Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

UNIVERSITETET I OSLO

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

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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.

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

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 Eksamen 27. mai 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

FY1006/TFY4215 -øving 10 1 ØVING 10. Om radialfunksjoner for hydrogenlignende system. 2 ma. 1 r + h2 l(l + 1)

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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.

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

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

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

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

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

(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.

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 16. august 2008 kl

Løsningsforslag FY6019 Moderne fysikk kl fredag 12. juni 2015

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løysingsframlegg øving 1

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

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

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.

(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

Transkript:

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag Oppgave Løsningsforslag Eksamen.juni 004 TFY45 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk a. Bundne energiegentilstander i et éndimensjonalt potensial er ikke-degenererte (degenerasjonsgrad lik ). Når potensialet er symmetrisk, vil energiegentilstandene være vekselvis symmetriske og antisymmetriske. Grunntilstanden er symmetrisk og uten nullpunkter (når vi ser bort fra randen ), første eksiterte tilstand er antisymmetrisk og har ett nullpunkt. Andre eksiterte tilstand er symmetrisk, med to nullpunkter, osv. b. Klassisk kan partikkelen bare befinne seg der hvor energien E n er V (x), som i dette tilfellet blir mellom vendepunktene. Disse er gitt ved betingelsen E n = V (x) = mω x En, dvs. x = ± mω. Det klassisk tillatte området er altså mellom disse vendepunktene. Området utenfor disse punktene, for x > E n /mω, er klassisk forbudt. Ifølge den tidsuavhengige Schrödingerligningen er ψ n = m ψ n h [V (x) E n] mindre enn null i det klassisk tillatte området, større enn null i de klassisk forbudte områdene og lik null i de klassiske vendepunktene. Dette betyr at ψ n (x) vil krumme mot x-aksen i det klassisk tillatte området og bort fra x-aksen i de klassisk forbudte områdene. I vendepunktene, hvor ψ n er lik null, har denne funksjonen vendepunkter i matematisk forstand. c. Siden den oppgitte funksjonen har fire nullpunkter, følger det fra diskusjonen i pkt. a at dette må være fjerde eksiterte tilstand, med kvantetallet k = 4 og energien E 4 = hω(k + ) = 4.5 hω. Om vi starter fra x =, hvor ψ = 0, så krummer ψ utover fra x-aksen helt til vi kommer fram til venstre vendepunkt. Her kan vi derfor ikke ha noe nullpunkt. Tilsvarende til høyre for høyre vendepunkt. Derfor må eventuelle nullpunkter ligge i det klassisk tillatte området mellom vendepunktene. d. Ut fra figuren ser vi at kurven begynner å krumme mot aksen ved x 3 h/mω. Vendepunktene er altså gitt ved x ±3 h/mω. Som en kontroll kan vi beregne vendepunktene for energien E 4. Fra pkt. b skal disse ligge i En 9 hω x = ± mω = ± mω = ±3 h/mω.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag e. Siden alle energiegentilstandene er enten symmetriske eller antisymmetriske, er sannsynlighetstetthetene ψ n (x) symmetriske (om origo). Dette betyr at forventningsverdiene blir lik null: x n = x ψ n (x) dx = 0. Fra relasjonen følger det da at ( x) n = (x x n ) n = x n = V n = mω x n = E n f. Med K n = p x/m = E n V n = E n finner vi at hω(n + ) = ( x) n = (n + ) h/mω. mω p x n = m K n = me n = (n + )m hω. Siden p x n = 0, er da ( p x ) n = p x n = (n + )m hω. Produktet av de to usikkerhetene blir dermed ( x) n ( p x ) n = (n + ) h. Dette er helt OK i forhold til uskarphetsrelasjonen, som sier at ( x) ( p x ) h, uansett hvilken tilstand en betrakter. Her legger vi merke til at det minste mulige usikkerhetsproduktet, h, oppnås for grunntilstanden (n = 0). Oppgave a. Med r = x + y + z har vi enkelt: Ĥ = ˆp m + mω r = ˆp x m + mω x +(x y)+(x z) Ĥ(x) +Ĥ(y) +Ĥ(z), q.e.d. Her kommuterer x og ˆp x med y og ˆp y osv, så de tre operatorene Ĥ(x) osv kommuterer både innbyrdes og med Ĥ. Egenverdiene til Ĥ(x), Ĥ (y) og Ĥ(z) er hhvis E (x) = hω(n x + ), E(y) = hω(n y + ), E(z) = hω(n z + ), slik at energiegenverdiene for de tredimensjonale oscillatoregenfunksjonene ψ nxn yn z er E = E nxn yn z = hω(n x + n y + n z + 3/), n x, n y, n z = 0,,,. Siden hver av disse egenfunksjonene har minst én egenverdi forskjellig fra de andre, følger det fra den generelle regelen i læreboka at funksjonene er ortogonale.