Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Like dokumenter
Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg prøveeksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk

Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

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

Løysingsframlegg øving 1

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

Eksamen TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

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

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

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

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

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

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

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 2 1 LØYSING ØVING 2. a) For grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren har vi

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

FY1006/TFY Øving 12 1 ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l = 0, 1, ; m = l,, l.

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk 26. mai 2016 Side 1 av 3

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

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

(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 SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 2. august 2003 kl

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,

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

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

LØSNING ØVING 2. Løsning oppgave 5. TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 2 1

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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.

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Løysingsframlegg/skisse Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem 24. mai 2011

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

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

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

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

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

FY1006/TFY Løysing øving 4 1 LØYSING ØVING 4. Vibrerande to-partikkelsystem. = k(x l) og F 2 = V = V. k (x l) dvs ω 1 =,

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

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

Atomstruktur. Ein diskusjon av hovudpunkta frå YF 41.3, 41.5, 41.6.

9 Kulesymmetrisk boks. Sylindersymmetriske

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Eksamen TFY45/FY006 Innføring i kvantemekanikk Vår 03 Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: 735933 Onsdag. mai 03 kl. 5.00-9.00 Tillatne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator Rottmann: Matematisk Formelsamling Rottmann: Matematische Formelsammlung Barnett & Cronin: Mathematical Formulae Angell og Lian: Fysiske størrelser og enheter: navn og symboler Oppgåvesettet er på fem sider. Les oppgåvene nøye. Spør dersom noko er uklart. Lykke til. Oppgåve I denne oppgåva skal vi studere ein partikkel med masse µ som bevegar seg i eit rotasjonssymmetrisk potensial V(r) = V(r) i to dimensjonar. a) Vis at den tidsuavhengige Schrödingerlikninga i polarkoordinatar (r, φ) kan skrivast som [ h ( d µ dr + ) ] d rdr L z h +V(r) ψ(r,φ) = Eψ(r,φ). () r

Forklar kvifor [Ĥ, ˆL z ] = 0. Dei simultane eigenfunksjonane for Ĥ og L z kan skrivast på forma ψ(r,φ) = R(r)e imφ. Finn dei moglege verdiane for m. b) Vis at radiallikninga for R(r) kan skrivast som [ h ( d µ dr + )] d rdr m R(r)+V(r)R(r) = ER(r). () r c) I resten av oppgåva er V(r) = µω r, det vil seie vi studerer ein isotrop todimensjonal oscillator. Vi skriv nå bølgjefunksjonen som R(r) = u(x) der x = r µω er ein dimensjonslaus variabel. I tillegg skriv vi u(x) = h P(x)e x. Radiallikninga for P(x) kan da skrivast som [ P (x)+ ( ) ( ) ] x x P (x)+ ǫ m P(x) x = 0, (3) der ǫ = E/( hω). Dette treng du ikkje vise. Bruk likning (3) til å finne spektret (energinivåa) til den isotrope todimensjonal oscillatoren. d) Det finst ei løysing der P(x) er konstant. Vis at dette gjev m = 0 og ǫ =. Den neste bølgjefunksjonen er P(x) x. Finn ǫ og dei moglege verdiane for m i dette tilfellet. e) Bølgjefunksjonane som svarer til P(x) = konstant og P(x) x kan skrivast som ψ 0 (r,φ) = Ae µωr / h, ψ m (r,φ) = Bre µωr / h e imφ, (4) der A og B er normeringskonstantar. Forklarkviforψ 0 (r,φ)ergrunntilstandenfordentodimensjonaleoscillatoren. Vis at r = h µω i grunntilstanden ψ 0 (r,φ). Bruk dette til å finne middelverdiane E p = V(r) og E k = h µ i grunntilstanden ψ 0 (r,φ). Kommenter resultatet. Finn den klassiske venderadien r vende i tilstanden ψ m (r,φ). (5) Oppgåve I dei fleste tilfella i kvantemekanikk kan ein ikkje løyse Schrödingerlikniknga eksakt. Ein kan da løyse problemet numerisk. Eit alternativ er å bruke variasjonsmetoden. Ein gjettar på ei rimeleg form på bølgjefunksjonen ψ. Denne

