PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka Exercise 2, extra challenges, week 45

Samankaltaiset tiedostot
The Viking Battle - Part Version: Finnish

Capacity Utilization

Kvanttilaskenta - 1. tehtävät

The CCR Model and Production Correspondence

Network to Get Work. Tehtäviä opiskelijoille Assignments for students.

MRI-sovellukset. Ryhmän 6 LH:t (8.22 & 9.25)

Kvanttilaskenta - 2. tehtävät

Efficiency change over time

1. SIT. The handler and dog stop with the dog sitting at heel. When the dog is sitting, the handler cues the dog to heel forward.

Information on preparing Presentation

National Building Code of Finland, Part D1, Building Water Supply and Sewerage Systems, Regulations and guidelines 2007

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

anna minun kertoa let me tell you

1. Liikkuvat määreet

Choose Finland-Helsinki Valitse Finland-Helsinki

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Huom. tämä kulma on yhtä suuri kuin ohjauskulman muutos. lasketaan ajoneuvon keskipisteen ympyräkaaren jänteen pituus

Bounds on non-surjective cellular automata

make and make and make ThinkMath 2017

Returns to Scale II. S ysteemianalyysin. Laboratorio. Esitelmä 8 Timo Salminen. Teknillinen korkeakoulu

FinFamily PostgreSQL installation ( ) FinFamily PostgreSQL

Statistical design. Tuomas Selander

Exercise 1. (session: )

T Statistical Natural Language Processing Answers 6 Collocations Version 1.0

Information on Finnish Language Courses Spring Semester 2018 Päivi Paukku & Jenni Laine Centre for Language and Communication Studies

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Information on Finnish Courses Autumn Semester 2017 Jenni Laine & Päivi Paukku Centre for Language and Communication Studies

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Operatioanalyysi 2011, Harjoitus 2, viikko 38

Alternative DEA Models

Results on the new polydrug use questions in the Finnish TDI data

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Green Growth Sessio - Millaisilla kansainvälistymismalleilla kasvumarkkinoille?

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

Voice Over LTE (VoLTE) By Miikka Poikselkä;Harri Holma;Jukka Hongisto

812336A C++ -kielen perusteet,

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

16. Allocation Models

EUROOPAN PARLAMENTTI

1.3 Lohkorakenne muodostetaan käyttämällä a) puolipistettä b) aaltosulkeita c) BEGIN ja END lausekkeita d) sisennystä

Uusi Ajatus Löytyy Luonnosta 4 (käsikirja) (Finnish Edition)

MEETING PEOPLE COMMUNICATIVE QUESTIONS

Operatioanalyysi 2011, Harjoitus 4, viikko 40

ALOITUSKESKUSTELU / FIRST CONVERSATION

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Aatofunktiot ja epätarkkuus

Other approaches to restrict multipliers

Lab SBS3.FARM_Hyper-V - Navigating a SharePoint site

Information on Finnish Language Courses Spring Semester 2017 Jenni Laine

4x4cup Rastikuvien tulkinta

Travel Getting Around

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

FinFamily Installation and importing data ( ) FinFamily Asennus / Installation

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Kielenkäytön näkökulma oppimisvuorovaikutukseen

FYSA235, Kvanttimekaniikka I, osa B, tentti Tentin yhteispistemäärä on 48 pistettä. Kaavakokoelma ja CG-taulukko paperinipun lopussa.

AYYE 9/ HOUSING POLICY

ATLAS-kartan esittely - Peli palveluiden yhteiskehittämisen menetelmistä Päivi Pöyry-Lassila, Aalto-yliopisto

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

1.3Lohkorakenne muodostetaan käyttämällä a) puolipistettä b) aaltosulkeita c) BEGIN ja END lausekkeita d) sisennystä

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

C++11 seminaari, kevät Johannes Koskinen

LYTH-CONS CONSISTENCY TRANSMITTER

Bohr Einstein -väittelyt. Petteri Mäntymäki Timo Kärkkäinen

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

SIMULINK S-funktiot. SIMULINK S-funktiot

Salasanan vaihto uuteen / How to change password

ECVETin soveltuvuus suomalaisiin tutkinnon perusteisiin. Case:Yrittäjyyskurssi matkailualan opiskelijoille englantilaisen opettajan toteuttamana

SAGA 150. Asennusohjeet. Mittaa oven korkeus. Piirrä seinään oven kiinni -päätyyn seinäkannattimen kohdalle vaakaviiva korkeudelle ovi + 75mm + 20 mm.

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Ajettavat luokat: SM: S1 (25 aika-ajon nopeinta)

Salausmenetelmät 2015/Harjoitustehtävät

PAINEILMALETKUKELA-AUTOMAATTI AUTOMATIC AIR HOSE REEL

Expression of interest

Immigration Studying. Studying - University. Stating that you want to enroll. Stating that you want to apply for a course.

