Aineaaltodynamiikkaa

Samankaltaiset tiedostot
Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Aineaaltodynamiikka. Aikariippuva Schrödingerin yhtälö. Stationääriset tilat. Ei-stationääriset tilat

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Kvanttimekaniikan perusteet

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Tilat ja observaabelit

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Kvanttimekaniikan perusteet

Vapaat tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 6. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Kvanttifysiikan perusteet 2017

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Kvanttifysiikan perusteet 2017

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Korkeammat derivaatat

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

Sidotut tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 5. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

Kvanttimekaniikan tulkinta

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

Korkeammat derivaatat

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

Korkeammat derivaatat

Kvanttidynamiikka Tarkastellaan ensin hieman bra/ket-merkintää ja vertaillaan sitä muihin merkintätapoihin.

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2016

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Shrödingerin yhtälön johto

Jatko-opintoseminaari Kevyttä johdattelua kvanttimekaniikkaan: Tila-avaruus. Petteri Laakkonen

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Johdantoa. 0.1 Mustan kappaleen säteily. Musta kappale (black body): Kvanttimekaniikka. Wienin siirtymälaki jakautuman maksimille on

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

KVANTTIMEKANIIKKA I Johdatus alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään A/S

Esimerkki: 2- atominen molekyyli. Korkeammat derivaatat 1/24/13. Jo kerran derivoitu funk6o voidaan derivoida uudelleen. Yleisemmin merkitään:

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

Korrespondenssiperiaate. Tapio Hansson Oulun Yliopisto, Fysiikan laitos Ohjaaja: Mikko Saarela

T R Hψ = H(r + R)ψ(r + R) = H(r)ψ(r + R) Kahden peräkkäisen translaation vaikutus ei riipu

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Varatun hiukkasen liike

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Kertausta: Vapausasteet

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Varatun hiukkasen liike

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

S Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11

Energian säilymislain perusteella elektronin rekyylienergia on fotnien energioiden erotus: (1)

Kvanttimekaniikka: Luento 4. Martikainen Jani- Petri

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

1. Oletetaan, että protonin ja elektronin välinen vetovoima on verrannollinen suureeseen r eikä etäisyyden neliön käänteisarvoon

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka: peruskäsitteitä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Suhteellisuusteorian perusteet 2017

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Ch10 Spin-1/2 systeemi. Spin-1/2 kvanttimekaniikkaa

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Matematiikkaa kemisteille, kevät 2012 Ylimääräinen laskuharjoitus Palautus 7.5. klo (suositellaan kuitenkin tekemään ennen välikoetta 30.4!

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Varatun hiukkasen liike

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Luento 3: Käyräviivainen liike

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Transkriptio:

Aineaaltodynamiikkaa Aineaaltokenttien riippuvuus ajasta aikariippuva Schrödingerin yhtälö Stationääriset ja ei-stationääriset tilat Aaltopaketit Kvanttimekaniikan postulaatit = kuinka hiukkasen fysikaaliset ominaisuudet lasketaan aaltofunktion avulla. Aikariippuva Schrödingerin yhtälö Aineaaltokentän aikariippuvuuden määrää yhtälö Schrödingerin yhtälöä ei voi johtaa mistään klassisen fysiikan teoriasta se on yksi uuden teorian hypoteeseista eli perusoletuksista. Schrödingerin yhtälöä voidaan motivoida analogialla sähkömagneettisen kentän aaltoyhtälöön Ajasta riippumattoman ja aikariippuvan Schrödingerin yhtälön suhdetta voidaan verrata staattisen ja dynamisen kenttäteorian suhteeseen klassisessa sähkömagnetiikassa! 1

Schrödingerin yhtälö: älykäs arvaus Klassinen SM-aaltoyhtälö (esimerkiksi sähkökentälle) on muotoa ψ 1 ψ = x c t Planckin fotonihypoteesin mukaan E = ħω = cp ja p = E/ c= h λ. Aineaalloille pätee vastaavasti E = ħω ja p = E/ c = h λ. ikx ( ωt Yhtälön (1) eräs ratkaisu on tasoaalto ψ ) ( xt, ) = Ae. Jos tasoaalto derivoidaan ajan suhteen: ψ iħ = ħωψ = Eψ () t Jos se derivoidaan paikan suhteen ( ω = kc) saadaan ψ iħ = ħkψ = pψ (3) x Sekä () että (3) ovat ominaisarvoyhtälön muotoisia, oikealla puolella on ominaisarvo kertaa ominaisfunktio vasemmalla puolella differentiaalioperaattori kertaa ominaisfunktio. Eop pop = i t = i x Energia/liikemäärä suhde ratkaisee ( op ) ψ ( op ) Fotoneille E = c p E = c p ψ Sijoittamalla Eop = i ja pop = i saadaan t x ψ 1 ψ = eli SM-aaltoyhtälö. x c t p Elektroneille (hiukkasille) pätee E = + Ep ( x, t) ts. energia on liikeja potentiaalienergioiden summa. m Sijoittamalla operaattorit Eop = i ja pop = i t x p op ψ ψ ( Eop ) ψ Ep ( xt, ) ψ i = + = + E p ( xt, ) ψ m t m x Liikemäärän erilainen suhde energiaan on ratkaiseva ero elektronin ja fotonin välillä

