Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

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

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

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

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

Jukka Tulkki 8. Laskuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 3.4 klo 12:00 mennessä. x 2

Kanta ja Kannan-vaihto

5.1 Johdanto Helium-atomi Keskeiskenttämalli Paulin kieltosääntö Atomien elektronirakenne 208

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Monen elektronin atomit

Aineaaltodynamiikkaa

Jakso 8: Monielektroniset atomit

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Monen elektronin atomit

Paulin spinorit ja spinorioperaattorit

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

Relaation ominaisuuksia. Ominaisuuksia koskevia lauseita Sulkeumat. Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

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

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

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

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 1,

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Yhdistetty funktio. Älä sekoita arvo- eli kuvajoukkoa maalijoukkoon! (wikipedian ongelma!)

Korkeammat derivaatat

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

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

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

Monen elektronin atomit

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Tämän luvun tarkoituksena on antaa perustaidot kompleksiluvuilla laskemiseen sekä niiden geometriseen tulkintaan. { (a, b) a, b œ R }

Käänteismatriisin. Aiheet. Käänteismatriisin ominaisuuksia. Rivioperaatiot matriisitulona. Matriisin kääntäminen rivioperaatioiden avulla

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Lineaarikuvaukset. 12. joulukuuta F (A r ) = F (A r ) r .(3) F (s) = s. (4) Skalaareille kannattaa määritellä lisäksi seuraavat tulot:

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

Luku 10: Atomien rakenne ja spektrit. Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Matematiikan tukikurssi

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2

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

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

Determinantti 1 / 30

1 Clausiuksen epäyhtälö

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Korkeammat derivaatat

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Matematiikan tukikurssi

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

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

= 5! 2 2!3! = = 10. Edelleen tästä joukosta voidaan valita kolme särmää yhteensä = 10! 3 3!7! = = 120

Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

8 Joukoista. 8.1 Määritelmiä

Tensorialgebroista. Jyrki Lahtonen A = A n. n=0. I n, I = n=0

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Korkeammat derivaatat

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

Transkriptio:

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen Tämän demonstraation tarkoituksena on havainnollistaa kvanttimekaniikan operaattoriformalismin soveltamista kahden elektronin systeemin spintilojen muodostamiseen. Tarkastelu on haastava, mutta pääosin varsin hyvin ymmärrettävissä opetusmonisteen tietojen perusteella. Tarkastellaan kahden elektronin atomia. Merkitään kokonaisspinin operaattoria ˆ ˆ ˆ T = +, missä Ŝ ja Ŝ ovat elektronien ja spinoperaattorit. Olkoon näiden spinoperaattoreiden neliön ja z-komponenttien ominaisfunktiot: 3 ˆ χ ˆ ± () = χ± (); z χ± () =± χ± () 4 () ˆ 3 ˆ χ± () = χ± (); zχ± () =± χ± () 4 missä siis + vastaa spin-ylös ja - spin-alas tilaa. Osoita, että spinfunktiot χ, M (antisymmetrinen spinfunktio) χ0,0 = [ χ+ () χ () χ+ () χ () () ja (symmetrinen spinfunktio) χ+ () χ+ () M = χ, M = [ χ () χ () χ () χ () M 0 + + + = (3) χ () χ () M = ovat kokonais-spinin itseisarvon neliön ˆT ja sen z-komponentin ˆTz ominaisfunktioita. Yleistä spinien yhteenlaskusta elvyyden vuoksi käytämme operaattoreille hattua. Vastaava suure ilman hattua tarkoittaa operaattorin ominaisarvoa. Kokonaisspinin kvanttiluvut ovat, M ja elektronien spinin kvanttiluvut s, m. Kokonaisspinvektorin pituus ja z-komponentti saadaan kvantittuneiden kulmaliikemäärien yhteenlaskusäännön (Luku 4) avulla. Yksittäisten spinvektorien pituuden neliön ominaisarvot ovat ( ) = = s s+ missä s = /. Kokonaisspinvektorin pituuden neliön mahdolliset ominaisarvot ovat yhteenlaskukaavan mukaan ( ) T = +,

missä kvanttiluku voi saada arvot = s s, s+ s = 0,, sillä yksittäisille spineille s = s = /. Kokonaisspinin z-komponetin ominaisarvot ovat saman säännön mukaan Tz missä M =,..., +. = M, a) Osoitetaan aluksi, että () ja (3) ovat operaattorin ˆ ˆ ˆ z = z + z ominaisfunktioita. Muistettakoon, että kummankin elektronin spinoperaattori kohdistuu vain saman elektronin aaltofunktioon ts. zχ + () = 0 jne. Aloitetaan tilasta χ 0,0 : ˆ Tz [ χ+ () χ () χ+ () χ () = [ zχ+ () χ () χ+ () zχ () + [ χ+ () zχ () zχ+ () χ () = ( ) χ () χ () χ ()( ) χ () χ ()( ) χ () ( ) χ () χ () + + + + + = 0 [ χ+ () χ () χ+ () χ () ˆ χ = M χ ; M = 0. iis Tz 0,0 0,0 Vastaavasti ˆ χ = ˆ χ () χ () Tz, Tz + + = χ () χ () + χ () χ () z + + + z + = χ+ () χ+ () + χ+ () χ+ () = χ () χ (). + + ˆ = ; =. amaan tapaan osoitetaan ˆ Tzχ,0 = M χ,0 ; M = 0 ˆ χ = M χ ; M =. siis Tzχ, M χ, M ja Tz,, Osoitamme seuraavaksi, että () ja (3) ovat myös operaattorin ˆ ( ˆ ˆ ) = + ominaisfunktoita. Tätä varten määrittelemme apusuureena ns. korotus- ja laskuoperaattorit

