UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
(θ,φ) er de sfæriske harmoniske. Her bruker vi sfæriske koordinater. x = rsinθcosφ, (2) y = rsinθsinφ, (3) z = rcosθ. (4)

UNIVERSITETET I OSLO

a) Bruk de Broglies relasjoner for energi og bevegelsesmengde til å vise at et relativistisk graviton har dispersjonsrelasjonen ω(k) = c λ g

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

EKSAMEN. Emne: Fysikk og datateknikk

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

NORSK TEKST Side 1 av 5

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Eksamen FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Løsninger

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Statikk og likevekt. Elastisitetsteori

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

MEK Stabilitet og knekning av konstruksjoner. Høst Prosjektoppgave: Forslag til løsning (skisse)

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

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,

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 2. august 2003 kl

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

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

UNIVERSITETET I OSLO

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Løsningsforslag til eksamen i klassisk mekanikk våren e N. R ρ m

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

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

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 10. september 2014

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

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

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

9 Kulesymmetrisk boks. Sylindersymmetriske

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

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Side 1 Det matematisk-naturvitenskapeige fakutet Eksamen i: FYS140 Kvantefysikk Eksamensdag: 10. juni Tid for eksamen: 09.00 (4 timer) Oppgavesettet er på fem (5) sider Vedegg: Ingen Tiatte hjepemider: Rottman: "Matematisk formesaming" Øgrim og Lian: "Fysiske størreser og enheter" Ange og Lian: "Fysiske størreser og enheter" Godkjent kakuator Ett A4 ark med egne notater (begge sider av arket) Kontroer at oppgavesettet er kompett før du begynner å besvare spørsmåene.

Oppgave 1 Hydrogenatom for kjemikere Idenneoppgavenskavisepåhydrogenatomet.Vrieniåreratvi ska skrive øsningen av Schrødingerigningen på en måte som kjemikere iker bedre. Vi ser bort fra spinn i denne oppgaven. Løsningen av den tidsuavhengige Schrødingerigningen for hydrogenatomet er som kjent ψ nm (r, θ, φ) =R n (r)y m (θ, φ), (1) hvor R n (r) er øsningene av den tihørende radiaigningen og Y m (θ, φ) er de sfæriske harmoniske. Her bruker vi sfæriske koordinater x = r sin θ cos φ, () y = r sin θ sin φ, (3) z = r cos θ. (4) Vi gir de ekspisitte uttrykkene for de enkeste av disse funksjonene i Tabe 1. R n (r) (θ, φ) R 10 (r) =Ae r/a Y0 0 (θ, φ) =B R 0 (r) = 1 8 A ( 1 r ) a e r/a Y1 0(θ, φ) = 3B cos θ R 1 (r) = 1 4 A r a e r/a Y 1 ±1 3 (θ, φ) = B sin θe±iφ Tabe 1: Oversikt over de enkeste radiafunksjonene for hydrogenatomet, R n,samtdesfæriskeharmoniske,y m. A og B er to normeringskonstanter og a er Bohrradien. Y m Vi begynner med itt generee spørsmå. a) Hva sags verdier kan kvantetaene n, og m ta for hydrogenatomet? [3 poeng] b) Gi normeringsbetingesen for bøgeunksjonen ψ nm.viantarseparat normering av R og Y.VisatnormeringsbetingesenforR er gitt ved 0 R(r) r dr =1. (5) c) Hva er enheten ti R(r)? Gienbegrunnese.[4poeng] d) Finn normeringskonstantene A og B. Hint: Du kan få bruk for føgende integra 0 x n e λx dx = n! λ (n+1). (6)

