1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Samankaltaiset tiedostot
2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

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

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

Tilat ja observaabelit

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Kvanttifysiikan perusteet 2017

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Aineaaltodynamiikkaa

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

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

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

Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus. Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

Kvanttidynamiikka Tarkastellaan ensin hieman bra/ket-merkintää ja vertaillaan sitä muihin merkintätapoihin.

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Korkeammat derivaatat

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

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

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

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

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

3. Teoriaharjoitukset

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Aineen ja valon vuorovaikutukset

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Korkeammat derivaatat

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

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

Tehtävä 4.7 Tarkastellaan hiukkasta, joka on pakotettu liikkumaan toruksen pinnalla.

2 Funktion derivaatta

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Kvanttimekaniikka II A/S. Jani Tuorila Fysiikan laitos Oulun yliopisto

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

MEI Kontinuumimekaniikka

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

Energian säilymislain perusteella elektronin rekyylienergia on fotnien energioiden erotus: (1)

Kompleksianalyysi, viikko 6

Shrödingerin yhtälön johto

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Korkeammat derivaatat

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

Luento Atomin rakenne

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

6.1 Autokovarianssifunktion karakterisaatio aikatasossa

Jatko-opintoseminaari Kevyttä johdattelua kvanttimekaniikkaan: Tila-avaruus. Petteri Laakkonen

KVANTTIMEKANIIKKA II A. Mikko Saarela

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

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

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

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

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

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

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

Johdantoa. 0.1 Mustan kappaleen säteily. Musta kappale (black body): Kvanttimekaniikka. Wienin siirtymälaki jakautuman maksimille on

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

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Kvanttimekaniikan tulkinta

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

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

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

Kuva 3.1: Näyte Gaussisesta valkoisest kohinasta ε t N(0, 1) Aika t

Kertausta: Vapausasteet

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Fysiikan matemaattiset menetelmät II

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Vektorilaskenta, tentti

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

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Transkriptio:

Kvanttimekaniikka I, tentti 6.. 015 4 tehtävää, 4 tuntia 1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria ( { ( ( } E iδ H =, E, δ R, kannassa B = 1 =, =. iδ E 0 1 (a (p. Asetetaan ensin δ = 0. Mitkä ovat Hamiltonin operaattorin ominaistilat? Mitä tarkoittaa degeneeraatio? (b (p. Olkoon sitten δ 0. Mitkä ovat nyt energian ominaisarvot ja näitä vastaavat ominaistilat? (c (p. Olkoon järjestelmä hetkellä t = 0 tilassa ψ(0 = 1, ja annetaan systeemin kehittyä häiritsemättä. Mikä on systeemin tila ψ(t hetkellä t > 0? (d (4p. Systeemiä tarkastellaan hetkellä t = τ > 0. Laske millä todennäköisyydellä systeemi havaitaan tilassa 1 tai tilassa. Millä ajanhetkellä τ todennäköisyys havaita systeemi tilassa 1 on yksi?. Tarkastellaan Hamiltonin operaattoria missä H = H 0 + H 1, E 0 0 0 ξe 0 0 0 H 0 = 0 E 0 0, H 1 = 0 0 ξe 0. 0 0 E 0 0 ξe 0 0 Häiritsemättömän järjestelmän ominaiskanta on siis { 1,, }, s.e. H 0 1 = E 0 1, H 0 = E 0, H 0 = E 0, ja yllä olevat matriisiesitykset on annettu tässä kannassa. Oletetaan, että ξ 1 ja tarkastellaan operaattorin H 1 vaikutusta systeemin ominaisenergioihin ja -tiloihin käyttäen häiriöteoriaa. (a (p. Osoita, että ensimmäisen kertaluvun korjaus degeneroitumattomaan ominaisarvoon häviää. Laske toisen kertaluvun korjaus. (b (5p. Laske häiriöteorian mukaiset ensimmäisen kertaluvun korjaukset degeneroituneeseen ominaisarvoon. Selitä energiatasokaavion avulla miten häiriö muuttaa systeemin energiatilojen degeneraatiota. (c (p. Ratkaise Hamiltonin operaattorin H ominaisarvot tarkasti. Kehitä saamasi tulos parametrin ξ funktiona ja vertaa häiriöteoreettisiin tuloksiin. (Kehitelmästä 1 + 1 + / +... saattaa olla apua.

. Tarkastellaan spinitöntä hiukkasta -ulotteisessa, pallosymmetrisessä potentiaalissa V (r (a (p. Separoi stationaarinen Schrödingerin yhtälö ( h m + V (r ψ nlm (r = ɛ nlm ψ nlm (r yritteellä ψ nlm (r = R nl (ry lm (θ, φ, ja johda radiaalinen Schrödingerin yhtälö. (b (4p. Redusoi radiaaliyhtälö edelleen yksiulotteisen liikkeen Schrödingerin yhtälöksi efektiivisessä potentiaalissa V eff (r. (Vinkki: R(r = u(r/r. Oleta Coulombin potentiaali V (r = e /(4πɛ 0 r ja piirrä efektiivisen potentiaalin V eff (r kuvaaja kun l = 0, 1 ja. (c (4p. Oleta edelleen Coulombin potentiaali V (r = e /(4πɛ 0 r, ja johda aaltofunktion u(r asymptoottinen käytös sidottujen tilojen tapauksessa kun r ja kun r 0. Perustele, miksi perustilan aaltofunktio on u(r = Are rc ja laske tämän perusteella vakio c ja perustilan energia. 4. Sironta-amplitudi elastiselle sironnalle potentiaalista V (r on f k (θ, φ = π d r Φ k f (r U(r Ψ ki (r, missä k f on sironneen hiukkasen aaltovektori ja k i on hiukkasen aaltovektori ennen sirontaa, k f = k i = k = µe/ h, ja Φ kf (r = 1 e ik (π / f r, ja U(r = µ V (r. h Aaltofunktio Ψ ki (r toteuttaa integraaliyhtälön Ψ k (r = Φ k (r + d r G k (r r U(r Ψ k (r, missä G k (r r on operaattorin +k Greenin funktio (jonka eksplisiittistä muotoa ei tarvita tässä tehtävässä. (a (6p. Selitä miten sironta-amplitudin Bornin kehitelmä muodostetaan ja kirjoita kehitelmän kolme ensimmäistä termiä eksplisiittisesti. Osoita, että Bornin approksimaatiossa (eli Bornin kehitelmän alimmassa kertaluvussa sirontaamplitudi on oleellisesti potentiaalin Fourier-muunnos: f B (θ, φ = 1 µ 4π h d re i(k f k i r V (r. (b (4p. Sovella Bornin approksimaatiota ja laske sironta-amplitudi f(θ, differentiaalinen vaikutusala dσ/dω ja kokonaisvaikutusala σ sironnalle potentiaalista V (r = V 0 e λ r, λ > 0.

