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

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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

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

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

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

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

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

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/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

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

1 Stokastisk variabel

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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.

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

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

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)

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

2. Postulatene og et enkelt eksempel

Løsning til øving 8 for FY1004, høsten 2007

(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 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

FY juni 2015 Side 1 av 6

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Øving 12 1 ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l = 0, 1, ; m = l,, l.

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

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

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,

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

Transkript:

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving Løysing oppgåve LØYSING ØVING Krumningseigenskapar for eindimensjonale energiegenfunksjonar a) For grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren har vi ( ψ = C e mωx / h, ψ = ψ mω ) ( m h x, ψ ω = ψ h x mω ), h slik at den relative krumninga er Her ser vi at ψ = m ω ( ψ h x h ). mω (i) ψ /ψ er negativ for h/mω < x < h/mω, dvs mellom dei klassiske vendepunkta, altså i det klassisk tillatne området der E > V (x). I dette området krummer altså ψ mot aksen. (ii) Utafor dette området ser vi på tilsvarende måte at ψ krummer bort frå aksen. (iii) For x = ± h/mω er ψ =, og vi konkludere at den relative krumninga skiftar forteikn i dei klassiske vendepunkta. b) I områda a < x < b er V = og ψ =. Den tidsuavhengige Schrödingerlikninga gjev då E = Ĥψ ψ = ( h /m)ψ + V ψ ψ =. Energien til denne tilstanden er altså lik null. For x < a kan vi da skrive h m ψ + V ψ =, = V = h ψ m ψ. Diagrammet viser at den relative krumninga er negativ i dette området (krumning mot aksen). Potensialverdien V i dette området må difor vere negativ, slik at området er klassisk tillate.

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving Løysing oppgåve a) Ymse For grunntilstanden i boksen med breidde L kan ein finne bølgjetalet k frå kravet k L = π, slik at energien er E = h k m = π h ml. Når breidda reduserast til ein tredel, blir bølgjetalet tre ganger så stort Dette tyder større krumning av bølgefunksjonen sin(k x), og dermed blir energien ni gangar så stor. Jo mindre plass vi gjev partikkelen, desto høgare blir grunntilstandsenergien (og dei andre energinivåa). Med andre ord, jo mindre plass vi gjev partikkelen, desto høgare (kinetisk) energi er den nøydd til å ha. Dette kallar vi gjerne for kvantevillskap. b) Middelverdien til p x i grunntilstanden ψ er L p x = i h i h π L ψ (x) d dx ψ (x) dx L sin( πx πx ) cos( ) dx L L =. (.) Dette resultatet kan ein og finne ved å bruke at integranden er ein odde funksjon om midtpunktet L. Middelverdien til p x i grunntilstanden ψ kan ein rekne ut på same måte: L p x = (i h) ψ (x) d dx ψ (x) dx h π L sin ( πx L L ) dx L = h π L, (.) Vi noterer oss at dette integralet er lik normeringsintegralet for ψ (x). Dette gjev p x = hπ L. Frå oppgåveteksen kan ein lett finne x = L 6 π og dermed får vi x p x = h π 6.56786 h. (.3) Vi ser at x p > h, altså er Heisbergs uskarpheitsrelasjon tilfredsstilt. c) V og K for grunntilstanden i hydrogen

