Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Like dokumenter
Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

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

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

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

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

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

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

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

Løysingsframlegg øving 1

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

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.

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

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

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

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

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

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

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,

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

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.

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

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

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

FY1006/TFY Øving 9 1 ØVING 9

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

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

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

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

Transkript:

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag 1 Oppgave 1 Løsningsforslag Eksamen 4. august 008 TFY450 Atom- og molekylfysikk a. I områdene x < a og x > a har vi (med E V 0 ) at ψ m h [V (x) E ]ψ 0. ψ må derfor være lineær i disse områdene, med formen A i x+b i. Da ψ er en energiegenfunksjon, tillates den ikke å divergere. Derfor må konstantene A i settes lik null, slik at vi i disse områddene har { B1 for x > a, ψ B for x < a. I brønnområdene følger det fra den tidsuavhengige Schrödingerligningen at ψ er sinusformet, med bølgetall k mv 0 / h for 0 < x < a og k m V 0 / h k for a < x < 0. Videre skal første eksiterte tilstand ha ett nullpunkt, og skjøtene i x a og x a skal være glatte. Skissen blir da omtrent slik: 1 Fordi bølgetallet k er en faktor større enn k, ser vi at nullpunktet må ligge til venstre for origo. b. For E 1 V 0 blir grunntilstanden ψ 1 sinusformet med bølgetall k mv 0 / h i området a < x < 0. I dette området kan vi da sette ψ 1 B cos k(x + b), hvor posisjonen b til topp-punktet for kosinusen er ukjent. I områdene x > a er ψ 1 m h [V (x) E 1]ψ 1 mv 0 h ψ 1 k ψ 1, med løsningene e ±kx. For x > a må vi da ha ψ 1 C 1 e kx (og ψ 1/ψ 1 k). For x < a må vi tilsvarende ha ψ 1 C e kx (og ψ 1/ψ 1 k). Da gjenstår bare området 0 < x < a, hvor ψ 1 0 og ψ 1 Cx + D. Med glatt skjøting i x ±a og ingen nullpunkter blir skissen da slik: 1 Diagrammet viser egentlig en nøyaktig løsning.

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag c. Følgende oversikt viser ψ 1, ψ 1 og den logaritmisk deriverte, ψ 1/ψ 1, i de fire områdene: x < a : a < x < 0 : 0 < x < a : x > a : ψ 1 ψ 1 kc e kx C e kx k kb sin k(x+b) B cos k(x+b) k tan k(x + b) C Cx+D kc 1 e kx C 1 e kx k Kontinuitet av den logaritmisk deriverte i punktene x a, 0 og a gir da betingelsene k k tan k(a b), k tan kb C D, C Ca + D k. Disse tre ligningene kan brukes til å finne de tre ukjente (C, D, k), og til slutt V 0 E 1 h k /(m). d. Ut fra skissen vil jeg anslå at fasebeløpet kb er ca π/6, mens k(a b) jo er nøyaktig lik π/4 (ifølge den første betingelsen ovenfor). Følgelig er ka π/4 + kb π/4 + π/6 5 1 π 1.31. Basert på dette overslaget er den V 0 -verdien som gir E 1 V 0 tilnærmet gitt ved V 0 E 1 h k m 5π 144 h ma 1.71 h ma. [Den nøyaktige verdien, gitt i en fotnote, viser at jeg har overvurdert fasebeløpet kb litt.] Oppgave a. Funksjonen ψ Nlm kan generelt skrives som en lineærkombinasjon av funksjoner ψ nxn yn z, som alle har paritet ( 1) nx+ny+nz ( 1) N. Følgelig er pariteten til ψ Nlm lik ( 1) N. Kommentar: Fra den første betingelsen følger det at k(a b) er lik π/4 pluss et helt multiplum av π, slik at tan kb tan(ka π/4). Fra betingelse nr 3 følger det at C/D k/(1 + ka). Ved å kombinere med betingelse nr finner en da at (1 + ka) tan(ka π/4) 1. Kalkulatoren gir ka 1.103, slik at V 0 (1.103) h ma.

