Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 2001

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

UNIVERSITETET I OSLO

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

FYS1120 Elektromagnetisme - Ukesoppgavesett 2

Løsningsforslag til øving 5

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

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

Kapittel 7 Atomstruktur og periodisitet Repetisjon 1 ( )

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

Løysingsforslag (Skisse) Eksamen FY3452 Gravitasjon og Kosmologi Våren 2007

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

UNIVERSITETET I OSLO

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Øving 3. Oppgave 1 (oppvarming med noen enkle oppgaver fra tidligere midtsemesterprøver)

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag til oppgavene 1 8 fra spesiell relativitetsteori.

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

Flervalgsoppgaver. Gruppeøving 8 Elektrisitet og magnetisme. 1. SI-enheten til magnetisk flukstetthet er tesla, som er ekvivalent med A. E.

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

Eksamen i Klassisk feltteori, fag TFY 4270 Onsdag 26. mai 2004 Løsninger

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Elektrisk potensial/potensiell energi

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Løsningsforslag til øving 3

1 d 3 p. dpp 2 e β Z = Z N 1 = U = N 6 1 kt = 3NkT.

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.

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

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.

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

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

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

EKSAMEN. EMNE: FYS 119 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 119 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

Løsningsforslag Eksamen 9. desember 2006 TFY4250 Atom- og molekylfysikk /FY2045 Kvantefysikk

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Institutt for fysikk Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk. Løsningsforslag til eksamen i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Torsdag 31.

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til øving 6

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110 våren 2010

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

UNIVERSITETET I OSLO

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN Styring av romfartøy Fagkode: STE 6122

Punktladningen Q ligger i punktet (3, 0) [mm] og punktladningen Q ligger i punktet ( 3, 0) [mm].

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

Løsningsskisse EKSAMEN i FYSIKK, 30. mai 2006

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

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

Transkript:

Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 21 Oppgave I a Anta at hvert elektron beveger seg i et midlere, sfærisk symmetrisk felt =sentralfelt V r fra kjernen og alle de andre elektronene Ved å velge V r fornuftig håper vi at korrelasjonsleddet H EC lign 38 i kompendiet blir minimalisert slik at dette bedraget til energien kan beregnes tilnærmet fra perturbasjonsteori Klarer vi å finne en god slik V r kan et N-elektron atom behandles som N én-partikkel hydrogen-lignende løsninger, bortsett fra at Coulomb-feltet erstattes med V Dermed må atomet også kunne beskrives med N sett av kvantetall n i, l i, m li Største forskjell fra H-atomet er at energien ikke bare avhenger av n i men også av l i I stor avstand er kjernen helt skjermet slik at sentralfeltet må nærme seg Coulomb-feltet fra en skjermet kjerneladning Z N + 1 Nær kjernen må elektronet føle det uskjermede Coulomb-feltet med ladning Z b 1s 2 og 2s 2 er fylte skall så de bidrar ikke Første elektron har 6 mulige m l, m s kombinasjoner å velge mellom, andre elektron har 6 1 = 5, ned til femte elektron som bare har to ledige tilstander å velge mellom, i alt 6! mulige kombinasjoner Siden de 5 elektronene er identiske får vi da 6!/5! = 6 forskjellige tilstander c Hund s 1 regel: Størst mulig M S er 1/2 når vi krever at alle fem elektroner er i forskjellige tilstander, følgelig er S = maxm S = 1/2 En p-tilstand svarer til l = 1 Samme resonnement gir da L = maxm L = 1 Hund s 2 regel I tillegg er pariteten 1 l 1+l 2 +l 3 +l 4 +l 5 = 1, så grunntilstanden er 2 P o I første eksiterte tilstand er det bare 2s skallet som ikke er fullt og derfor vil bidra til kvantetallene Følgelig er S = 1/2 og L = som gir spektral term 2 S Landé s intervallregel sier at når skallet er mer enn halvfullt grunntilstanden har 5 av 6 mulige tilstander besatt så det er mer enn halvfullt, så skulle tilstanden med høyest J ha lavest energi Grunntilstanden splittes i en J = 1/2 to tilstander og en J = 3/2 4 tilstander multiplett Det aller laveste energinivået burde derfor ha J = 3/2 d Dette er en én-elektron overgang 2s til 2p så vi må kreve l = ±1, i tillegg til L = ±1 og S = Alle disse krav er tilfredsstilt så dette er en tillatt dipol-overgang, og dermed pr definisjon resonanslinjen for NeII 1

