Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015

Like dokumenter
FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Kandidat 11

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

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)

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014 Løsningsforslag

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 3. Sindre Rannem Bilden,Gruppe 4

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

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

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

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 8. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

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

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

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

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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.

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

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FYS2140 Kvantefysikk, Hjemmeeksamen V Leveringsfrist fredag 20. mars kl.14:45 (før ekspedisjonen stenger!!!)

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Torsdag 8. desember 2011

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

FYS2140 Kvantefysikk. Løsningsforslag for Oblig 7

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

7. δ-funksjonsbrønn. Fri partikkel. Spredning

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

(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

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

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

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

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

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

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Institutt for fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi. Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Onsdag 6.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1002 BØLGEFYSIKK Mandag 10. desember 2007 kl

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Transkript:

Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015 12. mars 2015

Det er i alt mulig på en god dag å få 20 poeng på denne hjemmeeksamen. Noen av oppgavene skal løses numerisk. Kompendiet om programmering, samt eksemplene på hjemmesiden, kan her være nyttige. Oppgave I denne oppgaven skal vi se på tunnelering. Dette er et fenomen med mange praktiske anvendelser, spesielt i moderne teknologi, men her skal vi se litt mer abstrakt på problemet. Vi ser først på en fri partikkel som begynner i en tilstand gitt ved bølgepakken Ψx,0 = Ae x x 0 2 /4a 2 e ilx, 1 hvor A er en normeringskonstant, og x 0, a og l er tre reelle parametre. a Finn A. [1 poeng] Svar: Vi bruker normeringsbetingelsen Ψx,0 2 dx = 1. 2 Integralet gir Ψx,0 2 dx = A 2 e x x 0 2 /2a 2 dx = A 2 e y2 2ady = A 2 π 2a = A 2 2πa, 3 hvor vi har brukt variabelbyttet y = x x 0 / 2a. Når vi velger en reell og positiv A så får vi A = 1 1/4 2πa 2. 4 b Lag et plott av sannsynlighetstettheten til denne tilstanden. Husk enheter på aksene. Velg konstanter selv, men vi anbefaller lengder på picometernivå. Hva forteller de tre konstantene oss? Hint: For å forstå betydningen av l kan det lønne seg å finne p for denne tilstanden. [2.5 poeng] Svar: Vi velger oss konstantene x 0 = 5.0pm og a = 1.0pm. Sannsynlighetstettheten er absoluttverdikvadratet av bølgefunksjonen: Ψx,0 2 = 1 1/2 2πa 2 e x x 0 2 /2a 2, 5

0.40 0.35 2 Ψx,t 0.30 [1/pm] 2 Ψx,t 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 15 10 5 0 5 10 15 x [pm] Figur 1: Sannsynlighetstettheten for 1 med x 0 = 5.0pm og a = 1.0pm. og er plottet i figur 1 ved hjelp av skriptet hjemmeeksamen1.py. Ved å forsøke forskjellige verdier for x 0 og a ser man raskt at disse sier hvor midtpunktet til initialtilstanden ligger x 0, og hvor bred den er a. Imidlertid forsvinner l i sannsynlighetstettheten. Vi følger hintet og finner p for Ψx,0: p = = = = Ψ x,0ˆpψx,0dx Ψ x,0 i h x Ψx,0dx Ψ x,0 i h 2x x 0 4a 2 Ψ x,0 i h x x 0 2a 2 i hil Ψx,0dx + hl Ψx,0dx = i h 2a 2 x x 0 Ψx,0 2 dx+ hl Ψx,0 2 dx = hl, 6 hvor vi har brukt at det første integralet er null fordi det er antisymmetrisk om x 0, og det andre er én fordi det er normeringsintegralet. Dette betyr at l gir størrelsen på bevegelsesmengden til partikkelen/tilstanden. c Denne bølgepakken har ikke en skarpt bestemt energi, men vis at for-

