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

Like dokumenter
FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 9. august 2016 Side 1 av 9

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

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 OPPGAVER MED LØSNINGSFORSLAG. I. FLERVALGSOPPGAVER (Teller 2.

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

(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 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY4215_S2018_Forside

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

FY juni 2015 Side 1 av 6

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

Løsningsforslag FY6019 Moderne fysikk kl fredag 12. juni 2015

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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.

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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.

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

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 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

NORSK TEKST Side 1 av 5

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Løysingsframlegg øving 1

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

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

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

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 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

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)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 2 1 LØSNING ØVING 2

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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.

3. Noen endimensjonale potensialer

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

Transkript:

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 1 av 8 I. FLERVALGSOPPGAVER (Teller 2.5% 30 = 75%) En fri partikkel med masse m befinner seg i det konstante potensialet V = 0 og beskrives av (den ikke normerbare) bølgefunksjonen Ψ(x,t) = ψ(x)e iet/ h, med ψ(x) = exp(ikx). Oppgavene 1 5 omhandler denne partikkelen. 1) Hva er partikkelens impuls p? A) p = k B) p = hk C) p = k/m D) p = hk/m E) p = h 2 k 2 /2m 2) Hva er partikkelens energi E? A) E = k B) E = hk C) E = k/m D) E = hk/m E) E = h 2 k 2 /2m 3) Hva er usikkerheten (standardavviket) p i partikkelens impuls? A) p = 0 B) p = C) p = hk D) p = i hk E) p = hk/m 4) Hva er usikkerheten (standardavviket) x i partikkelens posisjon? A) x = 0 B) x = C) x = 1/k D) x = i/k E) x = m/ hk 5) Hva er sannsynlighetsstrømmen j for denne tilstanden? A) j = k B) j = hk C) j = k/m D) j = hk/m E) j = h 2 k 2 /2m En partikkel med masse m befinner seg i potensialet V(x) = mω 2 x 2 /2 (dvs en endimensjonal harmonisk oscillator). Energiegenfunksjoner ψ n (x) og tilhørende energiegenverdier E n er oppgitt i formelarket. Oppgavene 6 8 omhandler dette systemet. 6) Hva er det klassisk tillatte området når partikkelen befinner seg i grunntilstanden? A) x = 0 B) x mω/ h C) x mω/ h D) x h/mω E) x h/mω

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 2 av 8 7) Anta at partikkelen befinner seg i (den normerte men ikke stasjonære) tilstanden 3 Ψ(x,t) = c n ψ n (x)exp( ie n t/ h), n=0 med c 0 = 1/ 2, c 1 = 1/2, c 2 = 1/ 6 og c 3 = 1/ 12. Hva er forventningsverdien E av partikkelens energi? A) E = 3 hω/2 B) E = 4 hω/3 C) E = 5 hω/4 D) E = 6 hω/5 E) E = 7 hω/6 8) En måling av partikkelens energi gir som resultat 3 hω/2. Etter energimålingen, hva er forventningsverdien E av partikkelens energi? A) E = 3 hω/2 B) E = 4 hω/3 C) E = 5 hω/4 D) E = 6 hω/5 E) E = 7 hω/6 9) En partikkel med masse m befinner seg i bokspotensialet V(x) = 0 for 0 < x < L, V(x) = ellers. Energiegenfunksjoner ψ n (x) og tilhørende energiegenverdier E n er oppgitt i formelarket. Anta at partikkelen befinner seg i (den normerte men ikke stasjonære) tilstanden 3 Ψ(x,t) = c n ψ n (x)exp( ie n t/ h), n=2 med c 2 = c 3 = 1/ 2. Sannsynlighetstettheten ρ(x,t) = Ψ(x,t) 2 vil da variere harmonisk med tiden. Hva er perioden T for ρ? A) T = 8mL 2 /5h B) T = 8mL 2 /7h C) T = 8mL 2 /9h D) T = 8mL 2 /11h E) T = 8mL 2 /13h 10) Energinivåene for en partikkel med masse m i en kubisk boks med sidekanter L er E = h2 π 2 ( ) n 2 2mL 2 x +n 2 y +n 2 z, med positive heltallige kvantetall n x,n y,n z. Hva er degenerasjonsgraden til energinivået 7 h 2 π 2 /ml 2? A) 1 B) 2 C) 3 D) 6 E) 18 11) Hva er kommutatoren [x, p y ]? A) 0 B) i h C) i hx D) i hy E) i hz

