UNIVERSITETET I OSLO

Like dokumenter
(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

UNIVERSITETET I OSLO

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

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,

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Torsdag 20. desember 2012 kl

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

Løysingsframlegg øving 1

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

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

Institutt for fysikk. Eksamensoppgave i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

(θ,φ) er de sfæriske harmoniske. Her bruker vi sfæriske koordinater. x = rsinθcosφ, (2) y = rsinθsinφ, (3) z = rcosθ. (4)

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

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

Institutt for fysikk. Eksamen i TFY4215 Innføring i kvantefysikk

UNIVERSITETET I OSLO

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 - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar

TFY4215_S2018_Forside

FYS2140 Hjemmeeksamen Vår Ditt kandidatnummer

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

UNIVERSITETET I OSLO

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.

Transkript:

UNIVERSITETET I OSLO Side Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: FYS4 Kvantefysikk Eksamensdag: 8. juni 5 Tid for eksamen: 9. (4 timer) Oppgavesettet er på fem (5) sider Vedlegg: Ingen Tillatte hjelpemidler: Rottman: "Matematisk formelsamling" Øgrim og Lian: "Fysiske størrelser og enheter" Angell og Lian: "Fysiske størrelser og enheter" Godkjent kalkulator Ett A4 ark med egne notater (begge sider av arket) Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene.

Oppgave Variasjoner over hydrogen Løsningen av den tidsuavhengige Schrødingerligningen for potensialet til hydrogenatomet V (r) = k ee r, () er som kjent ψ nlm (r, θ, φ) =R nl (r)yl m (θ, φ), () hvor R nl (r) er løsningene av den tilhørende radialligningen og Yl m (θ, φ) er de sfæriske harmoniske. Disse løsningene har energiene hvor E n = k ee a n = 3.6 ev, n =,,..., (3) n a = =.59 nm, (4) m e k e e er Bohrradien og m e =.5 MeV/c er massen til elektronet. Vi bruker sfæriske koordinater x = r sin θ cos φ, (6) y = r sin θ sin φ, (7) z = r cos θ, (8) hvor = ( r r ) + r r r sin θ ( sin θ ) + θ θ r sin θ φ, (9) ˆL z = i φ. () a) Gi normeringsbetingelsen for bølgefunksjonene ψ nlm ikartesiskeogsfæriske koordinater. [4 poeng] b) Vi antar separat normering av R nl og Yl m.visatnormeringsbetingelsen for Yl m da er [4 poeng] Y m l (θ, φ) sin θdθdφ=. () c) Y er en konstant. Vis at den er gitt ved Y (θ, φ) = 4.[4poeng] Under tilnærmingen at protonmassen er uendelig stor. Skal man ta hensyn til den enedelige massen til protonet må man istedetbrukeden reduserte massen hvor m p er protonmassen. µ = memp m e + m p, (5)

Bølgefunksjonen til grunntilstanden kan skrives ψ (r, θ, φ) =N e r/a, () hvor N er en normeringskonstant. d) Finn N. Hint: Du kan få bruk for følgende integral [5 poeng] x n e λx dx = n! λ (n+). (3) e) Finn forventningsverdien for kinetisk energi K for tilstanden ψ. Vi vil ha den numeriske verdien også. [8 poeng] f) Finn forventningsverdien for den potensielle energien V for tilstanden ψ.vivilhadennumeriskeverdien.[poeng] Nøyaktig det samme potensialet som for hydrogenatomet vil finnes mellom et elektron og et positivt ladet positron (antipartikkelen til elektronet). Disse kan også inngå i en bundet tilstand som vi kaller positronium. Riktignok så finnes det en sannsynlighet for at elektronet og positronet interagerer og utsletter hverandre ved å bli til fotoner, så positronium lever ikke så lenge. g) Vis at energinivåene til positronium er gitt ved [3 poeng] E n = m eke e4 4, n =,,... (4) n h) Positronium i grunntilstanden ψ kan finnes i en spinn-singlet-tilstand, hvor spinnet til elektronet og positronet er motsatt rettet, eller i en tripplett, hvor de er rettet i samme retning. Hvor mange fotoner kan man få ved annihilasjon av elektron positron-paret for hver av de to tilstandene? Hint: Fotonerharspinn.[4poeng] Oppgave Harmonisk oscillator i to dimensjoner En partikkel med masse m beveger seg i et to-dimensjonalt harmonisk oscillatorpotensial gitt ved V (x, y) = mω (x + y ), (5) og beskrives ved hjelp av en bølgefunksjon ψ(x, y). 3 Vi minner om at grunntilstanden og den første eksiterte tilstanden til en én-dimensjonal harmonisk 3 Det finnes spennende fysiske eksempler på bevegelse begrenset til to dimensjoner, f.eks. er elektronene i grafen fanget på en to-dimensjonal overflate. 3

oscillator kan skrives på formen hvor α = mω/. ( ) α /4 ψ (x) = e αx, (6) ( α 3 ) /4 ψ (x) = xe αx, (7) a) Hva er enheten til ψ(x, y)? Gienbegrunnelse.[3poeng] b) Anta separasjon av variable for bølgefunksjonen, ψ(x, y) =ψ x (x)ψ y (y), og vis at den tidsuavhengige Schrödingerligningen i to dimensjoner ( ) m x + y ψ(x, y)+v (x, y)ψ(x, y) =Eψ(x, y), (8) da kan skrives som to uavhengige én-dimensjonale Schrödingerligninger for ψ x (x) og ψ y (y) med hvert sitt harmonisk oscillator-potensial og hver sin energi E x og E y.[6poeng] c) Vis at de tillatte energiene er gitt ved E n = ω (n +), (9) og angi hva slags verdier som er mulige for n. [4poeng] d) Definer begrepet degenerasjon og bestem degenerasjonsgraden til energinivå n ivårtpotensial.[4poeng] e) Hvor mange spinn -fermioner, for eksempel elektroner, kan du sette inn i de to laveste energinivåene? Anta at de ikke vekselvirker. [ poeng] f) Forklar hvorfor tilstandene ( ) α / ψ (x, y) = e αr, () ( ) α / ψ (x, y) = xe αr, () ( ) α 4 / ψ (x, y) = ye αr, () hvor r = x + y,erløsningeravdentidsuavhengigeschrödingerligningen for det to-dimensjonale harmonisk oscillator-potensialet. [4 poeng] 4

g) Vis at tilstandene ψ ± = (ψ ± iψ ), (3) er egentilstander for operatoren ˆL z = i (ˆxˆp y ŷˆp x ) og finn egenverdiene. [6 poeng] h) Finn uskarphetsrelasjonen mellom energien E og L z.[6poeng] i) Vi preparerer systemet i begynnelsestilstanden Ψ(x, y, ) = ψ (x, y). (4) Hva er sannsynligheten for å observere en verdi L z = for angulærmomentet på et senere tidspunkt? Og hvilken tilstand vil systemet være ida?[4poeng] j) Dersom vi har en partikkel med ladning q og masse m som er begrenset til å bevege seg i xy planet, med et magnetfelt B = B e z perpendikulært på planet, vil det gi følgende potensial V = qb m L z + q B 8m (x + y ). (5) Finn løsningene av den tidsuavhengige Schrödingerligningen og de tilhørende energiene for dette potensialet. Merk: Det holder at du skriver ned de tre egentilstandene med lavest energi og forklarer hvordan de andre kan konstrueres. [7 poeng] 5