ØVING 4. @V @x i. @V @x

Like dokumenter
FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

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 =,

UNIVERSITETET I OSLO

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

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

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.

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

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

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

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Oppgaver til Dynamiske systemer 1

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

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

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

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

TFY4106 Eksamen 9 aug Løsningsforslag

1 Stokastisk variabel

Addisjon og subtraksjon =1234 =1199 =1149

Løysingsframlegg øving 1

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

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.

Eksamen MAT1015 Matematikk 2P. Nynorsk/Bokmål

SKR-B. UTSATT EKSAMEN Sensur faller innen

Nasjonale prøver Matematikk 7. trinn

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T. Nynorsk/Bokmål

Eksamen MAT1005 Matematikk 2P-Y. Nynorsk/Bokmål

Løysingsforslag til eksamen i MA1301-Talteori, 30/

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Va ren 2014

Eksamen REA3028 Matematikk S2. Nynorsk/Bokmål

LØSNING. Eksamensoppgave i TALM1004 Matematikk 2. Institutt for allmennfag. Faglig kontakt under eksamen: Kåre Bjørvik Tlf.

Skrivne og trykte hjelpemiddel samt kalkulator er tillate. Ta med all mellomrekning som trengst for å grunngje svaret.

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

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

TALM 1004 Matematikk 2-Eksamen mandag 4.mai 2015 LØSNING. 5 klokketimer TALM1004-A. Matematikk 2. Kåre Bjørvik. Kalkulator: Type C

Dersom summen vert over 400 g må ein trekkje dette frå.

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

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

Eksamen REA3026 Matematikk S1. Nynorsk/Bokmål

)*+!,*- ".%! /01 & 2 01 &!

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

Eksamen MAT1011 Matematikk 1P. Nynorsk/Bokmål

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Newtons lover i én dimensjon

Eksamen REA3022 Matematikk R1. Nynorsk/Bokmål

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T. Nynorsk/Bokmål

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Signalfiltrering. Finn Haugen TechTeach. 21. september Sammendrag

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

EKSAMEN I FAG SIF 4014 FYSIKK 3 Onsdag 2. desember 1998 kl

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

Naturfag 2 Fysikk og teknologi, 4NA220R510 2R 5-10

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

Eksempeloppgåve/ Eksempeloppgave 2009

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

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

Brukarrettleiing. epolitiker

Eksamen REA3026 Matematikk S1. Nynorsk/Bokmål

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Hausten 2013

Eksamen REA3022 Matematikk R1. Nynorsk/Bokmål

EKSAMENSOPPGÅVE. Tilletne hjelpemiddel: Godkjend kalkulator og formelsamling og 2 eigne A4-ark (4 sider totalt)

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T. Nynorsk/Bokmål

Svar: Vi bruker Ampères lov for å finne magnetfeltet en avstand r fra lynet.

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T. Nynorsk/Bokmål

Eksamen MAT1008 Matematikk 2T. Nynorsk/Bokmål

BOKMÅL EKSAMENSOPPGAVE I KJE Eksamen i : KJE Eksamensdato : Mandag 22.februar. Tid : 09:00-15:00. Sted : Administrasjonsbygget, B.154.

EKSAMEN BOKMÅL STEMMER. DATO: TID: OPPG. SIDER: VEDLEGG: 3 desember :00-13: FAGKODE: IR Matematikk 1

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi. Torsdag Kalkulator: Type C Alt skriftlig materiale

KappAbel 2010/11 Oppgåver 2. runde - Nynorsk

Eksamen REA3026 Matematikk S1. Nynorsk/Bokmål

KORT INTRODUKSJON TIL TENSORER

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Eksamen MAT1008 Matematikk 2T. Nynorsk/Bokmål

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 SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Eksamen MAT1008 Matematikk 2T. Nynorsk/Bokmål

Fremdriftplan. I går. I dag. 2.5 Uendelige grenser og vertikale asymptoter 2.6 Kontinuitet

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

Nynorsk. Eksamensinformasjon

Eksamen REA3024 Matematikk R2. Nynorsk/Bokmål

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

Eksamen REA3028 Matematikk S2. Ny eksamensordning. Del 1: 3 timar (utan hjelpemiddel) / 3 timer (uten hjelpemidler)

