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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

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

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

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

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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.

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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,

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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 SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

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.

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

2. Postulatene og et enkelt eksempel

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

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

TFY Øving 8 1 ØVING 8

NORSK TEKST Side 1 av 5

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

(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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

1 Stokastisk variabel

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

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

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

KJM Molekylmodellering

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

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

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

UNIVERSITETET I OSLO

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.

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Transkript:

FY16/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 Frist for innlevering: mandag 28. januar (jf Åre) ØVING 1 En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv Eksempel: Terningkast Ved terningkast er sannsynlighetene for å få 1, 2, 3, 4, 5 eller 6 like store: P (1) = P (2) = = P (6) = 1/6. Gjennomsnittsverdien n ved et stort antall kast vil da nærme seg den teoretiske forventningsverdien, som er 6 n = np (n) = (1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6) 1 n=1 6 = 3.5. Som illustrert i figuren svarer n til tyngdepunktet av sannsynlighetsfordelingen (som i dette tilfellet er diskret). Figuren illustrerer videre usikkerheten (også kalt standardavviket) n, som pr definisjon er roten av det midlere kvadratiske avviket, på engelsk kalt root-mean-square deviation (rms-avviket). Vi har altså oppskriften Da n = (n n ). dev square } mean {{ } root ( n) 2 = (n n ) 2 = n 2 2 n n + n 2 = n 2 n 2, kan usikkerheten generelt skrives på to måter (du bør memorere begge disse): n = (n n ) 2 = n 2 n 2.

FY16/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 2 Her kan vi nå regne ut n 2 = 6 n=1 n 2 P (n) = (1 + 2 2 + 3 2 + + 6 2 ) 1 6 = 91 6. Dermed blir usikkerheten i n (altså roten av det midlere kvadratiske avviket fra middelverdien ved et terningkast) n = 91/6 3.5 2 1.71. (Se figuren på første side.) Kontinuerlig sannsynlighetsfordeling Figuren illustrerer en kontinuerlig sannsynlighetsfordeling, hvor x f.eks kan være posisjonen til en partikkel, og P (x)dx = ψ(x) 2 dx kan være sannsynligheten for å finne partikkelen i intervallet [x, x + dx]. Da kaller vi P (x) for en sannsynlighetstetthet (sannsynlighet pr lengde-enhet blir det i dette endimensjonale eksemplet). Siden partikkelen har en eller annen posisjon, skal den totale sannsynligheten være lik 1: P (x)dx = 1. (normering) Forventningsverdien av posisjonen (tyngdepunktet av fordelingen) finner vi slik (analogt med beregningen av n på forrige side): x = xp (x)dx. Videre er x 2 = x 2 P (x)dx, osv. Fra disse kan vi finne usikkerheten x = ( x 2 x 2 ) 1/2. Oppgave 1 Betrakt (den endimensjonale) bølgefunksjonen Ψ(x, t) = A e λ x e iωt, hvor A, λ og ω er reelle, positive konstanter (og < x < ). Ifølge Borns sannsynlighetstolkning er Ψ(x, t) 2 dx sannsynligheten for å finne partikkelen i intervallet (x, x + dx), forutsatt at Ψ er normert.

