Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

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

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

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

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

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

Tilat ja observaabelit

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

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

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Korkeammat derivaatat

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

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Aineaaltodynamiikkaa

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Korkeammat derivaatat

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

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

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

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

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Korkeammat derivaatat

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

Kompleksianalyysi, viikko 6

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

u = 2 u (9.1) x + 2 u

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

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Kvanttimekaniikan perusteet

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

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

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

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

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

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

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

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

Aineen ja valon vuorovaikutukset

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

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

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

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

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

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

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

3.3 Funktion raja-arvo

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Luento 3: Käyräviivainen liike

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

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

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

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

MEI Kontinuumimekaniikka

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

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

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

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

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

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

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

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

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

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

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

2 Funktion derivaatta

Transkriptio:

Kvanttimekaniikka I.. 4 tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia. (a (p. Olkoon H systeemin Hamiltonin operaattori, ja A jotakin observaabelia kuvaava operaattori. Johda Ehrenfestin teoreema d A dt = ī [A, H] + A h t. (b (4p. Tarkastellaan δ-funktiopotentiaalia V ( = αδ(, missä α >. Ratkaise sidotut tilat E <. Toisin sanoen, etsi Schrödingerin yhtälön ratkaisut alueissa < ja > ja vaadi aaltofunktion jatkuvuus pisteessä =. Huomaa, että aaltofunktion derivaatta ei nyt ole jatkuva pisteessä =, mutta epäjatkuvuuden voi määrätä stationaarisen Schrödingerin yhtälön avulla. Osoittautuu, että sidottuja tiloja on tasan yksi. Mikä on ko. tilan energia ja vastaava normitettu ominaisfunktio?. Tarkastellaan Hamiltonin operaattoria missä H = H + H, ( E H =, H E = ( ia, ia ja häiriö a E E kun E E ja a E jos E = E. Ominaisenergioita E ja E vastaavat häiritsemättömän järjestelmän ominaistilat ( ( ( =, ( =. (a (p. Oletetaan E E, eli järjestelmällä on kaksi degeneroitumatonta ominaisenergiaa. Laske häiriöteoriaa käyttäen ensimmäisen ja toisen kertaluvun korjaukset energioihin E ja E. (b (p. Olkoon sitten E = E. Laske häiriöteoreettiset ensimmäisen kertaluvun energiakorjaukset tässä tapauksessa. (c (p. Ratkaise Hamiltonin operaattorin H = H + H ominaisarvot eksaktisti ja vertaa edellisissä kohdissa laskemiisi tuloksiin. Kehitelmästä + + / +... saattaa olla apua.

. Tarkastellaan spin- hiukkasen (hiukkanen ja spin-/ hiukkasen (hiukkanen muodostamaa systeemiä. (a (p. Kirjoita kaikki kytketyn kannan tilat kytkemättömien tilojen avulla. (Clebsch- Gordan-kertoimet saa katsoa taulukosta. (b (p. Olkoon systeemin Hamiltonin operaattori H = E h S S, missä E on vakio ja S ja S ovat hiukkasten ja spinoperaattorit. Mitä tuloksia on mahdollista saada kun systeemin energia mitataan? (c (p. Oletetaan, että kummankin hiukkasen spin on mitattu z-akselin suunnassa ja saatu tulos + h hiukkaselle ja + h/ hiukkaselle. Jos välittömästi tämän mittauksen jälkeen mitataan systeemin energia, niin mitkä ovat eri energian arvoihin liittyvät todennäköisyydet? 4. (a (p. 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 = e ik (π / f r, ja U(r = µ V (r. Aaltofunktio Ψ h 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. Selitä miten sironta-amplitudin Bornin kehitelmä muodostetaan ja kirjoita kehitelmän kaksi ensimmäistä termiä eksplisiittisesti. Osoita, että Bornin approksimaatiossa sironta-amplitudi on oleellisesti potentiaalin Fourier muunnos: f B (θ, φ = µ 4π h d re i(k i k f r V (r. (b (p. Rutherfordin sirontakoe osoitti Thomsonin rusinakakkumallin atomin rakenteelle vääräksi. Oleta ydinaineen positiiviselle varaustiheydelle jakauma ρ N ( = Ze (π / a e /(a pistemäisen varausjakauman ρ N ( = Zeδ( sijaan. Laske differentiaalinen vaikutusala alfafiukkasen sironnalle atomista käyttäen Bornin approksimaatiota. Voit jättää huomiotta atomin elektronit olettamalla ne kevyiksi ytimen läpi jyräävään alfahiukkaseen verrattuna. Vertaa saamaasi tulosta pistemäisen varausjakauman differentiaaliseen vaikutusalaan dσ dω point = (m (ZZ e 6( hk sin 4 (θ/