bølgjefunksjonen ψ kallar ein da ein prøvebølgjefunksjon. ψ inneheld ein eller fleire parametre som ein kan variere. Ideen er å minimalisere energien til ψ som funksjon av desse parametrane. Ein kan da vise at energien E min som ein får med denne prosedyra alltid er høgare enn den verkelege grunntilstandsenergien til systemet. Egil Hylleraas (898-965) var ein norsk fysikar som i tida rett før 930 brukte variasjonsmetoden til å rekne ut E min for Helium. Han brukte svært mange parametre i prøvebølgjefunksjonen sin, men han hadde ikkje PC og matlab tilgjengeleg. Han fekk eit resultat som berre var eit par prosent høgare enn den eksperimentelle verdien for grunntilstanden i Helium. Hylleraas var ein framifrå fysikar som gav store bidrag til å forstå to-elektron atom. Vi skal gå i Hylleraas fotefar og bruke variasjonsmetoden på eit enkelt problem. Potensialet vi skal studere er på forma V(x) =, x < 0 Fx, x 0, (6) der F > 0 er ein konstant. Sjå figur. V V x V x Fx x Figure : Potensialet V(x) i oppgåve. Prøvebølgjefunksjonen vi skal bruke er ψ(x) = 0, x < 0 Axe αx, x 0, (7) der A er ein normeringskonstant og α > 0 er ein variasjonsparameter. 3

a) Forklar at ψ(x) beskriv ein bunden tilstand i potensialet V(x). Vis at den normerte bølgjefunksjonen er ψ(x) = α 3 xe αx. (8) b) Vis at middelverdien til den potensielle energien er c) Vis at middelverdien til den kinetiske energien er V(x) = 3F α. (9) E k = h m α. (0) d) Bruk resultata i a) c) til å finne den verdien av α som minimaliserer energien i tilstanden ψ og finn E min. Samanlikn svaret med ( h Emin eksakt =.338 m ) 3 F 3, () som er den numerisk eksakte verdien for grunntilstandsenergien for potensialet i likning (6). Oppgåve 3 I denne oppgåva er det fire delspørsmål du kan svare på uavhengig av kvarandre. a)laĥ verehamiltonoperatorenforeinpartikkelmedmassemsombevegar seg i tre dimensjonar der potensialet V(r) = V(r) er kulesymmetrisk. Ĥ er da på forma [ Ĥ = h m r + ] + ˆL +V(r), () r r mr der ˆL er dreieimpulsoperatoren. Finn kommutatoren [Ĥ,r]. b) Bølgjefunksjonen for grunntilstanden i hydrogen er ψ 00 (r,φ,θ) = e r/a 0, (3) πa 3 0 der a 0 er Bohrradien. Finn bølgjefunksjonen i impulsrommet, Φ(p), der p = p. Kva er tolkninga av Φ(p)? 4

Hint: Koordinatsystemet i posisjonsrommet (x, y, z) kan veljast slik at p peiker i z-retning. Skriv ut p r i dette koordinatsystemet og bruk at z = rcosθ og bruk kulekoordinatar (r,φ,θ). c) Forklar forskjellen mellom klassisk mekanikk og kvantemekanikk. Du treng ikkje skrive ei lærebok, men nemne eit par viktige skilnader. d) Figur viser eit potensialsprang der potensialet er gjeve ved V(x) = 0, x < 0 V 0, x 0, (4) der V 0 > 0 er ein konstant. V x E V 0 V 0 E V 0 x Figure : Potensialet V(x) i oppgåve 3d. Vi sender ein partikkel med masse m og energi E inn frå venstre mot potensialspranget. I det eine tilfellet er E > V 0 og i det andre tilfellet er E < V 0. Kva skjer med partikkelen i dei to tilfella viss vi bruker klassisk fysikk? Og viss vi bruker kvantemekanikk? 5