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

Samankaltaiset tiedostot
Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

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

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

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

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

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Kvanttimekaniikan perusteet

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

763333A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Harjoitus 1 Kevät 2013

Korkeammat derivaatat

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Korkeammat derivaatat

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

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

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Korkeammat derivaatat

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

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

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

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

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

Shrödingerin yhtälön johto

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Potentiaalikuoppa, työohje

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

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Differentiaali- ja integraalilaskenta

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

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

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

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

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

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

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

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

S Fysiikka III (Est) 2 VK

Paulin spinorit ja spinorioperaattorit

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

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

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

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

Potentiaalikuoppa, työohje 12. lokakuuta 2015

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

pääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Potentiaalikuoppa, työohje

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

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

3 Lukujonon raja-arvo

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Erilaisia entalpian muutoksia

Atomimallit. Tapio Hansson

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

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

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

Tilat ja observaabelit

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä


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

Kvanttitietokoneet, kvanttilaskenta ja kvanttikryptografia. Kvanttimekaniikka. Kvanttimekaniikan perusperiaatteet. Kvanttimekaniikan sovelluksia

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Puolijohteet. luku 7(-7.3)

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

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

Johdatus matematiikkaan

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

Transkriptio:

76A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 4 Kevät 214 1. Tehtävä: Yksinkertainen malli kovalenttiselle sidokselle: a) Äärimmäisen yksinkertaistettuna mallina elektronille atomissa voidaan pitää syvää potentiaalikuoppaa {, kun < x < a U(x) = muulloin. ausu neljä alinta energia-arvoa (vastaten kahdeksaa alinta energiatasoa) ja piirrä nämä pystysuoralle energia-akselille. b) Ajatellaan, että meillä on kaksi tällaista potentiaalikuoppaa täysin toisistaan erotettuna. Totea, että sallitut energia-arvot ovat samat kuin edellisessä kohdassa, mutta kunkin energia-arvon tasojen määrä on kaksinkertaistunut (=4). c) Ajatellaan seuraavaksi, että b)-kohdan potentiaalikuopat yhtyvät yhdeksi potentiaalikuopaksi, jonka leveys on 2a. Piirrä tämän 8 alinta energia-arvoa vastaavalle akselille kuin kohdassa a). Vertaamalla kohtien b) ja c) energiatasoja pyri ymmärtämään mitkä tasot vastaavat toisiaan ja miten niiden energiat ovat muuttuneet potentiaalikuoppien yhdistyessä. d) Oletetaan, että kummassakin b)-kohdan potentiaalikuopassa on 2 elektronia. Mikä on tämän mallin mukainen kovalentin sidoksen sidosenergia eli kuinka paljon energiaa vapautuu potentiaalikuoppien yhdistyessä? Ratkaisu: a) Tarkastellaan yksiulotteista Schrödingerin yhtälöä (koska potentiaali on yksiulotteinen) 2 + U(x)ψ = Eψ. (1) x2 Jotta ψ(x) olisi yhtälön ratkaisu, sen täytyy hävitä kuopan ulkopuolella (siis alueissa x < ja x > a). Tämä on seurausta potentiaalin äärettömyydestä ko. alueessa. Aaltofunktion täytyy olla jatkuva, joten saadaan reunaehdot ψ() = ja ψ(a) =. Tarkastellaan sitten yhtälöä kuopan sisällä ( < x < a). Tehdään yrite (jos differentiaalilaskenta on tuttua, niin tämä valinta tuntuu varmasti luontevalta) ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) Koska ψ() =, niin A =. Vastaavasti, koska ψ(a) =, niin B sin(ka) =. Siten Sijoittamalla Schrödingerin yhtälöön saadaan k = nπ a. () E = n 2 π2 2 a 2 n2 E. (4)

