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

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

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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

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

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

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

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

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.

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

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 =,

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

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

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

1 Stokastisk variabel

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

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

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

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

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

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)

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

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

(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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 7. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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

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

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

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

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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.

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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 Tirsdag 10. august 2010 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Lys. Bølger. Partiklar 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.

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 11. Sindre Rannem Bilden og Gruppe 4

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

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

Transkript:

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 Frist for innlevering: tirsdag 3. februar Oppgave 1 ØVING 2 Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar Ein partikkel med masse m bevegar seg i eit eindimensjonalt potensial V (x). Partikkelen er i ein tilstand som svarer til ei reell løysing av den tidsuavhengige Schrödingerligningen, Ĥψ(x) = Eψ(x), med energien E. I ein dimensjon er Hamiltonoperatoren d 2 Ĥ = ˆK + V = h2 + V (x). (0.1) 2m dx2 Vi kan difor omskrive Schrödingers tidsuavhengige likning på forma h2 d 2 ψ(x) = [E V (x)]ψ(x) dvs. 2m dx 2 d 2 ψ/dx 2 ψ = 2m 2 [V (x) E]. (0.2) h (i) I klassisk tillatne område, det vil seie når E > V (x) er altså krumninga d 2 ψ/dx 2 negativ når ψ er positiv og vice versa; i begge tilfelle er den relative krumninga ψ /ψ negativ. Vi ser at dette tyder at ψ må krumme mot aksen. Døme: (ii) I klassisk forbode område, det vil seie når E < V (x) er krumninga d 2 ψ/dx 2 positiv når ψ er positiv og vice versa; i begge tilfelle er den relative krumninga ψ /ψ positiv. ψ vil da krumme bort frå aksen. Døme: (iii) I eit klassisk vendepunkt, der V (x) E skiftar forteikn, ser vi av formelen ovanfor at den relative krumninga skiftar fortein. Er V (x) = E i eit endelig område blir ψ = 0 i dette området. Ved integrasjon ser ein at ψ sjøl er ein lineær funksjon, ψ = Ax + B, i dette området. Vi skal sjå at krumninga er eit veldig nyttig redskap når ein skal studere energieigenfunksjonar. a) Grunntilstanden for ein harmoniske oscillator med potensialet V (x) = 1 2 kx2 1 2 mω2 x 2 er ψ 0 (x) = C 0 e mωx2 /2 h. (0.3)

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 2 Energien E 0 for grunntilstanden er lik 1 2 hω. Kontrollér at ψ 0(x) oppfører seg slik reglane ovanfor seier. Sjekk spesielt at den relative krumninga skiftar forteikn for dei x-verdiane som svarer til dei klassiske vendepunkta, det vil seie der E 0 = V (x). b) Figuren viser grunntilstanden ψ for eit eindimensjonalt potensial på forma for x > b, V (x) = 0 for a < x < b, V 0 for x < a. I områda a < x < b er ψ ein lineær funksjon. Bruk dette til å finne energien E for denne tilstanden. Kva forteikn har V 0? Hint: bruk figuren til å finne den relative kruminga i området x < a. Oppgave 2 Ymse a) For ein partikkel med masse m i eit boks-potensial med breidde L er energieigenfunksjonen for grunntilstanden ψ 1 (x) = 2/L sin(πx/l). Kva skjer med energinivået E 1 for grunntilstanden i eit boks-potensial når breidda L av boksen reduserast til ein tredel av den opprinnelege? b) For ein gjeven bølgjefunksjon ψ(x) kan vi vha forventningsverdipostulatet rekne ut x = ψ xψ dx, x 2 = ψ x 2 ψ dx, (0.4) p x = ψ ˆp x ψ dx p 2 x = ψ ˆp 2 xψ dx, (0.5) der ˆp x = i h d. Med desse uttrykka kan vi rekne ut usikkerheitene x dx og p x = p 2 x p x 2. Med bølgjefunksjonen ψ 1 (x) = = x 2 x 2 2/L sin(πx/l) kan ein lett vise at x = L og 2 x2 = L2 (2 3 ). Rekn ut p 6 π 2 x og p 2 x. Bruk dette til å rekne ut x og p. Som du ser er usikkerheiten til x proporsjonal med L og usikkerheiten til p omvendt proporsjonal med L. Rekn til slutt ut produktet x p. Viss du har rekna rett, 1 får du x p > 2 h. Dette er eit døme på eit generelt resultat i kvantemekanikken, nemleg

