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

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

UNIVERSITETET I OSLO

REPETISJON FYS2140. Susanne Viefers. Fysisk Institutt, Teorigruppa. REPETISJON FYS2140 p.1/31

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

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

Forelesningsnotater om spinn, FYS2140 (Erstatter kap. 4.4 i Griffiths) Susanne Viefers

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

REPETISJON FYS2140. Susanne Viefers. Fysisk Institutt, Teorigruppa. REPETISJON FYS2140 p.1/31

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag Oblig 7

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

FYS2140 KVANTEFYSIKK

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

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 3. Sindre Rannem Bilden,Gruppe 4

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

Løysingsframlegg øving 1

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Siste uke, mai

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

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.

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.

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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.

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

Fasehastighet: Gruppehastighet:

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

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

FYS2140 Kvantefysikk, Hjemmeeksamen V Leveringsfrist fredag 20. mars kl.14:45 (før ekspedisjonen stenger!!!)

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

Løsningsforslag FYS2140 Hjemmeeksamen Vår 2015

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

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

KJM Molekylmodellering

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

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

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

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)

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

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

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

FYS2140 KVANTEFYSIKK

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

UNIVERSITETET I OSLO

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

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

Transkript:

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 11 Sindre Rannem Bilden og Gruppe 4 30. april 2015

Obliger i FYS2140 merkes med navn og gruppenummer! Denne obligen er satt sammen av den første delen av eksamen våren 2010 som spør litt fra forskjellige deler av pensum (se på det som nyttig repetisjon), den andre delen er identisk med den andre halvdelen av eksamen våren 2005 og handler om angulærmoment og erpartikkelsystemer. Oppgave 1 a) Skriv ned dispersjonsrelasjonen ω(k) til en fri, ikke-relativistisk partikkel. Regn ut gruppe- og fasehastigheten og vis at det er gruppehastigheten som svarer til partikkelens hastighet. og k = p h. Vet at energien til en fri ikke- Svar: Har relasjonene ω = Ē h relativistisk partikkel kan skrives E = p2 2m og får ω = p2 v f = ω(k) k v g = dω(k) dk = hk 2m = 2 hk 2m = hk m = p m = v klassisk 2m h = h2 k 2 2m h = hk2 2m b) Anta at vi har et sett med bølgefunksjoner ψ s,ms som er egenfunksjoner for det totale spinnet og dets zkomponent, det vil si der s = 1/2. Vi ser på superposisjonen Ŝ 2 ψ s,ms = h 2 s(s + 1)ψ s,ms, (1) Ŝ z ψ s,ms = hm s ψ s,ms, (2) ψ(x) = A m s m s ψ s,ms, (3) hvor A er en normeringskonstant. Hva er de tillatte verdiene for m s? Er ψ(x) en egenfunksjon for henholdsvis Ŝ2 og Ŝz? Begrunn svaret.

Svar: De tillatte verdiene for m s er m s = ± 1 2. 1 ψ(x) = A 2 ψ s, 1 ] Ŝ 2 ψ(x) = A Ŝ 2 1 2 ψ s, 1 ] Ŝ2 = A h 2 s(s + 1) 1 2 ψ s, h 2 s(s + 1) 1 ] 1 = h 2 s(s + 1)A 2 ψ s, 1 ] = h 2 s(s + 1)ψ(x) ψ(x) er en egenfunksjon for ] Ŝ2 1 Ŝ z ψ(x) = A Ŝ z 2 ψ 1 s, Ŝz = A ( h 1 2 )1 2 ψ s, ( h 1 ] 2 )1 ψ(x) er ikke en egenfunksjon for Ŝz Da Ŝ2 gir ut en egenverdi ganget med ψ(x) er ψ(x) en egenfunksjon for Ŝ2. Dette er ikke tilfellet for Ŝz. c) Et nøytron i en atomkjerne kan bevege seg over et område med en utstrekning på omlag 5 fm. Bruk uskarphetsrelasjonen til å estimere hvilke hastigheter man kan forvente å måle for dette nøytronet. Svar: Ser i én dimensjon at maksimalt er σ x = 5fm, fra heisenbergs uskarphetsrelasjon vil Antar derifra en p i området σ p σ x σ p h 2 σ p h = h 10 14 2σ x v = p m = h 1014 1.67 10 27 6.3 106 ms 1 ] Svar: d) En partikkel med masse m beveger seg fritt i tre dimensjoner. Skriv ned Hamiltonoperatoren for partikkelen og forklar hvorfor de stasjonære tilstandene har skarpt angulærmoment (L 2 og L z ). Ĥ = h2 2m 2 Man kan se på potensialet i en fri partikkel som et sentralsymmetrisk potensiale der V (r) = 0. For et sentralsymmetrisk potensiale vet vi at ˆL 2 og ˆL z kommuterer med Ĥ og har derfor skarpt angulærmoment.

