4. Viktige kvantemekaniske teoremer

Like dokumenter
4. Viktige kvantemekaniske teoremer

4. Viktige kvantemekaniske teoremer

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

Løsningsforslag Eksamen 6. august 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, telefon (735) Sensurdato: 31. januar 2003.

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

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

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

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

Determinanter. Kapittel 6. Determinanter for 2 2-matriser. La oss beregne arealet av dette parallellogrammet. Vi tegner på noen hjelpelinjer:

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Pensum og kursopplegg for FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

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

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

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

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

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

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

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

TFY Øving 8 1 ØVING 8

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Eksamen i Ikkelineær dynamikk, fag TFY 4305 Onsdag 30. november 2005 Løsninger

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

1b) Schwarzschil-metrikken er iagonal, og vi har at g tt = 1, c = r, c ; g rr =, r r r r, =,1, r, ; g =,r ; g '' =,r sin : (9) At raielle baner eksist

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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 5 1 LØSNING ØVING 5. Kvantekraft. L x. L 2 x. = A sin n xπx. sin n yπy. 2 y + 2.

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

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

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

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

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

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 7. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

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

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 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Kursopplegg for TFY4250 og FY2045

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Pensum og kursopplegg for FY1006 Innføring i kvantefysikk TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Vekstrater og eksponentiell vekst ECON 2915 Vekst og næringsstruktur

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Kursopplegg for FY2045 og TFY4250 KVANTEMEKANIKK I

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

ENGLISH TEXT Page 1 of 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

Løsningsforslag FY6019 Moderne fysikk kl fredag 12. juni 2015

2. Postulatene og et enkelt eksempel

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Kursopplegg for TFY4250 og FY2045

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

Enkel introduksjon til kvantemekanikken

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Kapittel 23 KURSREGNING, FORHOLD OG PROPORSJONER

Obligatorisk oppgave nr 4 FYS Lars Kristian Henriksen UiO

Logaritmer og eksponentialfunksjoner

Teknisk appendiks ECON 2915 Vekst og næringsstruktur

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

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

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løysingsframlegg øving 1

Litt mer om kjeglesnitt og Keplers lover om planetbanene

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

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 13 1 LØSNING ØVING 13. V (x, t) = xf (t) = xf 0 e t2 /τ 2.

Transkript:

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 1 TILLEGG 4 4. Viktige kvantemekaniske teoremer Før vi i neste kapittel går løs på treimensjonale potensialer, skal vi i kapittel 4 i ette kurset gå gjennom noen viktige kvantemekaniske teoremer. Dette kapitlet ekkes av avsnittene 4.1 4.4 i Hemmers bok, sammen me ette tillegget. Innholet er 4.1 Kompatible observable, simultane egenfunksjoner og kommuterene operatorer [Hemmer 4.1] 4.2 Paritet [Hemmer 4.2] 4.3 Tisutvikling av forventningsverier [Hemmer 4.3] 4.4 Ehrenfests teorem [Hemmer 4.4] 4.1 Kompatible observable, simultane egenfunksjoner og kommuterene operatorer Når to observable for et system kan ha skarpe verier samtiig, sier vi at e to observablene er kompatible. Ser vi f.eks på en fri partikkel me masse m, så er impulsen p x og en kinetiske energien K x = p 2 x/2m kompatible observable: I tilstanen ψ p (x) = (2π h) 1/2 e ipx/ h er båe p x og K x skarpe, me veriene p og p 2 /2m: p x ψ p = p ψ p, K x ψ p = p2 2m ψ p. ( K x = p2 x 2m = h2 2m 2 x 2 ) Vi sier a at ψ p (x) er en simultan egenfunksjon; en er samtiig en egenfunksjon til båe p x og K x. For at ette skal være mulig, må e to operatorene kommutere; [ p x, K x ] = 0. Det er selvsagt lett å kontrollere en siste relasjonen orekte, men et er faktisk mer interessant å vise at en faktisk følger fra kompatibiliteten av e tilhørene operatorene, som vi nå skal vise. Anta at observablene F og G er kompatible. Fra eksemplet ovenfor skjønner vi a at et må eksistere et simultant egenfunksjonssett til e tilhørene operatorene: Det er a lett å vise følgene regel: F n = f n n, Ĝ n = g n n. (T4.1) A. For at observablene F og G skal være kompatible, vs for at et skal eksistere et simultant egenfunksjonssett til operatorene F og Ĝ, må isse kommutere; (T4.2) [ F, Ĝ] = 0.