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag 3 b. Den laveste energien har vi for n x = n y = n z = 0 : E 000 = 3 hω. For dette energinivået har vi altså bare én tilstand, grunntilstanden ψ 000 = ψ 0 (x) ψ 0 (y) ψ 0 (z) = C 3 0e mω(x +y +z )/ h = C 3 0e mωr / h [ C 0 = Første eksiterte nivå svarer til eksitasjon i én av retningene, dvs energien E = E 00 = E 00 = E 00 = 5 hω. Degenerasjonsgraden er altså lik 3, og de tre tilstandene er ψ 00 = ψ (x)ψ 0 (y)ψ 0 (z) = C0 3 mω/ h x e mωr / h, ψ 00 = ψ 0 (x)ψ (y)ψ 0 (z) = C0 3 mω/ h y e mωr / h, ψ 00 = ψ 0 (x)ψ 0 (y)ψ (z) = C0 3 mω/ h z e mωr / h. ( ) ] mω /4. π h Andre eksiterte nivå, E = 7 hω, tillater kvantetall-kombinasjonene dvs degenerasjonsgraden er 6. (n x, n y, n z ) = (00), (00), (00), (0), (0), (0), c. Antall lineært uavhengige egenfunksjoner til ˆL med egenverdi h l(l + ) er bestemt av antall tillatte egenverdier f.eks for L z, som er l +. (L z = m h, med m = 0, ±,.., ±l.) Siden grunntilstanden er kulesymmetrisk, exp( mωr / h), er dreieimpulsen lik null for denne tilstanden. Vi noterer at ψ 00 kan skrives på formen ψ 00 = C 0 3 mω/ h e mωr / h 3 r 3 z R(r)Y 0 R(r)Y pz. r Denne er en egenfunksjon til ˆL med egenverdi h, som svarer til l =. Tilsvarende er ψ 00 3 x r = (Y, Y ) og ψ 00 3 y r = i (Y, + Y ) egenfunksjoner til ˆL med l =. Merk at antallet egenfunksjoner er lik 3, slik det skal være for l =.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag 4 d. Pauli-prinsippet tillater to fermioner, med motsatte spinn, i hver orbital. Med én orbital for grunn-nivået og tre for første eksiterte nivå blir det altså plass til +6=8 fermioner i de to laveste nivåene. Den kulesymmetriske grunntilstanden gir en kulesymmetrisk partikkeltetthet. For de tre tilstandene i første eksiterte nivå, som har samme radialfunksjon, blir den samlede tettheten proporsjonal med Y px + Y py + Y pz = 3 x + y + z r = 3, og dermed kulesymmetrisk. Dermed er altså den totale partikkeltettheten for disse fylte skallene kulesymmetrisk. Oppgave 3 a. Elektronkonfigurasjonen for Mg, s s p 6 3s, indikerer at det er to elektroner (med motsatte spinn) i s-orbitalen (maks ifølge Pauli-prinsippet), to i s-orbitalen, seks i de tre p-orbitalene og to i 3s-orbitalen. For F, med konfigurasjonen s s p 5, er det to elektroner i s, to i s og fem i p, dvs det er én ledig tilstand i en av p-orbitalene. I ionet Mg ++ er de to 3s-elektronene fjernet. I ionet F er den ledige p-tilstanden besatt med et tiende elektron. Dermed blir elektronkonfigurasjonene for disse to ionene den samme, s s p 6. b. s- og s-orbitalene er kulesymmetriske, og gir kulesymmetriske sannsynlighets- og elektrontettheter. For de tre p-orbitalene, som alle er besatt med to elektroner hver, er den samlede elektrontettheten proporsjonal med Y px + Y py + Y pz = 3 x + y + z r = 3, dvs at også det fulle underskallet p gir et kulesymmetrisk bidrag. Følgelig er den totale elektrontettheten til de to ionene kulesymmetrisk. Bindingen i molekylet MgF kan derfor noe forenklet betraktes som rent elektrostatisk, mellom Mg ++ med to pluss-ladninger og de to F - ionene, hver med en ladning e. Siden ladningsfordelingene for hver av disse i utgangspunktet er kulesymmetrisk og dermed retningsnøytral, blir energien for molekylet lavest når de to F -ionene er lengst mulig unna hverandre, dvs når de tre kjernene ligger på en linje. Derfor er MgF et lineært molekyl: FMgF ( F MG ++ F ). c. Siden radialfunksjonen u nl (r) rr nl (r) oppfyller en endimensjonal Schrödingerligning med det effektive potensialet Veff l = A/r B/r, [ h ( A m e r + r B ) ] ( ) E n (rr nl (r)) = 0, A = h l(l + ), B = h, r m e m e a 0 må energiegenverdiene for en gitt l-verdi ligge høyere enn bunnen av det effektive potensialet. Minimalverdien finner vi ved å sette den deriverte lik null: 0 = dv l eff dr = A r 3 + B r = r ( A + Br) = r min = A B = l(l + )a 0.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag 5 Minimalverdien er da V l eff(r min ) = A (A/B) Sammenligning med energiformelen viser at vi må ha B A/B = B E n = h m e a 0 n > l(l + ) 4A = h m e a 0 n l(l + ). for at energien skal ligge høyere enn bunnen av potensialet. Denne ulikheten er ikke oppfylt for n l (som var det vi skulle vise), men den er oppfylt for n l +. (Og som kjent har en løsninger for n = l +, l +, osv, som svarer til at l er begrenset til verdiene 0,,,, n for en gitt verdi av hovedkvantetallet n.) Oppgave 4 a. b.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag 6 c. d. Primærstruktur: Aminosyresekvensen i proteinet. Sekundærstruktur: En bestemt oppstilling av aminosyrer som ligger nært hverandre i sekvensen. De to vanligste konformasjonene: α-helix og β-form. Tertiærstruktur: Den tredimensjonale konformasjonen av polymeren i en naturlig foldet tilstand. e.

Eksamen TFY45. juni 004 - løsningsforslag 7 f. 5-GAT-3 :