Hyötytietoa: i h d ψ(t = H ψ(t dt U(t = e iht/ h A = A A A B 1 [A, B] a = p h E t h d A = ī A dt h [A, H] + t H = P m + V ( [X, P ] = i h ψ( = ψ X = P = i h d d ψ(, t i h t = h ψ(, t + V (ψ(, t m h d ψ( + V (ψ( = Eψ( m d mω 1 mω 1 h X + i mω h P, a = h X i mω h P a n = n n 1, a n = n + 1 n + 1 [AB, C] = A[B, C] + [A, C]B σ = ( 0 1 σ y = ( 0 i i 0 σ z = ( 0 1 Fouriermuunnos: f(p = d (π e ip f( f( = d p (π eip f(p Sopivin oletuksin funktioille f( ja g( pätee: d d (π f( g( = (π ( f(g(. g( = 1 /(σ (πσ / e σk g(k = e

Pallokoordinaatit ja palloharmoniset funktiot: = 1 r r (r r 1 h r ˆL d r = r drdω = r dr sin θdθdϕ dω = 4π Y 0 (θ, ϕ = R 10 = ˆL = h [ 1 sin θ Y lm (θ, ϕ = ( 1 m+ m ˆL Y lm (θ, ϕ = h l(l + 1Y lm (θ, ϕ ˆLz Y lm (θ, ϕ = hmy lm (θ, ϕ θ (sin θ θ + 1 ] sin θ ϕ l + 1 4π dω Y l m (θ, ϕy lm(θ, ϕ = δ ll δ mm (l m! (l + m! P m l (cos θe imϕ Y l, m (θ, ϕ = ( 1 m Y l,m(θ, ϕ Pl k (z = (1 z k/ dk dz P l(z P k l (z = 1 l l! dz l (z 1 l Y 00 (θ, ϕ = 1 Y 10 (θ, ϕ = 4π 4π cos θ Y 1±1(θ, ϕ = sin θe±iϕ 8π 5 ( cos θ 1 15 15 Y ±1 (θ, ϕ = 16π 8π cos θ sin θe±iϕ Y ± (θ, ϕ π sin θe ±iϕ Vetyatomin(kaltaisen ionin elektronin aaltofunktiot: R nl (r = Ψ nlm ( = R nl (ry lm (θ, ϕ κ = Z na (n l 1! (κ n(n + l! (κrl e κr L l+1 n l 1 (κr Lq p( = d l a = 4πɛ 0 h µe ( / Z e Zr/a R 0 = 1 ( / ( Z 1 Zr e Zr/a R 1 = 1 a a a 6 Besselin ja von Neumannin pallofunktiot: p ( 1 k (p + q! k (p k!(q + k!k! k=0 ( 5/ Z re Zr/a a r d R(r dr + r dr(r dr j l ( = l l j 0 ( = sin s=0 + [ (kr l(l + 1 ] R(r = 0 R(r = Aj l (kr + Bn l (kr ( 1 s (s + l! s!(s + l + 1! s j 1 ( = sin cos n l ( = ( 1l+1 l l+1 n 0 ( = cos s=0 ( 1 s (s l! s!(s l! s n 1 ( = cos sin

Integrointiapuja: C dzf(z = πi Trigonometriaa: 0 d n e a = n! a n+1, n Resf(z z=zj, j=1 de a = π a. Resf(z 1 ( d n 1[(z z=z0 = lim z0 n f(z]. z z0 (n 1! dz cos = cos sin, cos + sin = 1 Pyörimismäärä: Ĵ j, m = h j(j + 1 j, m, Ĵ z j, m = hm j, m Ĵ ± = Ĵ ± iĵy, Ĵ ± j, m = h (j m(j ± m + 1 j, m ± 1 Sarjoja: [Ĵi, Ĵj] = i h ɛ ijk Ĵ k, [Ĵ, Ĵi] = 0 k=1 e = Paulin matriisit: n n! σ = ( 0 1 cos = ( 1 n n (n! σ y = ( 0 i i 0 sin = σ z = ( 1 n n+1 (n + 1! ( 0 1 [σ i, σ j ] = iɛ ijk σ k {σ i, σ j } = δ ij 1 ( σ a( σ b = ( a b1 + i( a b σ Häiriöteoria: E n (1 = n V n, E n ( = m n n V m E n (0 E m (0 Sirontateoria: dσ dω = f(θ, φ, σ = dω dσ dω. c =.998 10 8 m/s h = 1.055 10 4 Js q e = 1.60 10 19 C