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 3 av 8 12) Hva er kommutatoren [x, L y ]? A) 0 B) i h C) i hx D) i hy E) i hz 13) Til hvilke operatorer er ψ(x,y,z) = sin(kx+kz) cos(ky) en egenfunksjon? A) p x og p z B) p y C) p y og Ĥ D) Ĥ E) Ingen av de hittil nevnte Med moderne molekylstråleepitaksi har du produsert en lagdelt halvlederstruktur som gir opphav til et endimensjonalt potensial (figuren til venstre) V(x) = 0 for 0 < x < 1 og 6 < x < 7 nm; V(x) = V 0 = 0.83 ev for 1 < x < 6 nm; V(x) ellers. Vi skal i oppgavene 14 16 se nærmere på noen energiegentilstander for et elektron i dette potensialet. 1.4 0.10 0.06 1.2 B 0.04 V(x) (ev) 1.0 0.8 0.6 ψ(x) 0.05 0.00 A ψ(x) 0.02 0.00 0.4 0.05 0.02 0.2 C 0.04 0.0 2 0 2 4 6 8 x (nm) 0.10 0 1 2 3 4 5 6 7 x (nm) 0.06 0 1 2 3 4 5 6 7 x (nm) 14) Figuren i midten viser tre energiegentilstander, merket A, B og C. (Den stiplete linjen angir rett og slett x-aksen.) Ranger disse tilstandene, fra lavest til høyest energi. A) A, B, C B) B, C, A C) C, A, B D) A, C, B E) B, A, C 15) Hva kan du si om energien E A i tilstand A? A) E A V 0 B) E A V 0 /2 C) E A V 0 D) E A 3V 0 /2 E) E A V 0 16) Hva er et fornuftig estimat av energien i tilstanden i figuren til høyre? A) 1.2V 0 B) 2.8V 0 C) 5.0V 0 D) 9.4V 0 E) 25V 0

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 4 av 8 I et annet eksperiment har du produsert det endimensjonale potensialet i figuren nedenfor, til venstre: V(x) = 0 for 0 < x < L og V(x) = V 0 for L < x < 2L; V(x) ellers. Oppgavene 17 og 18 handler om dette potensialet. V(x) ψ(x) V 0 0 L 2L 0 L 2L 17) Hvor mange tilstander har lavere energi enn tilstanden ψ(x) i figuren til høyre? (Stiplet linje angir x-aksen.) A) 1 B) 3 C) 5 D) 7 E) 9 18) Hva er V 0? A) V 0 = 25π 2 h 2 /27mL 2 0 B) V 0 = 49π 2 h 2 /27mL 2 0 C) V 0 = 25π 2 h 2 /8mL 2 0 D) V 0 = 49π 2 h 2 /8mL 2 0 E) V 0 = 25π 2 h 2 /3mL 2 0 Grunntilstanden i hydrogenatomet er ψ 100 = Y 00 R 10. (Se formelarket.) Oppgavene 19 21 dreier seg om denne tilstanden. 19) Hva er den klassiske venderadien (dvs ytre grense for det klassisk tillatte området)? A) 0 B) a 0 /2 C) a 0 D) 3a 0 /2 E) 2a 0 20) Hvor er sannsynlighetstettheten ρ 100 = ψ 100 2 størst? A) i r = 0 B) i r = a 0 /2 C) i r = a 0 D) i r = 3a 0 /2 E) i r = 2a 0 21) Hvor er radialtettheten ρ 100 r 2 størst? A) i r = 0 B) i r = a 0 /2 C) i r = a 0 D) i r = 3a 0 /2 E) i r = 2a 0

