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

Like dokumenter
Løysingsframlegg øving 1

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 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.

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

UNIVERSITETET I OSLO

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

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 SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

(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 Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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)

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

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

TFY Øving 8 1 ØVING 8

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

NORSK TEKST Side 1 av 5

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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 TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fredag 19. august 2005 kl

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

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

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

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

(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.

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

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 4 1 LØYSING ØVING 4. Vibrerande to-partikkelsystem. = k(x l) og F 2 = V = V. k (x l) dvs ω 1 =,

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.

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

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Transkript:

TFY425 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving Løsning oppgave a. LØSNING ØVING Vi merker oss at sannsynlighetstettheten, Ψ(x, t) 2 = A 2 e 2λ x, er symmetrisk med hensyn på origo. For normeringsintegralet finner vi da = A 2 e 2λ x dx = 2A 2 e 2λx dx = 2A2 2λ. Vi må altså ha A = λ. [Merk: Dersom du ønsker å regne ut den delen av integralet som går fra x = til x = så må du passe på å sette x = x i denne delen.] b. Pga den nevnte symmetrien er forventningsverdien for posisjonen x gitt ved x =. Forventningsverdien av x 2 finner vi slik: x 2 = x 2 Ψ(x, t) 2 dx = 2A 2 c. Standardavviket (her kalt usikkerheten) blir da x = x 2 x 2 = λ 2. x 2 e 2λx dx = 2λ 2! (2λ) 3 = 2λ 2. Sannsynligheten for å finne partikkelen utenfor intervallet ( x x, x + x) er P x > x = 2 Ψ 2 dx = 2λ e 2λx dx = e 2 =.243. x x Bølgefunksjonen Ψ(x, t) i denne oppgaven er faktisk en løsning av Schrödingerligningen, i h Ψ = ( h2 2 + V (x))ψ, for et merkelig potensial V (x). Men det skal vi (eventuelt) t 2m x 2 komme tilbake til. [Når ψ har en knekk, får den deriverte et sprang den andrederiverte vil da gå som en deltafunksjon; jf Appendix B i Hemmer. Det aktuelle potensialet må altså inneholde en deltafunksjon.] Dette er et poeng som du i Espen Askeladds ånd bør ta med deg i sekken, bruke neste gang du kommer ut for en sannsynlighetsfordeling som er symmetrisk med hensyn på et gitt punkt.

TFY425 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 2 Etter litt trening er det en fordel om en kan utvikle et visst snekker-skjønn når det gjelder å anslå både forventningsverdier usikkerheter. Løsning oppgave 2 Fotoner mot et vindu Her bør vi hente inspirasjon fra dobbeltspalt-forsøket: For det første gir Maxwells ligninger et bølgemønster en intensitetsfordeling som brer seg over et stort vinkelområde bak de to spaltene. For det andre: Om vi sender bare ett foton mot spaltene, så blir ikke dette smurt utover skjermen i henhold til intensitetsfordelingen, men tvert imot observert i et punkt. Konklusjonen var at intensitetsfordelingen som følger fra Maxwell må oppfattes som en sannsynlighetsfordeling. Tilsvarende blir fotonet som sendes mot vinduet ikke delt i to (slik bølgegruppen blir); det blir enten reflektert eller transmittert. Teorien kan ikke forutsi hvilket av disse utfallene vi får. Det teorien kan forutsi, er at sannsynligheten for refleksjon er 4%, mens sannsynligheten for transmisjon er 96 %. Dette kan etterprøves eksperimentelt ved å sende et stort antall fotoner mot vinduet (eller som vi sier, ved å bruke et ensemble av fotoner). Løsning oppgave 3 Grunntilstand. eksiterte tilstand for harmonisk oscillator a. Siden ψ (x) avhenger bare av x, kan vi erstatte / x med d/dx. Vi regner først ut dψ dx = C e βx2 ( 2βx) d 2 ψ dx 2 = C e βx2 (4β 2 x 2 2β). Ved innsetting finner vi da at Ĥψ = h2 2m ψ + ( 2 mω2 x 2 )ψ

TFY425 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 3 = C e βx2 [ ] h2 2m (4β2 x 2 2β) + 2 mω2 x 2 = [ x 2 ( 2 mω2 2 h 2 β 2 /m) + ( h 2 β/m) ] ψ. Det er to kriterier som må være oppfylt for at ψ skal være en egenfunksjon til Ĥ (i matematisk forstand): (i) Parentesen [ ] på høyresiden må være en konstant, (ii) Løsningen ψ må ikke divergere, mer presist vil dette si at det må gå an å normere den. Fra (i) følger det at β må oppfylle betingelsen β 2 = m2 ω 2 4 h 2 = β = ± mω 2 h. Her ser vi at β = mω/2 h gir en funksjon ψ som går mot uendelig når x. Fra (ii) følger det altså at bare β = +mω/2 h gir en akseptabel løsning, dvs en egenfunksjon. For denne verdien av β har vi Ĥψ = h2 m mω h ψ = 2 hω ψ E ψ. mωx2 /2 h Konklusjonen er at ψ (x) = C e er en egenfunksjon til Hamilton-operatoren Ĥ for den harmoniske oscillatoren, med egenverdien E = 2 hω. Siden Hamilton-operatoren Ĥ er energioperatoren for denne harmoniske oscillatoren, kaller vi egenfunksjonen en energiegenfunksjon, egenverdien en energiegenverdi. [Denne løsningen svarer i virkeligheten til (beskriver) grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren, som er tilstanden med lavest mulig energi.] b. Egenverdiligningen bestemmer ikke konstanten C. Absoluttverdien av C fastlegges av normeringsbetingelsen, som gir = ψ (x) 2 dx = C 2 e 2βx2 dx = C 2 2β hvor (Gauss-)integralet (som kjent?) er π. 2 Vi har altså ( ) 2β mω /2 C 2 = π =. π h 2 Gauss-integralet ovenfor er av typen I (α) e αx2 dx = α e y2 dy = e y2 dy, π α. (y = x 2β), Merk at vi fra dette kan beregne en hel klasse av Gauss-integraler vha et knep som kalles parametrisk derivasjon (se så Appendix B i boka): I 2n (α) I 2 (α) x 2 e αx2 dx = d dα I (α) =...; x 2n e αx2 dx = d dα I 2n 2(α) = ( d ) n I (α). dα

