Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Like dokumenter
Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Løysingsframlegg øving 1

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

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

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

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

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

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

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

NORSK TEKST Side 1 av 5

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

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 =,

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Samandrag TFY 4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2014

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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,

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

1 Stokastisk variabel

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

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

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

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

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

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

Løsningsforslag Eksamen 29. mai 2010 FY1006 Innføring i kvantefysikk/tfy4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

TFY4108 Fysikk, haust 2013: Løysing til ordinær eksamen 18. des.

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Transkript:

Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015 Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Mandag 27. mai 2015 kl. 09.00-13.00 Tillatne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator Rottmann: Matematisk Formelsamling Rottmann: Matematische Formelsammlung Barnett & Cronin: Mathematical Formulae Angell og Lian: Fysiske størrelser og enheter: navn og symboler Oppgåve 1 a) For ein symmetrisk bølgjefunksjon har vi ψ( x). I området a < x < 0 er den generelle løysinga difor gjeve ved A sin kx + B cos kx. (1) b) Randkravet ψ(a) = 0 gjev A sin ka + B cos ka = 0 og difor tan ka = B. A Vidare har vi Ak cos kx Bk sin kx a < x < 0 ψ (x) = Ak cos kx Bk sin kx 0 < x < a, (2) 1

Dette gjev ψ (0 + ) ψ (0 ) = 2Ak og difor 2Ak = 2mα B. Dersom vi definerer β = h2 kan vi skrive B = βk. Dette gjev tilslutt maα A tan ka = β(ka) (3) Den grafiske løysinga for eit par verdiar av β er plotta i figur. 1 8 6 4 2 2 1 2 3 4 Β 1 2 ka 4 Β 1 6 Figure 1: tan ka som funksjon av ka og den rette linja βka for β = 1 2 og β = 1. c) I grensa β 0 (α ) får ein eller sin ka = 0. Dette gjev tan ka = 0, (4) k = nπ a 1, 2, 3.... (5) Merknad: Ein kan og ha n = 1, 2, 3..., men dette gjev dei same løysingane som over opp til eit forteikn. Dette tilsvarer at ein vel fasen lik 1 = e iπ. Bølgjetalet for ein partikkel i boks med breidde 2a er k = nπ 2a (n = 1, 2, 3...). Effekten av eit uendeleg sterkt δ-funksjonspotensial er såleis a halvere breidda til boksen: Når δ-funksjonspotensialet er uendeleg sterkt, blir B = β = 0 (for k 0) og difor ψ(0) = 0. Systemet er nå to boksar med breidde a og ein skillevegg i x = 0 (med randkravet ψ(0) = 0). I grensa β (α 0) får vi eller cos ka = 0. Dette gjev tan ka =, (6) k = (n + 1)π 2 n = 0, 1, 2... a (2n + 1)π =, (7) 2a

Dette tilsvarer energinivåa til dei symmetriske tilstandane til ein partikkel i boks med breidde L = 2a. Dette er naturleg sidan β = tilsvarer α = 0 slik at vi i denne grensa har ein partikkel i boks. d) Dei antisymmetriske bølgjefunksjonane er på forma A sin kx B cos kx a < x < 0 A sin kx + B cos kx 0 < x < a, (8) e) Kontinuitet til ψ(x) i x = 0 gjev B = 0. Randkravet ψ(a) = 0 gjev A sin ka = 0 og difor k = nπ a = mπ 2a n = 1, 2... m = 2, 4, 6.... (9) Dette er dei kjende energinivåa til dei antisymmetriske tilstandane til ein partikkel i boks med breidde L = 2a, uavhengig av styrken på δ-funksjonspotensialet. f) Vi skal nå sjå på spesialtilfellet E = 0. Schro dingerliknkinga for x 0 er då Den symmetriske løysinga er h2 2m ψ 0(x) = 0. (10) ψ 0 (x) = A x + B, x 0, (11) der A og B er konstantar. Randkravet ψ 0 (a) = 0 gjev B = Aa. Vidare har vi ψ 0(0 + ) ψ 0(0 ) = 2A og difor A = mα B. Konstanten A kansellerer og vi får a mα = 1 eller α = h2 ma. (12) Dette svarer til β = 1. Bølgjefunksjonen er nå på forma ψ 0 (x) = A( x a). Normeringsintegralet er a A 2 ( x a) 2 dx = 2 3 A 2 a 3. (13) a Dersom vi vel A reell, får vi tilslutt den normerte bølgjefunksjonen 3 ψ 0 (x) = ( x a). (14) 2a3 g) Vi veit at grunntilstanden er symmetrisk og kan skrivast på forma A sinh Kx + B cosh Kx a < x < 0, A sinh Kx + B cosh Kx 0 < x < a, (15)

