FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8

Like dokumenter
FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 2 1 LØSNING ØVING 2

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

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

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

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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)

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.

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

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 10 1 LØSNING ØVING 10

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 2 1 ØVING 2. nesten en posisjonsegentilstand

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

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

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.

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

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

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

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

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Torsdag 8. desember 2011

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

TFY Øving 8 1 ØVING 8

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Løysingsframlegg øving 1

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 12 1 LØSNING ØVING 12. Spinnpresonans. 2 hσ blir resultatet. 0 e

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

Løsning til øving 17 for FY1004, våren 2008

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

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

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

11 Harmonisk oscillator og dreieimpuls vha operatoralgebra

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

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

2. Postulatene og et enkelt eksempel

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

Pensum og kursopplegg for FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

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 =,

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 10 1 ØVING 10

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

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

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

LØSNING EKSTRAØVING 2

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

3. Noen endimensjonale potensialer

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 31. mai 2012 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

Transkript:

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 Løsning oppgave 8 1 LØSNING ØVING 8 Koherente tilstander for harmonisk oscillator a. Utviklingen (3) er en superposisjon av stasjonære tilstander for oscillatoren, og er derfor en løsning av Schrödingerligningen. Alle løsninger av Schrödingerligningen for oscillatoren kan skrives på denne formen, fordi de stasjonære løsningene danner et fullstendig sett (en basis). Merk ellers at ψ n (q) q n, og at Ψ(q, 0) q Ψ(0). Projeksjonen c n av begynnelsestilstanden ned på energiegentilstanden n er sannsynlighetsamplituden for å måle energien E n ω(n + 1 ). b. Operatoren a p.r. anvendt på begynnelsestilstanden gir a p.r. Ψ(q, 0) mω q + C 0 e mω(q q 0) / mω q ( mω q + mω ) mω (q q 0) C 0 e mω(q q 0) / mω q 0 Ψ(q, 0) α 0 Ψ(q, 0). Begynnelsestilstanden Ψ(q, 0) q Ψ(0) er altså ganske riktig en egenfunksjon til a p.r. med egenverdien mω α 0 q q 0 0 /mω. [Som vi skal se, er usikkerheten i begynnelsestilstanden, og i grunntilstanden, ( q) 0 /(mω). Dette er en naturlig lengde-enhet for oscillatoren, og vi merker oss at den dimensjonsløse egenverdien α 0 er forholdet mellom q 0 og ( q) 0.] Den tilsvarende abstrakte relasjonen (4) utleder vi slik: a Ψ(0) dq q q a Ψ(0) dq q a p.r. q Ψ(0) dq q α 0 q Ψ(0) } {{ } 1 α 0 dq q q Ψ(0) α 0 Ψ(0), q.e.d. } {{ } 1 Dette resultatet følger også fra ligningen idet denne gjelder for alle q. a p.r. q Ψ(0) q a Ψ(0) α 0 q Ψ(0) q α 0 Ψ(0), c. Ved hjelp av stigeoperator-relasjonen a n n n 1 finner vi at a Ψ(0) c k a k k 1n c k k k 1 c n+1 n + 1 n k0 k1 n0 α 0 c n n. n0