TFY425 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 4 Ved å velge fasen til C slik at C blir reell positiv, ender vi da opp med egenfunksjonen ψ (x) = ( ) mω /4 e mωx 2 /2 h. π h NB! I normeringsintegralet er det sannsynlighetstettheten (absoluttkvadratet av bølgefunksjonen) som skal integreres. Integralet over ψ sjøl har ingen fysisk relevans. De klassiske vendepunktene er de punktene hvor V = E (slik at den kinetiske energien dermed hastigheten er lik null). Med E = E = 2 hω skjer dette når 2 mω2 x 2 = h/mω 2 hω, dvs for x = ± ±b. Avstanden b = h/mω er en naturlig lengdeskala når vi skal behandle den harmoniske oscillatoren kvantemekanisk. Legg merke til den måten massen m inngår på. Vi merker oss at ψ (x)/ψ () 2 = e (x/b ) 2. Figuren nedenfor viser hvordan denne (Gauss-fordelte) relative sannsynligheten varierer sfa x/b. Sannsynligheten for å finne partikkelen i det klassisk forbudte området (hvor V (x) > E, dvs K(x) = E V (x) < ) er gitt ved forholdet mellom det skraverte arealet arealet under hele kurven, kan vel anslås til rundt 2%. [En numerisk beregning vha Maple ga 5.73%.] c. Med dψ dx = C e βx2 ( 2βx 2 + ) d 2 ψ dx 2 = C e βx2 ( 6βx + 4β 2 x 3 )

TFY425 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 5 finner vi fra egenverdiligningen (Ĥ E)ψ = : På samme måte som i pkt. a gir dette = e βx2 [ x 3 ( 2 mω2 2 h 2 β 2 /m) + x(3β h 2 /m E) ]. β = mω/2 h E = 3 2 hω. Den resulterende egenfunksjonen, ψ (x) = C x exp( mωx 2 /2 h), beskriver i realiteten første eksiterte tilstand for den harmoniske oscillatoren. Merk at ψ er antisymmetrisk (med hensyn på origo), mens ψ is symmetrisk. Senere skal vi se at alle egenfunksjonene til Ĥ for den harmoniske oscillatoren er enten symmetriske eller antisymmetriske. Det vil så vise seg at dette er en nødvendig konsekvens av symmetrien til potensialet V (x). Løsning oppgave 4 Grunntilstanden i H-atomet a. Vi merker oss først at ψ(r) ikke avhenger av vinklene θ φ, bare av radien r. Med ψ r = Ce r/a ( ) 2 ( ) ψ a r = 2 Ce r/a finner vi da Ĥψ = Ce r/a [ h2 2m e ( a 2 a 2 2 ) ] h2 = h2 ψ. ra m e a r 2m e a 2 ψ er altså en egenfunksjon til Hamilton-operatoren Ĥ (energioperatoren for hydrenatomet) med egenverdien ( E = h2 = h2 me e 2 ) 2 ( ) e 2m e a 2 2m e 4πɛ h 2 = m 2 ec 2 2 2 = 4πɛ hc 2 α2 m e c 2, q.e.d. Den numeriske verdien av disse to praktiske uttrykkene for energiegenverdien er 3.6 ev, som er identisk med den eksperimentelle energien til hydrenatomet når det er i grunntilstanden. b. Innsetting av Ψ(r, t) = ψ(r)e iet/ h i Schrödingerligningen i h Ψ = ĤΨ gir t i h ie ψ(r)e iet/ h = Ĥψ(r)e iet/ h = E ψ(r)e iet/ h. h Da venstre side er lik høyre side, ser vi at Ψ(r, t) oppfyller Schrödingerligningen. Merk at sannsynlighetstettheten Ψ(r, t) 2 = ψ(r) 2 e iet/ h 2 = ψ(r) 2 er tidsuavhengig. Dette er karakteristisk for alle såkalte stasjonære løsninger av Schrödingerligningen (på formen Ψ(r, t) = ψ(r)e iet/ h ). c. Vi sjekker om C = (πa 3 ) /2 gir korrekt normering: Ψ(r, t) 2 d 3 r = C 2 e 2r/a d 3 r = = 4π πa 3 2! (2/a ) 3 =, πa 3 q.e.d. e 2r/a 4πr 2 dr