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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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.

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

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.

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Løysingsframlegg øving 1

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

3. Noen endimensjonale potensialer

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

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

3. Noen endimensjonale potensialer

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

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 19. august 2005 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

3. Noen endimensjonale potensialer

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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,

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

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

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

(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.

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

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

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

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

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

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

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

TFY4215_S2018_Forside

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

Transkript:

TFY4215 - Løsning øving 5 1 Løsning oppgave 16 LØSNING ØVING 5 Krumning og stykkevis konstante potensialer a. I et område hvor V er konstant (lik V 1 ), og E V 1 er positiv (slik at området er klassisk tillatt), har vi h 2 (V 1 E)ψ k 2 ψ, k 2m(E V 1 )/ h 2. Denne har to uavhengige løsninger, cos kx og sin kx [alternativt exp(±ikx)], og den generelle løsningen kan skrives på formen ψ(x) = A cos kx + B sin kx = ( ) A B A 2 + B 2 cos kx + A2 + B2 A2 + B sin kx 2 ( A (cos α cos kx + sin α sin kx), A A 2 + B 2, cos α ) A A2 + B, osv., 2 = A cos(kx α), dersom vi velger å arbeide med reelle koeffisienter. Som vi har sett for den endimensjonale boksen, krummer den sinusformede løsningen raskere jo større bølgetallet k er, dvs jo større K = E V 1 er. For den sinusformede løsningen kan vi altså bruke bølgetallet som et mål for hvor raskt løsningen krummer. Kommentar: Ut fra dette kan vi også danne oss et begrep om hvor raskt ψ krummer i klassisk tillatte områder hvor V (x) ikke er konstant, ved å skrive der h 2 [V (x) E]ψ [ k(x) ]2 ψ, k(x) 2m[E V (x)]/ h 2, (E > V (x)) ikke er et bølgetall i egentlig forstand, men likevel gir et begrep om hvor tett nullpunktene ligger. Se f.eks ψ 5 side 57 i boka. Se også figuren side 58 [som viser kvadratet (ψ 20 ) 2 av den 20. eksiterte tilstanden for den harmoniske oscillatoren. b. For et klassisk forbudt område hvor V (x) er konstant og større enn E, kan vi skrive den tidsuavhengige Schrödingerligningen på formen h 2 (V E)ψ κ2 ψ, κ 2m(V E)/ h 2. Denne har to uavhengige løsninger, e κx og e κx, slik at den generelle løsningen blir av eksponensiell type, ψ(x) = Ce κx + De κx. Denne krummer utover fra aksen, raskere jo større κ er, dvs jo større V E er, eller om vi vil: jo mer klassisk forbudt dette området er.

TFY4215 - Løsning øving 5 2 Siden potensialet er uendelig for x x 2, skal bølgefunksjonen være lik null i dette området. For å gi en kontinuerlig egenfunksjon må da løsningen for området x 1 < x < x 2 oppfylle kravet I dette området har vi da ψ(x 2 ) = C e κ(x x 2) + D e κ(x x 2) x=x2 = C + D = 0. ψ(x) = D (e κ(x x 2) e κ(x x 2) ) = 2D sinh[κ(x x 2 )], q.e.d. Enda enklere er det å merke seg at løsningen må være en lineærkombinasjon av de to uavhengige løsningene sinh[κ(x x 2 )] og cosh[κ(x x 2 )], hvorav den siste må forkastes pga kontinuitetskravet. c. (i) Dersom energiegenverdien E ligger lavere enn potensialverdien V 3 i området < x < x 3, må egenfunksjonen i dette området oppfylle h 2 [V 3 E]ψ κ 2 3ψ, Den generelle løsningen i dette området er da med κ 3 1 h ψ = Ce κ 3x + C e κ 3x. 2m(V 3 E). Her må C settes lik null, fordi en egenfunksjon ikke får lov å gå mot uendelig (divergere), hvilket exp( κ 3 x) gjør i grensen x. Egenfunksjonen har altså i dette tilfellet formen ψ = Ce κ 3x for x < x 3. Denne går eksponensielt mot null ute til venstre, er følgelig kvadratisk integrerbar, og beskriver dermed en lokalisert og bunden tilstand. (ii) Er energiegenverdien større enn V 3 i det samme området, blir løsningen for x < x 3 med et tilsvarende resonnement Normeringsintegralet ψ = A sin k 3 x + B cos k 3 x, x2 med k 3 1 h [ψ(x)] 2 dx 2m(E V 3 ). vil da divergere, og egenfunksjonen er ikke-lokalisert og beskriver følgelig en ubunden tilstand. (iii) Dersom det klaffer slik at energiegenverdien er akkurat lik V 3, har vi at ψ = 0 for x < x 3. Den generelle løsningen av denne er ψ = Ax + B. Her må vi sette A = 0 for å hindre at ψ divergerer i grensen x. Følgelig er ψ = B hele veien for x < x 3. Her kan vi som nevnt anta at B 0. Denne energiegenfunksjonen er følgelig ikke kvadratisk integrerbar, og beskriver altså en ubunden tilstand.