IR Matematikk 1. Eksamen 8. desember 2016 Eksamenstid 4 timer

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Eksamen MAT 1011 Matematikk 1P Hausten 2013

Transkript:

FY006/TFY425 - Øving 4 Frit for innlevering: tirdag 8. februar, kl 7.00 Oppgåve ØVING 4 Vibrerande to-partikkel-ytem Som dikutert på ide 0 i boka til Hemmer, er det eit viktig poeng både i klaik mekanikk og i kvantemekanikk at eit to-partikkel problem eenielt kan reduerat til eit ein-partikkel problem. Dette er relevant både for bundne to-partikkel ytem (om t.d. H-atomet) og for ubundne ytem, lik vi har i preiingproear. Dette kan vi illutrere ved eit eindimenjonalt ytem, der to partiklar med maar m og m 2 er forbundne med ei malau fjær med fjærkontant k. Ved likevekt (med avpent fjær, og null krefter) er relativ-koordinaten mellom dei to partiklene, x = x x 2, lik l. Elle er kreftene på m og m 2 heile tida motett retta og proporjonale med utlaget frå likevektavtanden, x x 2 l = x l : F = F 2 = k(x x 2 l) k(x l). Sidan dee kreftene berre avheng av relativ-koordinaten x, må dette og gjelde for den potenielle energien. Dee kreftene kan ein finne frå potenialet V = 2 k(x l)2, vha F i = V x i = V x x x i, i =, 2. [Vi tenker o altå at all bevegele kjer i x-retninga, dv vi er bort frå at ytemet kan rotere om tyngdepunktet for to-partikkelytemet.] a) Klaik tilnærming: Omvifyrttenkeroatviheldm 2 fat i origo, lik at x 2 =0, er ifølgje Newton 2. lov F m = k(x l) m = d2 x dt 2 = d2 (x l) dt 2, (x 2 =0,x= x ). Sett inn prøveløyinga x l = A co(! t + ) i di ereniallikninga med trek under, og vi at den klaike vinkelfrekvenen er k! =. m q k/m 2. Derom vi held m fat, får vi tilvarande vingningar med vinkelfrekven! 2 = Og nå kjem poenget: Let vi både m og m 2 vinge fritt (om to atom i eit toatomig molekyl), kal du vie at relativ-avtanden vingar med vinkelfrekven! om er tørre enn

FY006/TFY425 - Øving 4 2 både! og! 2 : Vi fyrt at den andrederiverte av utvinget x l er lik (x l)k/µ, derµ er den åkalla reduerte maen, definertved /µ =/m +/m 2 : d 2 dt (x l) = = k 2 µ (x l), der µ + m m 2 =) µ = m m 2. m + m 2 Hint: Bruk d 2 x i /dt 2 = F i /m i, (i =, 2). Sett deretter inn funkjonen x l = A co(!t + ) i di ereniallikninga ovanfor, og vi at vinkelfrekvenen! er tørre enn! og! 2. Korlei bevegar tyngdepunktet for to-partikkel ytemet eg når det ikkje verkar ytre krefter? [Jf Newton. lov.] b) Kvantemekanik tilnærming. Medutgangpunktienergioperatoren Ĥ = ˆK + ˆK 2 + V (x) for dei to partiklane kan ein vie at relativbevegelen for dei to partiklane er gjeven ved den tiduavhengige Schrödingerlikninga " h 2 2 # 2µ x + k(x 2 l)2 (x) =E (x), 2 der µ er den reduerte maen og x er relativkoordinaten. Kva blir energinivåa? Kva er energieigenfunkjonen for grunntiltanden om funkjon av relativkoordinaten x? [Hint: Svara finn du utan å rekne, ved å amanlikne med tandardutgåva av ein harmonik ocillator, om er ein partikkel med mae m om bevegar eg i potenialet V (q) = 2 kq2 2 m!2 q 2. Den tiduavhengige Schrödingerlikninga for dette ytemet er " h 2 2 # " 2m q + h 2 2 # 2 2 kq2 (q) 2m q + 2 2 m!2 q 2 (q) =E (q), med energieigenverdiane k E n = h m (n + ) h!(n + ), n =0,, 2,. 2 2 Energieigenfunkjonen for grunntiltanden er 0(q) =C 0 e m!q2 /2 h, C 0 =(m!/ h) /4. c) Vi at Hamilton-operatoren Ĥ = ˆK + ˆK 2 + V (x) (der ˆK =ˆp 2 /2m ob) kan krivat om Ĥ = ˆP 2 2M + ˆp2 2µ + V (x) med h ˆP = i X og bp = h i x, der x = x x 2 og X = m x + m 2 x 2 m + m 2 m M x + m 2 M x 2 er relativkoordinaten og tyngdepunktkoordinaten. [Hint: Ved hjelp av kjerneregelen har vi x = X X + x x x = m x M X + x og i = m 2 x 2 M Frå dee uttrykka kan du finne ˆp og ˆp 2 uttrykt ved ˆP og ˆp.] Kva fyik obervabel varer operatoren ˆP til? [Hint: Vi at ˆp +ˆp 2 = ˆP ]. X x.

