FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Like dokumenter
FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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.

LØSNING EKSTRAØVING 2

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

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

FY1006/TFY Øving 10 1 ØVING 10. Numerisk løsning av den tidsuavhengige Schrödingerligningen

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.

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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.

Løysingsframlegg øving 1

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

% FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7. d 2. x = som en dimensjonsløs koordinat. Ved å dividere (1) med hω, finner vi da at den tar formen.

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i 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 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

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 TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Onsdag 8. august 2007 kl

2. Postulatene og et enkelt eksempel

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

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

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

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

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

3. Noen endimensjonale potensialer

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

3. Noen endimensjonale potensialer

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Noen endimensjonale potensialer

Løsningsforslag Eksamen 31. mai 2012 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Transkript:

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 1 Løsning oppgave Numerisk løsning av den tidsuavhengige Schrödingerligningen LØSNING ØVING 9 a. Alle leddene i (1) har selvsagt samme dimensjon. Ved å dividere ligningen med hω sikrer vi oss derfor at operatoren foran ψ (dvs Ĥ/ hω) blir dimensjonsløs. Med d dq = d dx dx dq = mω/ h d dx og d dq = mω h d dx finner vi da at Schrödingerligningen (1) tar formen (), [ 1 d ] dx + v(x) ψ(x) = ɛ ψ(x), med x = q, h/mω der v(x) = V hω = 1 x og ɛ = Ē hω nå er hhvis det dimensjonsløse potensialet og den dimensjonsløse energien. b. Med q/l = x og divisjon av Schrödingerligningen med h /ml (som har dimensjon energi) finner vi at denne igjen tar formen (), med v(x) = v 0 (1 + cos[π(x + n L /)]), v 0 = V 0 h /ml og ɛ = E h /ml. c. Vi går nå inn i programmet, setter X max = 10, og velger det harmoniske oscillator- potensialet v(x) = 1 x, dvs kommenterer bort bl.a det som har med potensialet ovenfor å gjøre. Vi kjører så etter tur med N = 640, 30, 160 og 80. Resultatene for grunntilstanden er hhvis ɛ 1 = 0.49997, 0.49988, 0.49951 og 0.49804, altså avvik på hhvis 0.00003, 0.0001, 0.00049 og 0.00196 fra den eksakte verdien. Hvert av disse trinnene svarer til en firedobling av s. Som en kontroll kan vi da regne ut 0.00003047 multiplisert med hhvis 1, 4, 16 og 64, som gir hhvis 0.0000305, 0.0001, 0.00049 og 0.00196. Som vi må vente fra (3) og (4), vokser altså feilen proporsjonalt med kvadratet s steplengden. av

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 Teoretisk skal vi ha ɛ n = n 1 ; n = 1,, 3,. (for N = 40) viser en kurve som er noenlunde lineær opp til n Diagrammet for ɛ n 50, men som avviker fra lineariteten for større n. Her er altså de numeriske resultatene feil. Forklaringen er at de klassiske vendepunktene, som teoretisk er bestemt av ligningen V (q ± ) = E n, dvs av x ± = ± n + 1, ligger utenfor intervallet X min < x < X max for n > 50, og da kan vi selvsagt ikke vente at resultatene blir gode. d. Vi velger N = 800 og et boks-potensial med vidde L (n L = 1). De teoretiske resultatene er da ɛ n /π = n. Numerisk finner vi for n = 1, og 10 hhvis 0.9999987, 3.99998, og 99.987. Så her fungerer numerikken bra. e. Fra potensial-diagrammet kan vi lese ut at de klassiske vendepunktene for n = 1 og er hhvis x ± ±0.195 og x ± ±0.85. Dette harmonerer bra med de to kurvene for ψ 1 og ψ (med hhvis 0 og 1 nullpunkt). Her ser vi tydelig at både ψ 1 og ψ krummer mot aksen i de klassisk tillatte områdene (mellom vendepunktene) og bort fra aksen i de klassisk forbudte områdene. Merk at ψ 3, ψ 4 osv krummer mot aksen i hele boksen (fordi E V for disse tilstandene er positiv over alt). For n = 1 og merker vi oss at ɛ 1 = 13.60 og ɛ = 45.635.