e Doppler-forskyvning, ν = ν 1 + v/c, gir ν ν = ν v/c Den maksimale hastigheten i retning av observatøren oppnås av atomene ved planetens ekvator, som har størst rotasjonshastighet v max = 2πR/T Følgelig blir max ν ν = ν v max /c = 2πRν /ct f Sett fra Jorden skjer absorpsjonen i en roterende ring med radius R Vi lar vinkelen mellom rotasjonsaksen og radiusvektor fra sentrum ut til et punkt på ringen være θ La x- aksen være fra Jorden til stjernen Atomene i punktet med vinkel θ på ringen har da en hastighetskomponent langs synslinjen på v x = ωr sin θ, der ω 2π/T Antall fotoner som blir absorbert i et frekvensintervall dν er proporsjonalt med antall atomer på ringen i et tilsvarende hastighetsintervall dv x, hvor sammenhengen mellom dv x og dν er gitt av Doppler-formelen i punkt e, dν = ν /c dv x Antall atomer som absorberer er proporsjonalt med lengden av et segment på ringen, dn atom dθ, hvor proporsjonalitetskonstanten inneholder all mulig ukjent informasjon om tettheten av atomer, tykkelsen av ringen osv Altså blir φν dν dθ For å finne φν må vi uttrykke dθ ved hjelp av ν Først bruker vi at dv x = ωr cos θ dθ, slik at dθ = dv x ωr cos θ = dv x ωr 1 sin 2 θ = dv x ωr 1 v2 x ω 2 R 2 Her bruker vi så at v x = cν/ν 1 og finner φν dν dθ = c dν ν ω 2 R 2 c 2 ν ν 1 2 som altså gir det oppgitte svaret: φν = C 1 2 ν ν ν max hvor ν max 2πRν /ct Oppgave II a Impulsfordelingsfunksjonen uttrykker sannsynligheten for å finne partikler i volumet d 3 r og med impuls i volumet d 3 p rundt et gitt punkt i r, p rommet Sannsynlighetsfunksjonen er da normalisert slik at integralet til impulsfordelingsfunksjonen over et volum V og over alle impulser gir totalt antall partikler N i volumet V b Fermi-Dirac impulsfordelingsfunksjonen for en elektrongass skrives rp p = 2 1 h 3 w µ exp + 1 τ f F D 2

hvor energien w til elektronet er relatert til impulsen ved w = potensialet p2 Når T, det vil si når τ, har den eksponensielle funksjonen grensen { w µ p lim exp = µ < τ τ p µ > hvor p F er Fermi-impulsen, reduseres Fermi-Dirac impuls- Definerer vi µτ = p2 F fordelingsfunksjonen til og µ er det kjemiske { 2 frpp D p < p = h 3 F p > p F som tolkes på den måten at Pauli prinsippet begrenser antall elektroner i et faseromelement d 3 rd 3 p = h 3 til å være to én med spinn opp og én med spinn ned c Antall partikler i et volum d 3 r og skalar impuls mellom p og p+dp må være lik antall partikler i et volum d 3 r og energi mellom w og w + dw, det vil si f F D rw wdw = f F D rp p4πp 2 dp med p = w og dp = m e dw 2me w Altså frw F D w = 8π h m wfw d Tettheten n er definert som integralet av energifordelingsfunksjonen over alle energier, n = frw F D wdw = 8π h m wfwdw Bruk integraltilnærmelsen med γw = Γ w = w 1/2, Γw = 2/3w 3/2 + konstant, Γ w = 1/2µ 1/2, altså n = 8π h m 2 3 µ 3 π 2 τ 2 1 1 2 + 3 2 2 µ 2 = 8π 3h 3 3 3 2 µ 2 1 + π2 τ 2 8 µ 2 e Siden tettheten n ikke er avhengig av T, dvs n er bestemt, må µ være en funksjon av T Vi skriver da nt = = nt : n = 8π 3h 3 3 8π 3 2 µ 2 = 3h 3 3 3 2 µt 2 1 + π2 τ 2 8 µt 2 3

Fra relasjonen for n gitt ved T = identifiser vi E F = µ Deretter bruker vi at nt = = nt og får E 3/2 F = µt 3/2 1 + π2 τ 2 8 µt 2 µt = E F 1 π2 8 µt = E F 1 π2 12 Siden τ µ, er µt µ og τ 2 µt 2 τ 2 µt = E F f Den kinetiske energien U i et volum V er gitt som τ 2 µt 2 τ 2 µt 2 = T 2 µ 2 TF 2 1 π2 T 12 2/3, altså T F 2 1 U = V wfrw F D wdw = V 8π h m w 3 2 fwdw Bruk integraltilnærmelsen med γw = Γ w = w 3/2, Γw = 2/5w 5/2 + konstant, Γ w = 3/2µ 1/2, slik at U = V 8π h m 2 5 µ 5 π 2 τ 2 3 2 + 3 2 2 µ 1 2 = V 8π h m 2 5 µ 5 2 1 + 5π2 τ 2 8 µ 2 Ved å bruke µ fra ligningen 1 og antagelsen at τ µ får vi U = V 8π h m 2 5 E 5 2 F V 3 5 ne 3 2 F E 5 2 F 1 + = 3 5 Nk bt F 1 + 5π2 12 1 π2 T 12 T F 2 5 π 2 TTF 8 5 24 2 T T F 5 2 2 1 + 5π2 8 τ 2 µ 2 Varmekapasiteteten ved konstant volum, C V, er definert som C V = U T = 3 V 5 Nk 5π 2 bt F 12 2 T π 2 T = Nk TF 2 b 2 2 T F 4

