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

Like dokumenter
Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

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

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

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

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

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

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 Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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.

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 6 1 ØVING 6. Fermi-impulser og -energier

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-2001

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamen TFY 4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystem, våren 2012

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

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 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

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

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

2. Postulatene og et enkelt eksempel

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Torsdag 2. desember 2004

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 7. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

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

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

Eksamensoppgave i TFY4210 Kvanteteorien for mangepartikkelsystemer

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

Transkript:

NTNU Side 1 av 5 Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Professor Arne Brataas Telefon: 73593647 Eksamen i TFY417 Fysikk Mandag 1. desember 5 15: 18: Tillatte hjelpemidler: Alternativ C Godkjent lommekalkulator. K. Rottman: Matematisk formelsamling Barnett and Cronin: Mathematical formulae Sist i dette oppgavesettet er det gitt noen relasjoner som muligens kan være til nytte under eksamen. Kandidaten må selv tolke disse. Merk: Hver del-oppgave teller like mye. Dette oppgavesettet er på 5 sider. Oppgave 1. Kvantemekanikk Vi ser i denne oppgaven på en partikkel som beveger seg i én retning i en stasjonær tilstand. Bølgefunksjonen kan da skrives som Ψ(x, t) =ψ(x) exp( iet/ ), der E er energien til partikkelen, x er posisjonen, t er tiden, = h/(π)ogh er Plancks konstant. ψ(x) er den romlige delen av bølgefunksjonen. a) Hva er den romlige delen av bølgefunksjonen ψ fri (x) og energien E fri til en fri partikkel? En fri partikkel har en bestemt impuls og ubestemt posisjon. Den romlige delen av bølgefunksjonen er ψ fri (x) =A exp (ipx/ ), (1) der p er impulsen, x er posisjonen og A er en normaliseringskonstant. Energien er E fri = p m. () b) En partikkel befinner seg i en én-dimensjonal boks der potensialet er null innenfor boksen ( <x<a) og potensialet er uendelig stort utenfor boksen (x <ogx> a). Bølgefunksjonen til partikkelen ψ(x) er en løsning av den stasjonære Schrödingerligningen innenfor boksen med tilhørende grensebetingelser på randen av boksen (x = og x = a). Schrödinger-ligningen som beskrives bølgefunksjonen innenfor boksen ( < x<a)er d ψ(x) m dx = Eψ(x). (3)

Eksamen i TFY417 Fysikk, 1/1-5 Side av 5 Det kan vises at bølgefunksjonen til grunntilstanden er gitt ved πx ψ g (x) = sin a a. (4) Finn et uttrykk for alle energinivåene og de tilhørende bølgefunksjonene for partikkelen. En generell løsning av Schrödinger-ligningen er ψ(x)=a sin (kx)+b cos (kx), (5) der energien er E = k (6) m og A og B er konstanter som skal bestemmes fra grensebetingelsene. Grensebetingelsene for et uendelig potensial utenfor boksen er at ψ(x = ) = (7) og Dette gir ligningene ψ(x = a) =. (8) Den siste ligningen er bare oppfylt dersom = B (9) = A sin (ka). (1) ka = nπ, (11) der n er et heltall større enn null, n =1,, 3,... Bølgefunksjonen blir dermed ψ n (x) =A sin ( nπx a ). (1) Konstanten A bestemmes ved normalisering: dx ψ(x) = 1, (13) dx A sin ( nπx ) = 1, (14) a A a nπ du sin u = 1, (15) nπ a A 1 = 1, (16) A = a. (17)

Eksamen i TFY417 Fysikk, 1/1-5 Side 3 av 5 Vi kan velge en vilkårlig fase på konstanten A og setter A = a. Dermed kan vi skrive bølgefunksjonen som nπx ψ n (x) = sin (18) a a og egen-energien er E n = ( nπ ). (19) m a c) Hva er forventningsverdien til posisjonen og impulsen i grunntilstanden (ψ g (x)) til en partikkel i en boks som beskrevet ovenfor? Dette er et symmetrisk boks-potensial. Det er derfor sannsynlig at forventningsverdien til posisjonen for grunntilstanden er lik snitt-verdien til posisjonen av partikkelen i boksen, dvs. a/. Grunntilstanden er den laveste egen-energi-tilstanden, dvs. n = 1, ψ g (x) =ψ n=1 (x). Vi finner ved direkte utregning: x = dxx ψ 1 (x), () x = dxx πx sin a a, (1) x = a ( a π π ) duu sin u, () x = a ( a π π ) (3) 4 x = a. (4) På samme måte kan vi finne forventningsverdien til impulsen: p = ( ) dxψ 1 (x) d ψ 1 (x), i dx (5) p =. (6) Oppgave. Bølgefysikk a) Hva menes med Huygens prinsipp? Huygens prinsipp: Hvert punkt i en bølge-front er en punkt-kilde som skaper den senere utviklingen av bølgen. Hugyens prinsipp brukes til å f.eks. beregne diffraksjons-spekteret langt fra en spalteåpning til en bølge som går gjennom spalteåpningen. Ved hjelp av Huygens prinsipp kan alle punktene i spalteåpningene betraktes som en punkt-kilde og summen av disse skaper diffraksjons-mønstereet.

Eksamen i TFY417 Fysikk, 1/1-5 Side 4 av 5 b) Hva er bånd-breddeteoremet og dens analogi innen kvantemekanikken. En enkelt harmonisk bølge er overhodet ikke lokalisert, men består bare av en Fourierkomponent (bølgetall), dvs. når x vil k. På den annen side er det også slik at lokalisering av en bølge i posisjonsrommet krever delokalisering i det Fourier-transformerte rommet, dvs. når x vil k. x og k kan altså ikke velges uavhengige av hverandre. Denne sammenhengen er uttrykt ved båndbredde-teorement: x k 1. (7) Analogien i kvantemekanikken er Heisenbergs usikkerhetsrelasjon. Posisjonen og impulsen til en partikkel kan ikke bestemmes nøyaktig samtidig: x p, (8) der = h/(π) ogh er Plancks konstant. Impulsen kan uttrykkes ved bølgetallet ved p = k og Heisenbergs usikkerhetsrelasjon er dermed det samme som båndbreddeteoremet for klassiske bølger. Oppgave 3. Materialfysikk a) Hva er Pauli-prinsippet? Pauliprinsippet er at to partikler med halvtallig spinn ikke kan være i samme kvantetilstand. b) Hva er Fermi-energien til elektronene i et metall? I et metall er alle tilstander besatt opp til Fermi-energien og ingen tilstander med energier høyere enn Fermi energien er besatt ved null temperatur.fermi-energien er den høyeste energien til en tilstand som er okkupert ved det absolutte null-punkt.

Eksamen i TFY417 Fysikk, 1/1-5 Side 5 av 5 Oppgitt: Noen integraler som kan være nyttige: nπ nπ du sin u = nπ,nårner et positivt heltall (9) duu sin u = n π,nårn er et positivt heltall (3) 4