FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Like dokumenter
FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

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

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

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

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

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

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 =,

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.

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

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

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

@x

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

R Differensialligninger

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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.

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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 Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Løysingsframlegg øving 1

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Øving 11. Oppgave 1. E t0 = 2. Her er

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

TFY4215_S2018_Forside

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014 Løsningsforslag

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

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

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 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

3. Noen endimensjonale potensialer

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

Transkript:

FY1006/TFY4215 - Øving 4 1 Oppgave 13 ØVING 4 Vibrerende to-partiel-system Som disutert side 110 i boa, er det et vitig poeng både i lassis meani og i vantemeani at et to-partiel-problem essensielt an reduseres til et enpartielproblem Dette er relevant både for bundne to-partiel-systemer (som fes H-atomet) og for ubundne systemer, sli vi har i spredningsprosesser Dette an illustreres ved et endimensjonalt system, der to partiler med masser og m 2 er forbundet med en vetløs fjær med fjæronstant Ved lievet (med avspent fjær, og null refter) er relativ-oordinaten mellom de to partilene, x = x 1 x 2, li l (lievetsavstanden) Ellers er reftene på og m 2 er hele tiden motsatt rettet og proporsjonale med utsvinget fra lievetsavstanden, x 1 x 2 l = x l : F 1 = F 2 = (x 1 x 2 l) (x l) Siden disse reftene bare avhenger av relativ-oordinaten x, må det samme gjelde for den potensielle energien; det er lett å se at disse reftene an avledes av potensialet V = 1(x 2 l)2, vha F i = V x i = V x x x i, i = 1, 2 [Vi tener oss altså her at all bevegelse sjer i x-retningen, dvs vi ser bort fra at systemet an rotere om tyngdepuntet for to-partielsystemet a Først en lassis-meanis tilnærming: Om vi først tener oss at vi holder m 2 fast i origo, sli at x 2 = 0, er ifølge Newtons 2 lov F 1 = (x l) = d2 x dt 2 = d2 (x l) dt 2 (x 2 = 0, x = x 1 ) Sett inn prøveløsningen x l = A cos(ω 1 t + α) i differensialligningen som er understreet, og vis at den lassise vinelfrevensen er ω 1 = Holder vi fast, får vi tilsvarende en svingning med vinelfrevens ω 2 = /m 2 Og så ommer poenget: Lar vi både og m 2 svinge fritt (som to atomer i et toatomig moleyl), sal du vise at relativ-avstanden svinger med en vinelfrevens ω som er større

