UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
ψ(x) 2 dx = 1. (3) For det siste integralet har vi brukt fra Rottmann at

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1. NORSK TEKST Side 1 av 4. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fredag 19. august 2005 kl

NORSK TEKST Side 1 av 5

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl

(θ,φ) er de sfæriske harmoniske. Disse løsningene har energiene 1. = nm, (4) x = rsinθcosφ, (6) y = rsinθsinφ, (7) z = rcosθ, (8) 1 r 2 sinθ

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Oppgave 1 (Teller 34 %) BOKMÅL Side 1 av 5. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Torsdag 12. august 2004 kl

En samling av mer eller mindre relevante formler (uten nærmere forklaring) er gitt til slutt i oppgavesettet.

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 23. mai 2005 kl

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: K. Rottmann: Matematisk Formelsamling Lommekalkulator med tomt minne

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

Figur 1: Skisse av Franck-Hertz eksperimentet. Hentet fra Wikimedia Commons.

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2000 Kvantemekanikk Dato: 5. juni 2013 Tid: Kl Sted: Åsgårdveien 9. og fysikk, lommekalkulator

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK onsdag 5. august 2009 kl

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 2. august 2003 kl

En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt, asymmetrisk brønnpotensial

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Konte-eksamen 2. august 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Onsdag 11. august 2010 kl

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk, - Ekstraøving 2 1. Ekstraøving 2. = 1 2 (3n2 l 2 l), = 1 n 2, 1 n 3 (l ), 1 n 3 l(l + 1.

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Lørdag 13. august 2011 kl

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 1. desember 2009 kl

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

EKSAMEN I FY2045/TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 2011 kl

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 29. mai 2010 kl

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

TFY Øving 8 1 ØVING 8

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Torsdag 20. desember 2012 kl

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 11. Sindre Rannem Bilden og Gruppe 4

TFY Øving 7 1 ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

BOKMÅL Side 1 av 6. En partikkel med masse m beveger seg i det endimensjonale brønnpotensialet V 1 = h 2 /(2ma 2 0) for x < 0,

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 26. mai 2006 kl

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Tirsdag 10. august 2010 kl

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

Eksamen i: FYS145 - Kvantefysikk og relativitetsteori Eksamensdag: Mandag 10. mai 2004, kl (3 timer)

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

FYS2140 Kvantefysikk, Hjemmeeksamen V Leveringsfrist fredag 20. mars kl.14:45 (før ekspedisjonen stenger!!!)

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

FY1006/TFY Øving 3 1 ØVING 3. Gjør unna så mye du kan av dette før veiledningstimene, slik at disse kan brukes på utfordringene i denne øvingen.

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

Løsningsforslag Konte-eksamen 13. august 2002 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

TFY Løsning øving 7 1 LØSNING ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 10. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 16. august 2008 kl

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

UNIVERSITETET I OSLO

FY1006/TFY Løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8. a. (a1): Ved kontroll av egenverdiene kan vi se bort fra normeringsfaktorene.

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningsegenskaper for endimensjonale energiegenfunksjoner

Kursopplegg for TFY4250 og FY2045

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 1 av 8

Kursopplegg for TFY4250 og FY2045

TFY4215_S2018_Forside

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

TFY Løsning øving 6 1 LØSNING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenlignende atom

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Oppgave 1 (Deloppgavene a, b, c og d teller henholdsvis 6%, 6%, 9% og 9%) NORSK TEKST Side 1 av 7

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Side Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: FYS40 Kvantefysikk Eksamensdag: 6. august 03 Tid for eksamen: 4.30 (4 timer) Oppgavesettet er på 5 (fem) sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Rottman: "Matematisk formelsamling" Øgrim og Lian: "Fysiske størrelser og enheter" Angell og Lian: "Fysiske størrelser og enheter" Godkjent kalkulator Ett A4 ark med egne notater (begge sider av arket) Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene.

Det er mulig å oppnå i alt 80 poeng på denne eksamen. Oppgave 3 er inspirert av en tidligere eksamensoppgaver gitt ved NTNU, laget av Ingjald Øverbø og Jon Andreas Støvneng. Oppgave En-dimensjonal harmonisk oscillator i elektrisk felt En partikkel med masse m og ladning q befinner seg i et harmonisk oscillator (HO) potensial V HO (x) = m! x. () Vi kjenner løsningene av den tidsuavhengige Schrödingerligningen for dette potensialet, f.eks. er grunntilstanden og den første eksiterte tilstanden gitt ved 0(x) =A 0 e x og (x) =A xe x, () hvor = m!/ h, oghvora 0 og A er to normeringskonstanter. a) Finn A 0 og A ved hjelp av normeringsbetingelsen. [5 poeng] Vi vil nå skru på et elektrisk felt E i x-retningen som forårsaker et elektrisk potensial V E (x) =qex i tillegg til HO-potensialet. b) Vis at E 0 (x) =A 0 e (x+ ) (3) er en løsning av den nye tidsuavhengige Schrödingerligningen for potensialet V (x) =V HO (x)+v E (x) = m! x + qex, (4) og finn. [7 poeng] c) Hva er enheten til 0 E (x)? [ poeng] d) Finn energien E0 E til tilstanden 0 E (x). [4 poeng] e) Hva er forventningsverdien til posisjonen hxi for 0 E (x)? [4 poeng] Vi preparerer så partikkelen i en begynnelsestilstand (x, 0) = uten å skru på det elektriske feltet. r 4 5 A 0( + p x)e x, (5) f) Hva er sannsynligheten for å måle en energi for partikkelen som tilsvarer den første eksiterte tilstanden for den harmoniske oscillatoren, 3 E = h!? [4 poeng]

