FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

Like dokumenter
Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

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

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Eksamen 10. juni 2017 Side 1 av 8

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løysingsframlegg øving 1

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

TFY4215_S2018_Forside

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 9

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

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

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

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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 for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

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.

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

(ik)exp(ikx) E = (1/2) hω/2+(1/4) 3 hω/2+(1/6) 5 hω/2+(1/12) 7 hω/2 = 32 hω/24 = 4 hω/3.

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

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

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 8. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

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

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

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

Løsningsforslag FY6019 Moderne fysikk kl fredag 12. juni 2015

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag til øving 4

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag til øving 4

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

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

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

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

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014 Løsningsforslag

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Transkript:

FY609 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren 07. Løsningsforslag til øving 4. Oppgave : Bundne tilstander i potensialbrønn a) Fra forelesningene (s 60) har vi følgende ligning for bestemmelse av energien E til grunntilstanden: ( ) me L V 0 E tan =. h E I denne oppgaven kjenner vi alle størrelser unntatt massen m, så vi må løse ligningen mhp m: m = [ ( )] h E L arctan V 0 E = 7.7 0 3 kg = 0.079m e. E b) Både for partikkel i boks og for partikkel i endelig potensialbrønn vil grunntilstandsenergien (og energien for andre bundne tilstander) avta med økende energi. c) I det aktuelle tilfellet har vi mv0 L.5, π h som har heltallsverdien. Dette gir N = + = 3. Ved å kjøre programmet qmwell_eee3.py bestemmes energien til. og. eksiterte tilstand: E = 7 mev, E 3 = 46 mev. (Programmet øker verdien av energien i små skritt og lokaliserer krysningspunkter mellom de ulike kurvene i figuren på side 60 i notatene.) d) I linje 56 i programmet skrives de 4 laveste energiegenverdiene ut, i enheten mev. Programmet beregner E = 30 mev, E = 7 mev og E 3 = 46 mev, det samme som vi fant med qmwell_eee3.py (dvs analytisk). Tilstand nr 4 har energien E 4 = 304 mev, som er større enn V 0 = 300 mev. Dette er som ventet: Vi skal ha 3 bundne tilstander, dvs 3 tilstander med energi mindre enn potensialdybden V 0. (Med uendelig bredde på intervallene på venstre og høyre side av brønnen blir det et kontinuerlig spektrum fra 300 mev og oppover. Her har vi endelig bredde på hver side (3L), slik at det blir diskrete energiverdier også over 300 mev.) Grunntilstanden: Blå kurve, symmetrisk, ingen nullpunkter.. eksiterte tilstand: Grønn kurve, antisymmetrisk, ett nullpunkt.. eksiterte tilstand: Rød kurve, symmetrisk, to nullpunkter. Forstørring av området fra z = 40 nm og oppover gir grunnlag for å anslå følgende inntrengningsdybder: Grunntilstanden: Verdi -0.03833 ved z = 40 nm. Reduksjon med /e gir verdien -0.040, som vi har ved z = 4.33 nm. Gir anslått /κ =.33 nm. Teoretisk verdi: h/ m(v 0 E ) =.33 nm.. eksiterte tilstand: Verdi 0.0738 ved z = 40 nm. Reduksjon med /e gir verdien 0.076, som vi har ved z = 4.63 nm. Gir anslått /κ =.63 nm. Teoretisk verdi: h/ m(v 0 E ) =.6 nm.. eksiterte tilstand: Verdi -0.09989 ved z = 40 nm. Reduksjon med /e gir verdien -0.03675, som vi har ved z = 43.00 nm. Gir anslått /κ = 3.00 nm. Teoretisk verdi: h/ m(v 0 E 3 ) =.98 nm. Meget godt samsvar! (Kommentar: Slik potensialet tilordnes i programmet blir V = 0 fra og med z = 30.0 nm og til og med z = 39.9 nm, mens V = V 0 = 300 mev i z = 40.0 nm. Dermed vil avleste tallverdier for ψ bli litt forskjellig fra mine verdier dersom ψ(30 nm) brukes som utgangspunkt. Men inntrengningsdybdene blir fortsatt som angitt her, med tre gjeldende siffer.)

