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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

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

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - 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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

(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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Løsning til øving 17 for FY1004, våren 2008

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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 TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Torsdag 8. desember 2011

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

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

Løysingsframlegg øving 1

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

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)

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

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Eksamen i fag FY2450 Astrofysikk Fredag 21. mai 2010 Tid:

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

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

FY mai 2017 Side 1 av 6

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

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

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2014

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

Eksamen i fag RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Fredag 26. mai 2000 Tid: 09:00 14:00

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

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

FY juni 2015 Side 1 av 6

Eksamen i fag FY2450 Astrofysikk Onsdag 20. mai 2009 Tid:

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Transkript:

Side av 6 Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Navn: Jan Myrheim Telefon: 73 59 36 53 (mobil 90 07 5 7 Sensurfrist: Fredag 0 juni 008 Eksamen i fag FY004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30 mai 008 Tid: 0900 500 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, matematiske tabeller Alle deloppgaver teller likt ved sensuren Noen nyttige konstanter: Lyshastigheten i vakuum c = 99 79 458 m/s Permeabiliteten i vakuum µ 0 = 4π 0 7 N/A Permittiviteten i vakuum ǫ 0 = /(µ 0 c = 8,8548787 0 F/m Den reduserte Plancks konstant h =,054577 0 34 J s Elementærladningen e =,60773 0 9 C Elektronmassen m e = 9,09390 0 3 kg Protonmassen m p =,6763 0 7 kg Deuteronmassen m d = 3,343586 0 7 kg Bohr-radien a 0 = 4πǫ 0 h /(e m e = 5,9775 0 m Oppgave : Spinnet til en partikkel med spinn /, for eksempel et elektron, er en vektor S = h σ De tre komponentene av σ er Pauli-matrisene ( ( 0 0 i σ x =, σ 0 y = i 0, σ z = ( 0 0 a Anta at spinntilstanden til partikkelen er gitt ved spinoren ( ψ = 0 Beregn forventningsverdiene σ x, σ y og σ z i denne tilstanden Vi definerer for eksempel σ x = ψ σ x ψ Hvorfor sier vi at dette er en tilstand med spinn opp i z-retningen?

Eksamen i fag FY004 Side av 6 b Anta i stedet at spinntilstanden er gitt ved spinoren ψ = ( i Beregn forventningsverdiene σ x, σ y og σ z i denne tilstanden Beregn også variansene var(σ x, var(σ y og var(σ z Vi definerer for eksempel var(σ x = (σ x σ x = σ x σ x I hvilken retning har denne tilstanden spinn opp? c I en litt forenklet beregning av energinivåene til hydrogenatomet antar vi at atomkjernen er uendelig tung, så den ligger i ro Vi ser bort fra egenspinnet til atomkjernen, men inkluderer egenspinnet til elektronet Vi ser også bort fra relativistiske korreksjoner, som for eksempel spinn-banekopling Da er energinivåene entydig bestemt av hovedkvantetallet n =,, Det første eksiterte nivået i hydrogenatomet, med n =, har 8 tilstander, som kan skjelnes fra hverandre for eksempel ved hjelp av egenverdiene for L og L z, der L = r p er banedreieimpulsen til elektronet, og egenverdien for S z, som er z-komponenten av egenspinnet til elektronet Hva er egenverdiene for L, L z, og S z i de 8 tilstandene i nivået n =? d En av de 8 tilstandene med n = beskrives av følgende bølgefunksjon med to komponenter, ( Ψ = Ψ( r = C r e r a 0 Y 0 (θ,ϕ, der a 0 er Bohr-radien (se tabell over konstanter først i oppgavesettet, mens C er en normeringskonstant Polarkoordinatene (r, θ, ϕ er definert ved at x = r sin θ cos ϕ, y = r sinθ sinϕ, z = r cos θ De sfærisk harmoniske funksjonene Y l,ml = Y l,ml (θ,ϕ med l = 0 og l = er Y 00 = 4π, 3 Y = 8π sin θ eiϕ, 3 Y 0 = 4π cos θ, 3 Y, = 8π sin θ e iϕ I denne tilstanden Ψ er både L z og S z kvantisert, slik at L z Ψ = hψ, S z Ψ = h Ψ

Eksamen i fag FY004 Side 3 av 6 Vis at Ψ = C ( 0 (x + iye r a 0 Hva er sammenhengen mellom normeringskonstantene C og C? Hvis hydrogenatomet er i tilstanden Ψ, og vi roterer det 90 grader om x-aksen, i retning med urviseren, får vi en normert bølgefunksjon Φ der y-komponenten av banedreieimpulsen L og egenspinnet S begge er kvantisert, slik at Skriv ned bølgefunksjonen Φ L y Φ = hφ, S y Φ = h Φ Oppgave : To partikler med masser m og m beveger seg i tre dimensjoner Den potensielle energien V til systemet når partiklene er i posisjonene r og r, er en funksjon bare av den relative posisjonen r = r r, V = V ( r r = V ( r Massesenterposisjonen defineres som R = m r + m r m + m Partiklene har impulser p og p Den totale impulsen er Den relative impulsen defineres som P = p + p p = m p m p m + m Komponentene av posisjonene r, r og impulsene p, p oppfyller kanoniske kommutasjonsrelasjoner, det vil si at [x,p x ] = [y,p y ] = [z,p z ] = [x,p x ] = [y,p y ] = [z,p z ] = i h, mens alle andre kommutatorer mellom de seks operatorene er null a Komponentene av posisjonene R, r og impulsene P, p oppfyller også kanoniske kommutasjonsrelasjoner Vis spesielt at [x,p x ] = [X,P x ] = i h, og at [x,p x ] = [X,p x ] = 0

