FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 3

Like dokumenter
FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Lars Kristian Henriksen Gruppe 3

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 2. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

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 Kvantefysikk, Oblig 3. Sindre Rannem Bilden,Gruppe 4

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 12/6 2017

Eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

Løsningsforslag til MEF1000 Material og energi - Kapittel 2 Høsten 2005

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 16/8 2013

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag til eksamen i FY8401/FY8410/VUF4001 IONISERENDE STRÅLINGS VEKSELVIRKNING MED MATERIE Onsdag 15. desember 2004

Frå klassisk mekanikk til kvantemekanikk: Litt bakgrunn/historie

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

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Elektromagnetisk bølge 1/23/2017. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

AST1010 En kosmisk reise

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Er naturkonstantene konstante?

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Strålingsfysikk /kjemi stråling del 2

Løsningsforslag til MEF1000 Material og energi - Kapittel 2 Høsten 2006

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

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

UNIVERSITETET I OSLO

Fysikkolympiaden 1. runde 23. oktober 3. november 2017

Kollokvium 4 Grunnlaget for Schrödingerligningen

Løsningsforslag til ukeoppgave 10

FYS 2150.ØVELSE 13 MAGNETISKE FENOMENER

Hvor stor er den kinetiske energien til molekylene i forrige oppgave?

Lysbølger. NATURENS DOBBELTSIDIGHET, bølge- og partikkelegenskaper

Ioniserende stråling og vekselvirkning med materie

5) Tyngdens komponent langs skråplanet, mg sin β, lik maksimal statisk friksjonskraft, f max = µ s N =

AST1010 En kosmisk reise

EKSAMEN I FAG FY 0001 Brukerkurs i fysikk Fakultet for naturvitenskap og teknologi Tid:

Innledning 1. TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Innledning 1

FYS 2150.ØVELSE 17 BRAGGDIFFRAKSJON

Eksamen i FY3403/TFY4290 PARTIKKELFYSIKK Mandag 12. desember :00 13:00

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

UNIVERSITETET I OSLO

Theory Norwegian (Norway)

Trygve Helgaker. 31 januar 2018

NTNU Fakultet for lærer- og tolkeutdanning

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4160 BØLGEFYSIKK Mandag 3. desember 2007 kl

Kortfattet løsningsforslag for FYS juni 2007

FYS2140 Kvantefysikk Forelesning 29. Maria V. Bøe og Marianne E. Bathen

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 19/8 2016

Lys. Bølger. Partiklar Atom

Eksamensoppgave. FYSIKK Bokmål. 2. juni 2017 kl

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Torsdag 3. juni 2010

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Eksamensoppgave i LGU53005 Naturfag 2 (5-10) emne 2

Kreftenes opprinnelse i rommet (Naturkreftenes prinsipp) Frode Bukten

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Løsningsforslag til ukeoppgave 16

Forelesningsnotater i FYS2140 Kvantefysikk S. Viefers, T. Engeland og M. Hjorth-Jensen

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

Institutt for fysikk Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk. Løsningsforslag til eksamen i FY3403 PARTIKKELFYSIKK Torsdag 31.

Det Vaknar. Arne Garborg

Atomets oppbygging og periodesystemet

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

De vikagste punktene i dag:

Løsningsforslag til eksamen i FYS1001, 15/6 2018

AST1010 En kosmisk reise

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

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Løsningsforslag EKSAMEN TFY4102 FYSIKK Fredag 10. juni 2011

Atommodeller i et historisk perspektiv

UNIVERSITETET I OSLO

Bølgeoptikk. Innledning. Teori. Trygve Bærland og Geir Amund Svan Hasle. 22. november 2011

10 6 (for λ 500 nm); minste størrelse av

Løsningsforslag til eksamen i FY3404 RELATIVISTISK KVANTEMEKANIKK Tirsdag 30. november 2004

UNIVERSITETET I OSLO

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 10. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

UNIVERSITETET I OSLO

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

I alt 20 deloppgaver som normalt gis lik vekt i vurderingen.