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 5 av 8 Den isotrope tredimensjonale harmoniske oscillatoren, V(x,y,z) = 1 2 mω2 (x 2 +y 2 +z 2 ) = 1 2 mω2 r 2 = V(r), har energiegentilstander på produktform, ψ nxn y n z (n x n y n z ) = ψ nx (x)ψ ny (y)ψ nz (z), der ψ nx (x) osv er energiegentilstander til den tilsvarende endimensjonale harmoniske oscillatoren (se formelark). Oppgavene 22 24 dreier seg om denne isotrope harmoniske oscillatoren. 22) Hvor mange forskjellige slike energiegentilstander (n x n y n z ) har vi med energi E 11 hω/2? A) 5 B) 15 C) 25 D) 35 E) 45 23) I hvilke posisjoner (x,y,z) er ρ 110 = (110) 2 maksimal? A) (± h/mω, ± h/mω,0) B) (0,± h/mω, ± h/mω) C) (± h/mω,0,± h/mω) D) (± h/mω,0,0) E) (0,± h/mω, 0) 24) Hva blir systemets totale energi dersom det inneholder 10 ikke vekselvirkende elektroner? Anta lav temperatur, slik at elektronene inntar tilstander som resulterer i lavest mulig total energi. Husk at en romlig tilstand gir opphav til to ulike tilstander, siden et elektron har to mulige spinntilstander, opp eller ned. Husk også Pauliprinsippet. A) 5 hω B) 10 hω C) 15 hω D) 20 hω E) 25 hω 25) Ikke vekselvirkende elektroner som avgrenses til en kvadratisk todimensjonal boks (flate) med sidekanter L = 1.0µm har mulige energinivåer E = (n 2 x + n 2 y)π 2 h 2 /2m e L 2, med n x 1 og n y 1. Anta at du har en slik todimensjonal elektrongass med tetthet 10 12 pr cm 2. Hva er da energien E F til elektronet med høyest energi (Fermienergien)? Anta lav temperatur, slik at elektronene inntar tilstander som resulterer i lavest mulig total energi. Husk at en romlig tilstand gir opphav til to ulike tilstander, siden et elektron har to mulige spinntilstander, opp eller ned. Husk også Pauliprinsippet. A) 24 µev B) 2.4 mev C) 0.24 ev D) 24 ev E) 2.4 kev 26) En klassisk stiv rotator har (kinetisk) energi K = L 2 /2I. Her er L dreieimpulsen (se formelvedlegg) og I = jm j r 2 j treghetsmomentet (relativt en akse gjennom massesenteret). Jodmolekylet I 2 har bindingslengde d = 0.27 nm og masse 2m I = 253.8u. Hva er energidifferansen mellom laveste og nest laveste rotasjonstilstand for I 2 (når vi betrakter molekylet som en stiv rotator)? A) 9.0 nev B) 9.0 µev C) 9.0 mev D) 9.0 ev E) 9.0 kev

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 6 av 8 27) Vekselvirkningen mellom de to atomene i jodmolekylet beskrives brukbart med Morse potensialet V M (x) = V 0 ( 1 e κ(x d) ) 2. Her angir x avstanden mellom de to atomene, mens V 0, κ og d (bindingslengden) er parametre som kan tilpasses eksperimentelle målinger eller nøyaktige beregninger. For jodmolekylet gir verdiene V 0 = 1.7 ev og κ = 17.1 nm 1 brukbare resultater. Hva gir denne modellen for energidifferansen mellom jodmolekylets vibrasjonstilstander, E = hω? (Tips: Anta små utsving fra likevekt og et tilnærmet harmonisk potensial. Når x 1 er exp(x) 1+x.) A) 26 nev B) 26 µev C) 26 mev D) 26 ev E) 26 kev En kjemisk reaksjon kan modelleres med energifunksjonen E(x) = E 0 ( 1 2 x4 x 3 x 2 ). Her er E 0 = 3.2 ev, mens x er en dimensjonsløs reaksjonskoordinat. Anta at reaksjonen starter i et lokalt energiminimum og går via en transisjonstilstand (dvs et lokalt energimaksimum) til et globalt energiminimum. Oppgavene 28 30 dreier seg om denne reaksjonsmodellen. 28) Hva er verdien av x i reaksjonens transisjonstilstand? A) x TS = 0 B) x TS = 1 C) x TS = 2 D) x TS = 3 E) x TS = 4 29) Hva er reaksjonens aktiveringsenergi? (Dvs, forskjellen mellom transisjonstilstandens energi og energien i begynnelsestilstanden.) A) 0.1 ev B) 0.3 ev C) 0.5 ev D) 0.7 ev E) 0.9 ev 30) Hvor mye energi frigjøres (som varme) i reaksjonen? (Dvs, hva er energiforskjellen mellom begynnelses- og slutt-tilstanden?) A) 4.5 ev B) 6.5 ev C) 8.5 ev D) 10.5 ev E) 12.5 ev