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Teknillinen tiedekunta, matematiikan jaos Numeeriset menetelmät

Akateemiset fraasit Tekstiosa

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

Ohjelmointikielet ja -paradigmat 5op. Markus Norrena

Topologies on pseudoinnite paths

OP1. PreDP StudyPlan

TIEKE Verkottaja Service Tools for electronic data interchange utilizers. Heikki Laaksamo

Luento5 8. Atomifysiikka

Uusia kokeellisia töitä opiskelijoiden tutkimustaitojen kehittämiseen

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Mitä Master Class:ssa opittiin?

Vertaispalaute. Vertaispalaute, /9

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Suihkukoneet 1:73 ja pienemmät. Potkurikoneet 1:72-1:49. Suihkukoneet 1:72-1:49. Potkurikoneet 1:35 ja suuremmat. Suihkukoneet 1:35 ja suuremmat

Alueellinen yhteistoiminta

Tarua vai totta: sähkön vähittäismarkkina ei toimi? Satu Viljainen Professori, sähkömarkkinat

Hankkeiden vaikuttavuus: Työkaluja hankesuunnittelun tueksi

Returns to Scale Chapters

Guidebook for Multicultural TUT Users

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Operatioanalyysi 2011, Harjoitus 3, viikko 39

7.4 Variability management

Security server v6 installation requirements

VAASAN YLIOPISTO Humanististen tieteiden kandidaatin tutkinto / Filosofian maisterin tutkinto

Transkriptio:

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka Exercise 2, extra challenges, week 45 1. Dirac delta-function is an eigenstate of the position operator. I.e. you get such a wavefunction from an infinitely precise measurement of position (peak position of the Dirac delta-function is the measurement outcome). Dirac distribution can be represented in terms of a normal distribution whose width is pushed to zero (x) = lim!0 + Ce x 2 /(4 ). (1) Using the property R 11 (x)dx = 1, determine C. If wavefunction would be (x) = (x), explore if it is correctly normalized. How should we inteprete (x) 2 here? What does this have to do with the probability of finding particle at x = 0? What about planewave solution(which is an eigenstate of momentum operator) (x) = exp(ikx)/ p 2? What does (x) 2 then have to do with the probability of finding a particle in some region of space? 2. Convince yourself why time-dependent Schrödinger equation is first order in time and why there is an imaginary term in front of the time-derivative. (Liboff page 87 Ex. 3.20 and 3.21) Time-dependent Schödinger equation is of form a @ @t = Ĥ (2) where a is some constant. Assume a system with two independent parts so that H(x 1, x 2 )= H 1 (x 1 )+H 2 (x 2 ), 1 (x 1, t) and 2 (x 2, t) are states of systems 1 and 2 respectively. a) Show that the states of the combined system that have the form (x 1, x 2 )= 1 (x 1, t) 2 (x 2, t) solve the Schrödinger equation b) Show that this would not be true if Schrödinger equation would be of form a @2 @t 2 = Ĥ. (3) c) Based on Born posulate argue that the wavefunction of the system made from independent parts must have the product form (i.e. argue for first order time-derivative in the Schrödinger equation). d) Show that the equation a @ = Ĥ (4) @t implies oskillating solutions only if a is purely imaginary. You can assume one particle so that H = H 1 (x 1 ) and explore the time-evolution of the energy eigenstates. (Note: if a is imaginary, then also the wavefunction must be complex in general)

3. Schrödinger equation emerges from the Hamiltonian H = T + V of classical mechanics. We enter quantum mechanics with substitutions x! ˆx, H! Ĥ = i h @ and @t p! ˆp = i h @ and multiplying with the wavefunction (x, t). Let us do the same trick @x from a relativistic starting point. a) Derive the relativistic relation between energy and momentum E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4. b) Turn this into quantum mechanical expression. c) From the same starting point, is it possible to form two expressions, one with firstorder time derivative and another with second order time-derivative? Tip: H = E = mc 2 = m 0 c 2, where m is the particle mass, m 0 is the rest mass, and q =1/ 1 v 2 c 2 Lorentz factor. Not to be returned and these will not be graded. Intended for those aiming a bit deeper than usual in this course.