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag 3 Samtidig er pariteten gitt ved Følgelig må vi ha dvs Energien Pψ Nlm PR Nl (r)y lm (θ, φ) R Nl (r) PY lm ( 1) l R Nl Y lm ( 1) l ψ Nlm. ( 1) l ( 1) N, like N like l og odde N odde l. E hω(n x + n y + n z + 3/) hω(n + 3/) E N er lavest mulig for n x n y n z 0, dvs for N 0, som gir 3 E 0 hω. Grunntilstanden er altså ψ g ψ 0 (x)ψ 0 (y)ψ 0 (z) ( ) mω 3/4 e mω(x +y +z )/ h π h ( ) mω 3/4 e mωr / h, q.e.d. π h Da dreieimpulsoperatorene L og L z bare inneholder deriverte med hensyn på vinkler, ser vi at egenverdiene til disse operatorene begge er lik null: L h l(l + 1) 0, L z hm 0 l 0, m 0. b. Med ψ g ψ g / r ψ g mωr/ h (mωr/ h)ψ g innsatt i formelen for K har vi K g h ψ g d 3 r h m ω m m h r ψg d 3 r 1 mω r V g g, q.e.d. Med K g V g 1 K + V g 1E 3 0 4 hω blir den midlere kvadratiske radien i grunntilstanden r g mω V g 3 h mω. Kulesymmetrien betyr selvsagt at x y z. Av samme grunn er x y z 0, slik at ( x) x x x r /3 osv. Fra dette følger det at usikkerhetene i de kartesiske posisjonskoordinatene i grunntilstanden er Disse kan vi, i likhet med rms-radien h x y z mω. r rms r g bruke som mål for utstrekningen av grunntilstanden. 3 h mω,

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag 4 c. Ved å sette t 0 i den oppgitte utviklingsformelen har vi Ψ(r, 0) ψ b (r) c Nlm R Nl (r)y lm (θ, φ) c Nlm ψ Nlm. Nlm Nlm Koeffisientene c Nlm er da projeksjonene av begynnelsestilstanden ψ b på de respektive tilstandene ψ Nlm : c Nlm ψ Nlm, ψ b ψnlmψ b (r)d 3 r. Da begynnelsestilstanden ψ b (r) er en s-bølge ( Y 00 ), vil vinkelintegralet her gå som YlmY 00 dω δ l0 δ m0. Følgelig er c Nlm 0 unntatt for l m 0; bare s-bølger bidrar i utviklingsformelen. Den ikke-stasjonære bølgefunksjonen Ψ(r, t) er altså hele tiden kulesymmetrisk: Ψ(r, t) Ψ(r, t) c N00 ψ N00 (r)e ie N t/ h. N0 Kulesymmetrien innebærer at pariteten er like. Dette utelukker bidrag fra ψ N00 med odde N, siden disse har odde paritet. d. Den fysiske tolkningen av koeffisienten C N00 er at dette er sannsynlighetsamplituden for å måle energien E N og etterlate systemet i energiegentilstanden ψ N00 R N0 (r)y 00. Sannsynligheten er kvadratet av denne amplituden. 3 Sannsynligheten for å måle energien E hω, dvs for å finne partikkelen i grunntilstanden, er P 0 c 000 ψ g, ψ b. Innsetting gir c 000 ψ ( g ψ b d 3 r 10 mω ) 3/ e 101 mωr / h 4πr dr 0 π h 0 ( 4π 10 mω ) ( ) 3/ 3/ ( ) 1 h 10 3/ π h 4 π1/. 101 mω 101 Sannsynligheten for å finne partikkelen i grunntilstanden er altså så liten som P 0 ( ) 10 3 7.76 10 3. 101 e. Vi har sett at bølgefunksjonen er en sum av s-bølger, som alle har N lik et partall: Ψ(r, t) c N00 ψ N00 (r)e ie N t/ h. N0,,.. Ved et tillegg på en halvperiode i tiden har vi e ie N (t+t/)/ h e ie N t/ h e iω(n+3/)π/ω. Den siste faktoren er (for N 0,, 4, ) lik e inπ e 3iπ/ 1 i. Følgelig er Ψ(r, t + T/) i c N00 ψ N00 (r)e ie N t/ h i Ψ(r, t). N0,,.. Sannsynlighetstettheten Ψ(r, t + T/) er altså den samme som for tiden t. Sannsynlighetsfordelingen er derfor lik den opprinnelige ved tidspunktene t T/, T, 3T/, T osv.

