Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

Like dokumenter
Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

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

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

Løysingsframlegg øving 1

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

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

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

1 Stokastisk variabel

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk

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

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

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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 =,

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

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

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

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

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

FYS2140 Kvantefysikk, Hjemmeeksamen V Leveringsfrist fredag 20. mars kl.14:45 (før ekspedisjonen stenger!!!)

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)

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

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

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

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

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY 4104 Fysikk august 2011

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Kontinuasjonseksamen august 2010

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

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

Løysingsframlegg TFY 4104 Fysikk Hausten 2009

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

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

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

11 Harmonisk oscillator og dreieimpuls vha operatoralgebra

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

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

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 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

TUNNELERING. - eit viktig kvantemekanisk fenomen

Løsningsforslag til øving 5

Løsningsforslag til øving 3

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

Lfisningsforslag SIF4045 Kvantemekanikk Oppgave 1 a) Den tidsavhengige Schrödingerlikningen = c HΨ= Separable lfisninger av denn

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2013

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

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.

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

2. Postulatene og et enkelt eksempel

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Torsdag 8. desember 2011

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

LØSNING EKSTRAØVING 2

Løsning, eksamen TFY4205 Kvantemekanikk II Mandag 13. august 2012

FY1006/TFY Øving 12 1 ØVING 12. Vinkelfunksjonar, radialfunksjonar og orbitalar for hydrogenliknande. Y lm ; l = 0, 1, ; m = l,, l.

Løysingsframlegg Eksamen TFY 4230 Statistisk Fysikk onsdag 17/

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

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

(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

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg kontinuasjonseksamen TFY45/FY6 Innføring i Kvantemekanikk august Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: 759 Oppgåve August 6, a) Hamiltonoperatoren er Ĥ = h m ( r + r r L h r ) + V (r) () der ( L = h θ cotθ θ + ) sin θ φ. () L er uavhengig av r og kommuterer difor med V (r). L er uavhengig av r og og kommuterer difor med dei to første ledda i Ĥ. r L kommuterer med seg sjøl og difor med alle ledd i Ĥ. Vi har l =,,,,.. og m = l, l +..,,..l, l. b) Dette følgjer direkte ved innsetting.

c) Dersom vi skiftar variabel x = r µω får ein d = µω h dr h innsetting av V (r) = µω r = hωx gjev dette hω [ d dx + d x dx Vi har R(r) = u(x) = P(x)e x. Dette gjev d dx etc. Ved ] l(l + ) u(x) + x hωx u(x) = Eu(x) () u (x) = P (x)e x P(x)xe x, (4) u (x) = P (x)e x P (x)xe x + P(x) ( x ) e x. (5) Innsetting av u (x) og u (x) og forkorting med hω og e x gjev ( ) ( P (x) + x x P (x) + ǫ d) Vi bruker potensrekkjemetoden og skriv ) l(l + ) P(x) =. (6) x P(x) = a n x n. (7) Dette gjev P (x) = Innsetting gjev da n= P (x) = a n nx n = a n n(n )x n = n= a n nx n, (8) n= a n n(n )x n. (9) n= a n n(n )x n + a n nx n a n nx n Dette kan vi skrive som +(ǫ ) a n x n l(l + ) a n x n =. () a n n(n )x n + a x + a n nx n a n nx n n= n= ( +(ǫ ) a n x n a l(l + ) x + a ) l(l + ) a n x n = () x n=

Dersom vi redefinerer n n i det første, tredje og siste leddet, får vi etter litt opprydding [a n+ (n + )(n + ) l(l + )a n+ + (ǫ n )a n ] x n + a ( l(l + )) x a l(l + ) x =. () Koeffisienten foran kvar potens av x må vere lik null. Dette gjev rekursjonsrelasjonen a n+ = n + ǫ (n + )(n + ) l(l + ) a n. () I tillegg må a = viss l(l + ) og a = viss l(l + ), det vil seie l = eller l =. Rekursjonsformelen viser at a n+ /a n /n for store n og P(x) = e x for store x. Det vil seie at u(x) e x for store x og er ikkje normerbar. Einaste vegen ut er at rekkja terminerer, det vil seie a n+ = for passe heiltal n. Dette gjev ǫ = n +, (4) eller ( ) E = hω + n. (5) e) Dersom P(x) = A er konstant får vi ved innsetting ( ǫ som har løysing når ǫ = og l =. l(l + ) x ) A =, (6) Dersom P(x) = Bx får vi ved innsetting og litt opprydding ( l(l + )) B + x (ǫ 5)B =, (7) x som har løysing ǫ = 5 og l = (l = er og ei løysing men l < ikkje tillate). f) Energien til den isotrope tredimensjonale oscillatoren er ( ) E = hω + n x + n y + m z, (8) der n x =,,..., n y =,,... og n z =,,... Grunntilstanden er for n x = n y = n z = og E = hω som tilsvarer ǫ =.