TFY4215 - Løsning øving 5 3 d. Da E 1 < V 0, har den tidsuavhengige Schrödingerligningen i barriereområdet formen ψ 1 = 2m h 2 [V 0 E 1 ]ψ 1 κ 2 1ψ 1, med κ 1 1 h 2m(V 0 0.67V 0 ). Denne har de to uavhengige løsningene exp(±κ 1 x) (alternativt cosh(κ 1 x) og sinh(κ 1 x)). En symmetrisk kombinasjon av exp(κ 1 x) og exp)( κ 1 x) har formen e. ψ 1 = 1 2 C 1(e κ 1x + e κ 1x ) = C 1 cosh(κ 1 x). ψ b forestiller en energiegenfunksjon. I barriere-området ser vi at den krummer mot aksen. Energien E må da være høyere enn barriere-høyden V 0. Vi ser også at krumningen er svak i dette området (forholdsvis lite bølgetall). Derfor må E V 0 være forholdsvis liten, dvs E er bare litt høyere enn V 0. I de to brønnene på begge sider av barrieren er bølgetallet større, og krumningen tilsvarende raskere. Vi merker oss ellers at løsningen er antisymmetrisk, med ett nullpunkt. Følgelig har vi å gjøre med første eksiterte tilstand. (Grunntilstanden er symmetrisk, uten nullpunkter.) Den andre funksjonen, ψ a, krummer som vi ser utover fra aksen nær de harde veggene, som er klassisk tillatte områder (hvor krumningen skal være mot aksen). Så dette er ingen energiegenfunksjon. f. Fra de oppgitte kurvene ser vi at λ a = L/2, mens λ b = 2L/7. Bølgetallene er altså k a = 2π λ = 4π L og k b = 7π L. Fra sammenhengen E V 0 = h 2 k 2 /2m har vi da at E a V 0 = π2 h 2 2mL 16 og E 2 b V 0 = π2 h 2 2mL 49. 2

TFY4215 - Løsning øving 5 4 g. (i) I barriereområdet, hvor E 1 = V (x) = V 0, skal ψ (i) 1 være både lineær og symmetrisk, dvs lik en konstant C (som vi godt kan sette lik 1, dersom vi ikke bryr oss om normeringen). For 0 < x < a 1 skal bølgefunksjonen være sinusformet, med et nullpunkt for x = 0 og med en kontinuerlig derivert for x = a 1. I dette området skal vi altså ha en kvart periode av sinusen, slik at vi må ha ka 1 = π/2, der k er bølgetallet. Vi har altså 1 π = ka 1 1 2 1 = a 1 2mE 1 = a 1 2mV 0 = a 1 = hπ. h h 8mV0 (ii) Her skal ψ (ii) 1 være lineær for a 2 < x < 2a 2, og denne rette linjen skal tangere sinuskurven for x = a 2. Da er det vel åpenbart at sinusdelen av kurven utgjør noe mer enn en kvart periode, slik at a 2 > a 1. [Vi kan bestemme a 2 ved å sette ψ 1 = sin kx for 0 < x < a 2. I dette området er da ψ 1/ψ 1 = k cot kx. For a 2 < x < 2a 2 kan vi sette ψ 1 = A(x 2a 2 ), og har da i dette området at ψ 1/ψ 1 = 1/(x 2a 2 ). Kravet om kontinuitet av ψ 1/ψ 1 gir da betingelsen k cot ka 2 = 1/a 2, dvs ka 2 cot ka 2 = 1 (π/2 < ka 2 < π). Ved å prøve deg fram med kalkulatoren vil du finne at løsningen av denne transcendente ligningen er ka 2 2.03, slik at a 2 /a 1 2.03/( 1 π) 1.29. ] 2 Løsning oppgave 17 a. Endimensjonal dobbelt-brønn