ˆ = ˆ + iˆ + x y ˆ = ˆ iˆ x y ˆ = ˆ + iˆ + x y ˆ = ˆ iˆ x y. (4) Rataliikkeen kulmaliikemääroperaattorin komponentit toteuttavat yhtälöt Lˆ, ˆ ˆ x L y = i Lz, Lˆ, ˆ ˆ z L x = i Ly ja L ˆ, ˆ ˆ y L z = i Lx (Luku 4). Voidaan osoittaa (todistus sivuutetaan), että spinoperaattoreille pätevät samat kommutaatiorelaatiot ts. ˆ ˆ ˆ jx, jy = i j, z j =, ˆ, ˆ ˆ jy jz = i j, x j =, ˆ, ˆ ˆ jz jx = i j, y j =, (5) Näiden avulla osoitetaan helposti, että ˆ, ˆ ˆ jz j+ = j+ j =, ˆ, ˆ ˆ jz j = j j =,. (6) Yhtälöistä (4-6) seuraa ( ) ( ) ( ) ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ z + χ () = + χ () = + χ () = zχ+ (). Huomaamme, että kun korotusoperaattorilla Ŝ + operoitiin tilaan χ () tuloksena oli spin-ylös tila (tästä nimitys korotusoperaattori). amoin osoitetaan (välivaiheet suhteellisen helppoja), että ˆ χ () = 0 + + ˆ χ () = χ () + + ˆ χ () = χ () + ˆ χ () = 0. (7) Vastaavat yhtälöt pätevät elektronille. Määritelmästä (4) seuraa (kokeile sijoittamalla korotus ja laskuoperaattorit), että ˆ = ˆ + ˆ + ˆ ˆ + ˆ ˆ + ˆ ˆ (8) + + z z Apuneuvoilla (4-8) voimme nyt helpohkosti osoittaa kaivatut ominaisuudet. Aloitetaan funktiosta χ, :

( ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ zz) + + + + χ () χ () = + + + + 3 3 + + χ+ () χ+ () = χ+ () χ+ () = s( s+ ) χ+ () χ+ () 4 4 ts. kokonaisspinin kvanttiluku = tilassa χ,. Huomaa, että korotus ja laskuoperaattoreita sisältävät osat antoivat nollia yhtälön (7) mukaisesti. Vastaavasti osoitetaan, että myös χ, tilassa =. Palataan nyt hieman vaikeampaan tapaukseen χ [ χ () χ () χ () χ () Aloitetaan termistä [ χ () χ () +,0 = + + +. ( ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ + + zz)[ χ+ () χ () + + + + = 3 3 [ () () ˆ ˆ ˆ ˆ + + χ+ χ + + + + [ χ+ () χ () = 4 4 {[ χ+ () χ () + [ χ () χ+ ()} (9) Vastaavasti saadaan termistä [ χ () χ () + ( ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ + + zz)[ χ () χ+ () {[ χ () χ+ () + [ χ+ () χ () } + + + + = (0) Laskemalla yhteen ja jakamalla :lla saamme (huomaa, että voimme aina vaihtaa χ () χ () = χ () χ () ) elektronitilojen järjestyksen tulossa ts. [ [ + + ˆ T [ χ+ () χ () + χ+ () χ () = { [ χ+ () χ () + [ χ () χ+ () + [ χ () χ+ () + [ χ+ () χ () } = [ χ+ () χ () + χ+ () χ () = χ,0 () iis myös χ,0 tilassa kokonaisspinin kvanttiluvun arvo on. Vastaavasti osoitetaan, että tila χ 0,0 liittyy kokonaisspinin kvanttiluvun arvoon = 0., huomataan, että symmetrinen tila χm ei vaihda merkkiään hiukkasvaihdossa, kun sen sijaan antisymmetrinen tila χ0,0 vaihtaa Vaihtamalla elektroni-indeksit () ( )

merkkinsä. Koska symmetriseen tilaan liittyy kolme magneettista alitilaa, sitä sanotaan tripletiksi. Antisymmetriseen tilaan liittyy vain yksi magneettinen alitila, siitä nimitys singletti.