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

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

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

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

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

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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,

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

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

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMENSOPPGAVE. FYS 2000, Kvantemekanikk Dato: 7. Juni 2017 Klokkeslett: 9:00-13:00 Sted: Tillatte hjelpemidler: rute.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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.

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

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

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

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

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

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

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

(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

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

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Fysikk 2 Lørdag 8. august 2005

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

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

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

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

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

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

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

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

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

2. Postulatene og et enkelt eksempel

Transkript:

EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: FYS-000 Kvantemekanikk Dato: Mandag 6. september 016 Tid: Kl 09:00 1:00 Sted: Auditorium Maximum, Administrasjonsbygget Tillatte hjelpemidler: K. Rottmann: Matematisk Formelsamling Lommekalkulator med tomt minne Oppgavesettet er på 6 sider inklusiv forside og vedlagt formelark Kontaktperson under eksamen: Cesar La Hoz Telefon: 997 74 769 NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladd sammen med besvarelsen

Oppgave 1 - Kvantemekanikkens postulater Beskriv kort kvantemekanikkens postulater. Svaret ditt bør være strukturert og inneholde Diracs notasjon. Her vektlegger vi din formidling av kvantemekanikkens postulater, ikke antallet. I tillegg ønsker vi å se på din forståelse av Diracs notasjon. Oppgave - Løsning av Schrödningerligningen Et elektron med masse m beveger seg langs x-aksen i et éndimensjonalt tidsuavhengig potensial V x) beskrevet ved: for x < 0 V x) = 0 for 0 x L 1) V 0 for x > L, der V 0 og L er positive reelle størrelser. Vi skal gjennom hele oppgaven anta at energiegenverdien E til partikkelen er mindre enn potensialverdien V 0. a) Bruk seperasjon av variable, Ψx, t) = ψx)φt), til å vise at den tidsavhengige Schrödingerligningen kan reduseres til den såkalte tidsuavhengige Schrödingerligningen d ψx) + V x)ψx) = Eψx), m dx samt gi en differentsialligning for tidsevolusjonen. Finn løsningen av differentsialligning som beskriver tidsevolusjonen φt). b) Beskriv kort hva som menes med en normerbar løsning. Vis deretter at energien, E, generelt må være reell for normerbare løsninger. Det oppgis at i grensetilfellet hvor V 0 er de normerte egenfunksjonene med tilhørende egenverdier gitt ved nπx ) ψ n x) = L sin, L E n = π ml n, n = 1,,..., for området 0 x L.

c) Hva er den generelle løsningen av den tidsuavhengige Schrödingerligningen for de tre romlige områdene x < 0, 0 x L og x > L når potensialet er gitt ved 1)? Her kan det være nyttig å sjekke om svaret ditt er riktig ved å ta grensetilfellet der V 0. d) Vis at løsningen funnet i forrige punkt sammen med grenseverdibetingelsene i punkt x = 0 og x = L gir følgende ligning for energiegenverdien: mel E tan = V 0 E. Bruk denne ligningen til å vise at bredden L må tilfredstille følgende relasjon: L > π /8V 0 m for at det skal eksistere minst én bunden tilstand for systemet. Oppgave - Sentralsymmetrisk potensial Energiegenfunksjonen til en punktpartikkel med masse M som befinner seg i et sentralsymmetrisk potensial V r) kan generelt skrives på formen: ψr, θ, φ) = Rr)Y lm θ, φ), der Rr) representerer den radielle delen av energiegenfunksjonene og Y lm θ, φ) er sfærisk harmoniske funksjoner. Du kan i hele oppgaven anta at Rr) og Y lm θ, φ) er normerte funksjoner, dvs. π dφ θ dθ sin θ Y 0 0 lm = 1. I tabell 1 har vi skrevet ut eksplisitte uttrykk for Y lm θ, φ) når l <. Fra klassisk mekanikk har vi at det orbitale angulærmomentet er gitt ved L = r p, der r og p er henholdsvis avstandsvektor og lineært momentum. a) Finn et uttrykk for den orbitale angulærmoment-operatoren L, og vis deretter at Hamiltonoperatoren kan skrives som Ĥ = M r + ) L + r r Mr + V r). b) Vis at operatorene L x, L y og L z ikke kommuterer med hverandre. Hva betyr dette for eventuelle målinger av L-komponentene? I resten av oppgaven skal vi anta at systemet prepareres i energiegentilstanden [ ] i ψr, θ, φ) = Rr)Y θ, φ), der Y θ, φ) = Y 11 θ, φ) + Y 1 1 θ, φ)).

