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

Samankaltaiset tiedostot
Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Aineaaltodynamiikkaa

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

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

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Tilat ja observaabelit

Kvanttimekaniikan perusteet

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

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

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

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

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

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

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

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Aineaaltodynamiikka. Aikariippuva Schrödingerin yhtälö. Stationääriset tilat. Ei-stationääriset tilat

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

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

Kvanttimekaniikan tulkinta

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

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

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

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

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Kvanttimekaniikan perusteet

Korkeammat derivaatat

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

KVANTTIMEKANIIKKA II A. Mikko Saarela

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Korkeammat derivaatat

Paulin spinorit ja spinorioperaattorit

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

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

Shrödingerin yhtälön johto

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

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

MEI Kontinuumimekaniikka

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

= ( F dx F dy F dz).

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Korkeammat derivaatat

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2016

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

Johdatus matematiikkaan

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

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

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

8. Klassinen ideaalikaasu

KVANTTIMEKANIIKAN JATKOKURSSI LUENNOT, VIIKKO 38. Juho Häppölä. 26. lokakuuta 2009

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

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

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

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

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

2. Geometrinen algebra dimensioissa kaksi ja kolme

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

Kvanttimekaniikka: Luento 4. Martikainen Jani- Petri

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

Harjoitus 1. Tehtävä 1. Malliratkaisut. f(t) = e (t α) cos(ω 0 t + β) L[f(t)] = f(t)e st dt = e st t+α cos(ω 0 t + β)dt.

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

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 );

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka: peruskäsitteitä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Transkriptio:

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

Spinnittömät hiukkaset Hiukkasta kuvaa aineaaltokenttä eli aaltofunktio. Aaltofunktio riippuu paikasta ja ajasta. Aaltofunktio on yleisesti kompleksinen, sen itseisarvon neliö on hiukkasen todennäköisyystiheys = todennäköisyys sille että hiukkanen havaitaan pisteessä x hetkellä t. Ajan funktiona muuttuva aaltofunktio (tässä reaalinen)

Ajasta riippuvaa Schrödäri Aineaaltokenttä on ajasta riippuvan Schrödingerin yhtälön ratkaisu h bar h = h / 2π määritellään Plackin vakio jaettuna 2 π:llä Hamilton operaattori on potentiaali- ja liikeenergiaoperaattoreiden summa. V if x < 0 = 0 if 0 x 1 if x >1 Potentiaalienergia kovassa potentiaalilaatikossa liikkuvalle hiukkaselle Liike-energiaoperaattori on liikemääräoperaattorin neliö jaettuna 2m:llä vrt klassinen mekaniikka

Aaltofunktio ja informaatio Aaltofunktio sisältää kaiken informaation joka hiukkasesta voidaan saada selville kokeellisin menetelmin. Kertaa Kvanttimekaniikan postulaatit luvun 6 Powerpointeista Jos mittaamme ominaisuuden q, todennäköisyys että saamme tulokseksi vastaavan operaattorin ominaisarvon q n on tämä peittointegraalin itseisarvon neliö jos tiedämme että hiukkasen aaltofunktio on ψ Qˆ n = qn n Ominaisuuden q mahdollisia mittaustuloksia ovat ainoastaan vastaavan operaattorin ominaisarvot Mittaustulosten keskiarvo saadaan tästä integraalista sitä kutsutaan suureen q odotusarvoksi hiukkaselle jonka aaltofunktio on ψ.

Energiatasot Hamiltonin operaattori on sikäli erikoisasemassa, että sen ominaisarvot ovat hiukkasen mahdolliset energiatilat. Jos siis mittaamme hiukkasen energian tulos on jokin näistä ominaisarvoista. Potentiaaliboxin hiukkaselle Hamiltonin ominaisarvot ovat 2 2 2 π h n En = 2 2mL Esimerkissä L = 1

Stationääriset tilat Energian ominaisarvoyhtälöä kutsutaan ajasta riippumattomaksi Schrödäriksi. Muutama potentiaaliboksin hiukkasen aaltofunktio ja ominaisenergiaa. Nämä aaltofunktiot eivät riipu ajasta.