Neljä alinta energiaa ovat yksiköissä E : E 1 = 1, E 2 = 4, E = 9 ja E 4 = 16. Nämä on piirretty kuvaan. b) Koska kuoppien väliin jää alue, jossa potentiaali on ääretön, ovat kuoppien energiatasot toisistaan riippumattomia. Siten molemmissa kuopissa on a)-kohdan energiatasot, mutta nyt siis samaa energia-arvoa vastaavia tasoja on neljä, kaksi kutakin kuoppaa kohden. Jos kuoppien välinen potentiaalivalli muutetaan äärelliseksi saadaan aikaan tilanne, jossa kuoppien energiatilat ovat kytkeytyneet. (Tällaisia kaksoiskuoppapotentiaaleja (eng. double-well potential) voidaan käyttää esim. kvanttilaskennassa (kts. Wikipedia: Quantum Computer), jonka perusyksiköt, kubitit (eng. qubit, kts. Wikipedia: Qubit) koostuvat kahdesta kvanttitilasta. Äärellisen potentiaalivallin omaavassa kaksoiskuoppapotentiaalissa vasemman ja oikean puoleisten kuoppien perustilat voivat toimia kubitin tiloina.) c) Oletetaan sitten, että kuopan leveys on 2a. Energiat ovat muotoa E = n2 4 E. (5) Siten kahdeksan alinta energiaa ovat: E 1 = 1, 4 E 2 = 1, E = 9, 4 E 4 = 4, E 5 = 25, 4 E 6 = 9, E 7 = 49 ja 4 E 8 = 16. Havaitaan, että toinen degeneroituneista energioista pysyy samana ja toisen energia laskee. d) Oletetaan, että elektronit ovat alimmalla energiatasolla. Tällöin niiden kokonaisenergia ennen kuoppien yhdistämistä on 4E 1 = 4E. Yhdistämisen jälkeen elektronit miehittävät

kaksi 2a-levyisen kuopan alinta energiatasoa (Paulin kieltosääntö sanoo, että vain kaksi fermionia (=elektronia, tässä tapauksessa) mahtuu samaan kvanttitilaan tai toisinsanoan, vain yksi elektroni yhdelle energiatasolle). Kokonaisenergia on 2E 1 + 2E 2 = 2 1 2 E, joten vapautunut energia on 2 E = π2 2 4ma 2. 2. Tehtävä: Osoita, että aaltofunktio ψ(x, y, z) = A sin n 1πx sin n 2πy sin n πz (n 1, n 2 ja n ovat positiivisia kokonaislukuja) on Schrödingerin yhtälön ratkaisu, ja että se häviää -sivuisen kuution pinnalla (sivutahkot siis kohdissa x, y, z = ja ). Ratkaisu: Oletetaan, että kysymyksessä on vapaan hiukkasen aaltofunktio (U(x, y, z) = ). Tällöin Schrödingerin yhtälö on muotoa ( 2 2 x + 2 2 y + 2 2 z 2 ) ψ = Eψ. (7) Nyt (6) = n2 1π 2 x 2 ψ 2 = n2 2π 2 y 2 ψ (8) 2 = n2 π 2 z 2 ψ. 2 Siten saadaan, että ψ toteuttaa Schrödingerin yhtälön, jos E = π2 2 (n 2 2 1 + n 2 2 + n 2 ). Huomataan sitten, että sin() = ja sin(nπ) = kaikilla kokonaisluvuilla n. Siten kuution reunalla joku aaltofunktion sineistä = josta seuraa että aaltofunktio häviää.. Tehtävä: Tarkastellaan elektroneja kuution muotoisessa syvässä potentiaalikuopassa, jonka tilavuus on V =. Etsi kaikki energia-arvot, jotka ovat pienempiä tai yhtäsuuria kuin E r = 6 2 π 2. aske kuinka monta energiatasoa näissä on. Vertaa energiatasojen m 2 määrää luennolla arvioituun N p (E) = V E /2. [Vastaus: n tod (E π 2 r ).5n arvioitu (E r ) yllämainitulla energialla.] Ratkaisu: Edellisen tehtävän perusteella aaltotilojen energiat ovat muotoa E = π2 2 2 (n2 1 + n 2 2 + n 2 ) (n 2 1 + n 2 2 + n 2 )E. (9) Nyt E 6 2 π 2 m 2 eli n 2 1 + n 2 2 + n 2 12. (1)

