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

Like dokumenter
EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

Løsningsforslag Eksamen 4. desember 2007 TFY4250 Atom- og molekylfysikk/fy2045 Kvantefysikk

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

TFY Løsning øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensialer

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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,

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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.

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Lørdag 9. desember 2006 kl

Løsningsforslag Eksamen 9. desember 2006 TFY4250 Atom- og molekylfysikk /FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Torsdag 31. mai 2012 kl

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag Eksamen 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4

A) λ < 434 nm B) λ < 534 nm C) λ < 634 nm D) λ < 734 nm E) λ < 834 nm

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

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

FY1006/TFY Løsning øving 3 1 LØSNING ØVING 3. Ikke-stasjonær bokstilstand

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 6. juni 2007 kl

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 6. august 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsning til øving 17 for FY1004, våren 2008

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

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

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

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

Transkript:

NORSK TEKST Side 1 av 5 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl. 09.00-13.00 Tillatte hjelpemidler: Godkjent kalkulator Rottmann: Matematisk formelsamling Øgrim & Lian: Størrelser og enheter i fysikk og teknikk, eller Lian og Angell: Fysiske størrelser og enheter Et ark med uttrykk og formler er vedlagt. Sensuren faller i august 2007. Oppgave 1 En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt potensial 0 for 0 < x < a, V x = V 0 for a < x < 2a, V 0 0, for x < 0 og for x > 2a. Oppgaven går ut på å undersøke hvordan grunntilstanden ψ 1 x og dennes energi E 1 oppfører seg når V 0 varierer mellom null og uendelig. Lengdeparameteren a tenker vi oss er holdt fast. I beregningene er det praktisk å innføre bølgetallet k via definisjonen Det er også praktisk å skrive E 1 h2 k 2 2m = h2 2ma 2 ka2 h2 2ma 2 E. V 0 h2 2ma V, 2 slik at de dimensjonsløse størrelsene E og V blir mål for henholdsvis energien og V 0. Figuren nedenfor viser et noenlunde nøyaktig diagram over E som funksjon av V.

Side 2 av 5 a. Se først på grensetilfellet V = 0. Finn bølgetallet k, energien E 1 0 og den normerte grunntilstanden ψ 0 1 x i denne grensen, og kontrollér at resultatet for E 1 0 stemmer med diagrammet. Se deretter på grensen V, og finn i denne grensen bølgetallet k, energien E 1 og E. b. Diagrammet indikerer at kurven EV er tilnærmet lineær for små V. For små V kan energien beregnes ved hjelp av tidsuavhengig perturbasjonsteori: E 1 V E 1 0 + ψ 0 1 V ψ 0 1 dx. Her er ψ 0 1 grunntilstanden for V = 0, og perturbasjonen er V = V 0 for a < x < 2a, og null ellers. Bruk dette til å finne et tilnærmet uttrykk for EV for små V. c. For en viss V-verdi V 1 vil grunntilstandsenergien E 1 være lik V 0, slik at E = V= V 1. Finn en omtrentlig verdi for V 1, og dermed også for ka = E = V 1, ved hjelp av diagrammet. Lag en omtrentlig skisse av ψ 1 for dette tilfellet, og forklar prinsippene i skissen. d. Finn en ligning som bestemmer den nøyaktige verdien av ka, og dermed også av E = V 1, for tilfellet E 1 = V 0. Denne ligningen er transcendental, hvilket betyr at den må løses numerisk. Finn nøyaktige verdier av ka og dermed av E = V 1 for tilfellet E 1 = V 0, ved å prøve deg fram med kalkulatoren. Ta utgangspunkt i den omtrentlige verdien av ka funnet ovenfor.

Side 3 av 5 Oppgave 2 Partikler med masse m spres mot en éndimensjonal firkantbarriere med vidde L og høyde V 0. Dette potensialet har for 0 < E < V 0 energiegenfunksjoner på formen e ikx + Be ikx for x < 0, ψx = De κx + F e κx for 0 < x < L, Ce ikx for x > L, der k = 2mE/ h 2, κ = 2mV 0 E/ h 2 og C = e ikl 2kκ 2kκ cosh κl + iκ 2 k 2 sinh κl. a. Forklar hvordan en kommer fram til at sannsynligheten for transmisjon gjennom denne barrieren er T = C 2. Vis at denne transmisjonskoeffisienten for 0 < E < V 0 kan skrives på formen [ T = 1 + V 0 2 sinh 2 ] 1 κl. 4EV 0 E [Hint: cosh 2 y = 1 + sinh 2 y.] b. Anta nå at en partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt potensial som for tiden t < 0 har formen for x > L, V x = 0 for L < x < 0, V 0 for 0 < x < L.