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 3 Heisenberg uskarpheitsrelasjon. Ein kan vise at uansett korleis bølgjefunksjonen er, kan usikkerheitsproduktet aldri x p aldri bli mindre enn 2 h: 1 x p 1 2 h. (0.6) I bølgjeteori lærer ein at jo kortare ei bølgjegruppe eller bølgepakke f(x) = 1 2π g(k)e ikx dk er, desto større blir usikkerheiten k i bølgjetalet. Med k = p x / h kan vi og seie at jo kortare ei bølgjegruppe ψ(x) = 1 φ(p x )e ipxx/ h dp x 2π h er, desto større må usikkerheiten p x i impulsen ( p x = h k) vere. Omvendt kan vi alltid gjere p x liten ved å velge ein smal funksjon φ(p x ) eller g(k), men dette vil da straffe seg ved at bølgja ψ(x) blir svært lang, dvs usikkerheiten x i partikkelens posisjon blir stor. Uskarpheitsrelasjonen ovanfor er eit spesialtilfelle av ein meir generell uskarpheitsrelasjon for to fysiske observable F og G, ( F ) Ψ ( G) Ψ 1 i[ F, Ĝ] (kvadratisk integrerbare) Ψ. 2 Ψ Frå den siste relasjonen framgår det at Heisenbergs uskarpheitsrelasjon er ein konsekvens av at x og p x ikkje kommuterer: [x, p x ] = i h. Det er denne relasjonen som gjer at observablane x og p x ikkje kan ha skarpe verdiar samtidig. Eit anna døme på observable som ikkje kan ha skarpe verdiar samtidig, er komponentane L x = yp z zp y, L y = zp x xp z og L z = xp y yp x av dreieimpulsen L = r p for ein partikkel. Desse er som vi skal sjå viktige observable for system som beskrivast vha kulesymmetriske potensial, som t.d. H-atomet. c) V og K for grunntilstanden i hydrogen I forelesningane og i øving 1 har vi sett at grunntilstanden for hydrogenatomet er ψ 1 = (πa 3 0) 1/2 e r/a 0 og har energien E 1 = 1 2 α2 m e c 2 ( 13.6 ev). Vis at forventningsverdiane av den kinetiske og den potensialle energien i denne tilstanden er V = 2E 1 ( 27.2) ev og K = E 1 ( 13.6) ev. Du kan få bruk for integralet og x p x 1 2 h 0 x n e αx dx = n! α n+1. (Heisenbergs uskarphetsrelasjon),