ventningsverdien kan skrives som [1.5 poeng] E = h2 l 2 +1/4a 2. 7 2m Svar: For en fri partikkel er energien rent kinetisk, E = K = p 2 /2m, som gir E = p2 2m. 8 Vi har videre at p 2 = Ψ x,0ˆp 2 Ψx,0dx = Ψ x,0 x 2 Ψx,0dx = h 2 Ψ x,0 x x 0 x 2a 2 +il Ψx,0dx = h 2 Ψ x,0 1 2a 2 + x x 0 2a 2 = h 2 Ψ x x0 2 x,0 4a 4 l 2 1 2a 2 Ψx,0dx = h2 1 4a 4 x x 0 2 2πa 2 = h2 1 1/2 2a 4 y 2 e y2 /2a 2 dy + h 2 l 2 + 1 2a 2 = h2 2a 4 2πa 2 1 2πa 2 = h2 4a 2 + h2 h 2 2 1/2 1 2 l 2 + 1 2a 2 0 1 3/2 2a 2 Γ 2 +il Ψx,0dx 1/2 e x x 0 2 /2a 2 dx+ h 2 l 2 + 1 2a 2 = h 2 l 2 + h2 4a 2 = h2 3 + h 2 l 2 + 1 2 2a 2 l 2 + 1 4a 2, 9 hvor vi igjen har brukt at integrander av typen x x 0 Ψ x,0 2 er antisymmetriske om x 0 og substitusjonen y = x x 0. Dette gir en forventningsverdi for energien på d Gitt bokspotensialet E = p2 2m = h2 l 2 +1/4a 2. 10 2m Vx = { V0 0 x L 0 ellers, 11

hvor V 0 > 0, finn analytisk sannsynligheten for transmisjon som funksjon av energien for en fri-partikkel planbølgeløsning ψx = Ae ikx med energi E < V 0, som kommer inn fra venstre. Tegn en figur som klart viser de forskjellige områdene i potensialet, og de innkommende og utgående bølgene som er relevante. [3 poeng] Svar: Figur 2 viser de tre områdene for potensialet I, II og III, de innkommende og utgående planbølgene, og løsningene inne i boksen. Merk at vi ikke har noen innkommende bølge fra høyre da denne ikke kan ha noen fysisk tolkning i dette problemet. Schrödingerligningen utenfor boksen fri partikkel er med k 2mE/ h, og inne i boksen d 2 ψ dx 2 = 2mE h 2 ψ = k2 ψ, 12 d 2 ψ dx 2 = 2mE V 0 h 2 ψ = κ 2 ψ, 13 med κ 2mV 0 E/ h, når 0 < E < V 0. Ae ikx Be ikx I Vx V 0 Ce κx De κx III Fe ikx II Figur 2: Skisse av potensialet gitt i 11. L x Schrödingerligningen har da de følgende løsningene i de tre områdene ψ I x = Ae ikx +Be ikx, 14 ψ II x = Fe ikx, 15 ψ III x = Ce κx +De κx. 16 Transmisjonssannsynligheten T er gitt som forholdet mellom absoluttverdikvadratet av utgående mot høyre amplitude F og innkommende fra venstre amplitude A, T = F 2 A 2. 17

Vi bruker kravet til kontinuitet for bølgefunksjonen, og den deriverte av bølgefunksjonen, i overgangen mellom de tre områdene x = 0 og x = L, for å finne forholdet mellom amplitudene A, B, B, D og F. Dette gir det følgende ligningssettet A+B = C +D, 18 Ce κl +De κl = Fe ikl, 19 ika ikb = κc κd, 20 κce κl κde κl = ikfe ikl. 21 For å løse dette for A og F må vi eliminere C og D som vi ikke er interessert i. Vi begynner med å ta ik18+20 og ik18 20 som gir 2ikA = ik +κc +ik κd, 22 2ikB = ik κc +ik +κd. 23 Deretter finner vi κ19+21 og κ19 21 Innsatt i 22 får vi 2ikA = κ+ik2 2κ 2κCe κl = κ+ikfe ikl, 24 2κDe κl = κ ikfe ikl. 25 Fe ik κl κ ik2 Fe ik+κl. 26 2κ Vi har nå det forholdet mellom A og F som vi trenger, og resten er ren pynting på resultatet. 1 [ A = κ+ik 2 e ik κl κ ik 2 e ik+κl] F 4ikκ 1 [ = κ+ik 2 e κl κ ik 2 e κl] e ikl F 4ikκ 1 [ = κ 2 +2ikκ k 2 e κl κ 2 2ikκ k 2 e κl] e ikl F 4ikκ 1 [ ] = 2ikκe κl +e κl κ 2 k 2 e κl e κl e ikl F 4ikκ 1 [ ] = 4ikκcoshκL 2κ 2 k 2 sinhκl e ikl F [ 4ikκ ] = coshκl κ2 k 2 sinh κl e ikl F, 27 2ikκ hvor vi har brukt fra Rottmann at 2coshx = e x +e x og 2sinhx = e x e x. Da er transmisjonssannsynligheten T = F 2 A 2 = 1 coshκl κ2 k 2 2ikκ sinh κl 2