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 Denne vektorligningen må være oppfylt komponent for komponent, analogt med at ligningen A B impliserer at A x B x osv. Vi har altså α 0 c n c n+1 n + 1, eller α 0 c n 1 c n n, slik at sannsynlighetsamplituden for å måle energien En er c n α 0 n c n 1 α 0 n α 0 n 1 c n αn 0 n! c 0. d. Vi skal nå bruke (5) (bl.a) til å vise at også Ψ(t) er en egentilstand til operatoren a. Med Ψ(t) n0 c n n exp( ie n t/) har vi at a Ψ(t) c n n n 1 e ie nt/ n1 (c n n α0 c n 1, E n E n 1 + ω) n1 α 0 c n 1 n 1 e ie n 1t/ e iωt (k n 1) α 0 e iωt k0 c k e ie kt/ k α 0 e iωt Ψ(t). Dermed har vi vist at a Ψ(t) α Ψ(t), α α 0 e iωt. [Kommentar: Hermiteske operatorer har reelle egenverdier. Her ser vi at dette ikke behøver å være tilfellet for en ikke-hermitesk operator. Operatoren a kan ha et hvilketsomhelst komplekst tall som egenverdi.] e. Fra definisjonen av operatoren a har vi q mω (a + a ), mω p i (a a). Fra (7) og (8) har vi da at og q t mω Ψ(t) a + a Ψ(t) mω (α + α ) mω α 0 cos ωt q 0 cos ωt p t 1 mω Ψ (t) a a Ψ(t) i mω 1 i (α α ) mωq 0 sin ωt. De samme resultatene følger fra Ehrenfests teorem; jf oppgave 18.

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 3 f. Vha kommutator-relasjonen aa a a 1 har vi for de kvadrerte operatorene: og q mω (a + a )(a + a ) mω (a + a + aa + a a) mω (a + a + a a + 1) p mω (a a)(a a) mω (a + a 1 a a) mω (1 + a a a a ). Merk at vi her har brukt kommutatoren aa a a 1 til å sørge for at alle operatorprodukter er normal-ordnet, slik at ingen a står til venstre for en a, dvs slik at vi kan bruke ligning (8). Med samme framgangsmåte som ovenfor finner vi da at forventningsverdiene er q Ψ(t) q Ψ(t) t og p t [ α + (α ) + α + 1 ] [ (α + α ) + 1 ] mω mω q 0 cos ωt + mω mω For usikkerhetene finner vi da at og vi ser at [ 1 + α α (α ) ] mω (mωq 0 ) sin ωt + mω. ( q) t q t q t mω ( p) t p t p t mω ( q) t ( p) t 1. [ 1 (α α ) ] og ( q) t mω, og ( p) t mω, Her ser vi at usikkerhetene er tidsuavhengige (som annonsert), og altså har samme verdier som i begynnelsestilstanden, og som i grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren (uavhengige av q 0 ). For spesialtilfellet q 0 0 beskriver tilstanden Ψ(t) (og den tilsvarende bølgefunksjonen Ψ(q, t)) den stasjonære grunntilstanden for oscillatoren, med usikkerhetene q /mω og p mω/. For q 0 > 0 er Ψ(q, t) en ikke-stasjonær bølgepakke som oscillerer fram og tilbake, hele tiden med de samme usikkerhetene som vi har for grunntilstanden. Dette gjelder uansett hvor stor q 0 vi velger. Velger vi q 0 veldig stor, slik at den nærmer seg makroskopiske verdier, er det vel klart at den relative usikkerheten q/q 0 går mot null. Det samme holder for p/ p max. Vi har da en kvantemekanisk beskrivelse som går over i den klassiske. Så klassisk mekanikk er på en måte et grensetilfelle av den mer fundamentale kvantemekaniske beskrivelsen.

