Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

Like dokumenter
Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

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

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

Løysingsframlegg øving 1

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

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

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

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

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

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

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

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 =,

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,

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

Samandrag TFY 4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2014

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

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.

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

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

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

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

1 Stokastisk variabel

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY Øving 8 1 ØVING 8

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

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

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

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

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Fasit TFY45/FY6 Innføring i kvantefysikk Vår 4 Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Mandag 6. mai 4 kl. 9.-3. 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 a) I sylinderkoordinatar er r = ρe ρ +ze z () = e ρ ρ +e φ ρ φ z z () Dreiempulsoperatoren er gjeven ved ˆL = i hr. For bevegelse i xy-planet er z = = og dette gjev z ˆL = i he z φ

Vi kan her nytte d dφ istadenfor φ = i he z d dφ. (3) sidan ρ = R er konstant. b) Hamiltonoperatoren for ein fri partikkel er gjeven ved Ĥ = ˆp m = h m = h mr d dφ. = ˆL z mr. (4) Kommentar: Det er ein del studentar som innfører eit potensial V(r). Ein kan tenkje seg at eit slikt potensial er naudsynt for å halde partikkelen på sirkelen. Det er heilt greitt viss ein da legg til at r = R = konstant slik at ein kan sjå bort frå potensialet (som er konstant i denne oppgåva). Det er og ein del studentar som innfører potensialet V(r,φ) eller V(φ). Det er feil sidan det ikkje er nemnt noko om potensial i teksten. I tillegg vil eit slikt potensial ikkje kommutere med ˆL z. Dette er det ein del som ikkje tek omsyn til eller ignorerer. Her kunne oppgåve ha vore litt meir presis, men det skal vere greit viss ein forklarer kva ein antek. c) Dette følgjer trivielt av at Ĥ = ˆL z mr og at ˆL z kommuterer med seg sjølv. d) Eigenfunksjonane ψ(φ) til ˆL z er gjevne ved der l z er eigenverdien. Denne likninga har løysing i h dψ dφ = l zψ. (5) ψ(φ) = Ae ilzφ/ h, (6) der A er ein konstant. Sidan bølgjefunksjonen skal vere kontinuerleg, må vi ha Dette gjev e ilz/ h = eller ψ() = ψ(). (7) l z = n h. (8) dern =,±,±,...SidanĤ ˆL z er(6)ogeigenfunksjontilĥ. Energinivåa finn ein ved innsetting E n = h n mr. (9)

Vi bruker nå kvantetalet n som merkelapp på eigenfunksjonane og skriv dei som ψ n (φ) = C n e inφ. Skalarproduktet mellom ψ n (φ) og ψ m (φ) er ψ m ψ n = CmC n ψm(φ)ψ n (φ)dφ = CmC n e i(n m)φ dφ. () For n = m, ser ein at integralet er lik C n. For n m får vi CmC n e i(n m)φ dφ = CmC n i(n m) ei(n m)φ =. () Bølgjefunksjonane blir normerte viss C n =, der vi har vald fasen reell. Dei normerte eigenfunksjonane blir tilslutt ψ n (φ) = e inφ. () som viser at settet {ψ n } er ortonormalt. Vi ser at grunntilstanden har n = og er ikkje-degenerert. Tilstanden med n = har same energi som tilstanden med n = osb, slik at alle eksiterte tilstander har degenerasjonsgrad g =. I beviset for at det ikkje er degenerasjon i ein dimensjon, gjer ein bruk av at det finst ein x slik at ψ(x ) = for alle eigenfunksjonar. For ein partikkel som bevegar seg på ein sirkel ser vi at ψ n (φ) for alle φ, og det er ingen motsetnad mellom teoremet og resultatet i denne oppgåva. e) Paritetsoperatoren transformerer r r og dermed ρ ρ, φ φ+π og z z. Dette impliserer at ˆPψ n (φ) = e in(φ+π) (3) = ( ) n e inφ = ( ) n ψ n (φ), (4) Svaret er altså ja og eigenverdien til ˆP er ± avhengig av om n er like eller odde. Kommentar: Transformasjonen φ φ+π gjev d d, og difor ˆL dφ dφ z ˆL z og Ĥ Ĥ under paritet. Dette impliserer at [ˆP, ˆL z ] = [ˆP,Ĥ] = og det eksisterer altså simultane eigenfunksjonar for desse tre operatorane og det er dei vi har funne. Det er ein del som skriv ˆPψ(φ) = ψ( φ) som er inspirert av ˆPψ(x) = ψ( x), men er feil. 3