= = = = 1 cosh 2 κl+ κ2 k 2 2 2kκ sinh 2 κl 2 1 1+sinh 2 κl+ κ2 k 2 2 sinh 2 κl 4k 2 κ 2 1 1+ κ2 k 2 2 +4k 2 κ 2 4k 2 κ sinh 2 κl 2 1 1+ κ2 +k 2 2 4k 2 κ sinh 2 κl, 28 2 hvor vi har brukt at cosh 2 x sinh 2 x = 1. Det som står igjen er å skrive om T til en funksjon av energien E. Vi bruker definisjonene for k og κ som gir og slik at κ 2 +k 2 = 2mV 0 E h 2 + 2mE h 2 = 2mV 0 h 2, 29 κ 2 k 2 = 2mV 0 E 2mE h 2 h 2 = 4m2 V 0 EE h 4, 30 κ 2 +k 2 2 4k 2 κ 2 = Vi får da endelig at TE = [ 1+ 2 2mV0 h 2 = 4 4m2 V 0 EE h 4 V 2 0 4V 0 EE. 31 V0 2 1 2mV0 E L] 4V 0 EE sinh2. 32 h e Bruk potensialet i oppgave d med verdiene V 0 = 1MeV og L = 0.25pm. Se på et elektron med masse m = 0.511MeV/c 2 som kommer inn fra venstre, nå med initialtilstand gitt ved 1. Gjør en numerisk simulering med hjelp av Schrödingerligningen av hva som skjer dersom du starter elektronet med x 0 = 5.0pm, a = 1.0pm og l = 2.0pm 1. Ut i fra denne simuleringen, gi en kort beskrivelse av hva som skjer med bølgefunksjonen til elektronet når den treffer potensialhindringen. Snakk med din lokale datamaskin. [2 poeng] Svar: Et forslag til numerisk løsning finnes i hjemmeeksamen2.py. Vi observerer at bølgepakken beveger seg mot potensialet, mens den sprer seg litt utover og faller. Når den treffer potensialet går en mindre del av den igjennom transmiteres, mens en del blir igjen, delt opp i mange mindre topper, som til slutt samler seg og går tilbake mot venstre reflekteres. Til slutt er det en mindre bølgepakker på vei mot høyre, og en større på vei tilbake til venstre.

f Hvordan kan man finne sannsynligheten for transmisjon numerisk for situasjonen i oppgave e? [1.0 poeng] Svar: Sannsynligheten for at partikkelen befinner seg i et intervall ved tiden t er integralet av Ψx,t 2 over intervallet. Sannsynligheten for transimisjon burde da være sannsynligheten for å finne partikkelen til høyre for potensialet etter kollisjonen. Denne kan vi finne ved numerisk integrasjon. g Finn numerisk sannsynligheten for transmisjon av bølgepakken i 1 som funksjon av energien, og sammenlign med svaret i oppgave d. Det holder om du regner ut transmisjonssannsynligheten for en håndfull verdier av energien. Hint: Bølgepakken vi sender inn har ikke en skarpt bestemt energi, så bruk E for energien. [2 poeng] Svar: I figur 3 viser vi transmisjonssannsynligheten fra oppgave d plottet sammen med numeriske verdier fra simuleringen for seks verdier av energien. Utregningen av de numeriske verdiene er gjort med hjemmeeksamen2.py, hvor vi bruker at energien er gitt fra c som E = p2 2m = h2 l 2 +1/4a 2. 33 2m Plottet er laget med hjemmeeksamen3.py. For det analytiske resultatet plotter vi bare for E < 1MeV da vi i utledningen antok at E < V 0. Vi ser at resultatene med de to metodene er ganske like. Det at vi bruker en mer realistisk bølgepakke med spredning i energi i stedet for planbølger med skarp energi har relativt liten effekt, men effekten ser ut til å vokse litt med energien. For veldig små verdier for l, hvor energien til bølgepakken går mot en konstant verdi h 2 /4a 2 m, få r vi også et avvik. Det numerisk resultatet har en fordel at det ikke begrenser seg til E < V 0. Til nå har vi regnet med Schrödingerligningen, som gir en ikke-relativistsisk kvantemekanisk beskrivelse. Vi skal her se på relativistiske korreksjoner til denne. Vi tar utgangspunkt i Einsteins forhold mellom energi og bevegelsesmengde E 2 = p 2 c 2 +m 2 c 4, 34 hvor p her er den relativistiske bevegelsesmengden. h Vis at energien kan skrives som E E 0 + p2 2m p4 8m 3 c2, 35