FY1006/TFY4215 - Øving 4 2 enn både ω 1 og ω 2 : Vis først at den andrederiverte av utsvinget x l er li (x l)/µ, der µ er den såalte reduserte massen, definert ved 1/µ = 1/ + 1/m 2 : d 2 dt (x l) = = 2 µ (x l), der 1 µ 1 + 1 m 2 ( = µ = m ) 1m 2 + m 2 [Hint: Bru d 2 x i /dt 2 = F i /m i, (i = 1, 2) Sett deretter inn prøveløsningen x l = A cos(ωt + α) i differensialligningen ovenfor, og påvis at den resulterende vinelfrevensen ω er større enn ω 1 og ω 2, som påstått ovenfor Hvordan beveger tyngdepuntet for to-partiel-systemet seg når det ie virer noen ytre refter? [Jf Newtons 1 lov b Så til den vantemeanise behandlingen Med utgangspunt i energioperatoren Ĥ = K 1 + K 2 + V (x) for de to partilene an det vises (se nedenfor, og se avsnitt 58 side 110 i Hemmer) at relativbevegelsen for de to partilene besrives av den tidsuavhengige Schrödingerligningen [ h2 2 2µ x + 1 (x 2 l)2 ψ(x) = Eψ(x), 2 der µ er den reduserte massen og x er relativoordinaten Hva blir energinivåene? Angi energiegenfunsjonen for grunntilstanden som funsjon av relativoordinaten x [Hint: Svarene finner du uten å regne, ved å sammenligne med standardutgaven av en harmonis oscillator, som er en partiel med masse m som beveger seg i potensialet V (q) = 1 2 q2 1 2 mω2 q 2 Den tidsuavhengige Schrödingerligningen for dette systemet er [ h2 2 2m q + 1 2 2 q2 ψ(q) [ h2 2 2m q + 1 2 2 mω2 q 2 ψ(q) = Eψ(q), med energiegenverdiene E n = h m (n + 1) hω(n + 1 ), n = 0, 1, 2, 2 2 Energiegenfunsjonen for grunntilstanden er (som vi har sett før) ψ 0 (q) = C 0 e mωq2 /2 h, C 0 = (mω/π h) 1/4 c Vis at Hamilton-operatoren Ĥ = K 1 + K 2 + V (x) (der K 1 = p 2 1/2 osv) an srives som P 2 Ĥ = 2M + p2 2µ + V (x) med P = h i X og p = h i x, hvor x = x 1 x 2 og X = x 1 + m 2 x 2 + m 2 M x 1 + m 2 M x 2 er henholdsvis relativoordinaten og tyngdepuntsoordinaten [Hint: Ved hjelp av jerneregelen har vi at x 1 = X X + x 1 x x = x 1 M X + x og = m 2 x 2 M X x Fra disse an du finne p 1 og p 2 uttryt ved P og p Hvilen fysis observabel svarer operatoren P til? [Hint: Vis at p 1 + p 2 = P

FY1006/TFY4215 - Øving 4 3 d Da Ĥ ommuterer med operatoren P, an vi finne energiegenfunsjoner som samtidig er egenfunsjoner til P, med egenverdi P Disse egenfunsjonene vil generelt avhenge både av relativ-oordinaten x = x 1 x 2 og av tyngdepuntsoordinaten X Anta at vi velger å betrate dette systemet fra tyngdepunts-systemet, hvor den samlede impulsen P til de to partilene pr definisjon er li null Forlar (vha egenverdiligningen P ψ = P ψ) hvorfor energiegenfunsjonen da blir uavhengig av tyngepuntsoordinaten X, og sammenlign den resulterende energiegenverdiligningen med ligningen under pt b Oppgave 14 Vibrasjonsfrihetsgraden for to-atomig moleyl Når et osygenmoleyl O 2 er i grunntilstanden (dvs har lavest mulig energi), er avstanden mellom de to jernene noså nær en viss lievetsavstand (av størrelsesorden Ångstrøm) Denne lievetsavstanden svarer til et energiminimum for dette systemet Prøver vi å dytte de to jernene (og dermed eletronsyene) nærmere hverandre, eller å tree dem fra hverandre, oster det energi, og moleylet motsetter seg endringen med en raft som er tilnærmet proporsjonal med utsvinget (avviet fra lievetsavstanden) Mao: Vi har (for små utsving) en tilnærmet harmonis oscillator (Jf Tillegg 3, side 25 26) Kvantemeanis an denne oscillatoren være i grunntilstanden, men den an også esiteres a Esperimentelt viser det seg at den (tilnærmet evidistante) avstanden mellom energinivåene for denne oscillatoren er hω 020 ev Med en osygenmasse m finner vi fra forrige oppgave at fjæronstanten for dette systemet er = 1 2 mω2 Gjør et numeris overslag over denne fjæronstanten, og påvis at fjæren er ganse raftig, med en fjæronstant av størrelsesorden 10 3 N/m [Massen til et osygenatom er ca 16 ganger protonmassen, som er m p 167 10 27 g b Et ja/nei-spørsmål ut fra det som hittil er sagt: Kan avstanden mellom de to jernene være sarpt definert? Som et mål for størrelsen av typise utsving for denne oscillatoren an vi ta lengden h/mω (som er 2 ganger usierheten x) Sett inn tallverdier for denne størrelsen, og vis at disse utsvingene for jernene er små sammenlignet med atomradier (eller med avstandene mellom jernene i et moleyl), som typis er av størrelsesorden 10 10 m c Anta at vi har en marosopis oscillator med samme fjæronstant, dvs et potensial V (x) = 1 2 x2, og en marosopis partiel med masse M = 1 g Vis at forholdet mellom energibeløpet hω for denne oscillatoren og beløpet hω for oscillatoren ovenfor er ca 10 13 Beregn også lengden h/mω, som gir salaen for utsvinget av den tunge massen (i grunntilstanden), og vis at denne lengden er ca en fator 10 7 mindre enn størrelsen h/mω for den lette massen d Anta at den tunge massen oscillerer med et utsving på x max = 10 cm Sammenlign energien E = 1 2 (x max) 2 for en sli svingetilstand med energibeløpet hω for denne oscillatoren, og finn ut hvor store vantetall n dette svarer til [Hint: Hus at E n = hω (n + 1 2 )