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag 5 f. Den sterke skvisingen av begynnelsestilstanden innebærer som opplyst en stor kvantevillskap i denne tilstanden; partikkelen befinner seg praktisk talt i origo, med neglisjerbar potensiell energi V b, mens den kinetiske er en faktor 100 større enn i grunntilstanden, slik at forventningsverdien av energien i tilstanden Ψ(r, t) er E E b K b 100 K g 75 hω. Fra et halvklassisk synspunkt vil en partikkel som starter med en slik kinetisk energi nå ganske langt ut før den snur. Derfor må vi vente at sannsynlighetsfordelingen ekspanderer ganske kraftig før den gjenskapes ved t T/. Vi ser altså for oss en pulserende tilstand. Verdien E 75 hω forteller at det er vesentlige bidrag for ganske store kvantetall N i utviklingsformelen for Ψ(r, t). Utstrekningen av orbitalene som inngår i denne summen er tildels mye større enn for grunntilstanden. For t 0, T/, osv kansellerer disse bidragene unntatt for små r (siden de summerer til begynnelsestilstanden ψ b ), men for andre tider må vi vente at de ikke kansellerer. Derfor må vi vente at utstrekningen av sannsynlighetsfordelingen er vesentlig større enn for grunntilstanden mellom de nevnte tidspunktene. Med en gitt energi E når partikkelen klassisk ut til en venderadius r max, bestemt av 1 mω rmax E, slik at rmax E mω. Om vi erstatter E med den kvantemekaniske middelverdien, får vi da en slags midlere kvadratisk klassisk max-avstand, r max E mω 150 hω mω 100 3 h mω 100 r g 100 r rms,g. Det er ikke urimelig å tro at roten av denne størrelsen ligger i nærheten av den virkelige, maksimale kvantemekaniske rms-radien. Vårt estimat er altså at denne størrelsesordensmessig er gitt ved r rms,max 10 r rms,g 100 r rms,b, altså 10 ganger så stor som i grunntilstanden (og 100 ganger større enn i begynnelsestilstanden). Oppgave 3 a. Med χ 1 χ + (1)χ () + 1 χ (1)χ + () er koeffisientene (1/ og 1/ ) sannsynlighetsamplituder. Sannsynligheten for å måle S 1z 1 h og etterlate systemet i tilstanden χ +(1)χ () er da 1/. I denne tilstanden er S z h, 1 så en samtidig måling av S z må gi S z 1 h. 1 1 Med 50/50 sjanse for å måle S 1z lik + h og h i tilstanden χ blir forventningsverdien S 1z χ 0, og usikkerheten (roten av det midlere kvadratiske avviket fra middelverdien) blir S 1z 1 h.

Eksamen TFY450 4. auguast 008 - løsningsforslag 6 b. De mulige kvantetallene for dette to-spinn-systemet er Dette svarer til de mulige måleverdiene s 0 & m 0, (singlett) s 1 & m 0, ±1. (triplett) S h s(s + 1) 0 og S z hm 0 og S h og S z 0, ± h. Måleverdien for S z S 1z + S z er åpenbart lik null. Én måte å måle S z på er jo å 1 1 måle både S 1z og S z og så legge sammen resultatene, og da får vi jo enten + h + ( h) eller 1 h + h. 1 Ellers sier målepostulatet at måleverdien for S z må være egenverdien (til tilstanden χ etter målingen): S z χ (S 1z + S z ) 1 (χ + (1)χ () + χ (1)χ + ()) 1 {[S 1z χ + (1)]χ () + χ + (1)[S z χ ()] + [S 1z χ (1)]χ + () + χ (1)[S z χ + ()]} 1 { ( 1 h 1 h)χ +(1)χ () + ( 1 h + 1 h)χ (1)χ + () } 0, q.e.d. c. Fra målepostuletet vet vi tilsvarende at måleverdien for S må være lik egenverdien. Denne kan vi regne ut vha formelen S S z + hs z + S S +. Fra hjelpeformlene følger det at slik at J ± j, m h (j m)(j + 1 ± m) j, m ± 1 S i+ χ + (i) 0, S i χ (i) 0, S i+ χ (i) hχ + (i), S i χ + (i) hχ (i), S χ [Sz + hs z + S S + ]χ 0 + 0 + (S 1 + S )(S 1+ + S + )χ (S 1 + S ) 1 [χ + (1) hχ + () + hχ + (1)χ + ()] h [χ (1)χ + () + χ + (1)χ () + χ (1)χ + () + χ + (1)χ ()] h χ. Måleverdien for S var altså h ; tilstanden χ er en triplett-tilstand (med s 1).