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

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

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

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

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

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2009 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Onsdag 30. mai 2007 kl

Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

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

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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

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

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

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

NORSK TEKST Side 1 av 5

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

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.

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

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

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

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løsningsforslag Eksamen 1. desember 2009 TFY4250/FY2045

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

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

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,

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Tirsdag 4. desember 2007 kl

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 14.desember 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

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

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

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

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

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

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

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

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

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY Øving 8 1 ØVING 8

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

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

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

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

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

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

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

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

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

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

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

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

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

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

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

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

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

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

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

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

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

EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK og FY2045 KVANTEFYSIKK Lørdag 9. desember 2006 kl

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

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

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 12 1 LØSNING ØVING 12. Spinnpresonans. 2 hσ blir resultatet. 0 e

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

Transkript:

NORSK TEKST Side av 4 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf 73 59 8 67, eller 9702355 EKSAMEN I TFY4250 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Lørdag 8. august 2009 kl. 09.00-3.00 Tillatte hjelpemidler: Godkjent kalkulator Rottmann: Matematisk formelsamling Øgrim & Lian: Størrelser og enheter i fysikk og teknikk, eller Lian og Angell: Fysiske størrelser og enheter Et ark med uttrykk og formler er vedlagt. Sensuren faller i august 2009. Oppgave En partikkel med masse m befinner seg i et endimensjonalt potensial som består av en deltafunksjonsbrønn i punktet x = L/3 samt to uendelig harde vegger ved x = 0 og x = L : { for x < 0 og for x > L V x = βδx L/3 for 0 < x < L. β 0 Det opplyses at energiegenfunksjoner i dette potensialet må oppfylle diskontinuitetsbetingelsen ψ /ψ x=l/3 + ψ /ψ x=l/3 = 2mβ h 2. a. Angi bølgetallene k n 0 og energiene E n 0 for energiegenfunksjonene for spesialtilfellet β = 0, og skissér egenfunksjonene for de tre laveste energiene for dette tilfellet. Anta så at β 0, og forklar hvilke av energiegentilstandene som er helt uberørt av deltafunksjonsbidraget til potensialet dvs har samme bølgefunksjoner og energier som for β = 0.

Side 2 av 4 b. For en viss β-verdi, β 0, blir grunntilstandsenergien E lik null. Skissér bølgefunksjonen ψ for dette tilfellet, og bestem β 0 uttrykt ved de oppgitte størrelsene. Hva skjer med E når β gjøres større enn β 0? Prøv å begrunne svaret så godt du kan. Hvorfor har alle de eksiterte egentilstandene positive energier, uansett hvor stor vi gjør β? [Hint: Jf krumningsegenskaper.] c. Figuren viser to av de eksiterte energiegenfunksjonene for β = 9 h 2 /2mL. Angi hvilke tilstander dette er. Bruk figuren til å bestemme omtrent hvor store bølgetallene og energiene er for disse to energiegenfunksjonene. d. Finn en ligning som gjør det mulig å bestemme bølgetallene for de eksiterte tilstandene numerisk. [Hint: Det er praktisk å bruke den dimensjonsløse størrelsen kl som den ukjente.] Bruk denne ligningen til å bestemme en mer nøyaktig verdi for bølgetallet k 2 og energien E 2 for første eksiterte tilstand. Oppgave 2 I denne oppgaven betrakter vi en spinn- -partikkel som befinner seg i et konstant og 2 homogent magnetfelt B rettet i x-retningen. Når vi ser bort fra andre frihetsgrader, kan Hamilton-operatoren for dette spinnet skrives på formen H = ωs x, der vi antar at ω er positiv. Egentilstandene til denne Hamilton-operatoren er χˆx = 2 og χ ˆx = 2. a. Finn energiegenverdiene E + og E. De tilsvarende stasjonære tilstandene er χ ± t = χ ±ˆx e ie ±t/ h.

Side 3 av 4 Finn spinnretningene σ ± for disse stasjonære tilstandene, og kontrollér at disse retningene er tidsuavhengige. Hvorfor er en lineærkombinasjon χt = c + χ + t + c χ t med tidsuavhengige koeffisienter av de stasjonære tilstandene en mulig tilstand for dette systemet? Hvorfor er en slik lineærkombinasjon den mest generelle tilstanden vi kan ha for dette systemet? b. Ved t = 0 foretas det en måling av en viss komponent ˆn S av spinnet som etterlater dette i tilstanden 0 χ0 =. Finn spinnretningen σ 0 ved tiden t = 0 dvs umiddelbart etter målingen. Angi hvilken komponent som er målt dvs retningen til enhetsvektoren ˆn, og finn måleresultatet. Finn forventningsverdien E av energien og usikkerheten E i denne tilstanden. c. Finn også spinnretningen σ ved tidene t = π/2ω og t 2 = π/ω. d. Beskriv hva som skjer hvis vi ved t = 2π/ω plutselig endrer B-feltet, slik at den nye retningen blir langs y-aksen og størrelsen blir dobbelt så stor som opprinnelig. e. Vi går nå tilbake til t = 0, og endrer begynnelsestilstanden til χ0 = χ ˆx. Anta at vi, denne gangen svært langsomt, igjen endrer retningen av feltet fra ê x til ê y og størrelsen til det dobbelte. Beskriv hva som skjer. Finn tilstanden og energien til spinnet etter at denne endringen er overstått. Oppgave 3 En partikkel med masse m er i utgangspunktet i grunntilstanden i et tredimensjonalt harmonisk oscillatorpotensial V r = 2 mω2 r 2. Partikkelen utsettes så for en transient forbigående perturbasjon som svarer til to kraftstøt: V t = x p 0 δt + π/2ω y p 0 δt, Ft = V t = ê x p 0 δt + π 2ω + ê y p 0 δt. Her er p 0 størrelsen av impulsen som overføres i hvert av støtene.

