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

Samankaltaiset tiedostot
5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

Kvanttimekaniikan perusteet

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

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

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

Tilat ja observaabelit

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

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

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

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

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Korkeammat derivaatat

Korkeammat derivaatat

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Luento 11: Periodinen liike

Korkeammat derivaatat

Luento 11: Periodinen liike

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

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

Shrödingerin yhtälön johto

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Luento Atomin rakenne

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FysA230/3 Potentiaalikuoppa Suppea raportti

Kvanttimekaniikan perusteet

Luento 13: Periodinen liike

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

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

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

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

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

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

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

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

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

4. Selitä sanoin ja kuvin miten n- ja p-tyypin puolijohteiden välinen liitos toimii tasasuuntaajana?

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Varatun hiukkasen liike

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

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

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

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

Varatun hiukkasen liike

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

a 1 y 1 (x) + a 2 y 2 (x) = 0 vain jos a 1 = a 2 = 0

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Fysiikan valintakoe klo 9-12

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Luento 10. Potentiaali jatkuu, voiman konservatiivisuus, dynamiikan ja energiaperiaatteen käyttö, reaalinen jousi

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Aineaaltodynamiikkaa

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

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

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

Infrapunaspektroskopia

11. MOLEKYYLIT. Kvanttimekaniikka on käyttökelpoinen molekyyleille, jos se pystyy selittämään atomien välisten sidosten syntymisen.

Transkriptio:

Potentiaalikuoppa Luento 9 Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa U( x ) = U U( x ) = 0 0 kun x < 0 tai x > L, kun 0 x L. Kuopan kohdalla hiukkanen on vapaa, ja siellä Schrödingerin yhtälön ratkaisu on funktioiden coskx ja sinkx jokin superpositio (ks. laatikkopotentiaalin tapaus). Hiukkasen energia kuopassa on E = p m = h k m eli k = me h, joten aaltofunktio on (A ja B ovat kompleksisia vakioita) me me ψ ( x ) = A cos x + Bsin x. h h Aaltofunktio kuopassa 1

Kuopan ulkopuolella Schrödingerin yhtälö on d ψ ( x ) dx m( U h 0 E ) ψ ( x ) = 0. Oletetaan, että kuopassa olevan hiukkasen energia E < U 0 (eli klassisen mekaniikan mukaan vankina kuopassa). Silloin aaltofunktion pitää olla reaaliargumenttinen eksponenttifunktio, jotta Sch-yhtälö toteutuu: κx κx 1 ψ ( x ) = Ce + De, κ = m( U 0 E ) h Aaltofunktio kuopan ulkopuolella Jotta aaltofunktio käyttäytyisi sävyisästi äärettömyyksissä xø, pitää alueessa x < 0 olla D = 0 ja alueessa x > L on C = 0. Aaltofunktioiden pitää olla jatkuvia rajakohdissa x = 0 ja x = L. Samoin pitää aaltofunktion derivaatan olla jatkuva, sillä muutoin Sch-yhtälössä oleva toinen derivaatta Ø eikä Sch-yhtälö toteutuisi näissä kohdissa. Nämä ehdot ja normittaminen kiinnittävät vakioiden A, B, C ja D sekä mahdollisten energioiden arvot. Emme käy tätä hiukan työlästä laskua läpi tässä. Kuvassa on eräs mahdollinen aaltofunktio: Kuopassa on oskilloiva aaltofunktio, kuopan ulkopuolella eksponentiaalisesti kuoleva aaltofunktio

Kuvassa on annettu kolmen alimman energiatilan aaltofunktiot ja energiatasot potentiaalikuopalle, jonka syvyys U 0 on 6 kertaa äärettömän syvän kuopan perustilan energia E (ks. luento 8, s. 10), π h E =. ml Potentiaalikuopassa sidottuja tiloja (diskreettejä tiloja, joiden energia on pienenpi kuopan syvyys U 0 ) on äärellinen määrä, kuvan tilanteessa kolme. Viereisessä kuvassa ovat paikan todennäköisyysjakautumat. Mitä suurempi energia, sitä pitemmällä seinämässä hiukkanen voi olla. Kun hiukkasen energia E > U 0, energiatilat eivät ole kvantittuneita vaan ne muodostavat jatkumon (kontinuumin). Sellainen hiukkanen voi olla missä tahansa x-akselilla. Sitä kuvaa kaikkialla sini-aalto, jonka aallonpituus on kuopan kohdalla pienempi kuin kuopan ulkopuolella. 3

Potentiaalivalli ja tunneloituminen Potentiaalivalli on alue, jossa potentiaalienergia on suurempi kuin ympäröivällä alueella. Kuvassa on esimerkki. Klassisen mekaniikan mukaan vasemmalta tuleva hiukkanen voi ohittaa potentiaalivallin vain, jos sen energia on suurempi kuin potentiaalienergia suurimmillaan eli E = K + U E. E K U U(x) Hiukkanen, jonka energia on E 1 ei voi edetä pistettä x = a pitemmälle, sillä se vaatisi K = p /m < 0, mikä on mahdotonta. Kvanttimekaniikassa tilanne on toinen: Hiukkanen, jonka energia on E voi tunkeutua potentiaalivallin sisään ja kulkea vallin läpi. Tätä kutsutaan tunneloitumiseksi. Tarkastellaan suorakulmaista potentiaalivallia, korkeus U 0 ja leveys L. Olkoon hiukkasella energia E < U 0. Vallin ulkopuolella hiukkanen on vapaa, joten aaltofunktio siniaalto. Jos hiukkanen on alun perin vallin vasemmalla puolella, on aaltofunktion amplitudi sillä puolella suurempi, koska valli estää vapaan pääsyn toiselle puolelle. Vasemmalta tulevat hiukkaset voivat tunkeutua vallin sisään, ja siellä aaltofunktio on laskeva eksponenttifunktio. A 1 A 4