Løsningsforslag til eksamen i FYS1001, 12/6 2019

Løsningsforslag til konteeksamen i FYS1001, 17/8 2018

Løsningsforslag. for. eksamen. fysikk forkurs. 3 juni 2002

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 3. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

UNIVERSITETET I OSLO

Midtveis hjemmeeksamen. Fys Brukerkurs i fysikk Høsten 2018

FYS 3120: Klassisk mekanikk og elektrodynamikk

Transkript:

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2 Sindre Rannem Bilden, Gruppe 3 6. februar 2015

Obliger i FYS2140 merkes med navn og gruppenummer! Denne obligen har oppgaver som tar for seg fotoelektrisk eekt, Comptonspredning og Bohrs atommodell. Oppgavene er tatt fra Kompendiet, og heter der Oppgave 2.6, 2.10 og 3.4. Oppgave 1 (Ligner på tidligere eksamensoppgave) a) Gjør kort rede for den fotoelektriske eekten, og skissér en eksperimentell oppstilling som kan observere og måle denne eekten, og som demonstrerer at lys har kvantisert energi. Svar: Den fotoelektriske eekten går ut på at elektroner blir emittert fra en metallplate når elektromagnetisk stråling sendes mot platen. I oppsettet under vil elektroner emitteres fra en fotokatode og fanges i anoden ved hjelp av en påsatt spenning, dette resulterer i en strøm som kan måles med at amperemeter koblet til kretsen. Tre temaer rundt dette eksperimentet tilsier at lys er kvantisert. Intensitet Det var forventet at den kinetiske energien til emitterte elektroner ville øke med økende intensitet på den elektromagnetiske strålingen. Det viser seg at K maks = ev 0 er uavhengig av lysintensiteten. Frekvens Det var forventet at fotoelektrisk eekt ville forekomme ved alle frekvenser, men eksperimentet viste at det fantes en minste frekvens v 0 som gir strøm. Frekvenser under dette ga ingen emittasjon, noe som tilsier at lyset måtte bestå av fotoner med energi E = hν. Dette vil si at fotoner med E < ω 0 ikke gir emittasjon av elektroner.

Forsinkelse Klassisk fysikk tilsier at det vil ta tid fra lys treer fotokatoden til det emitteres elektroner. Det kan tenkes at elektronet lades"med energi fra en kontinuerlig kilde før det får nok energi til å emitteres. Eksperimentet viser at emittasjonen skjer momentant. Dette styrker teorien om fotoner da den nødvendige energien kommer samlet i én pakke. b) Den fotoelektriske arbeidsfunksjonen for kalium (K) er 2.0 ev. Anta at lys med en bølgelengde på 360 nm (1 nm = 10 9 m) faller på kaliumet. Finn stoppepotensialet for fotoelektronene, den kinetiske energien og hastigheten for de hurtigste av de emitterte elektronene. Svar: ω 0 = 2.0eV = 360nm K maks = hν ω 0 = hc ω 0 = 1240nmeV 360nm Som gir stoppepotensiale V 0 = 1.4V. Hastigheten regnes ut relativistisk: 1 V c = 1 = 2.6 10 3 c 1+ K maks mc 2 2.0eV = 1.4eV

c) En uniform monokromatisk lysstråle med bølgelengde 400 nm faller på et materiale med arbeidsfunksjon på 2.0 ev, og med en intensitet på 3.0 10 9 W m 2. Anta at materialet reekterer 50% av den innfallende stråle, og at 10% av de absorberte fotoner fører til et emittert elektron. Finn antall elektroner emittert per kvadratmeter og per sekund, den absorberte energi per kvadratmeter og per sekund, samt den kinetiske energi for fotoelektronene. Svar: = 400nm ω 0 = 2.0eV I = 3 10 9 W m 2 E foton = hν = hc = 3.1eV På en ate på 1m 2 over 1s vil det komme inn en total energi på R = 3 10 9 J 1.87 10 10 ev N foton = R E foton 6 10 9 N eemittert = N foton (% absorbert )(% emittert ) 3 10 8 E absorbert = N foton (% absorbert )E foton 9.4 10 9 ev K = E foton ω 0 = 1.1eV Oppgave 2 Et foton med bølgelengde = 1.00 10 11 m treer et fritt elektron i ro. Fotonet blir spredt i en vinkel θ, og får en bølgelengdeforandring gitt ved Comptons formel = = c (1 cos θ), hvor Comptonbølgelengden er c = 2.426 10 12 m. I denne oppgaven skal vi bare se på det som observeres i en vinkel θ = 60 (se gur 1). Energi og : foton y : foton θ = 60 x φ =? elektron Figur 1: Comptonspredning i vinkel θ = 60. bevegelsesmengde beregningene skal uttrykkes ved enheten ev.