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 3 Videre er ɛ 1 /π =.687 og ɛ /π = 9.48, mens vi for den ordinære boksen hadde hhvis 1.00000 og 3.99998. Grunnen til økningen er selvsagt at potensialet her gir mye mindre klassisk tillatte områder enn for boks-potensialet, slik vi nettopp har sett. Mindre plass fører til høyere energi. De to egenverdiene ɛ 10 og ɛ 0 har fra pkt. d til pkt. e økt med hhvis 539.4 493.4 = 46.00 og 018. 197.9 = 45.3, som i begge tilfeller ligger svært nær den gjennomsnittlige økningen av potensialet (som er 3v 0 / = 45). Moralen er at vi for store n like godt kan jevne ut potensialet. f. Vi kjører så med n L =, som svarer til to perioder av potensialet. De fire laveste egenverdiene er her ɛ 1 = 13.37, ɛ = 13.59, ɛ 3 = 45.354 og ɛ 4 = 45.634. Vi merker oss at de to første nesten faller sammen med ɛ 1 -verdien fra forrige punkt, mens de to siste ligger nær ɛ -verdien fra forrige punkt. Diagrammet viser de fem første egenfunksjonene. Grunntilstanden er den symmetriske kurven uten nullpunkter (blå på min skjerm). Første eksiterte tilstand ψ er den antisymmetriske løsningen med ett nullpunkt, på midten. Merk at om vi flytter den harde veggen til origo, så har vi samme potensial og samme grensebetingelser som i pkt. e. Dette er grunnen til at egenverdien ɛ er nokså nøyaktig lik ɛ 1 i pkt. e. Tilsvarende er ɛ 4 nesten nøyaktig lik ɛ i pkt. e. Tredje eksiterte tilstand, ψ 4, er nemlig også antisymmetrisk, med ett nullpunkt i origo, i tillegg til de to andre, som ligger i x = ±0.5. Andre eksiterte tilstand, ψ 3, er den

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 4 symmetriske kurven med to nullpunkter. Grunnen til at det blir bare nesten her er at step-lengden er forskjellig i de to beregningene. Vi har nå delvis forklart nesten-sammenfallet av egenverdier. Men det gjenstår å forklare hvorfor ψ 1 og ψ får nesten like store energier, og tilsvarende for ψ 3 og ψ 4. Forklaringen ligger i at potensialtoppen ved origo er ganske så klassisk forbudt (for de laveste energiene), slik at disse egenfunksjonene krummer ganske sterkt bort fra aksen i dette området. Egenverdien ɛ er akkurat passe stor til at ψ passerer origo og gir en antisymmetrisk løsning. Da trenger ɛ 1 bare å være ørlite grann mindre for at ψ 1 istedenfor å passere origo krummer oppover igjen og gir en symmetrisk løsning. Forskjellen mellom disse to energiene blir mindre jo større v 0 vi velger (dvs jo mindre gjennomtrengelig barrieren i midten er). For en helt ugjennomtrengelig barriere degenererer de to energiene til ett nivå. g. Med n L = 5 (5 perioder av potensialet) ser vi at de 10 laveste egenverdiene danner to grupper: ɛ 1,.., ɛ 5 = 13.18, 13.9, 13.43, 13.54, 13.58, og ɛ 6,.., ɛ 10 = 45.18, 45.63, 45.574,, 45.68, mens E 11 = 80.487. Antallet egenverdier i hvert av disse energibåndene er altså lik antallet perioder i potensialet. Dette er karakteristisk for slike periodiske potensialer, og er et viktig poeng i faste stoffers fysikk. Diagrammet nedenfor viser de to første egenfunksjonene.

