Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Like dokumenter
EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Lørdag 9. desember 2006 kl

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

Løsningsforslag Eksamen 9. desember 2006 TFY4250 Atom- og molekylfysikk /FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045/TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Mandag 8. august 2011 kl

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

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 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 29. mai 2010 kl

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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.

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

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

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

9 Kulesymmetrisk boks. Sylindersymmetriske

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Lørdag 16. august 2008 kl

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

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.

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

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Torsdag 31. mai 2012 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK 6. juni 2007 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK mandag 26. mai 2008 kl

LØSNING EKSTRAØVING 2

(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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 6. august 2007 kl

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

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

NORSK OG ENGELSK TEKST Side 1 av 10

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Transkript:

NORSK TEKST Side av 4 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf 73 59 8 67, eller 9702355 EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Lørdag 9. desember 2006 kl. 09.00-3.00 Tillatte hjelpemidler: Godkjent kalkulator Rottmann: Matematisk formelsamling Øgrim & Lian: Størrelser og enheter i fysikk og teknikk, eller Lian og Angell: Fysiske størrelser og enheter Et ark med uttrykk og formler er vedlagt. Sensuren faller i januar 2007. Oppgave En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt, asymmetrisk brønnpotensial 2V 0 for x < 0, V x = 0 for 0 < x < L, 4V 0 for x > L. I beregningene nedenfor antar vi at V 0 = h 2 /2ma 2 0. Brønnvidden L er valgt slik at første eksiterte tilstand, ψ 2 x, har en energi som er akkurat lik halvparten av brønndybden 2V 0, dvs slik at E 2 = V 0. a. Av opplysningene ovenfor skjønner en at dette systemet har minst to bundne energiegentilstander én for hver energiegenverdi. Angi uten bevis hvor mange nullpunkter grunntilstanden ψ x og. eksiterte tilstand ψ 2 x har. Hvilke kontinuitetsegenskaper har disse energiegenfunksjonene når potensialet er endelig som her? I brønnområdet må energiegenfunksjonen ψ 2 x være sinusformet og kan skrives på formen ψ 2 x = A sin[k 2 x a] 0 < x < L. Finn bølgetallet k 2 uttrykt ved a 0. Husk at E 2 = V 0.

Side 2 av 4 b. Vis at ψ 2 x må ha formen ψ 2 x = Ce κx for x < 0, og formen ψ 2 x = C e κ x for x > L, og finn κ og κ. Skissér ψ 2 x, og forklar hvorfor a må ligge i intervallet 0 < a < L. c. Bruk kontinuitetsbetingelsene for x = 0 til å vise at fasebeløpet k 2 a er lik 3π/4. Finn videre brønnvidden L uttrykt ved a 0. Oppgitt: tan3π/4 = tan π/4 = ; tan5π/6 = tan π/6 = / 3. d. For E > 2V 0 kan en energiegenfunksjon for potensialet V x skrives på formen ψ E = e ikx + re ikx for x < 0, med k = h Vis at denne svarer til en sannsynlighetsstrømtetthet jx = hk m r 2 for x < 0. 2mE 2V 0. Forklar hvorfor alle partikler som kommer inn fra venstre mot brønnpotensialet V x med energi 2V 0 < E < 4V 0 vil bli reflektert. [Hint: Finn formen til energiegenfunksjonen for x > L, og beregn strømtettheten i dette området.] e. For E > 4V 0 kan vi velge en energiegenfunksjon slik at den har formen { e ψ E x = + re ikx for x < 0, te ik x for x > L. Det kan vises at t = 4e ik L [ + q k + k q e iql + q ] k k q eiql, der k = h 2mE 2V 0, q = h 2mE, k = h 2mE 4V 0. Hva er sannsynligheten for at partikler som kommer inn fra venstre transmitteres når energien går mot grensen 4V 0 ovenfra? Oppgave 2 Figuren viser to tredimensjonale bokser, den ene kuleformet, den andre i form av en halvkule, begge med radius a. V = 0 inne i boksene, V = utenfor.