mukaan se, ettei se saa ehtiä ulos ytimestä edes liikkuessaan valonnopeudella. Tällöin hän sai epätarkkuusperiaatteesta hiukkasen energian ja pystyi suhteellisuusteorian avulla laskemaan sen massan. Vastaavan massainen hiukkanen löytyi ennenpitkää kokeellisesti, joten oliko vahva vuorovaikutus nyt selitetty? Malliratkaisu Ei välttämättä, sillä epätarkkuusperiaatehan on epäyhtälö, joka voi antaa korkeintaan ylärajan hiukkasen massalle. Voi olla myös sattumaa että menetelmällä ennustettu massa ylipäätään vastaa minkään hiukkasen massaa. Lisätietoa: tehtävä perustuu itse asiassa tositapahtumiin, ja kyseisen hiukkasen on sittemin todettu olevan jotain aivan muuta kuin vahvan vuorovaikutuksen välittäjä. Nykyisessä standardimallissa vahva vuorovaikutus selitetäänkin massattomaksi teoretisoidulla gluonilla ja lyhyelle kantamalle on keksitty aivan muita selityksiä kuin epätarkkuusperiaatteesta johtuva elinikärajoite. 3 Relativistinen kvanttimekaniikka Schrödingerin yhtälö edustaa klassisen mekaniikan lauseketta H = T + V, eli yksinkertaistettuna kokonaisenergia on liike-energian ja potentiaalienergian summa. Lausekkeesta tehdään sitten kvanttia sijoittamalla siihen x! ˆx, H! Ĥ = i~ @ @t ja p! ˆp = i~ @ @x sekä kertomalla se aaltofunktiolla (x, t). Tehdään nyt sama temppu suhteellisuusteoreettisista lähtökohdista. a) Johda relativistinen liikemäärän ja energian relaatio E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4. b) Tee johtamastasi relaatiosta kvanttimekaaninen lauseke. c) Onko samasta lähtökohdasta mahdollista muodostaa kaksi lauseketta, joista toinen on ensimmäistä ja toinen toista kertalukua ajan derivaatan suhteen? Vinkki: zh = E = mc 2 = m 0 c 2,missämon hiukkasen liikemassa, m 0 lepo- q massa ja = 1/ Malliratkaisu a) 1 v 2 c 2 Lorentzin kerroin. E = m 0 c 2 () 2 E 2 = 2 m 2 0c 4 E 2 = (1 v 2 /c 2 )E 2 = m 2 0c 4 1 1 v 2 /c 2 m2 0c 4 E 2 E 2 v 2 /c 2 = m 2 0c 4 E = mc 2 E 2 m 2 v 2 c 2 = m 2 0c 4 mv = p 2 E 2 = p 2 c 2 + m 2 0c 4 b) Tarkastellaan vain 1-D ongelmaa p = p x ja tehdään tavanomaiset sijoitukset p x! ˆp = i~ @ @x ja E! Ĥ = i~ @ @t sekä kertomalla puolittain oikealta 4

aaltofunktiolla (x, t) (operaattoreidenhan täytyy aina operoida johonkin tai lausekkeessa ei ole järkeä!), jolloin (a) -kohdan tuloksesta saadaan: i~ @t @ 2 (x, t) = i~ @ 2 c 2 (x, t)+m 2 @x 0c 4 (x, t) ~ 2 @2 @2 (x, t) = ~2 @t2 @x 2 c2 (x, t)+m 2 0c 4 (x, t) 1 @ 2 @2 c 2 (x, t)+ @t2 @x 2 (x, t) 0c 2 =m2 (x, t) ~ 2 Tämä yhtälö on toista kertalukua ajan derivaatan suhteen ja tunnetaan Klein- Gordonin yhtälönä. c) Jos tarkastellaan 3-D ongelmaa, niin @ @x!r, jolloin 1 @ 2 i c 2 @t 2 + @ r2 = c @t + A @ @x + B @ @y + C @ i @ @z c @t + A @ @x + B @ @y + C @, @z mikäli A, B, C ovat matriiseja, joille pätee ja A 2 = B 2 = C 2 = I [A, B] =0, [A, C] =0, [B,C] =0. Nyt Klein-Gordonin yhtälö saadaankin muotoon mistä voidaan päätellä i @ c @t + A @ @x + B @ @y + C @ 2 (x, t) = m2 0c 2 (x, t), @z ~ 2 i @ c @t + A @ @x + B @ @y + C @ @z (x, t) = m 0c ~ (x, t). Tämä tulos tunnetaan Diracin yhtälönä, joskin tämä muoto on varsin vanhanaikainen ja useimmiten yhtälöä käsitellään relativistisille tarkasteluille tavanomaiseen tapaan tensorinotaatiolla, jolloin se yksinkertaistuu muotoon (i~ µ @ µ mc) = 0. 5

Lisätietoa: relativistisessa kvanttimekaniikassa on kolme Schrödingerin yhtälöä vastaavaa liikeyhtälöä: Klein-Gordon, Dirac ja Proca. Se, mitä näistä kulloinkin tulee käyttää, riippuu kyseisen hiukkasen spin-kvanttiluvusta. Aina niin mystiseltä vaikuttava spin taitaa siis liittyä jotenkin perustavanlaatuisesti hiukkasen luonteeseen, hmm... 6