Utenfor er bølgelengden ut fra figuren 6.3 nm. I brønnområdet er bølgelengden ut fra figuren 7. nm. Programmet skriver ut at E 0 = 37 mev, som betyr at k = me 0 / h = 8.80 0 8 m, K = m(e 0 V 0 )/ h = 3.87 0 8 m, som gir bølgelengder hhv π/k = 7.4 nm og π/k = 6.3 nm. Meget godt samsvar! e) Bølgelengden blir da λ = c/ν = ch/e = πc h/e, der E er energiforskjellen mellom to bundne tilstander. De tre mulige energiforskjellene er her 87 mev, 9 mev og 6 mev, som gir bølgelengder hhv 4., 9.6 og 5.7 µm. Dette er i det såkalt infrarøde området. ( Varmestråling termisk energi k B T for et legeme med temperatur 30 K er til sammenligning ca 7 mev. Oppgave : Vibrasjoner i hydrogenmolekylet For en enkel harmonisk oscillator er ω = k/m. For et slik toatomig molekyl må vi passe på å sette m lik den reduserte massen, gitt ved /m = /m +/m. Her er m = m = m H, slik at m = m H /. Dermed blir E = hω = h k/m H =.05 0 34 50/.67 0 7 = 8.9 0 0 J, evt0.58ev.settervidetteliktermiskenergik B T,tilsvarerdetenabsolutttemperaturT = 8.9 0 0 /.38 0 3 6000 K. Kommentar: Dette er en svært høy temperatur, og for eksempel mye høyere enn såkalt romtemperatur, som vi typisk kan sette lik 300 K. Det betyr at i en hydrogengass, dvs en gass med H -molekyler, vil praktisk talt alle molekylene befinne seg i grunntilstanden med hensyn på vibrasjonsbevegelsen. Og det vil typisk ikke hjelpe å øke temperaturen; mer presist: Om vi øker temperaturen fra T til T + T, vil molekylene fortsatt befinne seg i vibrasjonsgrunntilstanden, med energien hω/ pr molekyl. Med andre ord, til tross for en liten temperaturøkning har gassens indre energi U ikke økt, når vi kun betrakter denne vibrasjonsbevegelsen: U vib = 0. Men det må igjen bety at vibrasjonsbevegelsen ( vibrasjonsfrihetsgraden ) ikke bidrar til varmekapasiteten ved normale temperaturer! (Husk, fra termodynamikken: C V = ( Q/ T) V = U/ T når vi holder volumet V konstant; her er Q varmen som tas opp av systemet, dvs hydrogengassen.)) Dette er da også hva som observeres eksperimentelt, og det er en ren kvantemekanisk effekt. Se YF kapittel 8.4. Oppgave 3: Diverse småoppgaver a) m HCl = m Cl = m H m Cl =.0 35.5 amu = 0.97 amu m H +m Cl.0+35.5 m Cl m Cl = 35.5 amu = 7.3 amu m Cl +m Cl Her er amu = atomic mass unit =.67 0 7 kg. b) Uttrykket for transmisjonssannsynligheten T er gitt på side 65 i notatene: T = 4E(V 0 E) 4E(V 0 E)+V0 sinh κl = +(V0 /(4E(V 0 E)))sinh κl.