Yrite Ψ Stationääriset tilat iet ( xt, ) = φ( x) e ; Ψ ( xt, ) = φ( x) Tällöin ajasta riippumaton Sijoittamalla: Ψ ie iet ψ i = i φ( x) e = + E ( ) p x Ψ = t m x iet ψ = e + E p x x m x ( ) φ ( ) Yrite on ajasta riippuvan Schrödingerin yhtälön ratkaisu jos ψ + E ( ) ( ) ( ) p x φ x = Eφ x m x ( ) = φ ( ) n n n Ei-stationääriset tilat Schrödingerin yhtälön yleinen ratkaisu on ie t ħ n Ψ xt, c x e ; Esimerkki: Potentiaalilaatikko 1 iet ħ ( 1 ) ie t ħ (, ) = 1/ ( ) + ( ) Ψ xt φ xe φ xe ħ π 1 = = 1 Energiat: E ; E 4 E ; ma Hetkellä t = 0 aaltopaketti on vasemmalla: Ψ ( x,0) = ( 1/ ) φ1( x) + φ( x) ja hetkellä t = π ħ /( E E ) aaltopaketti on oikella: Ψ π ħ φ φ 1 iπ E /( E E ) 1 1 [ ] 1 1 ( xt, = /( E E )) = e ( x) ( x) Aaltofunktio värähtelee edestakaisin näiden asemien välillä 3

Gaussin aaltopaketti Vapaan hiukkasen stationäärinen tila: Ψ ( xt) ie t / ħ j, = ϕ ( xe ) j Aaltopaketti = vapaan hiukkasen ei-stationäärinen tila ikx iet / ħ Ψ ( x, t) = N c( k) e e dk Gaussin aaltopaketissa α α ( k k ) 0 / ck ( ) = e normitustekijä N= 1/ π. π Gaussin paketti paikka-avaruudessa Suorittamalla integrointi yli liikemäärän ( ħ ) ( ħ ) N Ψ ( xt, ) = e e F 0 0 0 / 0 / /α ikx k t m x k t m F t F = 1 + i ; t0 = mα / ħ; N = 1/ α π t Aaltopaketin todennäköisyystiheys: 1 ( ) ( ) x k0ħt/ m / β Ψ xt, = e β π ( ) β = α 1+ tt 0 4

Gaussin paketin reaaliosa Gaussin paketti on yleisesti kompleksiarvoinen ajan ja paikan funktio ja siksi vaikea visualisoida. ( x) ( k) / Ajanhetkellä t = 0 Re [ Ψ ( x,0) ] = Csin( k0x) e Paketin keskikohta on pisteessä x = 0 Aaltofunktion reaaliosa on normitustekijän C sinifunktion sin( k0x) ja Gaussisen verhokäyrätekijän ( x) ( k) / e tulo. Gaussin paketin ominaisuuksia Aaltopaketin leveys liikemääräavaruudessa on k Todennäköisyystiheyden maksimikohta on pisteessä x= k ħt m 0 / 1/ α Paketin leveys kasvaa β = α 1 + / ( t t ) 0 Kun 1 t >> t0 paketin leveys on x β = α ( t/ t0) = t mα Aaltofunktio säilyttää norminsa ψ ( x, t) dx= 1 5

Vaihenopeus ja ryhmänopeus ikx ( ωt Tasoaallon ψ ) ( xt, ) = Ae vakioarvokohta etenee vaihenopeudella : ω vakio vakio kx ωt = vakio x = t + = v pt + k k k Vapaalle hiukkaselle ω ħω E mv / v v p = = = = = k ħk p mv Hiukkasen todellinen nopeus on sen ryhmänopeus : dω dħω de p vg = = = = dk dħk dp m Ryhmänopeudelle pätee myös v =< v>= Ψ ( xt, ) dx Ψ ( xt, ) Ψ ( xtdx, ) (, ) g ħ dψ x t im dx Todennäköisyysvirran tiheys Todennäköisyyden jatkuvuusyhtälö: S j ds = t Ψ r j = t Ψ r Schrödingerin yhtälöstä: V (, t) dv (, t) Ψ Ψ + EpΨ = i Ψ m t (1) Ψ Ψ + Ψ = Ψ m t Ep i Kertomalla ja laskemalla puolittain yhteen m ( ) ( ) Todennäköisyysvirran tiheys Ψ Ψ Ψ Ψ = i Ψ(,) r t t Ketjusäännön avulla: Ψ Ψ Ψ Ψ = i Ψ(,) r t () m t Vertaamalla (1) ja () = j ( ) mi Ψ Ψ Ψ Ψ 6

