EKSAMEN I FY2045/TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 2011 kl

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

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

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

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

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

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

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

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

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

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 2. august 2003 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

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.

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.

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 26. mai 2006 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,

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

UNIVERSITETET I OSLO

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 12 1 LØSNING ØVING 12. Spinnpresonans. 2 hσ blir resultatet. 0 e

Løsning til øving 17 for FY1004, våren 2008

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

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

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

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Lørdag 9. desember 2006 kl

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

2. Postulatene og et enkelt eksempel

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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

ENGLISH TEXT Page 1 of 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 2 1 ØVING 2. nesten en posisjonsegentilstand

Transkript:

NORSK TEKST Side av 4 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf 73 59 8 67, eller 970355 EKSAMEN I FY045/TFY450 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 0 kl. 09.00-3.00 Tillatte hjelpemidler: Godkjent kalkulator Rottmann: Matematisk formelsamling Øgrim & Lian: Størrelser og enheter i fysikk og teknikk, eller Lian og Angell: Fysiske størrelser og enheter Et ark med uttrykk og formler er vedlagt. Sensuren faller i uke 35. Oppgave En partikkel med masse m beveger seg i et endimensjonalt potensial som er en overlagring av en deltafunksjonsbrønn og et potensialsprang: Her er V x = β δx + V 0 Θx ; β > 0, V 0 > 0. Θx = { 0 for x < 0 for x 0 sprangfunksjonen. I denne oppgaven skal vi studere energiegenfunksjoner for dette systemet. a. Innledningsvis får du tre små oppdrag: Finn hvilken form en egenfunksjon med energi E < V 0 må ha i området x > 0. Vis deretter at en egenfunksjon med energi E > 0 beskriver en ubunden tilstand. Angi hvor stor sannsynligheten er for at partikler som kommer inn fra venstre med 0 < E < V 0 blir reflektert.

Side av 4 b. Skriv ned skjøtebetingelsene for x = 0 som alle energiegenfunksjoner for dette systemet må oppfylle, ved hjelp av diskontinuitetsbetingelsen oppgitt på formelarket. Som anført i pkt. a er egentilstander med E > 0 ubundne. Hvorfor må eventuelle bundne egentilstander i dette potensialet ha E < 0? [Hint: Finn ut hvilken form en egentilstand med E = 0 må ha for x < 0, om den eksisterer.] Hva blir formen for x < 0 for en eventuell egentilstand med E < 0? c. Vi setter nå V 0 = v 0 Ry = v 0 h m e a 0 og β a 0 = b Ry = b h, m e a 0 der tallfaktorene v 0 0 og b > 0 er dimensjonsløse. I tillegg innfører vi en dimensjonsløs energivariabel ɛ ved å sette h E = ɛ Ry = ɛ. m e a 0 Vi antar dessuten at partikkelen med masse m er et elektron m = m e. For en bunden tilstand ɛ < 0 må ɛ da oppfylle betingelsen v0 ɛ + ɛ = v 0 + ɛ + ɛ = b v 0 0, b > 0. Utled denne betingelsen. Hvor mange bundne tilstander eksisterer det ifølge denne betingelsen for en gitt b > 0 i grensen v 0 0 dvs når potensialet forenkler seg til en enkel δ-brønn, og hva er eventuelt ɛ-verdiene energiene i Rydberg-enheter til disse bundne tilstandene? Hvor stor må b minst være for at det skal eksistere en bunden tilstand når v 0 > 0, og hvor mange bundne tilstander har vi når b oppfyller dette kravet? [Hint: Ligningen ovenfor kan løses grafisk.] d. Anta nå at E > V 0, dvs ɛ > v 0. Spredningsprosessen der elektroner som kommer inn fra venstre med energien E = ɛ h /m e a 0 og enten blir reflektert eller transmittert, kan beskrives ved hjelp av en egenfunksjon på formen { e ψ = ikx + re ikx for x < 0, te ik x for x > 0, der r og t er komplekse koeffisienter. Det kan vises at ɛ ɛ v0 + ib r = ɛ + ɛ v0 ib ; ɛ v 0 0, b vilkårlig, og at sannsynligheten for at elektronet blir reflektert er R = r. Finn R i grensen der E nærmer seg V 0 ovenfra. Finn også ut hvilke krav ɛ må oppfylle for at refleksjonssannsynligheten R skal være mye mindre enn for spesialtilfellene i v 0 = 0 og b 0, enkelt delta-potensial, ii b 0 og v 0 > 0; enkelt potensialsprang.