Oppgave 2 Vi skal i denne oppgaven se på et en-dimensjonalt problem med en partikkel med masse M som beveger seg på en sirkel med radius R. a) Bruk det klassiske uttrykket L z = MvR til å uttrykke partikkelens kinetiske energi ved hjelp av L z. Bruk deretter substitusjonen L z ˆL z = i h / φ til å vise at Svar: L z = MvR = pr Ĥ = h2 2 2MR 2 φ 2. (4) E = p2 2M = L2 z 2MR 2 ˆL2 Ĥ = Ê = z 2MR 2 = h2 2 2MR 2 φ 2 b) Vis at ψ k (φ) = N k e ikφ, (5) er en løsning av den tidsuavhengige Schrödingerligningen og samtidig egenfunksjon for ˆL z. Bestem normeringskonstanten N k. Det er disse løsningene vi skal bruke i resten av oppgaven. Svar: ˆL z ψ k (φ) = i h φ ψ k(φ) = (ik)ψ k (φ) Normaliserer: 2π 0 Eψ k = Ĥψ k = h2 2MR 2 2 φ 2 ψ k = h2 2MR 2 (ik)2 ψ k E = h2 k 2 2MR 2 ψ k (φ)ψ k(φ)dφ = N 2 k N k = 1 2π 2π 0 e ikφ e ikφ dφ = N 2 k 2π

Svar: c) Siden partikkelen lever på en sirkel, må vi identisere vinklene φ og φ+2π som samme punkt i rommet. Bølgefunksjonen må derfor ha samme verdi for begge disse argumentene (krav om entydighet). Formuler det matematiske kravet dette gir for bølgefunksjonen og vis hvilken betingelse dette gir for tillatte verdier av k. Skriv ned de tilsvarende kvantiserte verdiene for partikkelens angulærmoment L z og energi E k. Hva er degenerasjonsgraden til E k? ψ k (φ) = ψ k (φ + 2π) e ikφ = e ikφ e ik2π 1 = e ik2π e in2π = e ik2π n = 0, ±1, ±2, ±3,.. n = k k = 0, ±1, ±2, ±3,.. Får da L zk = ik og E k = h2 k 2 2MR 2 gitt ved k = 0, ±1, ±2, ±3,.. Da E k k 2 vil alle negative og positive k gi lik energi. Derfor er degenerasjonen lik 2 for alle k utenom k = 0 med degenerasjon lik 1. Vi antar nå at det benner seg to partikler i systemet, og at disse er spinn- 1 2 fermioner. Vi ser bort fra eventuelle vekselvirkninger mellom dem. d) Formuler Paulis eksklusjonsprinsipp. Svar: Bølgefunksjonen til to identiske fermioner er nødt til å være antisymmetrisk. e) Anta at de to partiklene benner seg i hver sin angulærmomenttilstand k 1 og k 2 der k 1 k 2. Skriv ned de mulige to-partikkel-bølgefunksjonene. Spesiser både rom- og spinndel. Normér romdelen. Skriv ned egenenergien for tilstanden. Svar: For kortere notasjon deneres: Romdel ψ = A ψ k1 (φ 1 )ψ k2 (φ 2 ) ψ k1 (φ 2 )ψ k2 (φ 1 )] ψ + = A ψ k1 (φ 1 )ψ k2 (φ 2 ) + ψ k1 (φ 2 )ψ k2 (φ 1 )] Spinndel χ :,, + Symmetrisk Antisymmetrisk

Kombinasjoner av disse gir ψ + (6) ψ + (7) ψ + + (8) ψ + (9) ψ (10) ψ (11) ψ + (12) ψ (13) Men her vil (6),(7),(8) og (13) være symmetriske som ikke er lov fra Paulis eksklusjonsprinsipp. Ved normering fås ψ ψ = ψ k1 ψ k1 ψ k2 ψ k2 ψ k1 ψ k2 ψ k2 ψ k1 ψ k2 ψ k1 ψ k1 ψ k2 + ψ k2 ψ k2 ψ k1 ψ k1 = A 2 + 0 + 0 + A 2 ψ + ψ + = ψ k1 ψ k1 ψ k2 ψ k2 + ψ k1 ψ k2 ψ k2 ψ k1 + ψ k2 ψ k1 ψ k1 ψ k2 + ψ k2 ψ k2 ψ k1 ψ k1 = A 2 + 0 + 0 + A 2 1 = 2A 2 A = 1 2 Fra energiuttrykket i c) får vi nå E k = h2 (k 2MR 2 1 + k 2 ) 2.