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

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

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

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

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

Korkeammat derivaatat

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

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

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

Korkeammat derivaatat

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

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

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, harjoitus 5

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Shrödingerin yhtälön johto

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Korkeammat derivaatat

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

Kompleksianalyysi, viikko 6

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

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

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

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Kvanttimekaniikan perusteet

Aineaaltodynamiikkaa

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

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

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

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

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

Kertausta: Vapausasteet

Varatun hiukkasen liike

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

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

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

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

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

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

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

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

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

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

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

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

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

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

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

Äärettömät raja-arvot

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

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

5. lukujonot ja sarjat.

5 Kentät ja energia (fields and energy)

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

Varatun hiukkasen liike

Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

FysA230/3 Potentiaalikuoppa Suppea raportti

MS-A Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Harjoitus 6 loppuviikko

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

u = 2 u (9.1) x + 2 u

MEI Kontinuumimekaniikka

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

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

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

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

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

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

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

Rautaisannos. Simo K. Kivelä

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

Transkriptio:

FYSA5 Kvanttimekaniikka I, Osa B 7.. tentti: 4 tehtävää, 4 tuntia. a) p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori T ɛ) = iɛ h P. Osoita tämän avulla, että äärellistä siirtoa matkan a verran esittää operaattori Voit olettaa tunnetuksi, että T a) = e ip a/ h. lim + x ) N = e x. N N b) p.) Totea, että paikkaesityksessä on T a) = e ad/dx). Osoita sen jälkeen sarjakehitelmän avulla, että T a):n operointi aaltofunktioon ψx) antaa T a)ψx) = ψx a). c) p.) Oletetaan, että aaltofunktio ψx) esittää pisteeseen x sijoitettua systeemiä. Selitä, miksi tällöin aaltofunktio ψx a) esittää pisteeseen x + a eikä x a) sijoitettua systeemiä.. 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, jos systeemin energia mitataan? c) p.) Oletetaan, että kummankin hiukkasen spin on mitattu z-akselin suunnassa, ja saatu tulos + h hiukkaselle ja + h/ hiukkaselle. Jos systeemin energia mitataan välittömästi tämän mittauksen jälkeen, mitkä ovat eri energian arvoihin liittyvät todennäköisyydet?

. a) p.) Pallosymmetrisessä potentiaalissa V r) liikkuvan hiukkasen aaltofunktio toteuttaa Schrödingerin yhtälön h r ψ ) nlm + m r r r mr L ψ nlm + V r)ψ nlm = Eψ nlm, missä L on vain kulmista riippuva operaattori. Johda tästä sijoitusten ψ nlm r) = R nl r)y lm θ, φ) ja R nl r) = u nl r)/r kautta radiaaliselle aaltofunktiolle u nl r) yhtälö h d u nl r) h ) ll + ) + + V r) u m dr mr nl r) = Eu nl r). ) Muista, että palloharmoniset funktiot Y lm θ, φ) ovat operaattorin L ominaisfunktioita ominaisarvolla h ll + ). b) p.) Oletetaan, että V r) kun r, ja että pienillä r:n arvoilla V r) kasvaa äärettömäksi hitaammin kuin /r. Ratkaise yhtälöstä ) funktion u nl r) asymptoottinen muoto suurilla ja pienillä r:n arvoilla. 4. a) p.) Tarkastellaan heikkoon sähkökenttään asetettua harmonista oskillaattoria. Tällöin häiritsemätön Hamiltonin operaattori on H = P /m + mω x ja häiriö V = q E x. Laske häiriöteorian avulla ensimmäisen ja toisen kertaluvun korjaukset perustilan energiaan. b) p.) Arvioi variaatiomenetelmän avulla yksiulotteisen potentiaalin V x) = λx 4 perustilan energiaa. Valitse yritefunktioksi ψ α x) = e αx.

Hyötytietoa: e ix = cos x + i sin x e iπ + = sin x = e ix e ix) i cos x = e ix + e ix) sinx) = sin x cos x cosx) = cos x sin x cos x) = x sin + cos x) = x cos d n fx ) fx) = x x n! dx n ) n e x x n = n! n= n= dx x n e cx = n! π dx e cx = c n+ c dx x e cx = π dx x 4 e cx = π c 4 c 5 dx δx x )fx) = fx ) fk) = π dx δx x ) = dx e ikx fx) fx) = π dx e ikx fk) i h d ψt) = H ψt) dt Ut) = e iht/ h A = A A A B [A, B] x p h E t h d A = ī A dt h [A, H] + t H = P m + V x) [X, P ] = i h ψx) = x ψ X = x P = i h d dx ψx, t) i h t d H = h m dx + V x) = h ψx, t) + V x)ψx, t) m x h d ψx) + V x)ψx) = Eψx) m dx c =.998 8 m/s h =.55 4 Js q e =.6 9 C ɛ = 8.854 C Nm µ = 4π 7 N A m e = 9.9 kg

Ut) = e iht/ h T a) = e i P a/ h iθ n J/ h R n θ) = e [J x, J y ] = i hj z [J y, J z ] = i hj x [J z, J x ] = i hj y J = J x + J y + J z J ± = J x ± ij y [J z, J ] = [J z, J ± ] = ± hj ± [J +, J ] = hj z J jm = h jj + ) jm S = h σ σ x = J z jm = m h jm J ± jm = h jj + ) mm ± ) j, m ± ) ) i σ y = σ i x = ) σ i σ j σ j σ i = i k ɛ ijk σ k σ i σ j + σ j σ i = δ ij E ) n = m q H = µ B j j, jm = ψ ) m V ψ ) n E n ) E m ) µ = γ S = g q m S g e m,m j m, j m jm j m j m E ) n = ψ ) n V ψ ) n ψ n ) = ψ m ) V ψ ) m q E n ) E m ) Spin- hiukkasen spinoperaattorin komponentit: S x = h, S y = h i i i, i Harmoninen oskillaattori: Vetyatomi: a = mω h X + H = P m + mω X = hωa a + ) i hmω P a = mω h X n ψ ) m S z = h. i hmω P a n = n n a n = n + n + H n = hωn + ) n a = h me = 5.9 m E = me4 h =.6 ev ψ r) = ψ r) = πa e r/a r ) e r/a πa a ψ r, θ) = r e r/a cos θ πa a ψ ± r, θ, φ) = r e r/a sin θe ±iφ πa a

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. Notation: 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 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......