Side 3 av 4 Oppgave En spinn- -partikkel befinner seg i utgangspunktet i et konstant og homogent magnetfelt B = B 0ˆn, der ˆn = ˆx sin θ + ẑ cos θ, med 0 < θ < π. Når vi ser bort fra andre frihetsgrader, kan Hamilton-operatoren for dette systemet skrives på formen der vi antar at ω er positiv. Ĥ = ω S ˆn = hω σ ˆn, a. Angi de mulige egenverdiene til S ˆn. Ved t = 0 foretas det en energimåling som etterlater spinnet i tilstanden cos χ0 = θ sin θ. Finn den målte energiverdien. Hva er spinnretningen σ 0 umiddelbart etter målingen? Hva er χt og spinnretningen σ t i tiden etter denne målingen og fram til systemet eventuelt forstyrres på nytt? b. Ved tiden t = 4π/ω er χt = χ0. Ved dette tidspunktet endres B-feltets retning plutselig, slik at feltet ved t = t + er B = B 0 ẑ, og slik at den nye Hamiltonoperatoren blir Ĥ = hω σ z. Endringen skjer så raskt at vi kan sette χt + = χ0. Finn forventningsverdiene E og E og usikkerheten E for t = t +. Hvorfor er disse størrelsene tidsuavhengige helt til systemet eventuelt forstyrres på nytt? c. Finn forventningsverdien S t som funksjon av tiden for t > t. Oppgave 3 Figuren viser et kubisk bokspotensial som inneholder et elektron i grunntilstanden. Ved t = 0 utsettes dette systemet for et elektrisk felt i form av en deltafunksjonspuls. Denne svarer til et perturberende ledd V t = zp 0 δt, en perturberende kraft Ft = ẑ p 0 δt og en impulsoverføring p 0 i z-retningen. Denne problemstillingen skal angripes ved hjelp av første-ordens tidsavhengig perturbasjonsteori. Som normerte energiegentilstander for det uperturberte systemet kan vi bruke ψ nxnyn z = ψ nx xψ ny yψ nz z, med ψ nx x = L sinn xπx/l, n x =,,, osv.

Side 4 av 4 For t > 0 etter at perturbasjonen er overstått kan bølgefunksjonen i prinsippet skrives på formen Ψ = a nxnyn z ψ nxnyn z exp ie nxnyn z t/ h, n xn yn z der amplitudene a nxnyn z er tidsuavhengige. Det oppgis at 0 for k n = 0, ±, ±4, L I k,n ψ k z z ψ n zdz = 0 8knL for k n = ±, ±3,. π k n a. Finn først matrise-elementene V fi t [av perturbasjonen V t] som inngår i amplitudene for overganger fra grunntilstanden ψ i = ψ til tilstandene ψ f = ψ nz, med n z, uttrykt ved integralene I nz, se ovenfor. Beregn så disse overgangsamplitudene a nz og de tilsvarende sannsynlighetene, uttrykt ved p 0 og L. b. Hvorfor er alle amplitudene a nxn yn z med n x og/eller n y lik null? Hva er betingelsen for at første-ordens-resultatene funnet hittil skal være en god tilnærmelse? c. Anta nå at elektronet i boksen er eksitert til tilstanden ψ ved hjelp av en passende perturbasjon, og at de-eksitasjonen skjer via spontan emisjon av fotoner. Vi antar at denne prosessen ikke påvirkes av veggene i boksen. Den spontane overgangsraten sannsynligheten pr tidsenhet kan da i dipoltilnærmelsen beregnes ved hjelp av formelen w i f = α 4ω3 if 3c d fi, der d fi ψ f r ψ i d 3 r ê x d x + ê y d y + ê z d z og ω if = E i E f. h Beregn x-komponenten d x av dipolmomentet d fi for overgangen fra ψ i = ψ til ψ f = ψ nxnyn z, uttrykt ved integralet I nx,. Finn ut hvilke spontane overganger som bidrar til den samlede overgangsraten w for tilstanden ψ. Finn et uttrykk for w og avgjør hvordan denne skalerer som funksjon av L. d. Anta at L = 4 a 0, og finn tallverdier for i dipolmomentet d x, ii energien til det emitterte fotonet, iii Bohr-frekvensen ω if og iv overgangsraten w. Avgjør om dipoltilnærmelsen er en god tilnærmelse for dette tilfellet. Oppgitt: a 0 = 4πɛ 0 h m e e = 0.59 0 0 m ; α = h m e a 0 = 3.6 ev ; h = 0.658 0 5 evs ; e 4πɛ 0 hc = 37.036 ; c =.998 08 m/s.