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 3 Her treng vi forventningsverdien av /r i den oppgjevne tilstanden. Kulesymmetrien gjer at vinkelintegralet blir 4π. Ein får /r = = 4 a 3 r ψ d 3 r = r πa 3 r e r/a dr = 4 a 3 e r/a 4πr dr! (/a ) = a. Dermed er forventningsverdien av den potensielle energien i tilstanden ψ ( ) V = e e = m e c = α m e c = E 4πɛ a 4πɛ hc og for den kinetiske energien har vi da K = E V = α m e c = E. d) Estimat av K. Vi har at ψ (r) e r/a der a har dimensjon lengde. Det implisererer at middelverdien til x er proporsjonal med a og middelverdien til x er proporsjonal med a. Usikkerheiten i x er då proporsjonal med a og vha uskarpheitsrelasjonen kan vi lage estimatet p x h x for usikkerheiten i x-komponenten av impulsen. Da p x = p x + ( p x ) = ( p x ), blir det tilsvarande estimatet for den kinetiske energien i grunntilstanden h a K p m x + p y + p z = 3 h e m e 4a altså 75 % av den eksakte verdien. Løysing oppgåve 3 = 3 h 8m e a = 3 4 α m e c, a) Vi merkar oss at sannsynleghetstettheiten Ψ(x, ) = (πσ ) / e x /σ er ei normalfordeling (Gauss-fordeling), symmetrisk mhp origo. Forventningsverdien til x er difor lik null: x = Ψ (x, ) x Ψ(x, )dx = x Ψ(x, ) dx =. Dette følgjer og av at integranden er antisymmetrisk med omsyn på origo, eller er ein odde funksjon. Fordi Ψ(x, ) er uavhengig av p, vil også x og dermed x = x x vere uavhengige av p.

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 4 b) La oss først kontrollere normeringa. Med notasjonen α /σ er Ψ(x, ) = α/π e αx, slik at α Ψ(x, ) dx = π e αx dx = α π π α Vidare finn vi ved hjelp av eit av dei oppgjevne Gauss-integrala x = α = π Dette gjev usikkerheiten Ψ (x, )x Ψ(x, )dx = =, q.e.d. x Ψ(x, ) dx x e αx dx = α π π α 3/ = α = σ. x = (x x ) = σ. Moralen er difor at ein sannsynleghetstettheit på Gauss-forma Ψ e x /σ er usikkerheiten (standardavviket) x gitt ved σ. At x σ, skjønar vi utan å rekne. Fysisk tolkning av x og x: Dersom vi preparerer systemet (N ganger) slik at det er i tilstanden Ψ(x, ) ved t =, og kvar gang måler posisjonen x ved dette tidspunktet, eventuelt måler på N identisk preparerte system, vil middelverdien av dei målte posisjonane, x = N x n, N n= nærme seg den teoretiske forventningsverdien x = for store N. Tilsvarende vil standardavviket N (x n x) N, n= nærme seg den teoretiske usikkerheiten x = σ. c) Ei rein harmonisk planbølgje exp(ip x/ h) exp(ikx) svarer til ein skarpt definert impuls p (dvs eit skarpt definert bølgjetal k = p / h). Fordi Ψ(x, ) liknar meir og meir på ei slik rein harmonisk bølgje jo større σ er, må ein da vente at p x p og p x når σ. d) Vi reknar først ut og p x Ψ = h i d dx (π/α) /4 e ip x/ h αx / = (p + i hαx)ψ p xψ = [(p + i hαx) + h α]ψ. Det er nå lett å rekne ut at forventningsverdien av p x faktisk er uavhengige av α (dvs av σ): p x = Ψ p x Ψdx = Ψ (p + i hαx)ψdx = p + i hα x = p. Hvorfor må vi preparere systemet på nytt foran hver måling? Svar: Se målepostulatet (D).