Aaltofunktio saadaan (hieman työlään) laskun jälkeen, jossa käytetään reunaehtoina aaltofunktion ja sen derivaatan jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = L. Tunneloitumistodennäköisyys määritellään T = A A R L, jossa A L,R tarkoittavat sini-aallon amplitudeja vallin eri puolilla. Jos tämän laskee, saa tuloksen T = Ge κl, missä G = 16( E / U )(1 E / U ) 0 0 ja κ = m( U E) 0 / h. Esimerkki Elektroni (E =.0 ev) kohtaa potentiaalivallin, jonka korkeus on 5.0 ev ja leveys 1.00 nm. Millä todennäköisyydellä elektroni tunneloituu vallin läpi? Yllä olevasta kaavasta saadaan (mc = 0.511 MeV). 0 ev. 0 ev G = 16 1 5. 0 ev 5. 0 ev = 3. 8, κ = (0. 511 10 = 8. 9 10 9 m 1. 6 ev/(3.0 10 6.58 10 8 16 m/s) ev s )(5.0 ev. 0 ev) 5

Sijoitetaan tunneloitumistodennäköisyyden lausekkeeseen: T = 3. 8 exp( (8. 9 10 = 7.1 10 8. 9 /m)(1.00 10 9 m)) Tunneloitumisen sovellutuksia Josephsonin liitos. Elektronit tunneloituvat kahden suprajohteen (virranvastus=0) väliin asetetun ohuen eristekerroksen läpi. Käytetään tarkkaan jännitteen ja magneettikentän mittaukseen (SQUID). Tunnelointimikroskooppi (STM). Terävä positiivisesti varattu kärki viedään lähelle aineen pintaa. Aineen elektronit tunneloituvat aineen pinnassa olevan potentiaalivallin läpi ja päätyvät neulaan. Syntyvän sähkövirran määrä mittaa neulan ja pinnan välimatkaa, ja sen avulla saadaan kuva pinnan rakenteesta atomien mittakaavassa. Natriumatomeja platinakiteen pinnalla. 6

Ytimien alfahajoaminen. Alfahiukkasta sitoo epästabiiliin ytimeen kuvan tapainen potentiaali. Hajoaminen tapahtuu, kun a tunneloituu vallin läpi. Tunneloitumisen todennäköisyys riippuu voimakkaasti vallin korkeudesta ja leveydestä, alfaaktiivisten ydinten puoliintumisajat vaihtelevat suuresti. Myös ydinten fuusioituminen eli ydinten yhdistyminen perustuu tunneloitumiseen. Vastassa on samanvarauksisten ydinten aiheuttama Coulombin potentiaali. Harmoninen värähtelijä Harmonin värähtelijä on hiukkanen, johon vaikuttaa harmoninen voima F x = k' x, jossa k jousivakio ja x on poikkeama tasapainoasemasta x = 0. Potentiaalienergia on U ( x ) = 1 k' x. 7

Harmonisen värähtelijän kvanttimekaanisella tarkastelulla on monia tärkeitä sovellutuksia atomaarisen tason ilmiöissä, kuten molekyylien värähtelyt, atomien värähtelyt kiteissä jne. Klassisen mekaniikan mukaan harmonisen potentiaalin vaikutuksessa liikkuva kappale värähtelee kulmataajuudella w = (k /m) 1/. Valistunut arvaus harmonisen värähtelijän mahdollisiksi energiatiloiksi voisi olla E h ω = hf = = h ω = h π π k' / m. Tämä osoittautuu erinomaiseksi arvaukseksi: energiat ovat 1 3 5 hω, hω, hω,... Nämä saadaan selville ratkaisemalla Schrödingerin yhtälö h d ψ ( x ) + m dx 1 k' x ψ ( x ) = Eψ ( x ). Harmonisen värähtelijän Schrödingerin yhtälö 8

Yhtälö on liian työläs tässä ratkaistavaksi, mutta kuten aina, reunaehdot pakottavat energian kvantittumaan eli yhtölällä on reunaehdot täyttäviä ratkaisuja vain diskreeteillä energian arvoilla. Alimman tilan aaltofunktio on (Hermiten funktioita) ψ ( x ) = Ce mk' x / h ja vastaava energia on E 0 = Ñw/. Jos intoa piisaa, voi helposti tarkistaa, että näillä Sch-yhtälö toteutuu. Harmonisen värähtelijän sallitut energiat ovat E n 1 k' 1 = (n + ) h = (n + )hω. m Energiatasot ovat tasavälein, energiaero Ñw. 9

Harmonisen oskillaattorin aaltofunktioita ja vastaavia paikan todennäköisyysjakautumia. 10

Esimerkki Puupala, jonka massa on, 0.50 kg, roikkuu jousessa, jonka jousivakio on 110 N/m. Laske pienin energia, joka kappaleella voi olla sekä peräkkäisten energiatilojen energiaero. Jousi aiheuttaa kappaleeseen harmonisen voiman, joten kyseessä on harmoninen värähtelijä. Kulmataajuus on k 110 N/m ω = = = 1.0 rad/s m 0.50 kg joten alimman tilan energiaksi saadaan E 0 1 1 (1.055 10 34 J s)(1.0 rad/s) 1.11 10 33 hω J(1 ev/1.60 = = = 33 19 15 1.0 rad/s) = 1.11 10 J(1 ev/1.60 10 J) = 6.93 10 ev Peräkkäisten energiatilojen ero on Ñw = E 0 = 1.39 10-14 ev. Vaikka kvanttimekaniikan lait pätevät myös makroskooppisille kappaleille, esim energian kvantittumista on käytännössä mahdoton havaita. 11