FY006/TFY425 - Øving 4 3 d) Då Ĥ kommuterer med operatoren ˆP,kanvifinneenergieigenfunkjonaromogereigenfunkjonar til ˆP, med eigenverdi P. Dee eigenfunkjonane vil generelt avhenge både av relativ-koordinaten x = x x 2 og av tyngdepunktkoordinaten X. Vi kal nå bekrive dette ytemet frå tyngdepunkt-ytemet, der den totale impulen P til dei to partiklane pr definijon er lik null. Forklar (vha eigenverdilikninga ˆP = P )kviforenergieigenfunkjonen blir uavhengig av tyngepunktkoordinaten X, ogammenliknenergieigenverdilikninga med likninga i b). Oppgåve 2 Vibrajonfriheitgraden for toatomig molekyl Når eit okygenmolekyl O 2 er i grunntiltanden, er avtanden mellom dei to kjernene nokå nær ein vi likevektavtand (omlag ein Ångtrøm). Denne likevektavtanden varer til eit energiminimum for dette ytemet. Prøver vi å dytte dei to kjernene (og dermed elektronkyene) nærmere kvarandre, eller å trekkje dei frå kvarandre, kotar dette energi, og molekylet motett eg endringa med ei kraft om er tilnærma proporjonal med utlaget frå likevektavtanden. M.a.o: Vi har (for må utving) ein tilnærma harmonik ocillator. (Jf Tillegg 3, ide 25 26.) a) Ekperimentelt vier det eg at den (tilnærmet ekviditante) avtanden mellom energinivåa for denne ocillatoren er h! 0.20 ev. Med okygenmaen m finn vi frå førre oppgåva at fjærkontanten for dette ytemet er k = 2 m!2. Gjer eit numerik overlag over denne fjærkontanten, og vi at fjæra er ganke kraftig. Fjærkontant er omlag 0 3 N/m. [Maen til et okygenatom er ca 6 ganger protonmaen, om er m p.67 0 27 kg.] b) Eit ja/nei-pørmål: Kan avtanden mellom dei to kjernene vere karpt definert? q Som mål for kor tore typike utlag for denne ocillatoren er, kan vi ta lengda h/m! (om er p 2gangeruikkerheiten x). Sett inn talverdiar og vi at utlaaga for kjernene er må amanlikna med atomradier (eller med avtandane mellom kjernene i eit molekyl), om typik er 0 0 m. c) Tenk deg at vi har ein makrokopik ocillator med ame fjærkontant, dv eit potenial V (x) = 2 kx2, og en makrokopik partikkel med mae M = kg. Vi at forholdet mellom energibeløpet h! 0 for q denne ocillatoren og beløpet h! for ocillatoren ovanfor er ca 0 3. Rekn ut lengda h/m! 0,omgjevkalaenforutlagetavdentungemaen(i q grunntiltanden), og vi at denne lengda er ca ein faktor 0 7 mindre enn h/m! for den lette maen. d) Den tunge maen ocillerer nå med eit utlag på x max =0cm. Samanliknenergien E = 2 k(x max) 2 for ein lik vingetiltand med energibeløpet h! 0 for denne ocillatoren, og finn ut kor tore kvantetal n 0 dette varer til. [Hint: Hug at E 0 n = h! 0 (n 0 + 2 ).]