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 5 Her har vi brukt at leddet med p gjev normeringsintegralet, medan leddet med x gjev integralet for x. Dette er eit døme på at det løner seg å ha oversikt. Vidare har vi p x = Ψ (p +p i hαx h α x + h α)ψdx = (p + h α) + h α x = p + h 4σ. Usikkerheiten i impulsen for tilstanden Ψ(x, ) er dermed p x = p x p x = h σ. Vi ser at p x går mot null når utstrekninga σ av bølgepakka går mot uendeleg, slik vi var inne på i c). At forventningsverdien p x er lik p ikkje berre for store σ, men for alle, kunne vi kanskje ikke gjette. Vi merkar oss at produktet av usikkerhetene i x og p x er x p x = h, som er den minste verdien vi kan ha ifølge Heisenberg. Moralen er: Dersom ein ønskjer ein veldig skarpt definert impuls (liten p x ), så må ein betale prisen gjennom ei stor utstrekning x = σ. Omvendt kan ein ønskje seg ei veldig skarpt lokalisert bølgepakke (liten x = σ), men da blir både p x = h/σ og p x = p + h /4σ veldig store. Altså, jo mindre plass vi gjev partikkelen, desto meir uskarp blir impulsen, og desto større kinetisk energi er partikkelen nødt til å ha. Jo trangere bur, desto villare tiger ; denne kvante-villskapen er éin av konsekvensane av partiklers bølgjenatur, og spelar ofte ei sentral rolle i kvantemekaniske problemstillingar. Desse eigenskapane gjeld ikkje berre for den spesielle bølgepakkea Ψ(x, ). Relasjonen ovanfor er nemleg eit spesialtilfelle av Heisenbergs uskarphetsrelasjon, som seier at x p x h (for alle tilstandar Ψ(r, t)). I avsnitt 4.5 i boka er det vist at ein kan utleie uskarpheitsrelasjonen frå kommutatorrelasjonen [x, p x ] = i h. Der er det og vist likheit ovanfor gjeld berre for ei klasse av Gaussiske funksjonar. Bølgjepakka Ψ(x, ) ovanfor er eit spesialtilfelle av desse funksjonene. Merk elles at grunntilstanden ψ (x) for den harmoniske oscillatoren er eit spesialtilfelle av Ψ(x, ) (for p = ), slik at denne bølgjefunksjonen har minimalt usikkerheitsprodukt. Den fysiske tolkninga av p x og p x er nøyaktig den same som for x og x, når vi byttar ut x med p x i tolkninga i b). Ifølge tilstandspostulatet (B) inneheld Ψ(x, ) og informasjon om sannsynlegheitsfordelinga av impulsar p x i den aktuelle tilstanden. Kommentar: Stikkordet her er Fourier-analyse: Som vi var inne på i innleiinga til oppgaveteksten, kan Ψ(x, ) skrivast som eit Fourier-integral over planbølgjer, Ψ(x, ) = φ(p)e ipx/ h dp φ(p)ψ (π h) / p (x)dp. Her er koeffisient-funksjonen φ(p) essensielt Fourier-transformen av Ψ(x, ). Som vi skal sjå, kan ein finne den ved å projisere Ψ(x, ) på planbølgja ψ p (x): φ(p) = ψ p, Ψ() ψ p (x)ψ(x, )dx.

FY6/TFY45 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 6 Integralet er av typen I(a, b) = +by e ay dy = e b /4a π/a, og det viser seg at resultatet blir ( ) σ /4 φ(p) = π h e σ (p p ) / h, altså ei Gaussfordeling omkring p. Denne funksjonen gjev oss direkte informasjon om impulsinnhaldet i den aktuelle tilstanden; i kapittel.4. i boka lærer vi at φ(p) dp er sannsynlegheiten for å finne impulsen p x i intervallet (p, p+dp). φ(p) er såleis sannsynleghetstettheiten i impulsrommet. Denne fortel at forventningsverdien av impulsen er p, og vi kan også bruke den til å lese ut usikkerheiten i impulsen. Denne er sjølsagt den same som vi fann i d). e) Sidan gruppehastigheiten til ei de Broglie-bølge er v g = dω dk k = de = p x dp x m, px der p x = h k er den dominerande impulsen i bølgepakka, må ein vente at v g (= d x t dt ) = p m, der p er impuls-parameteren som inngår i Ψ(x, ). Dette kan ein vise på fleire måtar t.d ved å løyse Schrödingerligningen for den frie partikkelen, Ψ(x, t) i h t = h Ψ(x, t), m x med den oppgjevne intialtilstanden Ψ(x, ). Det følgjer og frå Ehrenfests teorem, se avsnitt 4.4 i boka. Dette kjem vi tilbake til.