Shrödingerin yhtälön johto

Samankaltaiset tiedostot
Kvanttifysiikan perusteet 2017

Liikkuvan varauksen kenttä

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Liikkuvan varauksen kenttä

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

Varatun hiukkasen liike

Varatun hiukkasen liike

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

1.4. VIRIAALITEOREEMA

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

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

2 Pistejoukko koordinaatistossa

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

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme


763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Elektrodynamiikka, kevät 2002

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Matematiikan tukikurssi

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Liikkeet. Haarto & Karhunen.

massa vesi sokeri muu aine tuore luumu b 0,73 b 0,08 b = 0,28 a y kuivattu luumu a x 0,28 a y 0,08 = 0,28 0,08 = 3,5

Varatun hiukkasen liike

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

Matematiikan tukikurssi

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

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

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2.7.4 Numeerinen esimerkki

Matematiikan tukikurssi

Aineaaltodynamiikkaa

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Suhteellisuusteorian perusteet 2017

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

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

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

1 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Sovelletun fysiikan pääsykoe

1 Rationaalifunktio , a) Sijoitetaan nopeus 50 km/h vaihtoaikaa kuvaavan funktion lausekkeeseen.

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Ratkaisuja, Tehtävät

MAA7 Kurssikoe Jussi Tyni Tee B-osion konseptiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! Laske huolellisesti!

Tekijä Pitkä matematiikka

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2016

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

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

x = 6 x = : x = KERTAUSHARJOITUKSIA Funktion nollakohdat ja merkki 229.a) Funktio f ( x) = 2x+ Nollakohta f x b) Funktio gx ( ) = x

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Lukion matematiikkakilpailun alkukilpailu 2015

Ekvipartitioperiaatteen mukaisesti jokaiseen efektiiviseen vapausasteeseen liittyy (1 / 2)kT energiaa molekyyliä kohden.

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Korkeammat derivaatat

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2016

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

6. Kompleksiluvut. Kompleksilukuja esiintyy usein polynomiyhtälöiden ratkaisuina. Esim:

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

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

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Transkriptio:

Shrödingerin yhtälön johto Tomi Parviainen 4. maaliskuuta 2018 Sisältö 1 Schrödingerin yhtälön johto tasaisessa liikkeessä olevalle elektronille 1 2 Schrödingerin yhtälöstä aaltoyhtälöön kiihtyvässä liikkeessä olevalle elektronille 2 3 Koordinaatiston kierto 3 1 Schrödingerin yhtälön johto tasaisessa liikkeessä olevalle elektronille Tarkastellaan tasaisesti nopeudella v liikkuvaa pistevarausta. Sen magneettikenttä voidaan lausua sähkökentän E ja nopeuden v avulla: B = 1 c 2 v E (1) Toisaalta elektronin liikemäärä voidaan kirjoittaa operaattorina: josta ratkaistaan v ja sijoitetaan se yhtälöön (3): p = mv = i h, (2) h B = i mc 2 E (3) Otatetaan yhtälöstä puolittaan roottori, jolloin saadaan h B = i mc 2 E = i h ( ( E) 2 mc 2 E ), (4) joka voidaan kirjoittaa myös E µ 0 J ɛ 0 µ 0 t = i h mc 2 2 E, (5) koska vakion E = ρ/ɛ gradientti on nolla elektronin liikkuessa tarkastelutilavuuden läpi. Toisaalta virrantiheys yhden elektronin systeemille lähestyy myös 1

nollaa, J 0, joten järjestelemällä yhtälö uudestaan saadaan Schrödingerin yhtälö aikakehittyvälle systeemille: i h E t = h2 m 2 E, (6) sillä ɛ 0 µ 0 = 1/c 2. Shrödingerin yhtälä voidaan myös kirjoittaa takaisin vektorimuotoon: i h E t = p2 E. (7) m Vastaavasti magneettikentälle yhtälö muodostetaan soveltamalla Maxwellin yhtälöä E = B t, (8) jolloin saadaan h B B = i mc 2 t. (9) Uudelleen järjestelmällä tulee magneettikentän Schrödingerin yhtälöksi: i h B t = mc2 B. (10) 2 Schrödingerin yhtälöstä aaltoyhtälöön kiihtyvässä liikkeessä olevalle elektronille Derivoidaan vielä yhtälö (3) puolittain ajan suhteen, jolloin tarkastellaan kiihtyvää liikettä. Oletetaan myös, että aika ja paikkaoperaattorit ovat vaihdannaisia, jolloin saadaan: B t = i h mc 2 E (11) t Soveltavamalla tuttua Maxwellin yhtälöä E = B t (12) saadaan B t = i h 2 B mc 2 t 2 (13) Kertomalla puolittain termillä i h, saadaan i h B t = h2 2 B mc 2 t 2 (14) Toisaalta yhtälössä (6) näytettiin operaattorivastaavuus, jota käyttämällä saadaan aaltoyhtälö magneettikentälle: h2 m 2 B = h2 2 B mc 2 t 2, (15) joka uudelleen järjesteltynä on entuudestaan tunnettu 2 B 1 c 2 2 B t 2 = 0 (16) 2