TFY4215 - Løsning øving 5 5 Vi merker oss at både ψ 1 og ψ 2 krummer bort fra aksen i barriere-området; både E 1 og E 2 er da mindre enn barriere-høyden V 0. I de tillatte områdene ser vi at både ψ 1 og ψ 2 er sinusformede, med tilnærmet like bølgetall. Dette betyr at E 2 E 1. Fordi både ψ 1 og ψ 2 har små verdier i barriere-området, bidrar dette området lite til begge normeringsintegralene. I og med at de to funksjonene er henholdsvis symmetrisk og antisymmetrisk, må de da ha tilnærmet like stor sannsynlighetstetthet i de tillatte områdene. Herav skjønner vi at ψ 2 (x) ψ 1 (x) i høyre brønn, og ψ 2 (x) ψ 1 (x) i venstre brønn. I barriereområdet i midten må ψ 1 være en symmetrisk lineærkombinasjon av e κ1x og 2m(V 0 E 1 )/ h 2, dvs den må gå som A cosh[κ 1 x]. Første eksiterte tilstand e κ1x, der κ 1 = ψ 2 skal tilsvarende være en antisymmetrisk lineærkombinasjon av e κ2x og e κ2x, der κ 2 = 2m(V 0 E 2 )/ h 2, dvs den må gå som B sinh[κ 2 x]. b. For t = 0 har vi da Ψ(x, 0) = 1 { 2ψ1 (x) i høyre brønn [ψ 1 (x) + ψ 2 (x)] 2 0 i venstre brønn. Dette betyr selvsagt at sannsynligheten for å finne partikkelen i høyre brønn ved t = 0 er tilnærmet lik 1. For t = T/2 = π h/(e 2 E 1 ) er e i(e 2 E 1 )t/ h = e iπ = 1, slik at Ψ(x, T/2) = 1 2 e ie 1t/ h [ψ 1 (x) ψ 2 (x)], der { 1 0 [ψ 1 (x) ψ 2 (x)] i høyre brønn 2 2ψ1 (x) i venstre brønn. Her er partikkelen like sikkert havnet i venstre brønn. Sannsynligheten oscillerer altså fram og tilbake mellom de to brønnene, med perioden T = 2π h/(e 2 E 1 ), analogt med den oscillerende sannsynligheten vi så i oppgave 13. Det nye her er at partikkelen tydeligvis er i stand til å forsere den klassisk forbudte barrieren. Dette er et eksempel på den såkalte tunnel-effekten. Dette er en ren kvantemekanisk effekt, for klassisk ville en partikkel være dømt til å oppholde seg i én av de klassisk tillatte brønnene. Det kan vises at energidifferansen E 2 E 1 blir mindre jo høyere vi gjør barrieren. Tiden T/2 = π h/(e 2 E 1 ) som partikkelen bruker på å komme gjennom barrieren vil altså øke jo høyere V 0 er.

TFY4215 - Løsning øving 5 6 c. Begynnelsestilstanden i denne problemstillingen kan vi tenke oss er preparert ved at partikkelen er plassert i høyre brønn ved t = 0. Ser vi nøyere på tidsforløpet mellom f.eks t = 0 og t = T/2, finner vi at bølgefunksjonen (og dermed sannsynligheten) lekker langsomt over fra den ene brønnen til den andre. Ved t = T/4 er f.eks sannsynligheten likt fordelt mellom de to brønnene, som forklart i oppgaveteksten. Dette betyr selvsagt ikke at partikkelen deler seg. Går vi inn og undersøker hvor partikelen er ved et gitt tidspunkt t, vil vi finne at den er enten til høyre eller til venstre. (I prinsippet er det til og med en liten sannsynlighet for å finne den i det forbudte området.) Det kan kanskje være lurt å tenke på at bølgefunksjonen beskriver oppførselen til et ensemble av slike systemer. Ved t = T/2 har alle partiklene flyttet seg til venstre brønn. Ved t = T/4 er omtrent halvparten til høyre og halvparten til venstre. Følger vi ett enkelt medlem av ensemblet, kan ikke kvantemekanikken forutsi når partikkelen passerer barrieren. Et halvklassisk bilde av denne prosessen er at hver partikkel fyker fram og tilbake mellom den harde veggen og barrieren, med en impuls p = ± hk. For hver gang den treffer barrieren er det en viss (liten) sannsynlighet for at den passerer. Denne transmisjons-sannsynligheten er mindre jo høyere barrieren er.