HYÖTYTIETOA: 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( = /(σ (πσ / e σk g(k = e Pallokoordinaatit ja palloharmoniset funktiot: = r r (r r h r ˆL d r = r drdω = r dr sin θdθdϕ dω = 4π Y (θ, ϕ = R = ˆL = h [ sin θ Y lm (θ, ϕ = ( m+ m ˆL Y lm (θ, ϕ = h l(l + Y lm (θ, ϕ ˆLz Y lm (θ, ϕ = hmy lm (θ, ϕ θ (sin θ θ + ] sin θ ϕ l + 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 = ( m Y l,m(θ, ϕ Pl k (z = ( z k/ dk dz P l(z P k l (z = d l l l! dz l (z l Y (θ, ϕ = Y (θ, ϕ = 4π 4π cos θ Y ±(θ, ϕ = sin θe±iϕ 8π 5 ( cos θ 5 5 Y ± (θ, ϕ = 6π 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! (κ n(n + l! (κrl e κr L l+ n l (κr Lq p( = a = 4πɛ h µe ( / Z e Zr/a R = ( / ( Z Zr e Zr/a R = a a a 6 p ( k (p + q! k (p k!(q + k!k! k= ( 5/ Z re Zr/a a

Besselin ja von Neumannin pallofunktiot: r d R(r dr + r dr(r dr + [ (kr l(l + ] R(r = R(r = Aj l (kr + Bn l (kr j l ( = l l j ( = sin s= ( s (s + l! s!(s + l +! s j ( = sin cos n l ( = ( l+ l l+ n ( = cos s= ( s (s l! s!(s l! s n ( = cos sin Integrointiapuja: d n e a = n! a n+, de a = π a, Resf(z ( d n [(z z z=z = lim n f(z], z z (n! dz Trigonometriaa: d n e a = C dzf(z = πi 5 (n + π/ n/ a (n+/ n Resf(z z=zj. j= cos = cos sin, cos + sin = Pyörimismäärä: Ĵ j, m = h j(j + j, m, Ĵ z j, m = hm j, m Ĵ ± = Ĵ ± iĵy, Ĵ ± j, m = h (j m(j ± m + j, m ± Sarjoja: [Ĵi, Ĵj] = i h ɛ ijk Ĵ k, [Ĵ, Ĵi] = k= e = n= Paulin matriisit: n n! σ = ( cos = ( n n (n! n= σ y = ( i i sin = σ z = n= ( n n+ (n +! ( [σ i, σ j ] = iɛ ijk σ k {σ i, σ j } = δ ij ( σ a( σ b = ( a b + i( a b σ Häiriöteoria: E n ( = n V n, E n ( = m n n V m E n ( E m (