0.8 0.7 TE analytisk TE numerisk 0.6 0.5 TE 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 E [MeV] Figur 3: Transmisjonssannsynlighet TE som funksjon av energien E. der E 0 = mc 2 er hvileenergien, dersom p 2 c 2 m 2 c 4. [1 poeng] Svar: Vi kan skrive uttrykket for energi som E = p 2 c 2 +m 2 c 4 = mc 2 1+ p2 c 2 m 2 c4. 36 Rekkeutviklingen av 1+x 1/2 for x < 1 er, f.eks. fra Rottmann, 1+x 1/2 = 1+ 1 2 x 1 8 x2 + 1 16 x3 +... 37 Med x = p 2 c 2 /m 2 c 4 gir dette E = mc 2 1+ p2 c 2 2m 2 c 4 p4 c 4 8m 4 c 8 +... mc 2 1+ p2 c 2 2m 2 c 4 p4 c 4 8m 4 c 8, 38 når vi ignorerer høyere ordens ledd fordi p 2 c 2 m 2 c 4, eller x 1. Altså er E E 0 + p2 2m p4 8m 3 c2. 39

i På forelesning har vi diskutert hvordan man kan rettferdiggjøre Schrödingerligningen for en fri partikkel hvor V = 0. Argumenter med utgangspunkt i uttrykket 35 hvorfor det følgende utgjør en rimelig relativistisk korreksjon til Schrödingerligningen h2 2 Ψ 2m x 2 h4 4 Ψ 8m 3 c 2 x 4 +E 0Ψ = i h Ψ t, 40 og vis at den har den samme fri-partikkel planbølgeløsningen som Schrödingerligningen Ψx,t = e ikx ωt. 41 [2 poeng] Svar: I 35 har vi et uttrykk for energien til en fri partikkel. Dersom denne skal være oppfylt av en bølgeligning må vi følge samme oppskrift som Schrödinger og bytte ut de observable i energiligningen med de tilhørende operatorene: E Ê = i h, p ˆp = i h t x. 42 Her er det den relativistiske bevegelsesmengden vi bytter ut med ˆp. 1 Med ˆp 2 = i h i h = h 2 2 x x x2, 43 og ˆp 4 = h 2 2 x 2 h 2 2 x 2 = h 4 4 x4, 44 så gir dette differensialligningen i 40. Vi kan vise at denne er oppfylt for planbølgeløsningenψx,t = e ikx ωt. Vi finner første de deriverte: og 2 Ψ x 2 = ik Ψ x = ik2 Ψ = k 2 Ψ, slik at venstre side gir Ψ t 4 Ψ x 4 = ik4 Ψ = k 4 Ψ, 45 = iωψ, 46 h2 2 Ψ 2m x 2 h4 4 Ψ 8m 3 c 2 x 4 +E 0Ψ = h2 2m k2 Ψ h4 8m 3 c 2k4 Ψ+E 0 Ψ 1 Vi kan se på vår vanlige Schrödingerligning som en første tilnærming til en relativistisk energiligning, hvor vi bare beholder de to første leddene i 35.

mens høyre side er = h2 k 2 2m Ψ h4 k 4 8m 3 c 2Ψ+E 0Ψ = p2 p4 Ψ 2m 8m 3 c 2Ψ+E 0Ψ, 47 i h Ψ t = i h iωψ = hωψ = EΨ, 48 hvor vi har brukt de Broglies uttrykk for energi og bevegelsesmengde. Løsningen Ψx,t = e ikx ωt oppfyller altså den nye bølgefunksjonen nettopp når energiuttrykket 35 gjelder. j Finn gruppehastigheten v g til en fri partikkel som beskrives av differensialligningen i i. Sammenlign mv g med den relativistiske bevegelsesmengden p. Hvordan vil du tolke v g her? [2 Poeng] Svar: Gruppehastigheten v g er gitt som den deriverte av vinkelfrekvensen ω med hensyn på bølgetallet k, v g = dω/dk. Vi begynner med å skrive om uttrykket for energien ved hjelp av de Broglies relasjoner E = hω og p = hk for å finne vinkelfrekvensen: Dette gir en gruppehastighet på hω = E 0 + hk2 2m hk4 8m 3 c2. 49 v g = dω dk = hk m hk3 2m 3 c2. 50 Vi kan bytte tilbake til bevegelsesmengden igjen og får Da kan vi skrive mv g som v g = p m p3 2m 3 c2. 51 mv g = p p3 2m 2 c2. 52 Til sammenligning så kan relativistisk bevegelsesmengde p = γmv, med γ = 1 v 2 /c 2 1/2, skrives som en rekkeutvikling i hastigheten v: p = γmv = mv mv + mv3 2c 2 1+ v2 2c 2 +... = mv + m3 v 3 2m 2 c2, 53