FY006/TFY425 - Øving 4 4 Oppgåve 3 Ikkje-tajonær tiltand for partikkel i bok Ein partikkel med mae m er i ein uendeleg djup eindimenjonal potenialbrønn (bok) med vidde L: ( 0 for 0 <x<l, V (x) = elle. Ved t =0 preparerervidetteytemetieintiltandlkatbølgefunkjonener (x, 0) = 6 5L in x L 3. Figuren vier p L (x, 0) og L (x, 0) 2 om funkjonar av x/l. a) Rekn ut frå diagrammet ovanfor forventningverdien h x i 0 til partikkelen poijon ved t =0. Kva kurve i diagrammet er relevant når du på øyemål kal etimere kor tor uikkerheiten ( x) 0 ipoijonenerved t =0. Kva er ditt etimat? b) Då det ortonormerte energiegenfunkjonettet for boken, 2 n(x) = L in k nx, k n = n L, E n = h2 kn 2, n =, 2,, 2m utgjer eit fulltendig ett (dv dannar ein bai), kan ein utvikle initialtiltanden i dette ettet. Bruk formelen 4 in 3 y =3iny in 3y til å finne koe ientane c n iutviklingformelen X (x, 0) = c n n (x). n= c) Vi at initialtiltanden (x, 0) er normert. [Hint: Normeringintegralet kan krivat om Z L X!! 3 X c k k c n n dx = X c Z L k c n k n dx. 5 0 k n k,n 0 d) Etter prepareringa (for t>0) er bølgjefunkjonen X (x, t) = c n n (x)e ient/ h, n= der c n er koe ientane om ein kulle finne ovanfor. Ein gjer ei måling av energien E til partikkelen ved t =0 (umiddelbartetterprepareringa). (i)kvaerdeimoglegemålereultata,

FY006/TFY425 - Øving 4 5 og kva er dei tilhøyrande annynlegheitene? (ii) Rekn ut forventningverdien h E i 0 av energien ved t =0 (uttryktvedgrunntiltandenergien E ). (iii) Kva blir bølgjefunkjonen for ytemet etter ei lik måling? (iv) Kva blir vara på (i) og (ii) derom ein gjer målinga ved tida t (dv ei tund etter prepareringa)? Etter overlaget av uikkerheiten ( x) 0 ia),kandetvereintereantåunderøke( p x ) 0. Vi fyrt at h p x i 0 =0. Finn deretter h p 2 x i 0 (t.d vha reultatet for h E i 0 ), og ett inn uikkerheiten ( p x ) 0 (og overlaget over ( x) 0 ) i uikkerheitproduktet ( x) 0 ( p x ) 0. Oppgåve 4 Dirac -funkjon a) I uttrykka nedanfor er (x) Dirac -funkjon. Rekn ut: Z Z 4 Z Z Z (x)f(x)dx = ; (x c)g(x)dx = ; (x)(ax + B)dx = ; [ (x a)+ (x b)]f(x)dx = ; [ (x ) + (x +3)]g(x)dx = ; Z Z Z (2x)f(x)dx = ; (3x 6)f(x)dx = ; Z Z Z Z e ixa dx = ; e ixa dx = ; e ixa da = ; (NB! Integrajon over a) e if f 2 df = ; (x x 0 ) (x x 00 )dx =. (Le f og f 2 om faktor og faktor 2.) b) Ved å teikne eit diagram vil du jå at funkjonen ( cont for x<0, f(x) = cont + x for x>0

FY006/TFY425 - Øving 4 6 har ein knekk for x =0. Den deriverte av denne funkjonen er åpenbart prangfunkjonen, ( df 0 for x<0, dx = (x) = for x>0. Overtyd deg om at den 2.-deriverte av funkjonen f(x), dv den.-deriverte av prangfunkjonen, er -funkjonen: d 2 f dx = d 2 dx = (x). Hint: Bruk relajonen eller jå på relajonen Z d (x) dx dx = ( ) ( ) (for > 0), igrena! 0.