Tabell 1: De enkleste kulefunksjonene l m Y lm θ, φ) 1 0 0 4π 1 1 sin θeiφ 1 0 cos θ 4π 1-1 sin θe iφ π sin θe iφ 1 sin θ cos θeiφ 5 0 16π cos θ 1) -1 sin θ cos θe iφ - π sin θe iφ c) Vis at Y θ, φ) er en egenfunksjon til operatorene L og Ly tilhørende egenverdier. og bestem de d) Vis at radialfunksjonen Rr) må oppfylle differentsialligningen ]} { d [V m dr + r) + rrr)) = E rrr)), Mr for at ψr, θ, φ) skal være en energiegentilstand med energi E. Hva kan du si om usikkerhetene til energien og observablene L og L y når systemet er preparert i den aktuelle tilstanden? e) Angi hvilke betingelser systemets Hamiltonoperator Ĥ og operatorene L og L y må oppfylle for at det skal eksistere et simultant egenfunksjonssett til disse tre operatorene? Kan observabelen L z ha en skarp verdi når systemet er preparert i tilstanden ψr, θ, φ) angitt ovenfor? Anta at observabelen L z måles når systemet er preparert i tilstanden ψr, θ, φ). Hva er forventningsverdien av L z i denne tilstanden? f) Hva er de mulige måleresultatene for observabelen L z og hva er sannsynlighetene for disse? Hva blir etter dette usikkerhet til L z i den preparerte tilstanden? 4

Nyttige formler Formler fra kvantemekanikken Ψ r, t) i = t Ĥ p, r, t)ψ r, t), der p = i og r = r d F = i ] [Ĥ, dt F + F, der F = Ψ F Ψdτ t F G 1 ] [ F, Ĝ, der F = F F ) Kulekoordinater x = r sin θ cos φ r = x + y + z y = r sin θ sin φ cos θ = z/ x + y + z z = r cos θ tan φ = y/x x = sin θ cos φ cos θ cos φ + r r θ sin φ r sin θ φ y = sin θ sin φ cos θ sin φ + r r θ + cos φ r sin θ φ z = cos θ r sin θ r θ x = sin θ cos φ r + cos θ cos φ r θ + sin φ r sin θ φ + cos θ cos φ + sin φ r r sin θ cos θ ) cos φ sin φ φ cos φ + sin r r tan θ θ r sin θ φ + sin θ cos θ cos φ r rθ sin φ cos φ φ cos φ sin r rφ r tan θ θφ y = sin θ sin φ r + cos θ sin φ r θ + cos φ r sin θ φ + cos θ sin φ + cos φ r r + sin θ cos θ ) sin φ + cos φ φ cos φ sin r r tan θ θ r sin θ φ + sin θ cos θ sin φ r rθ sin φ cos φ φ cos φ + + sin r rφ r tan θ θφ z = cos θ r + sin θ r θ + sin θ θ cos θ θ cos θ + sin sin r r r θ r rθ 5

xy xz yz = sin φ cos φ [sin θ r + cos θ r θ 1 r sin θ φ sin θ r r ) ] sin θ cos θ 1 θ cos θ + + sin r r tan θ θ r rθ + cos φ sin φ r rφ + 1 r tan θ θφ 1 ) r sin θ φ = sin θ cos θ cos φ r 1 r r 1 ) + cos φ cos θ sin θ ) r θ r rθ 1 r + sin φ 1 r r θφ 1 ) tan θ rφ = sin θ cos θ sin φ r 1 r r 1 ) + sin φ cos θ sin θ ) r θ r rθ 1 r cos φ 1 r r θφ 1 ) tan θ rφ ) θ ) θ Diverse { ) ) d fx) Λ < 0; A exp Λx + B exp + Λ f = 0 Λx Λx ) Λx ) dx Λ > 0; A sin + B cos [ ] [Â B, Ĉ] = Â B, Ĉ + [Â, Ĉ] B 6