a) Beregn energien og bevegelsesmengden til det innkommende fotonet. Svar: E = hν = hc p γ = E c = 124keVc 1 = 1240nmeV 10 2 nm = 124keV b) Finn bølgelengden, bevegelsesmengde og den kinetiske energien til det spredte fotonet. Svar: = C (1 cos θ) + 0 = 1.1213 10 2 nm p γ = hc c = 110.6keVc 1 E γ = hν = hc = 110.6keV c) Finn den kinetiske energien, bevegelsesmengden og spredningsvinkelen for elektronet. Svar: Ved å bruke bevaring av bevegelsesmengde ser vi at p γ y = p e y, og p γx = p γ x + p e x. Vi vet fra b) at p γ = 110.6keV c 1 og som følger blir p e y = p γ y = p γ sin(60 ) = 95.8keV c 1 p e x = p γ p γ x = p γ p γ cos(60 ) = 68.7keV c 1 Ved sammenslåing gir disse en total bevegelsesmengde p e = p e x 2 + p e y 2 117.9keVc 1 φ = tan 1 ( p ey p e x ) 54.4 Fra dette kan vi også nne den kinetiske energien K e = E e E e = (p ec) 2 + (m e c 2 ) 2 m e c 2 13.4keV som stemmer overens med bevaring av energi E e E e = E γ E γ Oppgave 3 a) Hvilke energier har lyskvant som faller i den synlige delen av spekteret, 4000 Å 7000 Å? Svar: Da energien til lyskvanten kan skrives E = hc vil en lyskvant med bølgelengde 4000Å 7000Å ha energi E = hc mellom E =4000å = 3.10eV og E =7000å = 1.77eV.

b) Oppgi noen spektrallinjer av atomært hydrogen og enkeltionisert helium som tilsvarer synlig lys. Svar: Bruker Bohrs atommodell, til å beregne H og He +. Skriver om Bohrs uttrykk for energi så den viser endring i energi fra n i til n f : E ni,n f = (2πk e ) 2 (Ze) 2 e 2 m e c 2 2(hc) 2 ( 1 n 2 f 1 n 2 i Hvor Z er antall protoner i kjernen og permitivitetskonstanten er skrevet om til passende enheter. ε 0 = 1.4177 10 39 C 2 ev 1 nm 1. n f n i H He + 1 2 121.4nm 30.36nm 3 102.5nm 25.62nm 2 3 655.82nm 164.0nm 4 485.8nm 121.46nm 5 433.8nm 108.4nm 3 4 1874nm 468.50nm 5 1281nm 320.25nm 4 5 4049nm 1012nm 6 2624nm 655.82nm 7 2164nm 541.1nm Figur 2: Tabell over verdier av n og tilhørende bølgelengder. Bølgelengder i fet skrift ligger i det synlige spekteret denert i a). ) c) Finn størrelsesorden av eekten på disse dersom man tar hensyn til rekylen av atomet under emisjonen, og vis at denne eekten er langt mindre enn isotopeekten, altså korreksjonen fra å bytte ut elektronmassen med redusert masse µ = m em k (m e + m k ), hvor m e og m k er massen til elektronet og kjernen. Svar: Om man tenker seg at elektronet er hardt bundet til atomet vil man måtte regne med atomets masse M istedenfor elektronets. Antar bevegelsesmengden er bevart gjennom emmisjonen. Har da p E + p γ = p E + p γ som gir p E = p γ. Antar at elektronet vil falle med samme energi uavhengig av rekyl og kan si E e = hν 0 = hc 0 for ingen rekyl. Kan også si E e = hν + p E 2 3M = hc + p 2 E 2M for situasjonen med rekyl.

+ p 2 E 2M Settes disse sammen får vi hc 0 = hc. Siden bevegelsesmengden er bevart vil p E være like stor som p γ men motsatt rettet, i kvadratet vil kun størrelsen ha betydning så skriver om likningen til hc = hc 0 + p 2 γ 2M = hc hc 0 = hc + + h2 2M 2 h2 2M 2 Enkle regneoperasjoner gir annengradsuttrykket: 0 0(hc) 2Mc 2 = 0 Løser dette med tilfeldig bølgelengde 0 = 400nm og med de respektive atommassene. H 400.00000062nm He 400.00000015nm + Endringen i bølgelengde = E 0 kan også nnes hvor vi ser at endringen grunnet rekyl blir mindre jo større kjernen sin masse er. H = 6.2 10 16 m = 0.62fm He + = 1.5 10 16 m = 0.15fm Når det gjelder isotopeekten erstattes elektronmassen med den reduserte massen µ = mem m e+m og setter inn i uttrykket for energiendring. E ni,n f = (2πk e ) 2 (Ze) 2 e 2 µc 2 ( 1 2(hc) 2 1 ) n 2 i Velger H = 655.82nm, (n f = 2, n i = 3) og He + = 655.82nm, (n f = 4, n i = 6) da disse fotonene er relativt like i energi. Finner reduserte massen med atommassene M H 1GeV/c 2 M He + 4GeV/c 2 og får µ H = 0.51074MeV/c 2 µ He + = 0.51093MeV/c 2. Dette gir H = 656.2nm og He + = 655.91nm, med endring på H = 380pm og He + = 90pm som vi ser er en mye større endring enn rekylen. n 2 f