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 4 g. Fra (8) har vi at forventet antall eksitasjoner er Dermed er N Ψ(t) N Ψ(t) Ψ(t) a a Ψ(t) α α α 0 E ω( N + 1 ) 1 ω + 1 mω q 0. ( mωq 0 (Merk at det siste leddet er den klassiske energien for et utsving q 0.) Tilsvarende har vi slik at N Ψ(t) a a a a Ψ(t) (aa a a + 1) Ψ(t) a (a a + 1)a Ψ(t) Ψ(t) (a a aa + a a) Ψ(t) α 4 + α α 4 0 + α 0, ( N) N N α 4 0 + α 0 (α 0) α 0. Usikkerheten i N er altså N α 0. Usikkerheten i energien blir da E ω N ωα 0. ). Her ser vi at den relative usikkerheten, N N α 0 α 0 1 α 0 /mω q 0, går mot null når q 0 går mot uendelig. Det samme skjer med E E ωα 0 ω(α0 + 1) α 0 α 0 + 1. h. Sannsynligheten for å måle energien E n er kvadratet av koeffisienten c n : P n c n e α 0 (α 0 ) n n! ( e λ λ n n! (dersom vi kaller α0 for λ.) Vi kan si at alle energiene er representert i tilstanden Ψ(q, t), i den forstand at sannsynligheten i prinsippet er forskjellig fra null for alle n 0, 1,,,. Vi ser at P n α 0 P n 1 n. Denne formelen viser at sannsynligheten P n øker med økende n, helt til n passerer α 0. Så den mest sannsynlige energien finner vi for n α 0 mωq 0/, som svarer til energien E n ω(α 0 + 1 ) 1 ω + 1 mω q 0 ( E ). Merk at sannsynlighetsfordelingen P n er en Poisson-fordeling. Det hører med i bildet at den relative bredden av denne fordelingen avtar for økende q 0 ; jf pkt. g. ),

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 5 i. Med q q t q 0 cos ωt og ( q) /mω får sannsynlighetstettheten (ifølge LF til øving 1) formen Ψ(q, t) C exp[ mω(q q 0 cos ωt) /]. Denne kan vi sammenligne med sannsynlighetstetthetene for begynnelsestilstanden og grunntilstanden, som er hhvis Ψ(q, 0) C 0 exp[ mω(q q 0 ) /] og ψ 0 (q) C 0 exp[ mωq /]; C 0 ( ) mω 1/4. π Her må vi ha C C 0 for å få en normert Ψ(q, t). Sannsynlighetstettheten ved tiden t har altså samme form som i begynnelsestilstanden og som i grunntilstanden, bare forskjøvet et stykke q 0 cos ωt i forhold til sistnevnte. j. Som Matlab-programmet (coherentstate.m) viser ved kjøring, oscillerer sannsynlighetspakken Ψ(x, t) mellom ytterposisjonene x ±x 0, med perioden T π/ω, hele tiden med uendret form og med konstant usikkerhet x q/ /mω 1/. Kommentar: Bølgefunksjonen Ψ(q, t) og dermed sannsynlighetstettheten kan også finnes eksplisitt: I og med at Ψ(q, t) oppfyller egenverdiligningen a p.r. Ψ(q, t) αψ(q, t), ser vi at a α, dvs (a p.r. a )Ψ(q, t) 0, eller [ ] mω (q q t ) + i ( p p t ) Ψ 0. mω Med p (/i)d/dq gir dette en førsteordens differensialligning, Multiplikasjon med [ ( )] mω (q q t ) + i d mω i dq i p t / Ψ 0. mω/ og divisjon med Ψ gir da dψ Ψ [i p t / mω(q q t )/] dq. Integrasjon av denne ligningen over q fra q t til q med fastholdt t gir ln Ψ(q, t) ln Ψ( q t, t) ī h p t (q q t ) mω (q q t ), hvor leddene som er understreket er uavhengige av q (dvs rent t-avhengige). Ved å eksponensiere har vi da (9) Ψ(q, t) C(t)e mω(q q t ) / e i p t (q q t )/,

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 6 i overensstemmelse med ligning (4.40) i Hemmer. Denne essensielt Gaussiske bølgepakken er som vi ser produktet av en impulsegenfunksjon (for impulsen p t mω sin ωt) og en Gauss-funksjon sentrert rundt posisjonen q 0 cos ωt, og gir en rent Gaussisk sannsynlighetsfordeling, som altså oscillerer fram og tilbake med konstant vidde q. Normeringen krever at faktoren C(t) må ha tallverdien (mω/π) 1/4. Et alternativ til utledningen ovenfor, som også bestemmer faktoren C(t), gir der (10) Ψ(q, t) ( mω π )1/4 e if(t) e mω(q q t ) / e i p t (q q t )/, f(t) p t q t / 1 ωt mωq 0 sin ωt cos ωt 1 ωt.