4. Clebsch-Gordan coefficients - 4. CLEBSCH-GORDAN COEFFICIENTS, SPHERICAL HARMONICS, AND d FUNCTIONS Note: A square-root sign is to be understood over every coefficient, e.g., for 8/5 read 8/5. m m + Y = 4π cos θ 5/ / m +/ +/ +5/ 5/ / m Coefficients +/ +/.. +/ / / / + +/ Y =.. / +/ / / sin θeiφ + / /5 4/5 5/ /.. / / 8π + +/ 4/5 /5 +/ +/ 5 ( Y = 4π cos θ + / /5 /5 5/ / +/ /5 /5 / / / / +/ / / / /5 /5 5/ / + +/ +/ +/ 5 Y = +/ /5 /5 / / sin θ cos θeiφ 8π + / / / / / / 4/5 /5 5/ Y = / / + / / +/ / / +/ /5 4/5 5/ 5 4 π sin θe iφ +/ +/ + + / / / / / +/ / / / +/ / /4 /4 +/ +/ /4 /4 / 5/ + / +/ / / / +5/ 5/ / + + + + +/ + +/ +/ / +/ / / + / / +/ /5 /5 5/ / / / / /4 /4 + + / / + + + +/ + /5 /5 +/ +/ +/ / +/ /4 /4 + /5 / /5 +/ / /5 / / / + 8/5 /6 / +/ /5 /5 / 5/ / / + + /5 / / / + / 8/5 /6 / / / + + + + + /5 / / +/ / 8/5 /6 + / / /5 /5 / /5 /5 / 5/ / + / / + /5 / / / + / /5 / / / + /6 / / /5 / / / /5 /5 5/ / / 8/5 /6 / / /5 /5 5/ + /6 / / + /5 / /5 / Yl m =( m Yl m / / / / / / / / j j m m j j JM 4π d l =( J j j j m, = j m m j j JM l + Ym l e imφ / / Notation: d j m,m =( m m d j m,m = d j / / m, m + d, =cosθ d/ /,/ =cosθ d, = + cos θ +/ +/ + + / 7/ +/ +/ / / d / /, / = sin θ d, = sin θ +7/ 7/ 5/ +/ +/ / / + + + + +/ +5/ +5/ +/ / /5 / / + +/ /7 4/7 7/ 5/ / +/ +/ /5 /5 d, = cos θ + +/ 4/7 /7 +/ +/ +/ / +/ /5 / / + / /7 6/5 /5 +/ / / /4 9/ /4 + +/ 4/7 /5 /5 7/ 5/ / / 4 +/ / 9/ /4 / /4 +/ /7 8/5 /5 +/ +/ +/ +/ +4 4 / +/ 9/ /4 / /4 + + + + + / /5 6/5 /5 /5 / +/ / /4 9/ /4 + / /5 5/4 / + + / / 4 + + / / + + + +/ 8/5 7/ 5/ +/ 4/5 7/7 / / / +/ / /5 / / /5 /5 /5 / / / /5 /5 /5 / / / / +/ /5 / / + /4 / /7 + / 4/5 7/7 /5 / + + 4/7 /7 4 / / / / / 8/5 /5 /5 /5 + /4 / /7 + + + + / / / / +/ /5 5/4 / 7/ 5/ / + /4 / /7 /5 +/ /5 6/5 /5 /5 / / / / / + /7 /5 /4 / / /7 8/5 /5 + /7 /5 /4 / 4 / 4/7 /5 /5 7/ 5/ + /4 / /7 /5 +/ /7 6/5 /5 5/ 5/ + /7 / /7 /5 /5 / 4/7 /7 7/ + 8/5 /5 /4 / /5 / /7 4/7 7/ 8/5 /7 /5 d / /,/ = + cos θ cos θ + 8/5 /5 /4 / /5 4 / + /7 / /7 /5 /5 + /4 / /7 /5 d / /,/ = + cos θ sin θ ( + cos θ d, = /7 /5 /4 / /7 /5 /4 / 4 + /4 / /7 /5 d / /, / = cos θ cos θ d + cos θ /4 / /7, = sin θ 4/7 /7 4 d / cos θ = sin θ 6 d /, /, = 4 sin θ d, = + cos θ /4 / /7 ( cos θ / / 4 d / /,/ = cosθ cos θ / / 4 d cos θ, = sin θ d, = sin θ cos θ d / /, / = cosθ+ sin θ ( cos θ d, = d, = cos θ ( ( cos θ + d, = cos θ Figure 4.: The sign convention is that of Wigner (Group Theory, Academic Press, New York, 959, also used by Condon and Shortley (The Theory of Atomic Spectra, Cambridge Univ. Press, New York, 95, Rose (Elementary Theory of Angular Momentum, Wiley, New York, 957, and Cohen (Tables of the Clebsch-Gordan Coefficients, North American Rockwell Science Center, Thousand Oaks, Calif., 974. The coefficients here have been calculated using computer programs written independently by Cohen and at LBNL. J M J M......