der K = 2mE 0. Merknad: Det er mange som har brukt lineærkombinasjonar av e Kx og e Kx. Det er sjølvsagt like godt viss koeffisentane er slik at ψ(x) er symmetrisk. h) Randkravet ψ(a) = 0 gjev A sinh Ka + B cosh Ka = 0 og difor tanh Ka =. Vidare har vi B A AK cosh Kx + BK sinh Kx a < x < 0 ψ (x) = AK cosh Kx + BK sinh Kx 0 < x < a, (16) Dette gjev ψ (0 + ) ψ (0 ) = 2AK og difor 2AK = 2mα B. Altså er B = h2 K. A mα Kombinerer ein dette med randkravet ser vi at tanh Ka = h2 K mα = βka, (17) 3.0 Β 1 2.5 2.0 1.5 Β 1 2 1.0 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Ka Figure 2: tanh Ka som funksjon av Ka og den rette linja βka for β = 1 2 og β = 1. i) Den lågaste eksiterte tilstand er antisymmetrisk. Anta at det finst ein antisymmetrisk tilstand med E < 0. Denne tilstanden kan skrivast som A sinh Kx B cosh Kx a < x < 0, (18) A sinh Kx + B cosh Kx 0 < x < a der K = 2mE. Sidan ψ(x) er kontinuerleg i x = 0 er B = 0 og ein får A sinh Kx. (19) Randkravet ψ(a) = 0 gjev A sinh Ka = 0 eller A = 0 som impliserer ψ(x) 0. Dette viser at det ikkje finst antisymmetriske tilstandar med E < 0. Difor finst det ingen eksiterte tilstandar med E < 0.

Oppgåve 2 a) Ved innsetting får ein ˆL z f(φ, θ) = 0, (20) ˆL 2 f(φ, θ) = 2 f(φ, θ), (21) Dersom vi bruker eigenverdilikningane ˆL z Y lm (θ, φ) = hy lm (θ, φ) og ˆL 2 Y lm (θ, φ) = l(l + 1)Y lm (θ, φ), finn vi eigenverdiane m = 0 og l = 1. b) Ved rotasjon ein vinkel π 2 rundt y-aksen har vi transformasjonane x z, (22) y y, (23) z x. (24) Dette impliserer cos θ = z x r r = cos φ sin θ. (25) Dette gjev g(θ, φ) = 3 cos φ sin θ. (26) 4π c) Ved innsetting får ein at g(θ, φ) er ein eigentilstand til ˆL x med eigenverdi 0. Altså er m = 0. Sidan vi har rotert ein eigentilstand til ˆL z med eigenverdi π m = 0 rundt ein vinkel rundt y-aksen får ein eigentilstand til ˆLx med 2 eigenverdi m = 0. d) Vi kan skrive g(φ, θ) = = 3 cos φ sin θ 4π 3 1 4π 2 sin θ [ e iφ + e iφ]. (27) Det første leddet er ein eigenfunksjon til ˆL z med eigenverdi h. Det vil seie m = 1. Det andre leddet er ein eigenfunksjon til ˆL z med eigenverdi h. Det vil seie m = 1. Moglege måleresultat er såleis m = ±1 og g(θ, φ) er ikkje ein eigenfunksjon til ˆLz. L z er difor ikkje skarp i denne tilstanden.