Middelverdien r kan skrivast som r = π π π r ψ r sin θ dr dφdθ π ψ r sin θ dr dφdθ, (9) der nemnaren er normeringa av ψ (r, φ, θ). Integralet over φ og θ gjev 4π i tellar og nemnar. Ny variabel x = r µω/ h gjev da r = h x 4 e x dx µω x e x dx = h µω Dette gjev V (r) = 4 µω r = 4 hω. () Vi har H = E k + V (r) og E = H. Dette gjev E k = E V (r). () Sidan E = ( hω)ǫ = hω for grunntilstanden får vi E k = 4 hω. () Energien E er da i middel likt fordelt mellom potensiell og kinetisk energi. Oppgåve a) På grunn av faktoren e αx går ψ(x) når x +. Vidare er ψ(x) for x <. ψ(x) er difor lokalisert og beskriv da ein bunden tilstand. Normeringsintegralet er ψ(x) = A x e αx dx = A π 8 α /! =. () 4

Dersom ein veljer A reell får vi A = ( ) 8 4 α 4 og den normerte bølgjefunksjonen π blir ( ) 8 4 ψ(x) = α 4 xe αx. (4) π b) Middelverdien til den potensielle energien er ( ) 8 V (x) = F α / π = F πα. c) Middelverdien til den kinetiske energien er E k = h m = h m x e αx dx ψ(x) d ψ(x) dx dx [ ] dψ(x) dx (5) dx etter delvis integrasjon. Innsetting av ψ(x) gjev E k = h m ( 8 = h m α. π ) α [ αx ] e αx dx d) Den totale energien til systemet kan vi da skrive som E = E k + E p = h m α + F π α. (6) Verdien på α som minimaliserer E, α min, finn vi ved å løyse de dα gjev =. Dette eller h m F α min = π α min =, (7) [ (m ) F h 8π ]. (8) 5

Innsett i uttrykket for E får vi da ( ) ( h ) E min = F. (9) π m der prefaktoren er ( ).4478. Feilen i grunntilstandsenergien er π omlag promille. Ikkje dårleg! Oppgåve a) Den relative krumning er gjeve ved ψ (x) ψ(x) = m [V (x) E] () h Når E V (x) > er den relative krumninga negativ og desse områda er tilletne i klassisk fysikk. når E V (x) < er den relative krumninga positiv og desse områda er forbode i klassisk fysikk. Når E V (x) = er ψ (x) = som tyder at bølgjefunksjonen har eit vendepunkt. Viss V (x) er kontinuerleg, vil ψ(x) vere kontinuerleg og glatt. For eit deltafunksjonspotensial V (x) = αδ(x a), vil ψ(x) vere kontinuerleg men ha ein knekk i x = a. I dette tilfellet er ikkje V (x) kontinuerleg. b) For ein operator  har vi ( A) = A A, () som gjev informasjon om spreiinga av måleresultata for observabelen A i tilstanden ψ. Innhaldet er da at produktet av usikkerheita for x og p x aldri kan bli mindre enn h. Dette tyder at ein ikkje kan spesifisere posisjon og impuls til ein partikkel samtidig. Posisjon og impuls kan ikkje vere skarpe samtidig. c) ψ(x) gjev sannsynlegheitsfordelinga for målingar av posisjonen på x- aksen. d) Dersom vi bruker klassisk fysikk vil partikkelen sprette tilbake viss E < V (%refleksjon). Dersom E > V vil partikkelen beveges seg mot høgre med redusert hastighet (% transmisjon) Kvantemekanisk vil refleksjonskoeffisienten, det vil seie sannsynlegheiten for at partikkelen blir reflektert vere lik når E < V. Dette er klassisk oppførsel. Når E > V er refleksjonskoeffisienten ein avtagande funksjon av E, men er positiv. Dette er altså ikkje-klassisk oppførsel. Sjå figur. 6

Figure : Refleksjonskoeffisient for eit potensialsprang som funksjon av E/V. 7