FY1006/TFY4215 - Øving 4 4 Oppgave 15 Ie-stasjonær tilstand for partiel i bos En partiel med masse m befinner seg i en uendelig dyp endimensjonal potensialbrønn (bos) med vidde L: { 0 for 0 < x < L, V (x) = ellers Ved t = 0 prepareres dette systemet i en tilstand besrevet ved bølgefunsjonen Ψ(x, 0) = 16 5L ( sin πx L ) 3 Figuren viser LΨ(x, 0) og L Ψ(x, 0) 2 som funsjoner av x/l a Angi (ut fra diagrammet ovenfor) forventningsverdien x 0 av partielens posisjon ved t = 0 Hvilen av urvene i diagrammet er direte relevant når du på øyemål sal anslå omtrent hvor stor usierheten ( x) 0 i posisjonen er ved t = 0 Hva er ditt anslag? b Da det ortonormerte energiegenfunsjonssettet for bosen, 2 ψ n (x) = L sin nx, n = nπ L, E n = h2 n 2, n = 1, 2,, 2m utgjør et fullstendig sett (dvs danner en basis), an begynnelsestilstanden utviles i dette settet Bru formelen 4 sin 3 y = 3 sin y sin 3y til å finne oeffisientene c n i utvilingsformelen Ψ(x, 0) = c n ψ n (x) n c Vis at begynnelsestilstanden Ψ(x, 0) er normert [Hint: Normeringsintegralet an srives som ( L ) ( ) c ψ c n ψ n dx = c L c n ψ ψ n dx 0 n,n 0

FY1006/TFY4215 - Øving 4 5 d Etter prepareringen (for t > 0) er bølgefunsjonen Ψ(x, t) = n c n ψ n (x)e ient/ h, der c n er oeffisientene som sulle finnes ovenfor [Denne er li den oppgitte tilstanden ved t = 0, og den oppfyller Schrödingerligningen Mer an ingen reve Anta at det gjøres en måling av energien E til partielen ved t = 0 (umiddelbart etter prepareringen) (i) Hva er de mulige måleresultatene, og hva er sannsynlighetene for disse? (ii) Beregn forventningsverdien E 0 av energien ved t = 0 (uttryt ved grunntilstandsenergien E 1 ) (iii) Hva blir bølgefunsjonen for systemet etter en sli måling? (iv) Hva blir svarene på (i) og (ii) dersom målingen i stedet gjøres ved tiden t (dvs en stund etter prepareringen)? e Etter overslaget av usierheten ( x) 0 i pt a an det være interessant å undersøe ( p x ) 0 Vis først at p x 0 = 0 Finn deretter p 2 x 0 (fes vha resultatet for E 0 ), og sett inn den resulterende usierheten ( p x ) 0 (og overslaget over ( x) 0 ) i usierhetsprodutet ( x) 0 ( p x ) 0