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 2 Den motsatte regelen gjeler også: B. Dersom operatorene F og egenfunksjonssett. Ĝ kommuterer, kan en finne et simultant (T4.3) Fra regel A følger et irekte at C. Dersom operatorene F og Ĝ ikke kommuterer, vs ersom [ F, Ĝ] 0, eksisterer et ikke et felles egenfunksjonssett til e to operatorene. De tilhørene observablene kan a ikke ha skarpe verier samtiig, vs e er ikke kompatible. (T4.4) Bevis av regel A: Når e to observablene F og G er kompatible, har vi som nevnt et simultant egenfunksjonssett (T4.1). Ve hjelp av isse egenveriligningene har vi a ( F Ĝ Ĝ F ) n = (f n g n g n f n ) n = 0 (for alle n). Sien operatorene er hermiteske, er settet n fullstenig. Da har vi for en vilkårlig funksjon = n c n n : ( F Ĝ Ĝ F ) = c n ( F Ĝ Ĝ F ) n = 0. n Derme har vi vist følgene operator-ientitet: F Ĝ Ĝ F [ F, Ĝ] = 0, q.e.. Bevis av regel B: La n være en av egenfunksjonene til operatoren F, me egenverien f: F n = f n. Sien e to operatorene F og Ĝ forutsettes å kommutere, har vi a F (Ĝ n) = Ĝ F n = f(ĝ n). Denne ligningen forteller at funksjonen Ĝ n, i likhet me funksjonen n, er en egenfunksjon til operatoren F me egenverien f. I resten av ette beviset må vi skille mellom to muligheter: (i) Den ene muligheten er at egenverien f til operatoren F er ikke-egenerert, slik at et eksisterer bare én egenfunksjon me enne egenverien. I så fall kan funksjonen Ĝ n bare atskille seg fra funksjonen n me en konstant faktor g: Ĝ n = g n. Denne ligningen uttrykker at n er en egenfunksjon også til Ĝ, og et var et vi skulle vise. (ii) Den anre muligheten er at egenverien f er egenerert, slik at et finnes flere egenfunksjoner til F me enne egenverien. Beviset av regel B er a mer komplisert, som u kan se i avsnitt 4.1 hos Hemmer.

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 3 Eksempel 1 Fra en sentrale kommutatoren [x, p x ] = i h og regel C følger et at observablene x og p x ikke kan ha skarpe verier samtiig; e er ikke kompatible. Det er ette som også kommer til uttrykk i Heisenbergs uskarphetsrelasjon, x p x 1 2 h. (T4.5) Derimot er y og p x kompatible, iet [y, p x ] = 0. Eksempel 2 Vi har tiligere sett at e kartesiske komponentene av reieimpulsoperatoren L = r p ikke kommuterer; e oppfyller en såkalte reieimpulsalgebraen, som utgjøres av kommutatorrelasjonen [ L x, L y ] = i h L z, (T4.6) og to tilsvarene relasjoner som finnes fra enne ve syklisk ombytte av ineksene. Dette betyr at komponentene av observabelen L ikke er kompatible. Konsekvensen er at selv om størrelsen L av reieimpulsen har en skarp veri, så kan ikke komponentene være skarpe samtiig. Derfor kan ikke retningen til L være skarpt efinert, ifølge kvantemekanisk teori. Vi har også sett at hver av e kartesiske komponentene L x osv kommuterer me kvaratet L 2 av reieimpulsoperatoren, [ L 2, L x ] = [ L 2, L y ] = [ L 2, L z ] = 0. (T4.7) Ifølge reglene ovenfor betyr ette at L 2 er kompatibel me f.eks L z. Det går altså an å finne simultane egenfunksjoner til isse to operatorene, som vi skal se i neste kapittel. 4.2 Paritet I avsnittene 4.2.1 og 4.2.2 innfører Hemmer paritetsoperatoren P og begrepet paritet. Dette er enkle og velige nyttige hjelpemiler i kvantemekanikk. Etter å ha lest gjennom isse avsnittene kan u merke eg at når potensialet V (r) og erme Hamilton-operatoren er refleksjonsinvariant, så kommuterer paritetsoperatoren me Hamilton-operatoren: V ( r) = V (r) = PĤ(r) = Ĥ( r) = Ĥ(r) = [ P, Ĥ] = 0. Ifølge regel B ovenfor er et a mulig å finne simultane egentilstaner til P og Ĥ, vs energiegenfunksjoner ψ E (r) som har velefinert paritet (symmetriske eller antisymmetriske): I trå me beviset av regel B har vi Ĥ( Pψ E ) = PĤψ E = E( Pψ E ). Pψ E er altså i likhet me ψ E en energiegenfunksjon me energi E: (i) Er enne energien ikke-egenerert, må Pψ E være proporsjonal me ψ E, Pψ E = pψ E.

