3 + 6 · 3 + 7 · 1 + 8 · 2 + 9 · 3]
118
1 [0 + 2 + 6 + 15 + 12 + 15 + 18 + 7 + 16 + 27] = 4.72.
= 25 25
=
1
(c) h j2i = [0
25
+ 12 · 2 + 22 · 3 + 32 · 5 + 42 · 3 + 52 · 3 + 62 · 3 + 72 · 1 + 82 · 2 + 92 · 3]
710
1 [0 + 2 + 12 + 45 + 48 + 75 + 108 + 49 + 128 + 243] = = 28.4.
= 25 25

σ 2 = h j2i − hji2 = 28.4 − 4.722 = 28.4 − 22.2784 = 6.1216; σ = 6.1216 = 2.474.

,10 CHAPTER 1. THE WAVE FUNCTION

Problem
1.11
(a) 1 r
mv2 + V = E 2
2 → v(x) = (E − V (x)) .
m
(b r
Z Z b
) b 1 dx = m 1
p dx.
T= a
q
E − 12kx2 k a (2E/k) — x2
m2
p
r vZ=b 0 ⇒ E = V = 1 kb
Turning points: 2
2 r⇒ b = 2E/k ; ba = −
r b.
m 1 m x m
T=2 √ dx = 2 sin−1 =2 sin−1(1)
k 0 b2 − x2 k b 0 k
r r
=2 m π = π m.
k 2 k
1 1
ρ(x ) = q = √ . x)
pm 2
E−1 π b2 − x2
π
2 kx
21
k Zb
m
Z b 2 1
ρ(x) dx = √ dx = 2 π = 1. X
a π 0 b2 − x2 π 2


-b b x

(c hxi = 0.
)
1 Z x Z b
h x2i =
b

2 2 x2
dx = √ dx
π −b b2 − x2 π 0 b2 − x2
b2 x b b2 b2 π b2
2 x b2 − x2 +
p E
sin−1 = sin−1(1) = = = .
= − b π π2
π 2 2 0 2 k
p p
σx = x 2 i − hxi2 = h x2 i = √ =b r
h E.
2 k

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