Koska n i :t ovat ei-negatiivisia löytyvät kaikki mahdolliset ehdon toteuttavat kolmikon (n 1, n 2, n ) arvot ja niitä vastaavat energiat listasta (1, 1, 1) E 1 = E, (2, 1, 1) E 2 = 6E, (1, 2, 1) E 2 = 6E, (1, 1, 2) E 2 = 6E, (2, 2, 1) E = 9E, (2, 1, 2) E = 9E, (1, 2, 2) E = 9E, (, 1, 1) E 4 = 11E, (1,, 1) E 4 = 11E, (1, 1, ) E 4 = 11E, (2, 2, 2) E 5 = 12E. Nähdään, että energioilla E 1 ja E 5 on yksi tila ja muilla kolme (siis yhteensä 11 tilaa). (Yhtä yhden hiukkasen aaltofunktiota, eli tilaa, vastaa kaksi energiatasoa (vastaten elektronin spinin mahdollisia arvoja), eli yhteensä 22 energiatasoa. Nyt pitää verrata energiatasojen lukumäärää luentojen kaavan (6) antamaan arvioon.) uennoilla arvioitiin, että jos energian E arvo on suuri, niin energialtaan sitä pienempien tasojen määrää voi arvioida kaavalla n(e)v = 2 V π 2 E /2 = 2 π 2 6 /2 π m /2 = 2 6/2 2π joka antaa luvun, joka on noin kaksi kertaa todellisten tasojen määrä. 44, (11) 4. Tehtävä: aske vapaaelektronimallin mukainen Fermi-energia, Fermi-lämpötila, Fermiaaltoluku ja Fermi-nopeus kuparille (tiheys = 8.96 g/cm, atomimassa= 6.55u, Z = 1) ja alumiinille (tiheys = 2.7 g/cm, atomimassa= 26.982u, Z = ). Ratkaisu: Olkoon ρ tiheys ja M atomimassa. Nyt johtavuuselektronitiheys n e = Z ρ M. (12) Muistetaan, että atomimassayksikkö u = 1.66 1 27 kg ja elektronin massa m = 9.11 1 1 kg. Siten saadaan Fermi-energiat Fermi-lämpötilat ovat ε Cu F = 2 (π2 n Cu e ) 2/ 6.985eV ε Al F = 2 (π2 n Al e ) 2/ 11.561eV. (1) Edelleen Fermi-aaltoluvut ovat k Cu TF Cu = εcu F k B TF Al = εal F 8.11 1 4 K k B 1.4 1 4 K. (14) F = (π 2 n Cu e ) 1/ 1.6 1 1 m 1 kf Al = (π 2 n Al e ) 1/ 1.75 1 1 m 1. (15)

opuksi lasketaan Fermi-nopeudet vf Cu = kcu F m vf Al = kal F 1.57 16 m s m 2.2 16 m s. (16) 5. Tehtävä: aske vapaiden elektronien keskimääräinen energia perustilassa (lämpötila T = ): E = 1 εf g(e)ede. (17) n e (Vastaus: E = 5 ε F.) Ratkaisu: Elektronien tilatiheys (kts. luentomoniste) on On siis ensin laskettava integraali g(e) = π 2 E. (18) Koska niin saadaan, että εf E /2 de = 2 5 ε5/2 F. (19) ε F = 2 (π2 n e ) 2/, (2) E = 1 εf g(e)ede = n e = 2 5 ε F 2 n e π 2 5 ε5/2 F n e π 2 () /2 (π2 n e ) = 5 ε F. (21)