Kvanttimekaniikan postulaatit I Energia eli Hamiltonin operaattori: ˆ Hψ x E x ˆ ψ H = + E ( ) p x m x Hˆ Ψ Ψ x, t = i t n( ) = nψ n( ) ( xt, ) ( ) Kvanttimekaniikan postulaatit II 7

Kvanttimekaniikan postulaatit III Kvanttimekaniikan postulaatit IV 8

Kvanttimekaniikan postulaatit V Tärkeimmät operaattorit Operaattori Hamiltoni (energia) Liikemäärä paikka Kulmaliikemäärä Kulmaliikemäärän z-komponentti H ˆ ψ + E p m x x, t pˆ i r Lˆ r ( i ) r ˆ Lz i x y y x ( ) 9

Hermiittisyys Operaattori Aˆ on hermiittinen jos ( ˆ ) ˆ 1 = 1 Φ AΦ dx AΦ Φ dx mielivaltaisille funktioille Φ ja Φ. 1 Hermiittisen operaattorin ominaisarvot ovat reaalisia ja sen ominaisfunktiot voidaan valita ortogonaalisiksi: ( ) ( ) ˆ i j jos ja i i i φφdx = 0 i j Aφ x = a φ x i = 1,,3.. Ehrenfestin teoreema 1/ Ehrenfestin teoreeman mukaan kvanttimekaaniset fysikaalisten suureiden odotusarvot toteuttavat klassisen mekaniikan liikeyhtälöt! Esimerkki: Newtonin toinen laki Kvanttimekaniikassa : d de p p = dt dx d de ( p ) = ma = F = dt dx p 10

Apuneuvo d 1 Johdetaan aputulos: A = AH HA dt i d dψ dψ Merkitään: A = ψ Aψdx A = A A dx dt ψ + ψ dt dt dψ 1 Schrödingerin yhtälöstä: = Hψ dt i d 1 A = ( H ψ) A ψ + ψ A ( H ψ) dx dt i Merkitään: χ = Aψ. A: n hermii ttisyys ( Hψ) χdx = ψ H χdx d 1 1 A = ψ ( HA + AH ) ψ dx = AH HA dt i i ( ) Ehrenfestin teoreema / d 1 Aputuloksen perusteella p = ph Hp dt i Liikemääräoperaattori on vaihdannainen liike-energia operaattorin kanssa: p p = p p ( ) ( ) ( ) p p Ψ p p ph Hp = pe E p = ( x, t) pe E p Ψ ( x, t) dt E p Ψ Ψ E p pe p E pp Ψ = Ψ + E p E p x = Ψ x x x ( p p ) d 1 p Ψ x t pe E p Ψ x t dt dt = (, ) (, ) = i 1 Ep E Ψ ( xt, ) i Ψ ( xtdt, ) i = x x p 11

Ψ Ψ + E p ( x) Ψ = i m x t ( xt) = ψ ( ) iet Yhteenveto 1/5 Aikariippuva Scrödingerin yhtälö Stationäärinen tila Ψ, x e ; (Todennäköisyystiheys ei riipu ajasta) iet iet ( x, t) ( x) e = ( x) e = ( x ) ( x) toteuttaa ajasta riippumattoman Schrö Ψ ψ ψ ψ ψ ψ + E p x t x = E x m x (, ) ψ ( ) ψ ( ) dingerinyhtälön EI- stationäärinen tila Ψ (, ) = ψ ( ) xt c x e n n n Yhteenveto /5. ie t (Todennäköisyystiheys riippuu ajasta) n Hiukkasvirran tiheys j( r) = Ψ Ψ ( Ψ ) Ψ mi ψ( x) ψ ( x) jx ( ) = ψ ( x) ψ( x) im x x 3D 1D 1

Vaihenopeus ω v p = k Ryhmänopeus v g Yhteenveto 3/5 3 dω Ψ vψ d r = = v = = dk 3 Ψ Ψ d r hiukkasen todellinen nopeus Hamiltonoperaattori eli Hamiltoni 1 ˆ d H = ħ + E ( ) p x m dx Yhteenveto 4/5 Postulaatti I Klassinen fysiikka Kvanttimekaniikka A A i ( r, p) ˆ ( r, ħ ) Postulaatti II Mahdollisia mittaustuloksia ovat ominaisarvot Aˆ φ x = a x i = 1,,.. i ( ) φ ( ) i i Postulaatti III Todennäköisyys sille, että saadaan mittaustulos an 3 3 c = φφd r φφd r n n n n Postulaatti IV (Mittaustulosten keskiarvo) ˆ ˆ 3 A = A = Φ A, i Φd r ave ( r ħ ) 13

Yhteenveto 5/5 Postulaatti V (ajasta riippuva Schrödingerin yhtälö) Ψ ih = Hˆ Ψ t Ehrenfestin teoreema d de p p = dt dx 14