Oppgåve a) Absoluttverdikvadratet av bølgjefunksjonen er Ψ(x,t) = ( ) mω e h mωx e 4 h mωx (e iωt +e iωt) e mωx x (e h iωt +e iωt) e h mωx. π h (5) Vibrukernåat(e iωt +e iωt ) = cos(ωt) = 4cos ωt ogat(e iωt +e iωt ) = cos(ωt). Etter innsetting gjev dette Ψ(x,t) = ( ) mω e mω(x x cos(ωt)) / h. (6) π h Kommentar: Det er skuffande mange som multipliserer alle faktorar i eksponentane med to for å rekne ut Ψ(x,t) = Ψ (x,t)ψ(x,t). Uttrykket dei få er då ikkje reelt. Likevel kjem dei på mirakuløst vis fram til rett svar. b) Ψ(x,t) er lik ei Gaussfordeling med tyngdepunkt i x = x cos(ωt). Forventningsverdien til x blir difor c) Vi skal rekne ut p Ψ(x,t) = x Ψ(x,t) = x cos(ωt). (7) = i h Ψ (x,t)ˆpψ(x,t)dx Frå uttrykket for Ψ(x,t) finn ein den deriverte Ψ (x,t) dψ(x,t) dx dx (8) i h dψ(x,t) dx = imω [ x x e iωt] Ψ(x,t) { } = mω i[x x cos(ωt)] x sin(ωt) Ψ(x,t). (9) Dette gjev } p Ψ(x,t) = mω Ψ(x,t) {i[x x cos(ωt)] x sin(ωt). Sidan Ψ(x,t er ei Gaussfordeling sentrert rundt x = x cos(ωt) er første leddet i integranden odde og gjev null ved integrasjon. Det andre leddet er uavhengig av x og integralet er difor berre normeringsintegralet som er lik ein. Dette gjev p Ψ(x,t) = mωx sin(ωt). () 4

Konstanten er altså A = mωx. Kommentar: Det er mange studentar som brukte Ehrenfests teorem til å rekne ut p Ψ(x,t) : p = m d dt x = mωx sin(ωt). () Det tenkte eg ikkje på, men er meir elegant enn løysinga over. Vi ser at x Ψ(x,t) og p Ψ(x,t) er lik dei klassiske løysingane for x(t) og p(t) for ein harmonisk oscillator med initialkrava x() = x og p() =. Dette er eit døme på Ehrenfests teorem, men det var ikkje spurd om dette i oppgåva. Oppgåve 3 a) Den tidsuavhengige Schrödingerlikninga er Ĥψ(r,θ,φ) = Eψ(r,θ,φ), () der Hamiltonoperatoren i kulekoordinatar er [ Ĥ = h m r + ] + ˆL +V(r). (3) r r mr Vedåbrukeat ˆL Y lm (θ,φ) = h l(l+)y lm (θ,φ),ogψ(r,θ,φ) = R(r)Y lm (θ,φ), kan vi skrive den tidsuavhengige Schrödingerlikninga som ei radiallikning for R på vanleg måte: d R dr + dr r dr + { m h [E mω r ] Dersom vi skiftar variabel x = r mω får vi d = mω h dr h av V(r) = mω r = hωx gjev dette l(l+) } R(r) =. (4) r d dx etc. Ved innsetting [ d hω dx + d xdx l(l+) ] u(x)+ x hωx u(x) = Eu(x) (5) Vi har R(r) = u(x) = v(x)e x. Dette gjev u (x) = v (x)e x v(x)xe x, (6) u (x) = v (x)e x v (x)xe x +v(x) ( x ) e x. (7) Innsetting av u (x) og u (x) og forkorting med hω og e x gjev ( ) ( v (x)+ x x v (x)+ ǫ 3 l(l+) ) v(x) =, (8) x 5