Her er κ = m(v 0 E)/ h. Her er κ = 9. 0 3 (0.30 0.5).6 0 9 /.05 0 34 =.99 0 9 m = 0.99 Å, slik at den dimensjonsløse faktoren κl blir.99 og 7.97 når L er hhv 0 Å og 40 Å. Faktoren V 0 /4E(V 0 E) får her verdien, slik at T(0 Å) = T(40 Å) = +sinh.99 0.07 +sinh 7.97 4.8 0 7 Vi ser at T avtar raskt (eksponentielt) med økende barrierebredde. (Hvis en ikke har funksjoner som sinh(x) og cosh(x) på kalkulatoren, kan en med god tilnærmelse sette sinh(x) cosh(x) exp(x)/ når x er en del større enn. Dette vil her gi T = 0.070 for den tynne barrieren, allerede en god tilnærmelse med x =.99, med andre ord.) c) I D: Null-linjer, evt nullkurver. I 3D: Nullflater. d) Energinivåene i en kubisk boks med sidekanter L er (se s 69 i notatene) E = h π ( ) m L n x +n y +n z, med positive heltall for alle de tre kvantetallene. Energiforskjellen mellom grunntilstanden og. eksiterte nivå i denne kubiske boksen er dermed For å oppnå en energi på ev må vi omtrent ha E = 3 h π m L =.67 0 30 J = 6.7 pev. n = n x +n y +n z = 0.067 9. 0 3 0.00.6 0 9 (.05 0 34 ) π.8 0, dvs n 4. 0 5. (Dette er tilsynelatende et stort tall, men dersom systemet inneholder mange elektroner, og vi tar hensyn til Pauli prinsippet (maksimalt ett elektron i en gitt kvantetilstand), må vi nok regne med å finne elektroner i tilstander som tilsvarer energier på noen elektronvolt.) e) En tilstandstetthet, angitt som antall tilstander pr energienhet, må ha enheten /J. La oss sjekke: [g] = kg3/ m 3 J / J 3 s 3 = J3/ J 5/ = J, ettersom J = kg m /s. OK! Tilstandstetthet for elektroner pr volumenhet for elektroner med effektiv masse 0.067m e i GaAs og med energi 0.5 ev: g/l 3 = ( 0.067 9. 0 3 ) 3/ (0.5.6 0 9 ) / 4 (.05 0 34 ) 3 π =.64 0 44 J m 3. Et stort tall, men så er da også både J et stort energiintervall og m 3 et stort volum for slike systemer som det her er snakk om. f) To gangers derivasjon av den oppgitte løsningen og innsetting i ligningen gir m lφ+m lφ = 0, 3

som viser at dette er en løsning. Fysisk er det ingen forskjell på vinklene φ, φ+π, φ+4π osv. Dermed må funksjonen Φ ha en og samme verdi for alle disse vinklene: exp(im l φ) = exp(im l (φ+nπ)) = exp(im l φ)exp(i m l nπ). Følgelig må verdien av den siste eksponentialfunksjonen være lik (for alle mulige heltallige n), og det er bare mulig dersom m l er et helt tall. g) Siden l ikke kan være større enn n, må n minst være lik 5 for at vi skal kunne ha l = 4. 4f-tilstander har n = 4 og l = 3. Da kan m l ha verdiene 3,,,0,,,3. Følgelig er det 7 ulike 4f-tilstander i hydrogenatomet. (Tar vi hensyn til at elektronet i tillegg har spinn, med de to mulige verdiene / og /, blir det alt i alt 4 ulike 4f-tilstander.) Oppgave 4: Harmonisk oscillator med python a) E 0 = hω = h k/m e Avstanden mellom energinivåene blir ca 39 mev. 9 mev. b) 0.40 0.35 0.30 0.5 ψ(z) D harmonic oscillator 0.0 0.5 0.0 0.05 0.00 40 45 50 55 60 z (nm) Et program som besvarer oppgaven, harmosc.py, er lagt ut på itslearning. Oppgave 5: Radien til K-skallet i hydrogen r = ( ) r ψ s(r) dv 4

( ) = 0 r πa 3 e r/a 0 4πr dr 0 ( = πa3 ) 0 re r/a 0 dr 4π 0 Delvis integrasjon, med u = r og v = exp( r/a 0 ), gir verdien a 0 /4 for dette integralet. Dermed er r = a 0, noe mindre enn r, som er 3a 0 /. Figuren viser ψ s (r), med de to forventningsverdiene r = 3a 0 / og /r = a 0 avmerket:.0 Grunntilstanden s i hydrogen 0.8 3 πa 0 ψ s 0.6 0.4 0. 0.0 0 3 4 5 6 r/a 0 5