Vedlegg: Formler og uttrykk Noe av dette kan du få bruk for. Diskontinuitetsbetingelse, med potensial V x = αδx a ψ a + ψ a = mα h ψa. Endimensjonal boks, V x = 0 for 0 < x < L, uendelig utenfor ψ n x = L sin k nx; E n = h k n m ; k n = nπ/l; ψ k, ψ n = δ kn. Sannsynlighets-strømtetthet Binomialutviklingen Målepostulatet [ jr, t = Re Ψ r, t h ] Ψr, t. im + δ a = + a δ + aa δ + ; δ <. i De eneste mulige verdiene som en måling av observabelen F kan gi er en av egenverdiene f n. ii Umiddelbart etter målingen av F er systemet i en egentilstand til den tilhørende operatoren F, nemlig en egentilstand som svarer til den målte egenverdien f n. Spinn For en partikkel med spinn kan en bruke spinnoperatoren S = hσ = hê xσ x + ê y σ y + ê z σ z, der σ x = 0, σ y = 0 i i 0 er de såkalte Pauli-matrisene. Pauli-spinorene χ + =, σ z = 0 0 og χ = 0 er da a egentilstander til S z = hσ z med egenverdiene ± h. En normert spinntilstand χ = b kan karakteriseres ved spinnretningen, σ = χ σχ = ê x Rea b + ê y Ima b + ê z a b.

Matrisene S x = hσ x osv oppfyller dreieimpulsalgebraen, Videre er Noen formler [S x, S y ] = i hs z, [S y, S z ] = i hs x, [S z, S x ] = i hs y. S x = S y = S z = S ˆn = h 4 0 og S = 3 h 4 0 sina + b = sin a cos b + cos a sin b; sin a = sin a cos a; cosa+b = cos a cos b sin a sin b; cosa = cos a sin a = cos a = sin a. sin a = e ia e ia /i, cos a = e ia + e ia /; tan y = = tany + nπ, n = 0, ±, ; cot y Tidsutvikling av forventningsverdier δ-funksjonen og sprangfunksjonen d dt F = ī [Ĥ, F ] + F. h t. d Θx = δx; dx fxδx adx = fa. Utgangspunktet for tidsavhengig perturbasjonsteori Med en Hamilton-operator Ĥ = Ĥ0 + V t kan den eksakte løsningen utvikles i de uperturberte stasjonære løsningene: Ψr, t = n a n tψ 0 n r, t, der Ψ 0 n r, t = ψ n re ient/ h, Ĥ0ψ n r = E n ψ n r. Det eksakte ligningssettet for utviklingskoeffisientene er i h da k dt = e iωknt V kn ta n t; ω kn = E k E n / h; n V kn t = ψ k V t ψ n = ψ V k tψ n dτ. Med a n t 0 = δ ni oppfyller den eksakte amplituden ligningen a f t = δ fi + t iωfnt e V fn t a n t dt. i h n t 0 Til første orden i perturbasjonen er da amplituden a f a i f gitt ved a i f = δ fi + i h t iωfit e t 0 V fi t dt.