Eksamen i fag FY004 Side 4 av 6 b Hamilton-operatoren for topartikkelsystemet er Vis at H = p + p + V ( r r m m P H = M + p m + V ( r, når vi innfører den totale massen M og den reduserte massen m, definert ved at M = m + m, m = m + m c I den tidsuavhengige Schrödinger-ligningen Hψ = Eψ for dette topartikkelsystemet er det mulig å separere variable ved å anta at bølgefunksjonen ψ er et produkt på formen ψ( r, r = ψ ms ( Rψ rel ( r De to bølgefunksjonene ψ ms og ψ rel beskriver da henholdsvis massesenterbevegelsen og relativbevegelsen Utled en tidsuavhengig Schrödinger-ligning for hver av bølgefunksjonene ψ ms og ψ rel Disse to ligningene bestemmer energien E som en sum av to bidrag, E = E ms + E rel Hvilke verdier er mulige for energibidraget E ms fra massesenterbevegelsen? d I et hydrogenatom er den potensielle energien e V = V ( r = V (r = 4πǫ 0 r, der r = r = r r Grunntilstandsenergien er E = α mc = 3,6 ev, der m er den reduserte massen, og α er finstrukturkonstanten, α = e 4πǫ 0 hc = 37,035990 Hvorfor er energien proporsjonal med den reduserte massen, og ikke for eksempel med elektronmassen alene? Regn ut numerisk den reduserte massen, uttrykt ved elektronmassen, for et atom av hydrogen, med et elektron og et proton, for et atom av deuterium, med et elektron og et deuteron, og for et atom av positronium, som består av et elektron og et positron (elektronet og positronet har samme masse Hva er grunntilstandsenergien i positronium? Se tabell over fysiske konstanter først i oppgavesettet

Eksamen i fag FY004 Side 5 av 6 e Hydrogen α-linjen i hydrogenspektret har bølgelengde 656,8 nm Den er den viktigste spektrallinjen til hydrogen innenfor den synlige delen av spektret Hva er bølgelengden for den tilsvarende linjen i spektret til deuterium? Doppler-effekten på grunn av termiske bevegelser av atomene gjør spektrallinjene bredere På soloverflaten er temperaturen nærmere 6000 K, og Doppler-effekten gir da hver spektrallinje til hydrogen en bredde som er 4 0 5 av bølgelengden Når vi tar hensyn til Doppler-effekten, er det da mulig å se forskjell på spektrallinjene til hydrogen og deuterium, og dermed måle mengdeforholdet mellom dem på Sola? Oppgave 3: Den tidsavhengige Schrödinger-ligningen for en endimensjonal harmonisk oscillator er i h ( t ψ(x,t = h m x + mω x ψ(x,t ( Her er m massen til partikkelen, og ω er vinkelfrekvensen til oscillatoren I hele denne oppgaven ser vi på den spesielle bølgefunksjonen ψ(x,t = C e αx +β(t x+γ(t, ( der C og α er konstante koeffisienter, mens β(t og γ(t er tidsavhengige koeffisienter a Vis at bølgefunksjonen ψ(x, t i ligning ( er en løsning av den tidsavhengige Schrödingerligningen ( når følgende tre ligninger er oppfylt: α = mω h, dβ = iωβ, (3 dt dγ dt = i ω + i hβ m En slik løsning av Schrödinger-ligningen kalles en koherent tilstand for den harmoniske oscillatoren b Vi setter α = mω/( h, i følge ligning (3 En løsning av ligning (3 for β og γ er da β(t = αx 0 e iωt, γ(t = i ωt αx 0 e iωt, der x 0 er en vilkårlig integrasjonskonstant Vi antar her at x 0 er reell og positiv Vis at da er ψ(x,t = C e α(x x 0 cos(ωt +αx 0

Eksamen i fag FY004 Side 6 av 6 c Normeringskonstanten C velges slik at dx ψ(x,t = C e αx 0 Forventningsverdien i denne tilstanden av posisjonen x er x = Forventningsverdien av x er x = dx e α(x x 0 cos(ωt = dx x ψ(x,t = x 0 cos(ωt dx x ψ(x,t = x 0 cos (ωt + 4α = x 0 cos (ωt + h mω Beregn forventningsverdien av impulsen p, definert som p = Hint: en mulig metode er å vise først at dx (ψ(x,t h i p = i h( α x + β Beregn også p, for eksempel ved å vise først at x ψ(x,t p = h (4α x 4αβ x + β α Merk at β er en kompleks størrelse Er forventningsverdiene p og p reelle? d Beregn usikkerhetene x og p i den samme tilstanden, i følge definisjonene x = var(x = x x, p = var(p = p p Hva menes med at den koherente tilstanden ψ(x, t er en minimum usikkerhetstilstand? Hva er forventningsverdien av energien, det vil si av Hamilton-operatoren Er H tidsavhengig? H = p m + mω x? e Den koherente tilstanden gitt ved bølgefunksjonen ψ(x, t ovenfor illustrerer Bohrs korrespondanseprinsipp, at klassisk mekanikk kan utledes fra kvantemekanikk, i en viss forstand Den koherente tilstanden er en kvantemekanisk tilstand til den harmoniske oscillatoren som ligner maksimalt på en klassisk tilstand Begrunn kort denne påstanden! Hva er energien til den klassiske harmoniske oscillatoren i den tilsvarende klassiske tilstanden?