Yhtälöt (11) ja (12) toisinpäin yhdistämällä saadaan h E = i mc 2 E t, (17) josta nähdään että h E E = i mc 2 t, (18) Derivoidaan vielä puolittain uudelleen ajan suhteen ja saadaan E t = i h 2 E mc 2 t 2, (19) Kun nyt käytetään yhtälöä (6) saadaan aaltoyhtälä sähkökentälle: joka uudelleen järjesteltynä on entuudestaan tunnettu h 2 m 2 E = h2 2 E mc 2 t 2, (20) 2 E 1 2 E c 2 = 0. (21) t2 Siis tasaisesti etenevän elektronin kiihdyttäminen eli magneettikentän derivointi ajan suhteen tuottaa sähkömagneettisen aallon magneettikentän aaltoyhtälön. Magneettikentän käänteisroottorioperaatio ja derivointi uudestaan ajan suhteen tuottavat sähkömagneettisen aallon sähkökentän aaltoyhtälön. Tämä voidaan tulkita siten, että vetyatomin perustilassa elektroni on sidoksissa sähkömagneettiseen aaltoon. 3 Koordinaatiston kierto Kierretään karteesista kordinaatistoa vakionopeudella origosta. Suurin nopeus, jolla tieto kierrosta voi välittyä origosta poispäin on valonnopeus c. Piste P sijaitsee etäisyydellä r x-akselilla, ja pisteesssä olevan havaitsija mittaa koordinaatiston kiertokulmaa. Hetkellä t kulman mittaustulokseksi saadaan kaaren pituus ctθ ja etäisyys origosta on r 0 = ct. Suureet r 0 ja θ ovat suorakulmaisia polaarikoordinaatteja, joten niille voidaan kirjoittaa pythagoraan yhtälö Yhtälöä sieventämällä kiertokulman neliöksi saadaan (ct) 2 = r 2 0 + (ctθ) 2. (22) θ 2 = 1 r2 (ct) 2. Jos tarkastellaan r:n suuntaista tasaisella nopeudella tapahtuvaa liikettä, kulma on erityisestä suhteellisuusteoriasta tuttu termi θ = 1 v2 c 2. (23) Kun mukaan tarkasteluun otetaan r:n suuntainen kiihtyvä liike, yhtäsuuruus v = r/t ei ole voimassa. Derivoidaan yhtälön (22) molemmat puolet kahdesti 3

ajan suhteen (d 2 /dt 2 ). Fysikaalinen tilanne voisi olla esimerkiksi elektronin vapaa putoaminen atomiytimeen. Ensimmäinen derivointi tuottaa 2ct = 2rṙ + 2c 2 θ 2 t ja toisen derivoinnin ja sievennyksen jälkeen saadaan kiertokulmaksi (ṙ ) 2 θ = 1 r r c c 2. (24) Tarkastellaan nyt elektronia, joka putoaa kiihtyvyydellä r = a = F m = 1 4πɛ 0 e 2 mr 2 (25) kohti origoa. F on Coulumbin voima ja m on kappaleen massa. Origoon on sijoitettu positiivinen alkeisvaraus +e. Pistemäinen elektronihiukkanen voidaan kuvata myös aaltona, jolla on aaltoluku nk = p h = mv h, (26) jossa n = 1, 2, 3... on kokonaisluku, h = h/2π on Planckin vakio ja p on elektronin liikemäärä. Tehdään oletus, että kierto origon suhteen θ = kr (27) on yhtenevä elektroniaallon vaiheen kanssa. Yhtälöistä (26) ja (24) muodostetaan lauseke ( mvr ) 2 ( v ) 2 ra = 1 n h c c 2, josta voidaan yhtälön (25) avulla ratkaista elektronin putoamisnopeuden neliö etäisyyden funktiona v 2 (n h) 2 ( (r) = (cmr) 2 + (n h) 2 c 2 1 e 2 ). (28) 4πɛ 0 mr Kun edellinen yhtälö (28) kerrotaan elektronin massalla, saadaan Shrödingerin yhtälö i h Ψ = HΨ, (29) t jossa siis on energiatermi on H n = mv 2 = m(n h) 2 ( (mcr) 2 + (n h) 2 c 2 1 e 2 ). (30) 4πɛ 0 mr Kuvaan 1 on piirretty vetyatomille etäisyydestä riippuva liike-energia. Kuvasta nähdään, että liike-energia menee nollaksi, kun etäisyys origosta on elektronin klassinen säde r e = e 2 /4πɛ 0 mc 2 = 2, 82 10 15 m. Yläraja on noin 50 pm:ä, mutta kaikki tätä suuremmatkin etäisyyden arvot ovat sallittuja. Vähennetään nyt muut energiatasot perustasosta: E 0 = 2(H 0 H 1,2,3,... ) (31) E 1 = 2(H 1 H 2,3,4,... ) (32). (33) 4

Kuva 1: Elektronin liike-energia etäisyyden funktiona vetyatomissa. Kuva 2: Elektronin liike-energiatilojen erotus. 5

Kuva 3: Elektronin liike-energiatilojen erotus, n = 1,2,3,4,5 ja 100. Erotukset ovat piirretty kuvaan (2) vedyn Lymanin ja Balmerin sarjan viidelle ensimmäiselle termille. Havaitaan myös, että yhtälö (33) tuottaa toisen joukon kvantittuneita tiloja, jotka on piirretty kuvaan (3) Tätä voidaan pitää ennusteena, koska vastaavuutta tunnettuun havaintojoukkoon ei ole. Voi myös olla, että ne ovat nk. kiellettyjä siirtymiä. 6