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 5 Disse kan vi holde fra hverandre vha antall nullpunkter, eller vha symmetri/antisymmetri. Grunntilstanden er som vanlig fri for nullpunkter og er symmetrisk. Disse symmetriegenskapene ser ut til å være tilnærmet oppfylt for de numeriske løsningene. Eventuelle avvik kan undersøkes nøyere ved f.eks å skrive ut verdien av en eller flere av egenfunksjonene i punkter som ligger symmetrisk plassert i forhold til origo. Slike eventuelle avvik skyldes numeriske unøyaktigheter. I en mer avansert numerisk behandling av slike problemer vil en selvsagt etterstrebe å bygge slike ting som symmetriegenskaper inn som føringer på de numeriske løsningene. Som eksempel skal alle antisymmetriske løsninger være lik null i origo. Da kunne vi selvsagt ha nøyd oss med å løse problemet for det halve potensialet. I de neste diagrammene vises ψ 3 og ψ 4, respektive ψ 5 og ψ 6. Legg spesielt merke til ψ 5.

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 6 Løsning Oppgave 4 Numerisk løsning av den tidsuavhengige Schrödingerligningen for partikkel i tyngdefelt a. Ved å bruke potensial nr 6 i programmet finner vi at grunntilstanden har energien ɛ 1 = 1.8557. Bølgefunksjonen for de fem første tilstandene ser slik ut: Grunntilstanden ψ 1 (x) er løsningen uten nullpunkter for x > 0. Sannsynlighetstettheten [ψ 1 (x)] ser slik ut:

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 7 b. Fra diagrammet for [ψ 1 (x)] kan vi anslå at c. Med har vi at x 1.3. ( p z ) = p z = M K ME1 M Mg z p z Mg 1/ z 1/. Med z z har vi da fra uskarphetsrelasjonen: slik at h z p z z Mg 1/ z 1/ = z 3/ Mg 1/, z M g, q.e.d. Denne relasjonen forteller hvordan z skalerer som funksjon av de aktuelle parametrene. Vi legger nerke til at z går mot null i den makroskopiske grensen, M, ikke uventet. d. Med er z = x d dz = M g f ax d d(ax) = 1 d a dx. Ved å multiplisere den tidsuavhengige Schrödingerligningen d ψ dz = [Mgz E]ψ M h

FY1006/TFY415 - Løsning øving 9 8 med a / har vi da 1 d [ ψ dx = a 3 M g h ] x a M h E ψ. Denne tar formen (), 1 ψ = [v(x) ɛ]ψ = [x ɛ]ψ, når vi velger Vi har da ɛ = a M h E, slik at E Mg = 1 a h M ɛ = ɛ For grunntilstandsenergien har vi dermed a 3 M g h = f 3 h M g M = 1, dvs f = 1. h M g og ( ) E 1 h 1/3 Mg = 1.8557. M g Med x 1.3 blr det tilsvarende estimatet av z for grunntilstanden ( ) V h 1/3 Mg = z = x. M g z ψ1 1.3 M g. e. For et elektron i et tyngdefelt med g = 10 m/s er den karakteristiske lengden ( ) h 1/3 [ ] 1/3 ( = h m eg m e c c 1 = [0.68 10 1 m.998 10 8 m/s] 1 g 10m/s 1.103 mm. f. Forventningsverdien kommer ut som x = x[ψ 1 (x)] dx 1.371, ikke langt unna estimatet ovenfor. Dette skulle gi K V = E 1 V V = ɛ 1 x x = 1.8557 1.371 1.371 = 0.50004. At resultatet er så nær 50 % er ingen tilfeldighet; se f.eks virialteoremet side 68 i Hemmer. g. Da forventningsverdien av z skal ha dimensjon lengde, må vi kreve at Løsningen er (i dette tilfellet entydig) at slik at vi må ha [ z ] = m = [M] α [g] β [ h] γ = N α+γ m β+γ α s α β+γ. α = /3, β = 1/3 og γ = /3, z = konst M /3 g 1/3 h /3 = konst i overensstemmelse med estimatet under pkt. c. M g,