e) Forkar hva vi mener med degenerasjon. Bestem degenerasjonsgraden ti hydrogen som funksjon av n. Hint: Fra kombinatorikken har vi at (se for eksempe Rottmann) n = =1 n(n +1). (7) [6 poeng] Vi definerer så en ny type funksjon X m (θ, φ) som er ineærkombinasjoner av de sfæriske harmoniske: i [Y m ( 1) m Y m ] hvis m<0 X m = Y 0 hvis m =0. (8) f) Vis at 1 [Y m +( 1) m Y m ] hvis m>0 X 11 (θ, φ) = 3B sin θ cos φ og X 1, 1 (θ, φ) = 3B sin θ sin φ. (9) g) Forkar hvorfor R 1 X 11, R 1 X 10 og R 1 X 1, 1 er egentistander ti Hamitonoperatoren ti hydrogenatomet. [3 poeng] h) Hva sags verdier for (kvadratet av) anguærmomentet, L,kandufå dersom du måer et hydrogenatom i tistanden R 1 X 11?[3poeng] i) Er R 1 X 11 en egentistand ti ˆLz?Hvamed ˆL x? Begrunn svaret. [4 poeng] j) Hva er sannsynigheten for at du måer verdien for z-komponenten ti anguærmomentet ti et hydrogenatom som er preparert i tistanden Ψ( r, 0) = R 1 (r)x 11 (θ, φ)? [poeng] k) De sfæriske harmoniske kan skrives som Y m (θ, φ) =N m P m (cos θ)e imφ, (10) hvor N m er normeringskonstanter, og hvor P m (x) er de assosierte Legendrepoynomene som er reee funksjoner av x. Viharogsåat N m = N m og P m =( 1) m P m. Bruk dette ti å vise at dersom man skriver øsningene for hydrogenatomet på formen ψ nm (r, θ, φ) = R n (r)x m (θ, φ), såerbøgefunksjonenatidenreefunksjon.[5poeng] 3

Oppgave Oppruet dimensjon Idenneoppgavenskavisepåkvantemekanikkitoromdimensjoner, men hvor en av de to dimensjonene er en suttet sirke med omkrets L. Vibruker koordinatene (x, u) hvor x R og u [0,L]. Viviidenneoppgavenbruke et vanig uendeig brønn potensia { 0 dersom 0 <x<a V (x, u) = eers. (11) a) Forkar hvorfor Schrødingerigningen i to dimensjoner da skrives som ( ) m x + u Ψ(x, u, t) =i Ψ(x, u, t). (1) t når 0 <x<a.[3poeng] b) Hvasagsgrensebetingesemåvibrukeforbøgefunksjoneni u-retningen? [ poeng] Vi antar nå separasjon av variabe, atså at øsningene ψ(x, u) av den tidsuavhengige Schrødingerigningen kan skrives som produktet ψ(x, u) =X(x)U(u). c) Vis at de føgende uttrykkene for funksjonene X og U gir oss øsninger av den tidsuavhengige Schrødingerigningen for 0 <x<a: X(x) =A sin(k x x)+b cos(k x x) og U(u) =Ce ikuu. (13) d) Bruk grensebetingesene for ψ(x, u) ti å vise at B =0, hvor n x =1,, 3...,og k x = πn x a, (14) k u = πn u L, (15) hvor n u =0, ±1, ±,...[6poeng] e) Vis at energien kan skrives ved hjep av kvantetaene n x og n u som [ E nxn u = π ( ) ] a ma n x + n u. (16) L f) Hva er energien ti grunntistanden i dette potensiaet, og hvor mange eektroner kan befinne seg i den? Hvor mange kan finnes i tistanden(e) med nest avest energi? Anta at bredden av brønnen er a = 1nm. Massen ti et eektron er m =0.511 MeV/c.[6poeng] 4

g) Bruk normeringskravet ti ψ(x, u) for å vise at AC = /al sik at den fustendige øsningen bir ψ nxn u (x, u) = al sin (k xx)e ikuu. (17) h) Finn forventningsverdien ti p x for tistanden ψ n xn u (x, u). [3poeng] i) IgrensenL a viser igning (16) hva som skjer dersom det eksisterer små ekstra oppruede dimensjoner i verden. Vi minner om at energien for en uendeig brønn i en vanig dimensjon er E nx = π ma n x. (18) Gitt at størresen på denne ekstra dimensjonen er L =10 3 nm, hvor mye energi trenger jeg for å eksitere et eektron i den nye dimensjonen? [3 poeng] j) Hvor mye ekstra effektiv masse (hvieenergi) ser det ut som et eektron som er eksitert i den ekstra dimensjonen har? Hint: Ta utgangspunkt ieinsteinsformeforreativistiskenergiienvanigdimensjon E = p x c + m c 4.[3poeng] 5