Side 3 av 4 For den kuleformede boksen til venstre opplyses det at en partikkel med masse µ har energiegenfunksjoner på formen ψ nlm = R nl ry lm θ, φ; De tilhørende energiegenverdiene er den sfæriske Bessel-funksjonen R nl r = A nl j l Π l n r/a; l = 0,, ; n =, 2,. E nl = hπ l n 2 /2µa 2. j l z = z l l d sin z z dz z. Noen av disse nullpunktene framgår av følgende oversikt: Her er Π l n j 0 j j 2 j 3 n = Π 0 = π Π = 4.4934 Π 2 = 5.7635 Π 3 n = 2 Π 0 2 = π 2 Π 2 = 7.7253 Π 2 2 = 9.0950 Π 3 n = 3 Π 0 3 = π 3 Π 3 = 0.904 Π 2 3 = 2.3229 Π 3 a. For l = 0 forenkler formlene ovenfor seg til sinπnr/a R n0 r = A n0 ; E n0 = hπn2 πnr/a 2µa. 2 = 6.9879 2 = 0.47 3 = 3.6980 nullpunktene i Verifiser disse resultatene direkte, ved hjelp av radialligningen for funksjonen u nl r rr nl r se formelarket. b. Hva er, ifølge opplysningene ovenfor, energiene til første og andre eksiterte nivå for den kuleformede boksen? Skriv ned kvantetallene n, l, m, degenerasjonsgraden g og de tilhørende egenfunksjonene ψ nlm for. eksiterte nivå. Bry deg ikke om normeringskonstanter, og uttrykk ψ nlm ved de relevante Bessel-funksjonene og sfæriske harmoniske. Hvor mange nullpunkter n r i intervallet 0 < r < a har radialfunksjonene for grunntilstanden og. og 2. eksiterte nivå? c. Finn energien og bølgefunksjonen for grunntilstanden i den halvkuleformede boksen. [Hint: Ta utgangspunkt i energiegenfunksjonene ψ nlm for den kulesymmetriske boksen. Det kan være greit å velge et aksekors som gjør z-aksen til symmetriakse.] Finn også energien og tilhørende bølgefunksjoner for. eksiterte nivå for den halvkuleformede boksen. Oppgave 3 For en partikkel med spinn 2 der σ x = 0 0 kan en bruke spinnoperatoren S = 2 hσ = 2 hê xσ x + ê y σ y + ê z σ z,, σ y = 0 i i 0, σ z = 0 0

Side 4 av 4 er de såkalte Pauli-matrisene. Pauli-spinorene χ + = 0 og χ = 0 er da egentilstander til S z = 2 hσ z kan karakteriseres ved spinnretningen, med egenverdiene ± 2 h. En normert spinntilstand χ = a b σ = χ σχ = ê x Re2a b + ê y Im2a b + ê z a 2 b 2. Matrisene S x = 2 hσ x osv oppfyller dreieimpulsalgebraen, [S x, S y ] = i hs z, [S y, S z ] = i hs x, [S z, S x ] = i hs y. I denne oppgaven antar vi at partikkelen er et proton. Protonets indre magnetiske moment representeres da av operatoren µ = ge S, der g = 5.59. a. Anta at protonet befinner seg i et homogent magnetfelt som peker i negativ z-retning, B = Bê z. Oppførselen til spinnet bestemmes da av Hamilton-operatoren der vi har innført betegnelsene Ĥ = µ B ω S = ωs z, ω = geb og ω = ωê z = geb ê z. Vis at de to Pauli-spinorene χ + og χ da er energiegentilstander, og finn de to energiene, E + og E, uttrykt ved de oppgitte størrelsene. Finn også E + og E i elektronvolt ev, når B = 4 Tesla. Det oppgis at µ N = e h = kjernemagneton 3.5 0 8 ev/tesla. Finn også bølgelengden til fotonene som er inne i bildet ved overganger mellom de to tilstandene χ + og χ. b. Ved t = 0 foretas det en måling av komponenten S x av spinnet til protonet. Hva er måleresultatet dersom spinnet umiddelbart etter målingen befinner seg i tilstanden / 2 χ0 = /? 2 Hva er spinnretningen σ 0 og forventningsverdien S 0 = 2 h σ 0 av spinnet ved t = 0, dvs umiddelbart etter målingen? Bruk den generelle formelen for tidsutviklingen av forventningsverdier, d dt F = ī [ Ĥ, h ˆF ], til å finne forventningsverdien S z t for t > 0. c. Finn også forventningsverdiene av S x og S y for t > 0.

Vedlegg: Formler og uttrykk Noe av dette kan du få bruk for. Sannsynlighets-strømtetthet [ j x x, t = Re Ψ x, t h ] Ψx, t. im x Radialligning for kulesymmetrisk potensial V r ψr, θ, φ = RrY lm θ, φ ur Y lm θ, φ; r h2 d 2 [ ] u 2µ dr + V r + h2 ll + u = Eu; u0 = 0. 2 2µr 2 Laplace-operatoren og dreieimpulsoperatorer i kulekoordinater ˆL x = h i 2 = 2 r 2 + 2 r sin φ θ r ˆL 2 h 2 r, ˆL2 = h 2 2 2 θ + cot θ 2 θ + sin 2 θ 2, φ 2 cot θ cos φ, ˆLy = h cos φ cot θ sin φ, ˆLz = h φ i θ φ i [ˆL 2, ˆL i ] = 0 i = x, y, z, [ˆL x, ˆL y ] = i hˆl z, etc. φ, Sfæriske harmoniske { ˆL2 ˆL z } { h 2 ll + Y lm = hm } Y lm ; Y l m Y lmdω = δ l lδ m m; ˆLz = h i φ ; Y 20 = Y 00 = 5 6π 3 cos2 θ, Noen fysiske konstanter 3 4π, Y 0 = 4π cos θ, 3 Y,± = 8π sin θ e±iφ. 5 Y 2,± = 8π sin θ cos θ e±iφ, Y 2,±2 = 5 32π sin2 θ e ±2iφ. a 0 4πɛ 0 h 2 m e e 2 = α h m e c = 0.529 0 0 m; α e2 4πɛ 0 hc = 37.036 ; c = 2.998 0 8 m/s; h = 0.6582 0 5 evs; m e = 0.50 MeV/c 2.