FY16/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 3 a. Skissér Ψ(x, t) 2 som funksjon av λx. Bestem normeringskonstanten A. 1 [Hint: Både bølgefunksjonen og sannsynlighetstettheten er symmetrisk med hensyn på origo, så integrasjonen kan forenkles.] b. Finn forventningsverdiene av x og x 2, dvs x og x 2. c. Finn usikkerheten for x ( x = x 2 x 2 ). Merk av punktene x x og x + x i skissen for Ψ(x, t) 2, for å illustrere hvordan x representerer spredningen i x. Hva er sannsynligheten for å finne partikkelen utenfor (usikkerhets-)intervallet mellom de to punktene? Oppgave 2 Fotoner mot et vindu En elektromagnetisk bølgepakke bygd opp ved superposisjon av planbølger med frekvenser ν i et lite intervall fra ν ν til ν + ν faller inn mot et butikkvindu. Ved hjelp av Maxwells ligninger, med dertil hørende grensebetingelser, samt brytningsindeksen n(ν ) for glasset, kan en regne ut at bølgepakken ved møtet med vinduet deler seg i en reflektert pakke og en transmittert pakke. La oss si at energi-innholdet i den reflekterte pakken er 4% av energien i den innkommende pakken, og se bort fra absorpsjon i glasset. Hva skjer når ett enkelt foton med energi hν sendes inn mot butikkvinduet? [Hint: Hent inspirasjon fra diskusjonen av dobbeltspalteksperimentet med lys; se Tillegg 1.] Oppgave 3 Grunntilstand og 1. eksiterte tilstand for harmonisk oscillator 1 Merk at for n 1 følger det ved delvis integrasjon at I n Da I = 1, innser vi herav at x n e x dx = [x n ( e x )] nx n 1 ( e x )dx = ni n 1. I n x n e x dx = n! og I n (α) x n e αx dx = n! ; (n =, 1, 2...). αn+1

FY16/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 4 Det fysiske systemet vi tenker på i denne oppgaven er en endimensjonal harmonisk oscillator: En partikkel med masse m, påvirket av kraften F x = kx. Dette svarer til et potensial ( potensiell energi) V (x) = 1 2 kx2 1 2 mω2 x 2, der ω = k/m er vinkelfrekvensen for den klassiske harmoniske svingningen. I den kvantemekaniske behandlingen av oscillatoren spør en først etter egenfunksjonene ψ n (x) til Hamilton-operatoren for oscillatoren, Ĥ = p2 x h2 + V (x) = 2m 2m 2 x 2 + 1 2 mω2 x 2, dvs funksjoner som oppfyller egenverdiligningen tolker som en energi-egenverdi. Ĥψ = Eψ, der E er en konstant som vi a. Hamilton-operatoren Ĥ har én egenfunksjon på formen ψ (x) = C e βx2. Bestem β og energiegenverdien E. [Hint: Begge disse størrelsene bestemmes ved innsetting i egenverdiligningen. Av de to løsningene for β gir bare den ene en bølgefunksjon som gir en fysisk akseptabel sannsynlighetstetthet. Hvorfor?] b. Bestem konstanten C slik at ψ (x) er normert. 2 (Merk at du kan velge fasen til C fritt, f.eks slik at C blir reell og positiv.) Lag en rask skisse av sannsynlighetstettheten ψ (x) 2, og merk av de klassiske vendepunktene for partikkelen, dvs de punktene hvor E = V for den aktuelle energien. Anslå ut fra skissen sannsynligheten for å finne partikkelen i det klassisk forbudte området, dvs der hvor V (x) > E. c. Vi skal senere vise at egenfunksjonen ψ (x) svarer til grunntilstanden (tilstanden med lavest mulig energi) for oscillatoren. Egenfunksjonen som svarer til den nest laveste energien viser seg å være ψ 1 (x) = C 1 x e βx2. Finn den tilsvarende energiegenverdien E 1. Oppgave 4 Grunntilstanden i H-atomet a. Vis at den kulesymmetriske bølgefunksjonen ψ(r) = C e r/a (a 4πɛ h 2 ) m e e 2 er en egenfunksjon til Hamilton-operatoren Ĥ = K + V = h2 2 + e2 2m e 4πɛ r 2 Oppgitt:. e αx2 dx = π/α

FY16/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 5 for hydrogenatomet [dvs vis at Ĥψ(r) = Eψ(r)], og påvis at egenverdien E (energi-egenverdien) er som angitt i ligning (T1.26) i Tillegg 1. Laplace-operatoren i kulekoordinater er 2 = 2 r 2 + 2 r r + 1 ( 2 r 2 θ + cot θ 2 θ + 1 sin 2 θ 2 ). φ 2 b. Vis at når ψ(r) er en energiegenfunksjon med energien E, slik vi fant ovenfor, så er Ψ(r, t) = ψ(r)e iet/ h en løsning av den tidsavhengige Schrödingerligningen for H-atomet, i h Ψ t = ĤΨ. c. Vis at C = (πa 3 ) 1/2 gir en normert bølgefunksjon.