g For en ideell gass ved temperatur T er energien U til N partikler i et volum V, U = 3Nk 2 bt, slik at C V = 3Nk 2 b Ved T T F, det vil si når ligning 2 er gyldig, er C V for en ideell gass mye større enn om elektrongassen hadde blitt behandlet som en Fermi-gass som tar hensyn til Pauli-prinsippet Når vi behandler elektronene som en degenerert Fermi-gass altså ved lave temperaturer, vil så å si alle tilstandene opp til Fermi-energien E = E F være opptatt Elektronene dypt nede i energifordelingen med E E F kan derfor ikke tilføres energi de trenger mye energi skal de finne en ledig tilstand Dermed er det bare de få elektronene med energi w E F som kan absorbere energien som tilføres systemet, slik at det bare er disse partiklene som bestemmer varmekapasiteten Oppgave III a ρ + ρv = 3 t ρ t + v v = P 4 t + v P ρ γ = 5 b Skriv ρ = ρ + ρ 1 osv i ligningene ovenfor, ekspander parentesene og behold kun ledd av 1 orden i de perturberte størrelsene ρ 1 osv Kravet om at de uperturberte ρ, v og P også må tilfredsstille ligningene fører til at alle ordens av orden ρ osv ledd i de lineariserte ligningene kan strykes siden de allerede i seg selv oppfyller ligningene I dette tilfellet er det trivielt at de uperturberte størrelsene oppfyller ligningene siden ρ osv er konstanter, men i andre tilfeller kan det være mindre trivielt Vi får da det oppgitte resultat, ρ 1 t + ρ v 1 v1 ρ t + v v 1 x t + v x x + v der C γk b T /m og T er den uperturberte temperaturen ρ 1 x = 6 + P 1 x = 7 P1 C 2 ρ 1 = 8 c Med løsninger av formen ρ 1 = ρ exp[ikx ωt] kan alle deriverte i ligningene ovenfor erstattes med konstanter, iω, ik Ligningene 6 8 blir da et sett med t x koblede, lineære ligninger, iω + ikv ρ 1 + ikρ v 1 = 9 iω + ikv ρ v 1 + ikp 1 = 1 iω + ikv P 1 C 2 ρ 1 = 11 5

Disse kan så løses på vanlig måte, feks ved å løse 11 mhp P 1, sette dette inn i 1 og løse mhp v 1 som da kun blir en funksjon av ρ 1 Til slutt kan vi sette dette inn i 9 og vi får en ligning som kan skrives k 2 C 2 ω v k 2 ρ 1 = 12 For å ha ikke-triviell løsning ρ 1 må da parentesen være null, som gir sammenhengen mellom ω og k: ω = v ± Ck 13 d La x være koordinaten for et punkt målt i vårt referansesystem I referansesystemet som beveger seg med fart v langs x-aksen i forhold til oss vil det samme koordinatpunktet ha verdien x = x v t dersom vi antar at de to referansesystemene er sammenfallende har samme origo ved t = I tillegg antar vi at v c der c er lysfarten siden vi vet at lydbølger må bevege seg mye saktere enn lyset Vi gjør derfor bare en Galileotransformasjon i stedet for en full Lorentz-transformasjon i så fall måtte vi også tatt hensyn til lengdekontraksjon og tidsdilatasjon t t Trykk-perturbasjonen, feks, vil da kunne skrives P 1 = P 1 e i[kx ωt] = P 1 e i[kx +v t ωt] = P 1 e i[kx ω t] 14 der ω = ω kv = v v ± Ck 15 Bølgelengden 1/k forblir altså uendret, mens frekvensen ν = ω/2π vil bli en annen Vi kunne brukt dette til å regne ut dispersjonsrelasjonen i punkt c mye raskere: Velg v = v slik at vi går inn i gassens hvilesystem Der har vi allerede vist lign 6111 i kompendiet at ω = ±Ck Til slutt kunne vi brukt resultatet 15 til å transformere oss tilbake til referansesystemet hvor gassen driver med hastighet v og dermed vist 13 Men dette spurte vi altså ikke om 6