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 4 d) Estimat av K Gjør eit enkelt overslag av K = 1 2m p 2 x + p 2 y + p 2 z for hydrogentilstanden ψ 1, ved hjelp av uskarpheitsrelasjonen og samanlikn med formelen ovanfor. Hint: Anta at p x 2 h/a 1 0 osv, og bruk at p x = p y = p z = 0. Merk at ( p x ) 2 = p 2 x p x 2. Det kan hende du får bruk for å vise at Rydberg-energien 1 2 α2 m e c 2 også kan skrives på forma h 2 /(2m e a 2 0). Oppgave 3 I denne oppgåva ser vi på eit system som ganske enkelt består av ein fri partikkel med masse m. Ein tenkjer seg at dette systemet (eller eigentleg eit ensemble av slike) blir preparert i ein tilstand med bølgjefunksjon ved t = 0 1 Ψ(x, 0) = (2πσ 2 ) 1/4 e x2 /4σ 2 e ip 0x/ h. Merk at bølgegruppa Ψ(x, 0) er ei harmonisk planbølgje modulert med ein Gauss-faktor. Gauss-faktoren sørgjer for at Ψ(x, 0) er kvadratisk integrerbar (i motsetning til den harmoniske planbølgja exp(ip 0 x/ h) som vi har i de Broglie-bølgjene). Ifølgje postulat B ( tilstandspostulatet ) inneheld funksjonen Ψ(x, 0) all den informasjonen om ensemblet (ved t = 0) som det er mogleg å skaffe seg. Som eit ledd i arbeidet med å knekke den kvantemekaniske koden skal vi nå sjå korleis vi kan hente ut denne informasjonen a) Argumentér for at forventningsverdien av posisjonen x for denne tilstanden ved t = 0 er lik null, og for at usikkerheiten x er uavhengig av parameteren p 0. Hint: Sjå på sannsynlegheitstettheiten Ψ(x, 0) 2. (Moralen er her at det lønner seg med litt oversikt; istadenfor berre å rekne slavisk i veg.) b) Rekn ut x. Hint: For å spare litt arbeid med integrasjonene er det kanskje en fordel å innføre α = 1/2σ 2, og merke seg Gauss-integrala I 0 (α) e αx2 dx = π α, I 2(α) x 2 e αx2 dx = I 0 α = π 1 2 α 3/2, osv. 1 Korleis ein skal gå fram eksperimentelt for å prepare eit einsemble av frie partiklar slik at initialtilstandent svarer til bølgefunksjonen Ψ(x, 0) er kanskje ikkje heilt lett å førestille seg. I kvantemekanisk teori er det vanleg å anta at ein i prinsippet kan prepare einkvar initialtilstand for det aktuelle ensemblet utan å bekymre seg for mykje om det reint praktiske. La oss likevel gjere eit forsøk. Vi har ein partikkel-kanon som skyt ut ein partikkel som forlet kanonen (x 0) ved t = 0, med impuls p 0. For å få eit ensemble av slike partiklea må vi gjenta eksperimentet mange gangar og nullstille klokka etter kvar avfyring. Alternative kan vi sende ut ein skur av partiklar samtidig ved t = 0. Eit slikt ensemble kan vi representere ved ein bølgefunksjon i form av ei bølgegruppe som følgjer partikkelskuren.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 5 Kva er den fysiske tolkninga av x og x, når ein gjer ein serie målingar av posisjonen x? c) Dersom ein veljer parameteren σ veldig stor, er Ψ(x, 0) praktisk talt ei rein harmonisk planbølgje. Ei harmonisk planbølgje exp(ip 0 x/ h) svarer som vi husker til ein skarpt definert impuls, p x = p 0. Kva trur du ut frå dette vil skje med forventningsverdien p x og usikkerheiten p x når σ vokser mot uendeleg? d) Funksjonen Ψ(x, 0) gjev også eit nøyaktig svar på spørsmåla i c): Bruk forventningsverdipostulatet (C) til å rekne ut p x og p x (for vilkårleg p 0 ), og vis at usikkerheitsproduktet x p x faktisk har den minste verdien det kan ha ifølgje Heisenbergs uskarpheitsrelasjon, for alle σ og p 0. [Hint: Vis at p x Ψ(x, 0) = (p 0 + i hαx)ψ(x, 0) og p 2 xψ(x, 0) = [(p 0 + i hαx) 2 + h 2 α]ψ(x, 0), α = 1/2σ 2. Med desse uttrykka vil du sjå at dei integrala som dukkar opp under utrekninga av p x og p 2 x er normeringsintegralet samt integrala for x og x 2, som vi alt har rekna ut. Her er det altså igjen lurt å skaffe seg litt matematisk oversikt og ikkje rekne i veg. Kva er den fysiske tolkninga av p x og p x, når ein gjer serie målingar av impulsen p x? p x og p x har samanheng med sannsynlegheitsfordelinga av impulsen p x i den aktuelle tilstanden. Kan ein tenkje seg at ein kan finne sannsynlegheitsfordelinga for impulsen frå bølgjefunksjonen Ψ(x, 0)? e) Oppførselen til systemet vårt for t > 0 er gjeven ved Schrödingerlikninga for ein fri partikkel. Bølgjegruppa vil da bevege seg. Kva gruppehastigheit trur du at bølgjegruppa Ψ(x, t) får?