hvor vi har sløyfet ledd av formen v 4 /c 4 og høyere potenser. Når vi sammenligner 52 og 53 så kan v g fortsatt tolkes som hastigheten til partikkelen fordi forskjellen mellom p 3 /2m 2 c 2 og m 3 v 3 /2m 2 c 2 vil være liten i grensen p 2 c 2 m 2 c 4. k Bruk differensialligningen 40 til å finne numerisk transmisjonssannsynligheten, som funksjon av energien, til en partikkel beskrevet av initialbetingelsen 1 som møter potensialet i 11. Hvilke energier er det rimelig å anta at denne beskrivelsen er god for? Sammenlign med transmisjonssannsynligheten fra deloppgave d og g. [2 poeng] Svar: Den nye differensialligningen har ledd med fjerdederiverte. For å implementere dette numerisk trenger vi sentraldifferansen for den fjerdederiverte, som er d 4 f dx 4 fx+2 x 4fx+ x+6fx 4fx x+fx 2 x x 4. 54 Denne kan brukes direkte i Crank-Nicolsons metode, som er implementert i eksempelfilene til programmeringskompendiet, ved å definere en sparse matrise D 3 som utførere derivasjonen. Dette er gjort i hjemmeeksamen4.py. Merk at vi godt kan ignorere leddet med hvileenergi i denne simuleringen. Som vi var innom i Oblig 4 så kan et konstant bidrag til potensialet absorberes i en fasefaktor som avhenger av tiden. For å sammenligne energiene mellom de tre modellene så må vi egentlig finne forventningsverdien for energien i den relativistiske tilnærmingen. Litt integralregning viser at E = h2 l 2 +1/4a 2 2m h4 l 4 +3l 2 /2a 2 +3/16a 4 8m 3 c 6. 55 Vi har likevel ikke trukket poeng her for besvarelser som ikke tar hensyn til dette. Fordi rekkeutviklingen for den relativistiske energien bare gir mening forp 2 c 2 /m 2 c 4 < 1, og høyere ordens ledd blir ubetydelige nårpc/mc 2 1, så må vi forvente at beskrivelsen bryter sammen når pc nærmer seg hvileenergien til elektronet som er 0.511 MeV. Siden forventningsverdien for bevegelsesmengden til bølgepakken var p = hl, så må vi anta at denne korreksjonen bare er god når l 2.5. Vi sammenligner resultatene fra denne simuleringen med tidligere deloppgaver i figur 4. Vi ser at den relativistiske beskrivelsen gir betydelig større transmisjonssannsynligheter opp mot E 0.15 MeV hvor l 2, men her begynner modellen med den relativistiske korreksjonen uansett å bryte sammen.

0.5 0.4 TE analytisk TE numerisk TE rel. korr. 0.3 TE 0.2 0.1 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 E [MeV] Figur 4: Transmisjonssannsynlighet TE som funksjon av energien E. Dette resultatet er overraskende, all den tid relativistiske korreksjoner burde være små, med mindre man er svært nær lyshastigheten. Denne relativistiske effekten er kjent som Kleins paradoks etter den svenske fysikeren Oskar Klein. 2 Det er imidlertid vanskelig å lage et så sterkt og bratt potensiale som vi har brukt i denne oppgaven i virkeligheten, men Kleins paradoks har stor betydning i dagens forskning på egenskapene til grafen. Vi vil til slutt også påpeke at den korreksjonen vi har tatt med bare er en av flere man finner dersom man tar utgangspunkt i den relativistiske Diracligningen for kvantemekanikk. 2 Se for eksempel http://en.wikipedia.org/wiki/klein_paradox.