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.

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 10. august 2010 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løysingsframlegg øving 1

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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 =,

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

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

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

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

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

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

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

FY1006/TFY4215 -øving 10 1 ØVING 10. Om radialfunksjoner for hydrogenlignende system. 2 ma. 1 r + h2 l(l + 1)

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

(ik)exp(ikx) E = (1/2) hω/2+(1/4) 3 hω/2+(1/6) 5 hω/2+(1/12) 7 hω/2 = 32 hω/24 = 4 hω/3.

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 for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

2. Postulatene og et enkelt eksempel

LØSNING EKSTRAØVING 2

NORSK TEKST Side 1 av 5

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

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

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Transkript:

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, øving 5 1 øsning oppgave 5 1 a Med finner vi energien til egenfunksjonen ØSNING ØVING 5 Kvantekraft nπx sin = n xπ x x x ψ nx,n y,n z = A sin n xπx x sin nπx x, sin n yπy osv sin n zπz slik: ( ) Ĥ ψ nx,ny,n z = h m x + y + ψ z nx,ny,n z = h π ( n x + n y + n ) z ψ m nx,ny,n z E ψ nx,ny,n z x I uttrykket for energien er det her viktig å skille mellom sidekantene i y- og z-retningene (som holdes faste) og sidekanten x i x-retningen, som skal variere Ved en infinitesimal økning d x av x, med fastholdt y = z =, utføres det et arbeid F x d x, som tas fra energien til partikkelen, slik at F x d x = de Kraften på stempelet er altså F x = E x = h π n x m 3 x = h π, m 3 x siden n x = 1 for grunntilstanden Merk at partiell-derivasjonen her betyr at y og z holdes faste Vi ser at kraften er omvendt proporsjonal med massen m til partikkelen Den går altså mot null i den makroskopiske grensen, når partikkelmassen vokser mot uendelig Dette harmonerer med klassisk fysikk (mekanikk, hvor grunntilstanden svarer til at partikkelen er i ro) I den motsatte grensen ser vi at kraften vokser med avtagende masse Det samme gjelder energien i grunntilstanden; jf kvantevillskap For x = a 0 og m = m e kan vi skrive kraften på formen F x = h m e a 0 π a 0 Her er h /(m e a 0) = 1 Rydberg=136 ev Med a 0 = 059 10 10 m, e = 160 10 19 C og 1VC=1Nm finner vi kraften F x = 81 10 7 N

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, øving 5 b I grunntilstanden vil de 8 spinn- 1 -fermionene fordele seg med to i hver av de fire romlige én-partikkel-tilstandene med lavest energi Når x er i nærheten av, er kvantetallene for disse fire tilstandene gitt ved 1 (n x, n y, n z ) = (1, 1, 1), (, 1, 1), (1,, 1) og (1, 1, ) Kraften avhenger bare av de x -avhengige bidragene til den totale energien for de 8 fermionene, som er E (x) tot = h π ( 1 m + 4 + 1 + 1 ) = 7 h π x x x x m x For x = blir da kraften F x = E(x) tot x = 14 h π m 3 Kraften fra de 8 identiske fermionene (når de er i grunntilstanden, dvs i tilstanden med den lavest mulige totale energien for dette fermionsystemet; jf Pauli-prinsippet) er altså 14 ganger større enn med bare én slik partikkel til stede Merk at med 8 identiske ikke-vekselvirkende spinn-1-partikler (bosoner) er det ingen ting i veien for at alle kan befinne seg i den laveste én-partikkel-tilstanden Energien i grunntilstanden blir altså i dette tilfellet 8 ganger det energibeløpet vi fant i pkt a, og det samme vil da gjelde for kraften øsning oppgave 5 δ-funksjonspotensialet plassert midt i en boks = dobbeltbrønn a Da potensialet er symmetrisk, vil bølgefunksjonen ψ for første eksiterte tilstand (i likhet med ψ 4, ψ 6 osv) være antisymmetrisk, og har følgelig et nullpunkt i origo, hvor deltabarrieren sitter Ifølge diskontinuitetsbetingelsen skal da ψ være glatt i dette punktet, i likhet med ψ for tilfellet med β = 0 (vanlig boks) Også utenom origo skal ψ oppfylle akkurat de samme betingelsene som for β = 0 : dvs oppfylle Schrödingerligningen, være lik null for x = ±a, og ikke ha flere nullpunkter Følgelig er ψ for β 0 identisk med ψ for tilfellet β = 0 Første eksiterte tilstand blir da ganske enkelt en helbølge-sinus, med nullpunkt i origo: Bølgefunksjonen for denne tilstanden er ψ = A sin k x, med k = π/a 1 Merk at hva som er kvantetallene til de fire tilstandene med lavest mulig energi avhenger av x Er feks x, vil alle fire av disse tilstandene ha n x = 1 Er x, vil alle fire ha n y = n z = 1