der ǫ = E/( hω) b) Vi bruker potensrekkjemetoden og skriv Dette gjev v(x) = a n x n. (9) v (x) = a n nx n = a n nx n, (3) n= v (x) = a n n(n )x n = a n n(n )x n. (3) n= Innsetting med l = i radiallikninga gjev a n n(n )x n + a n nx n a n nx n +(ǫ 3) a n x n =. n= n= (3) Dersom vi startar summen med n = i det første og andre leddet, må vi redefinere summeindeksen. Etter litt opprydding får vi [a n+ (n+)(n+3)+(ǫ n 3)a n ]x n =. Koeffisienten foran kvar potens av x må vere lik null. Dette gjev rekursjonsrelasjonen a n+ = n+3 ǫ (n+)(n+3) a n. (33) c) Ein ventar at grunntilstanden har l = fordi det effektive potensialet er djupast i dette tilfellet. I tillegg ventar ein at polynomet v (x) er utan nullpunkt. Det impliserer at rekkja for v (x) bryt av etter første ledd, det vil seie for n = i rekursjonsformelen. Dette gjev v (x) = a, ǫ = 3 og u(x) = a e x. Dette gjev grunntilstandsenergien E = 3 hω. Kommentar: Den normerte bølgjefunksjonen blir tilslutt ψ (r,θ,φ) = ( )3 mω 4 e mωr / h, (34) π h der vi har nytta at Y (θ,φ) = 4π og innsett x = r mω. Sidan Hamiltonoperatoren for ein tredimensjonal oscillator kan skrivast som ein sum av tre h eindimensjonale oscillatorar, er bølgjefunksjonen eit produkt av tre slike og energien er additiv. Grunntilstanden for ein tredimensjonal oscillator er såleis produktet av 3 bølgjefunksjonar for ein eindimensjonal oscillator i grunntilstanden med energi E = 3 hω. 6

Oppgåve 4 a) Kvantemekanisk tunnellering er at ein partikkel kvantemekanisk kan bevege seg gjennom eit område som er forbode klassisk. Eit døme er ein α-partikkel som bevegar seg i eit brønn-potensial inni ei tung kjerne. α-partikkelen kan tunnellere gjennom barrieren og kome ut på andre sida og resultatet er radioaktivitet. b) Bohr antok at elektronet bevegar seg i sirkelbaner rundt kjerna omtrent som planetar bevegar seg rundt sola (bortsett frå at dette er ellipsebaner). Radien til desse sirkelbanene er gjevne ved eit heiltal gonger de Brogliebølgjelengda til elektronet. Desse banene var stabile (stasjonære tilstandar) der lova om elektromagnetisk stråling frå ein akselerert partikkel er oppheva. Slike baner har ulik energi: E n = α n, (35) der n =,,3... og α er finstrukturkonstanten. Når elektronet hoppar frå ei bane til ei anna vil atomet sende ut eller absorbere energien til eit foton som har energi lik energidifferansen mellom banene. Modellen forklarer såleis absorpsjonsspektret til hydrogen. Forventningsverdien til r er proporsjonal med a. Dette følgjer frå dimensjonsanalyse. For grunntilstanden i hydrogen har vi r = 3 a og a er difor eit mål på kor stort hydrogenatomet er. c)visseinkommutatormellomtooperatorar ˆF ogĝerliknull, eksistererdet eit felles fullstendig sett av eigenfunksjonar. Dei tilhøyrande observablane F og G kan då vere skarpe samtidig. Kommutatoren [ˆx,ˆp] = i h viser at det ikkje finst tilstandar der posisjon og impuls er skarpe samtidig. d) Ehrenfests teorem fortel oss at middelverdiane til observablane r og p tilfredstiller Newtons bevegelseslikningar. 7