Side 4 av 5 For t < 0 er partikkelen preparert i en av de stasjonære tilstandene for dette potensialet med energi E n < V 0, slik at bølgefunksjonen ved t = 0 har formen A n sin k n x + L for L < x < 0, Ψx, 0 = ψ n x = B n sinh κ n L x for 0 < x < L, 0 ellers. Ved t = 0 fjernes den harde veggen i x = L, slik at V x for x > L brått endres fra til 0 og forblir lik null deretter. Forklar hvorfor funksjonen ψ n x ikke er en energiegenfunskjon for t = 0 + etter endringen av potensialet. [Hint: For x < L er potensialet uendret, og vi har fortsatt Ĥψ n = E n ψ n for L < x < L. I punktet x = L har ψ n en knekk, slik at ψ n har et sprang og ψ n går som en δ-funksjon: ψ nx L = B n κ n δx L.] Finn forventningsverdien E av energien for t > 0. c. I resten av oppgaven antar vi at partikkelen er et elektron med masse m e, mens h 2 L = 5a 0 og V 0 = 5 2m e a 2 0 5 Rydberg 5 13.6 ev. Med disse parametrene kan det vises at to av energiegenverdiene E n nevnt i pkt. b er h 2 E a 0.3320 2m e a 2 0 h 2 og E b 4.9424. 2m e a 2 0 Finn transmisjonskoeffisientene T a og T b for barrieren i pkt. a for disse to energiene. d. Med Ψx, 0 = ψ n x blir tilstanden Ψx, t åpenbart ikke-stasjonær for t > 0: Sannsynligheten vil gradvis lekke ut til området x > L. Halvklassisk kan vi beregne en hastighet v = 2E/m e i området L < x < 0 og en tid t = 2L/v mellom hver kollisjon med barrieren. Hvor lang tid tar det ut fra denne tankegangen før sannsynligheten for å finne elektronet i området x < L er redusert fra 1 til 1/e i for E n = E a, ii for E n = E b? [Hint: For små ɛ er ln1 ɛ ɛ.] Oppgave 3 I denne oppgaven ser vi på et elektronspinn S, plassert i et magnetfelt B = Bê z. Elektronets indre magnetiske moment representeres av operatoren µ = ge 2m e S, g 2.00232. Oppførselen til spinnet bestemmes da av Hamilton-operatoren Ĥ = µ B ωs z, ω geb 2m e.

Side 5 av 5 a. Vis at de to Pauli-spinorene χ + og χ da er energiegentilstander, og finn de to energiene, E + og E, uttrykt ved ω. [Se formelarket.] Finn E + og E i elektronvolt ev når B = 1 Tesla. Det oppgis at µ B e h 2m e 1 Bohr-magneton = 5.788 10 5 ev/tesla. Finn bølgelengden λ til fotonene som er inne i bildet ved overganger mellom de to energiegentilstandene. b. Ved en måling av spinnkomponenten S x ved t = 0 etterlates spinnet i tilstanden χt = 0 + = 1/ 2 1/ 2 Hva er måleresultatet for S x? Den resulterende tilstanden for t > 0 kan skrives som en lineærkombinasjon av de stasjonære tilstandene for dette systemet; χt = c + χ + e ie +t/ h + c χ e ie t/ h. Hva er c + og c? Skriv denne tilstanden på formen χt = at bt og finn spinnretningen σ t som funksjon av tiden. c. Hvor lang tid t 1 tar det minst før σ t peker i samme retning som for t = 0? Hvor lang tid t 2 tar det minst før spinoren χt er identisk med χ0? Er det noen målbar forskjell mellom de fysiske tilstandene til spinnet ved tidene t 1 og t 2? Begrunn svaret. d. Anta at en måling av spinnkomponenten ˆn S i retningen ˆn = 2 1 3 êx + 1 gir 1 måleresultatet ˆn S = 2 h. Finn en normert spinor χ som beskriver tilstanden til spinnet 2êz umiddelbart etter målingen..

Vedlegg: Formler og uttrykk Noe av dette kan du få bruk for. Éndimensjonal boks, V x = 0 for 0 < x < L, uendelig utenfor ψ n x = Tidsutvikling av forventningsverdier Sannsynlighets-strømtetthet Noen formler 2 nπx sin L L. d dt F = ī [ Ĥ, h ˆF ] + t ˆF. [ jr, t = Re Ψ r, t h ] Ψr, t. im sin a = e ia e ia /2i, cos a = e ia + e ia /2; tan y = 1 cot y = tany + nπ, n = 0, ±1, ; sinh y = 1 2 ey e y ; cosh y = 1 2 ey + e y ; tanh y = 1 coth y = sinh y cosh y ; cosh 2 y sinh 2 y = 1; δ-funksjonen og sprangfunksjonen d d sinh y = cosh y; dy sinh y = y + Oy 3. cosh y = sinh y; dy d Θx = δx; dx fxδx adx = fa. Noen fysiske konstanter a 0 4πɛ 0 h 2 m e e 2 = 1 α h m e c = 0.529 10 10 m; α e2 4πɛ 0 hc = 1 137.036 ; c = 2.998 10 8 m/s; h = 0.6582 10 15 evs; m e = 0.5110 MeV/c 2. h 2 13.6 ev. 2m e a 2 0

Spinn 1 2 For en partikkel med spinn 1 2 kan en bruke spinnoperatoren S = 1 2 hσ = 1 2 hê xσ x + ê y σ y + ê z σ z, der σ x = 0 1 1 0, σ y = 0 i i 0 er de såkalte Pauli-matrisene. Pauli-spinorene χ + =, σ z = 1 0 1 0 0 1 og χ = 0 1 er da a egentilstander til S z = 1 2 hσ z med egenverdiene ± 1 2 h. En normert spinntilstand χ = b kan karakteriseres ved spinnretningen, σ = χ σχ = ê x Re2a b + ê y Im2a b + ê z a 2 b 2. Matrisene S x = 1 2 hσ x osv oppfyller dreieimpulsalgebraen, [S x, S y ] = i hs z, [S y, S z ] = i hs x, [S z, S x ] = i hs y. Videre er S 2 x = S 2 y = S 2 z = h2 4 1 0 0 1 og S 2 = 3 h2 4 1 0 0 1.