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, øving 5 3 Dette kan vi kontrollere ved innsetting i den TUS, som sammen med den oppgitte energien gir h oppgitt TUS 001 = E m e a = ( h /m e )ψ = h k = h π 0 ψ m e m e a Av dette ser vi at a = 10 π a 0 = 314 a 0 b Det nødvendige prinsippet er at grunntilstanden ganske enkelt er symmetrisk, så venstre halvdel av ψ 1 er speilbildet av høyre halvdel Skissen ser da slik ut: Begge halvdelene av grunntilstanden er sinusformet, og kontinuitetskravet i x = a innebærer at den for 0 < x < a kan skrives feks på formen ψ 1 = B sin[k 1 (x a)] (med B > 0) Venstre del (speilbildet) finner vi ved å skifte fortegn på x, så for a < x < 0 er ψ 1 = B sin[k 1 (x + a)] Da ψ 1 er symmetrisk, blir den deriverte antisymmetrisk, dvs ψ 1(0 ) = ψ 1(0 + ) Innsetting i diskontinuitetsbetingelsen gir da ψ 1(0 + ) ψ 1 (0) = 1 m eβ h = f a 0, qed, eller ψ 1 (0) = a 0 f ψ 1(0 + ) Siden ψ 1(0 + ) er endelig, ser vi at økende f tvinger ψ 1 (0) til å bli mindre, slik at λ 1 nærmer seg λ ovenfra, og slik at grunntilstandsenergien E 1 nærmer seg E (som er uavhengig av f) nedenfra Moralen er at jo mer ugjennomtrengelig barrieren som skiller de to brønnene er, desto mindre blir splittingen mellom de to energinivåene E 1 og E (Det samme vil gjelde for E 3 og E 4 ) c Ved å kombinere relasjonene ψ 1(0 + ) ψ 1(0) λ/ og ψ 1(0 + ) ψ 1 (0) = f a 0 finner vi at λ = λ 1 λ = ψ 1(0) ψ 1(0 + ) = a 0 f Med E λ har vi da med god tilnærmelse at ( E 1 = E E ) E λ = λ = λ λ λ λ a = a 0 af = 10πf, som er samme resultat som ble utledet i oppgaveteksten

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, øving 5 4 d For t > 0 blir bølgefunksjonen Ψ(x, t) = 1 [ ψ1 (x)e ie 1t/ h + ψ (x)e ie t/ h ] [Denne oppfyller Schrödingerligningen, fordi den er en superposisjon av stasjonære løsninger, og den er lik den oppgitte tilstanden for t = 0] Ved å spalte av en faktor exp( ie 1 t/ h) har vi Ψ(x, t) = e ie 1t/ h 1 [ ψ1 (x) + ψ (x)e i(e E 1 )t/ h ] Med ψ = A sin πx/a og ψ 1 = B sin[k 1 (a x)], der k 1 bare er ørlite grann mindre enn π/a og B av normeringsgrunner er bare ørlite grann mindre enn A, skjønner vi at ψ 1 og ψ er praktisk talt like for x > 0, og praktisk talt motsatt like for x < 0 Sannsynligheten for å finne elektronet i høyre halvdel av potensialet ved t = 0 er derfor svært nær 1 Etter tiden t = π h/(e E 1 ) T p / er bølgefunksjonen Ψ(x, T p /) = e ie 1T p/ h 1 [ψ 1 (x) ψ (x)], så ved dette tidspunktet er det like sannsynlig å finne elektronet på venstresiden Etter tiden T p = π h E E 1 er sannsynlighetstettheten den samme som for t = 0, så dette er periodetiden for oscillasjonen Innsetting av E E 1 = 1 10 5 h /(m e a 0) gir T p = π h 1 10 5 h /(m e a 0) = 4136 10 15 evs 1 10 5 136 ev = 143 10 11 s e Med farten v = E m e = hπ m e a blir tidsintervallet mellom hver kollisjon med barrieren t 1 = a v = m ( e hπ (10πa 0) me a ) 0 = 100 h π h = 100 4136 10 15 evs/ 136 ev = 15 10 14 s Transmisjonskoeffisienten for δ-barrieren finner vi fra den oppgitte formelen f = 30 og k = k = π/a = 1/(10a 0 ) finner vi Med T = [1 + (f/ka 0 ) ] 1 = [1 + (10f) ] 1 (001/900) = 111 10 5 Sannsynligheten for å finne elektronet til venstre for barrieren reduseres med en faktor 1 T for hver kollisjon Ved tiden t er antall kollisjoner t/t 1, slik at sannsynligheten er redusert til (1 T ) t/t 1 (exp( T )) t/t 1 = exp( tt/t 1 )

FY045/TFY450 Kvantemekanikk I, øving 5 5 Denne er lik 1/e for tt/t 1 = 1 evetiden er altså τ = t 1 T = 137 10 9 s Vi ser at denne er omlag en faktor 955 ganger større enn periodetiden under pkt d: τ T p = 955 Så når vi fjerner veggen i x = a, blir det ikke enklere, men tvert imot mye vanskeligere for partikkelen å passere barrieren (enn i pkt d)