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 4 Her er p enten +1 eller 1, sien ette er e eneste mulige egenveriene til P. For en ikkeegenererte energien E har altså energiegenfunksjonen ψ E nøvenigvis velefinert paritet; en er enten symmetrisk eller antisymmetrisk. (ii) Er energinivået E egenerert, me flere energiegenfunksjoner ψ Ei (i = 1,, g), trenger ikke isse å ha velefinert paritet, men regel B forteller at e kan lineærkombineres til paritetsegentilstaner. For å huske innholet i enne røftingen er et nok å tenke på et par velkjente eksempler, (1) en harmoniske oscillatoren har ikke-egenererte energinivåer, og energiegenfunksjonene har ganske riktig velefinert paritet, (2) en frie partikkelen. I ette tilfellet kan vi velge å arbeie me symmetriske eller antisymmetriske løsninger (cos kx og sin kx), men vi kan også bruke asymmetriske løsninger (e ±ikx ). Et treje eksempel er en enelige brønnen { 0 for x < l, V (x) = V 0 for x > l. For 0 < E < V 0 er energinivåene iskrete og ikke-egenererte, og energiegenfunksjonene har velefinert paritet. For E > V 0 har vi to løsninger me samme energi. Her går et ifølge regel B an å finne én symmetrisk og én antisymmetrisk løsning for hver E, men et er mye mer interessant å jobbe me asymmetriske løsninger av typen ψ E (x) = Ae ikx + Be ikx for x < l, De iqx + F e iqx for l < x < l, Ce ikx for x > l. (T4.8) Dette kalles en spreningsløsning, fori en inneholer en innkommene og en reflektert bølge til venstre for brønnen og en transmittert bølge til høyre for brønnen. (Det kan vises at sannsynligheten for transmisjon er T = C/A 2.) 4.3 Tisutviklingen av forventningsverier Tisutviklingen av en tilstan (r, t) bestemmes av Schröingerligningen, og et samme gjeler a selvsagt også alle forventningsverier av observable, F = F τ. Som vist i avsnitt 4.3 i Hemmer, kan visse trekk ve tisutviklingen av slike forventningsverier klarlegges uten at vi behøver å løse Schröingerligningen eksplisitt. Dette vises ve å regne ut en tiseriverte (/t) av venstre og høyre sie i ligningen ovenfor. På høyre sie kan erivasjonen flyttes inn uner integralet, når vi eriverer partielt me hensyn på t, vs holer anre variable fast. Den partielleriverte av integranen er a t [ ( F )] = t F + ( F ). t Hvis operatoren F ikke avhenger eksplisitt av t, kan en trekkes utenfor en siste erivasjonen. I motsatt fall gir en siste erivasjonen to le, slik at resultatet blir t F = t F τ + F t τ + F t τ.

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 5 Ve å sette inn for / t og / t fra Schröingerligningen blir resultatet som vist i Hemmer følgene formel for tisutviklingen av forventningsverier: t F = ī [Ĥ, F ] F h + t. (T4.9) Her vil F vanligvis ikke avhenge eksplisitt av t, slik at vi kan stryke et siste leet. Dersom F, i tillegg til å være tisuavhengig, kommuterer me Ĥ, vs ersom observabelen F er kompatibel me energien E, finner vi nå et interessante resultatet at t F = 0. Forventningsverien F er altså tisuavhengig, og et kan vi slå fast uten å vite hvilken tilstan systemet befinner seg i. Vi sier a at observabelen F er en kvantemekanisk bevegelseskonstant. Alle observable som er kompatible me energien er altså slike bevegelseskonstanter. (Merk at et er forventningsveriene som er tisuavhengige.) Eksempel 1: Et eksempel er energien selv. Me F = E finner vi at t E = ī [Ĥ, h Ĥ] = 0. Dette gjeler forutsatt at Ĥ/ t = 0, vs uner forutsetning av at vi har et konservativt system. I et slikt system er altså energien en bevegelseskonstant for en vilkårlig, ikke-stasjonær tilstan. Eksempel 2: Paritetsbevarelse For et symmetrisk potensial har vi sett at [Ĥ, P] = 0. Det følger a at pariteten er en bevegelseskonstant, i en forstan at P = P τ er tisuavhengig. Som et spesialtilfelle kan vi tenke oss at tilstanen er symmetrisk (eller antisymmetrisk) ve et begynnelsestispunkt, slik at ette integralet er lik 1 (eller 1). Paritetsbevarelsen betyr i ette tilfellet at symmetrien (eller antisymmetrien) bevares hele tien (også om tilstanen er ikke-stasjonær). Eksempel 3: For en fri partikkel, me Ĥ = p 2 /2m, er [Ĥ, p] = 0, slik at (/t) p = 0. Så impulsen er en bevegelseskonstant (vs p =konstant) for en vilkårlig tisavhengig fri-partikkel-tilstan (r, t). Dette er kvantemekanikkens utgave av Newtons første lov. Hvoran vil forventningsverien r av posisjonen utvikle seg for en fri-partikkelbølge (r, t)? Svaret er, i trå me en klassiske relasjonen r/t = v = p/m, at t r = p m. Det viser seg at enne relasjonen også holer for en partikkel som beveger seg i et potensial V (r). Dette er en el av Ehrenfests teorem, som har mer å si om sammenhengen mellom kvantemekanikk og klassisk mekanikk:

FY1006/TFY4215 Tillegg 4 6 4.4 Ehrenfests teorem Ehrenfests teorem er nyelig beskrevet i Hemmers avsnitt 4.4.