Side 4 av 4 Klassisk vil en partikkel som i utgangspunktet er i ro i potensialet V r og så utsettes for disse støtene, for t > 0 havne i en sirkelbane med impuls, dreieimpuls og energi gitt ved rt = p 0 mω ê x cos ωt + ê y sin ωt, pt = p 0 ê x sin ωt + ê y cos ωt, L = r p = ê z p 2 0 mω og E = K + V = p2 0 m. I denne oppgaven skal dette problemet behandles kvantemekanisk, ved hjelp av.- ordens tidsavhengig perturbasjonsteori. Som uperturberte løsninger bruker vi produkttilstandene Ψ 0 n xn yn z r, t = ψ nx xψ ny yψ nz ze iet/ h ; E = hωn x + n y + n z + 3/2, som er ortogonale og normerte. Tilstanden til oscillatoren kan utvikles i dette settet: Ψr, t = a nxnyn z t Ψ 0 n xn yn z r, t. n xn yn z Før perturbasjonen ved t = t 0 < π/2ω er a 000 =. Etter perturbasjonen er koeffisientene a nxnyn z igjen tidsuavhengige, og det er disse koeffisientene som nå skal finnes. a. Sett p 0 = ɛ 2 hmω der ɛ er dimensjonsløs, beregn overgangsamplitudene a nxnyn z for t > 0 ved hjelp av.-ordens tidsavhengig perturbasjonsteori, og vis at det er bare to av overgangsamplitudene som er forskjellige fra null i tillegg til amplituden a 000 for h/2mω ψ x.] å finne oscillatoren i den opprinnelige tilstanden. [Hint: xψ 0 x = Finn også overgangssannsynlighetene. Hvilken betingelse må ɛ oppfylle for at.-ordens perturbasjonsteori skal gi en bra tilnærmelse her? b. Utviklingen * kan skrives på formen Ψ a + Ψ b, hvor Ψ a = a 000 Ψ 0 000r, t. Påvis at Ψ b er en egenfunksjon både til den uperturberte Hamilton-operatoren Ĥ og til dreieimpulsoperatoren L z. Beregn forventningsverdien av energiøkningen på grunn av den transiente perturbasjonen, E 2 hω 3, og sammenlign med den klassiske energien oppgitt ovenfor. Gjennomfør en tilsvarende sammenligning for L z.

Vedlegg: Formler og uttrykk Noe av dette kan du få bruk for. Målepostulatet i De eneste mulige verdiene som en måling av observabelen F kan gi er en av egenverdiene f n. ii Umiddelbart etter målingen av F er systemet i en egentilstand til den tilhørende operatoren F, nemlig en egentilstand som svarer til den målte egenverdien f n. Spinn 2 For en partikkel med spinn 2 kan en bruke spinnoperatoren S = 2 hσ = 2 hê xσ x + ê y σ y + ê z σ z, der σ x = 0 0, σ y = 0 i i 0 er de såkalte Pauli-matrisene. Pauli-spinorene χ + =, σ z = 0 0 0 og χ = 0 er da a egentilstander til S z = 2 hσ z med egenverdiene ± 2 h. En normert spinntilstand χ = b kan karakteriseres ved spinnretningen, σ = χ σχ = ê x Re2a b + ê y Im2a b + ê z a 2 b 2. Matrisene S x = 2 hσ x osv oppfyller dreieimpulsalgebraen, [S x, S y ] = i hs z, [S y, S z ] = i hs x, [S z, S x ] = i hs y. Videre er S 2 x = S 2 y = S 2 z = h2 4 0 0 og S 2 = 3 h2 4 0 0. Harmonisk oscillator Energiegenfunksjonene for potensialet V = 2 mω2 x 2 < x < oppfyller egenverdiligningen [ h2 2 ] 2m x + 2 2 mω2 x 2 n + hω ψ 2 n x = 0, n = 0,, 2,..., med løsninger på formen ψ n x = mω /4 /2 h π h 2n n! e mωx2 H n ξ, ξ = x h/mω ; H 0 ξ =, H ξ = 2ξ, H 2 ξ = 4ξ 2 2,.

Sfæriske harmoniske { L 2 L z } { h 2 ll + Y lm = hm } Y lm ; Y l m Y lmdω = δ l lδ m m; L z = h i φ ; Y 20 = Y 00 = 5 6π 3 cos2 θ, 3 4π, Y 0 = 4π cos θ, 3 Y,± = 8π sin θ e±iφ. 5 Y 2,± = 8π sin θ cos θ e±iφ, Y 2,±2 = Utgangspunktet for tidsavhengig perturbasjonsteori 5 32π sin2 θ e ±2iφ. Med en Hamilton-operator Ĥ = Ĥ0 + V t kan den eksakte løsningen utvikles i de uperturberte stasjonære løsningene: Ψr, t = n a n tψ 0 n r, t, der Ψ 0 n r, t = ψ n re ient/ h, Ĥ0ψ n r = E n ψ n r. Det eksakte ligningssettet for utviklingskoeffisientene er i h da k dt = e iωknt V kn ta n t; n V kn t = ψ k V t ψ n = ω kn = E k E n / h; ψ k V tψ n dτ. Med a n t 0 = δ ni oppfyller den eksakte amplituden ligningen a f t = δ fi + i h t e n t 0 iω fnt V fn t a n t dt. Til første orden i perturbasjonen er da amplituden a f a i f gitt ved Tidsutvikling av forventningsverdier δ-funksjonen og sprangfunksjonen a i f = δ fi + t iωfit e V fi t dt. i h t 0 d dt F = ī [Ĥ, F ] + F. h t d Θx = δx; dx fxδx adx = fa.