g) La oss ta to typer spinn fermioner som er identiske, bortsett fra at de har motsatt ladning, f.eks. elektroner og positroner. Hvor mange slike partikler er det plass til i hvert energinivå uten at det elektriske feltet er skrudd på? Ignorer Coulomb-vekselvirkningen mellom partiklene, men ta hensyn til spinn. Hva skjer når du skrur på feltet? Tenk da også kvalitativt på Coulomb-vekselvirkningen. [4 poeng] Oppgave Operatorer i kvantemekanikk a) Gitt følgende operator for en observabel: ˆf aˆp + bˆx, (6) hvor a og b er to reelle konstanter, og ˆp og ˆx er operatorene til bevegelsesmengde og posisjon i en dimensjon. Hva må forholdet være mellom enhetene til a og b, og mellom enheten til a og enheten for egenverdiene til ˆf? Uttrykk svarene ved hjelp av enheten til Plancks konstant. [4 poeng] b) Vis at egenfunksjonene f til ˆf er gitt ved apple f (x) =C exp i b h a x f a x, (7) hvor C er en vilkårlig konstant, og finn egenverdiene f. Hint: Differensialligningen du får er separabel. [6 poeng] c) Vis at egenfunksjonene er ortogonale og normaliser de. Hint: I fysikken tillater vi oss å skrive -funksjonen som [6 poeng] (x) = Z e ix dk. (8) d) Ortonormalitetskriteriet for egenfunksjoner p med et kontinuerlig spektra med egenverdier p er gitt ved en -funksjon: Z p(x) p 0(x) dx = (p p 0 ), (9) hvor -funksjonen må tolkes som å være en identitet på følgende måte: Z (x) dx =. (0) Finn enheten til -funksjonen for et vilkårlig argument. [4 poeng] 3

Oppgave 3 Tre-dimensjonal harmonisk oscillator Denne oppgaven dreier seg om energiegenfunksjonene til en partikkel med masse m som befinner seg i et tre-dimensjonalt (isotropt) harmonisk oscillator potensial, V = m! (x + y + z )= m! r. () Man kan vise via separasjon av variable (se vårens eksamen) at et mulig sett av egenfunksjoner for denne partikkelen er produkttilstander av typen n xn yn z nx (x) ny (y) nz (z), () som vi i det følgende vil skrive nxn yn z (n x n y n z ) for å unngå forveksling. Hver av faktorene i produktet, f.eks. nx (x), oppfyller den en-dimensjonale harmonisk oscillator ligningen " h m + # m! x n x (x) = h! n x + n x (x), (3) hvor n x =0,,,... Produkttilstanden () er en egentilstand til Hamiltonoperatoren Ĥ for den tre-dimensjonale oscillatoren, med egenverdiene E nxnyn z = h! n x + n y + n z + 3 = h! n + 3 E n, (4) hvor n = n x + n y + n z =0,,,... Et alternativ til egenfunksjonssettet ovenfor, når vi har et kulesymmetrisk potensial som her, er de simultane egenfunksjonene n rlm R lnr (r)yl m (, ) u ln r (r) Yl m (, ), (5) r til angulærmomentumoperatorene ˆL og ˆL z og Hamilton-operatoren Ĥ, i sfæriske koordinater. Yl m (, ) er de sfæriske harmoniske. Her kan man vise at u(r) må være lik null i origo og oppfylle radialligningen " h d # m dr + V (r)+ h l(l + ) mr u lnr = Eu lnr. (6) Vi karakteriserer radialfunksjonene ved l og radialkvantetallet n r, som viser seg å være antall nullpunkter for funksjonen u lnr = rr lnr for 0 <r<. a) Vis at grunntilstanden nx=0,n y=0,n z=0 = (000) også er en tilstand av typen nrlm, og bestem angulærmomentkvantetallene l og m samt radialkvantetallet n r for denne tilstanden. [5 poeng] b) Vis at også egenfunksjonen (00) kan skrives på formen ovenfor, og bestem l, m, ogn r for denne tilstanden. [5 poeng] 4

c) Vis at tilstandene (00) og (00) har samme l kvantetall som tilstanden (00), og at de er lineærkombinasjoner av to tilstander av typen n rlm. Inverter disse lineærkombinasjonene slik at du kan skrive de to tilstandene nrlm ved hjelp av (00) og (00). Hint: Se på de to lineærkombinasjonene p [(00) ± i(00)]. [0 poeng] d) Finn degenerasjonsgraden for tilstander av typen nxn yn z (n x n y n z ) med n =. [ poeng] e) Også disse tilstandene kan lineærkombineres til tilstander av typen n rlm. En slik lineærkombinasjon er p [(0) i(0)]. (7) Finn l ogm verdiene, og bestem også radialkvantetallet n r, for denne tilstanden. [5 poeng] f) Hvor mange uavhengige lineærkombinasjoner har vi for n =tilstandene som gir l =? Kommenter svaret i forhold til svaret på oppgave d) over. [3 poeng] 5