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 7 av 8 II. ENDIMENSJONAL SPREDNING (Teller 25%) Potensialbarrieren i figuren nedenfor, med høyde V 0 og bredde L, kan realiseres i en lagdelt halvlederstruktur. V 0 exp(ikx) r exp( ikx) t exp(ikx) E x=0 x=l Vi ser på en stasjonær situasjon, der sannsynlighetsstrømmen ikke endrer seg med tiden. Et elektron kommer inn fra venstre med veldefinert impuls og beskrives med den plane bølgen ψ i (x) = exp(ikx). Når elektronet treffer barrieren, er det en viss sannsynlighet for at det reflekteres og en (resterende) sannsynlighet for at det transmitteres. Vi antar elastiske kollisjoner, slik at et reflektert elektron kan beskrives med ψ r (x) = r exp( ikx) mens et transmittert elektron kan beskrives med ψ t (x) = t exp(ikx). a) Vis at den totale bølgefunksjonen, ψ i (x) + ψ r (x) i området x < 0 og ψ t (x) i området x > L, er en egenfunksjon til Hamiltonoperatoren Ĥ = ( h2 /2m)d 2 /dx 2, og bestem på den måten elektronets energi E(k). b) Finn generelle uttrykk for bølgefunksjonen ψ b (x) i barriereområdet 0 < x < L, (i) for E > V 0 og (ii) for E < V 0. (NB: Vi er ute etter hva slags matematiske funksjoner som inngår i bølgefunksjonen. Du trenger ikke å regne ut de ubestemte integrasjonskonstantene i ψ b (x).) c) Finn uttrykk for sannsynlighetsstrømmene assosiert med innkommende, reflektert og transmittert bølge, henholdsvis j i, j r og j t. Hva er da den fysiske betydningen av r og t? d) Problemet inneholder fire ubestemte størrelser, r, t og de to integrasjonskonstantene i ψ b (x) disse kan vi kalle a og b. Hvilke (fire) grensebetingelser benyttes til å fastlegge r, t, a og b? e) Hvis E V 0, er transmisjonssannsynligheten Her er q = T = 1+ 1 4 2m(E V 0 )/ h og k = 2mE/ h. Hva er verdien av T når E = V 0? ( q k k q ) 2 sin 2 ql For bestemte verdier av E er T = 1. Hva er da elektronets bølgelengde i barriereområdet? Hvis E V 0, bør T bli den samme med kvantemekanikk som med klassisk mekanikk (den såkalte klassiske grensen). Sjekk om dette er tilfelle her. 1.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk Eksamen 2. juni 2016 Side 8 av 8 f) Hvis E < V 0, er transmisjonssannsynligheten T = 1+ 1 ( k 4 κ + κ ) 2 sinh κl 2 k Her er κ = 2m(V 0 E)/ h og k = 2mE/ h. Når E V 0 og κl 1, blir T 1, og T avtar eksponensielt med barrieretykkelsen L, dvs T exp( L/ξ). Vis dette, og finn et uttrykk for inntrengningsdybden ξ. Hvis vi lar L 0 og V 0, på en slik måte at produktet β = V 0 L er endelig (dvs verken null eller uendelig), får vi en såkalt δ funksjonsbarriere, V(x) = βδ(x). Vis at uttrykket for T ovenfor reduserer seg til T = (1+E δ /E) 1 i denne grensen, og bestem dermed størrelsen E δ. g) Potensialet i figuren nedenfor består av to barrierer med høyde 0.30 ev og bredde 15 Å, adskilt av en brønn med bredde 45 Å der V = 0 (som til høyre og venstre for dobbelbarrieren ). 1. exp(ikx) r exp( ikx) 0.30 ev t exp(ikx) E 15Å 45Å 15Å Transmisjonssannsynligheten T(E) for dette systemet ser slik ut, for innkommende elektroner med energi E mellom 0 og 0.25 ev: 1.0 0.8 0.6 T(E) 0.4 0.2 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 E (ev) Med andre ord, potensialbarriere nummer to sørger for at elektroner med bestemte energier (her, ca 0.014, 0.055, 0.12 og 0.21 ev) helt sikkert vil transmitteres! Regn ut elektronets bølgelengde ved disse fire energiene. Sammenlign med det du fant under 2. kulepunkt i oppgave e), og diskuter resultatene i lys av fenomener som resonans, interferens og stående bølger.