Merknad: Det er mange som argumenterer med at L z ikkje er skarp i tilstanden g(φ, θ) sidan dette er ein eigentilstand til ˆL x og ˆL x og ˆL z ikkje kommuterer. Dette er ikkje rett. Tilstanden f(φ, θ) = 1 4π er ein eigentilstand til ˆL x, ˆL y, ˆL z og ˆL 2. Teoremet seier at viss to operatorar kommuterer eksisterer det eit felles fullstendig sett av eigenfunksjonar og vice versa. To operatorar som ikkje kommuterer kan godt ha ein eller fleire simultane eigenfunksjonar, men altså ikkje eit felles fullstendig sett av slike. Merknad: Sidan koeffisienten foran dei to ledda har same absolutverdi, er sannsynlegheiten for å måle m = 1 og m = 1 like store, nemleg 1 2. Middelverdien er difor ˆL z = 0. Oppgåve 3 a) Energien til den klassiske oscillatoren i ein dimensjon er er E = p2 2m + 1 2 mω2 x 2. (28) Grunntilstanden har E = 0, det vil seie at partikkelen ligg i ro i x = 0. Kvantemekanisk er Hamiltonoperatoren til oscillatoren d 2 Ĥ = h2 2m dx + 1 2 2 mω2 x 2. (29) Grunntilstandsenergien for ein kvantemekanisk oscillator er E 0 = 1 2 hω, (30) og grunntilstanden til ein kvantemekanisk oscillator er gjeven ved bølgjefunksjonen ( ) 1 mω 4 e 1 2 h mωx2. (31) π h Merknad: I oppgåva var dimensjonen til oscillatoren ikkje spesifisert, slik at her må ein godta svar med d = 1, 2, 3. b) Viss F og G er kompatible har dei tilhøyrande operatorane ˆF og Ĝ eit felles sett av eigenfunksjonar som er ekvivalent med at dei kommuterer, [ ˆF, Ĝ] = 0. c) Operatoren  = d er ikkje hermitesk. Vi veit at operatoren ˆp dx x = i h d er hermitesk. Då er ˆB = i d og hermitesk. Dersom vi bruker dx dx reknereglane for adjungering finn vi  = (ib) = i ˆB = i ˆB = Â.

Merknad: Dei fleste har vist dette direkte ved delvis integrasjon som sjølvsagt er fullgodt. Vi har ψ 1 (x) A ψ 2 (x)dτ = (Aψ 1 ) ψ 2 (x)dτ ( = dψ ) 1 ψ 2 (x)dτ dx = ψ 1 (x) ψ 2 (x) + = ψ 1 (x) Aψ 2 (x)dτ ψ 1 (x) dψ 2 dx dτ der vi har brukt at ψ 1,2 (x) er null på randa sidan dei er normerbare. Altså er A = A og ikkje hermitesk. d) Ein bunden tilstand er lokalisert og bølgjefunksjonen ψ er normerbar, det vil seie kvadratisk integrerbar. Dette tyder at ψ 0 når x ± (ein dimensjon) eller r (to eller tre dimensjonar) raskt nok slik at normeringsintegralet er konvergent. e) I potensrekkjemetoden skriv vi løysinga til ei differensiallikning som ei rekkje f(x) = a n x n+s, (32) n=1 der s er eit heiltal. Ein finn uttrykke for dei ulike deriverte av f(x) ved å derivere kvart ledd i rekkja. Til dømes er f (x) = a n (n + s)x n+s 1, (33) n=1 Ein sett nå inn for dei ulike ledda i differensiallikninga og samlar ledd med same potens x k for alle k. Koeffisienten foran må då vere identisk lik null og dette gjev ein rekursjonsformel der a n er uttrykt ved hjelp av lågare koeffisientar, vanlegvis a n 1 og a n 2. Ofte må ein krevje at rekkja bryt av, det vil seie at a k = 0 for k n for passe n (bundne tilstandar). Døme på bruk av potensrekkjemetoden er harmonisk oscillator, Legendres differensiallikning og radiallikninga for hydrogenatomet.