Luonnolliset yksiköt Usein on edullistä määritellä "luonnolliset yksiköt" H ˆ =h 1 Tällöin Hˆ Lisäksi Hˆ n = ω missä ω n n n = E h n 1

Stationääriset tilat Ajasta riippuvat tilat toteuttavat Schrödärin d ψ ( t) = ihˆ ψ ( t) dt Tämän formaali ratkaisu on ψ ( t) = exp{ iht} ψ ( 0) ˆ Jos alkuehtona hiukkanen on tilassa n hetkellä t = 0; ψ 0 = n { Hˆ } ψ ( ) { ωn } exp i t 0 = exp i t n ψ ˆ ψ ω ψ ( t) = exp{ iht} ( 0) = exp{ i t} ( 0) Tällaista tilaa kutsutaan stationääriseksi koska sen todennäköisyystiheys on ajasta riippumaton. n ( )

( ) ψ ( ) ˆ ψ ( ) Säilymislait Voidaan osoitta, että jos operaattori Qˆ kommutoi hamiltonin H ˆ kanssa ja jälkimmäinen ei riipu ajasta niin Qˆ :n odostusarvo on ajasta riippumaton. Q t = t Q t = (1) Sijoittamalla ˆ = ψ { } { ˆ } ψ ( t) = exp{ ih t} ψ ( 0) ψ ( t) = ψ ( t) exp { iht} ψ ( ) ( 0) exp ˆ { + iht} Sijoittamalla yhtälöön (1) ψ ψ ψ ˆ ˆ ψ ( t) Qˆ ( t) = ( 0) exp ˆ { + iht} Qexp{ iht} ( 0) Kommutoinnista seuraa että Hˆ Qˆ = Qˆ Hˆ ja käyttäen Luvu 6 operaattorisääntöjä exp { Hˆ ˆ ˆ } exp{ H } + i t Q i t = Qˆ siis ( t) Qˆ ( t) = ( 0) Qˆ ( 0) ψ ψ ψ ψ ja odotusarvo ajasta riippumaton. = =

Kulmaliikemäärä Kulmaliikemäärä liittyy pyörimiseen. Kirjan merkinnöillä klassisessa fysiikassa l = r p Vastaava operaattori: r rˆ, p ih = ihd Luonnollisissa yksiköissä joita käytetään seuraavassa h = 1 ( ) = ψ ( ) xˆ ψ x, y, z, t x x, y, z, t ˆ Dxψ ( x, y, z, t) = ψ ( x, y, z, t) x

Kierto-operaattorit Kierto-operaattorit kuvaavat aaltofunktion muutosta kun koordinaatistoa kierretään. Alaindeksi kertoo minkä akselin suhteen kierretään ja kulma β kuinka paljon. Kierto x-akselin ympäri Kierto y-akselin ympäri HUOM. Kuvaan merkitty kiertosuunta on positiivinen

Kierto-operaattoreiden ominaisuuksia Kierto-operaattorien tärkeimpiä ominaisuuksia 1 ( β ) = ( β ) = ( β ) ( β ) R ( β ) - niille on olemassa käänteisoperaattori : Rˆ ˆ = 1ˆ - ja unitaarisia Rˆ Rˆ Rˆ x x x - kommutoivat vastaavan kulmaliikemääräoperaattorin kanssa - sandwitch ominaisuus: ( β ) ˆ ˆ ( β ) ( ) ( ) Rˆ l R = lˆ x x x x Rˆ β lˆ Rˆ β = lˆ cos β + lˆ sin β x y x y z x x Rˆ x ( β ) lˆ ( β ) = lˆ Rˆ x x x

Sykliset kiertorelaatiot Edellisestä seuraavat sykliset relaatiot Esimerkki: ( π / 2 ) ( β ) ( π / 2) = ( β ) Rˆ Rˆ Rˆ Rˆ x y x z Kierto xz-tasossa olevan akselin ympäri

L:n muotoinen kappale käy läpi muutamia kiertomuunnoksia. Lopputulos on sama kuin yksi π/4 rotaatio z-akselin ympäri. Esimerkkejä

Kulmaliikemäärän kvantittuminen Kulmaliikemäärävektorin suuruus ja suunta ovat kvantittuneet ( 1) h L ( 1) L = L = l l + = L = l l + Luonnollisissa yksiköissä Lz = mh Lz = m Ominaistilat z-komponetille ovat yhteiset kulmaliikemäärän neliön operaattorin kanssa

Matriisiesitykset Operaattorin l tilakannassa 0 1 0 1 2 0 2 2 2 6 z 2 Operaattorin l tilakannassa { } l, m = 0,0, 1,1, 1,0 1, 1 2,2,... { } l, m = 0,0, 1,1, 1,0 1, 1 2,2,...

Ominaisfunktioita Ominaistilojen todennäköisyyspintojen esityksiä

Korotusoperaattorit Korotus- ja laskuoperaattorit määritellään Niiden tärkeimmät ominaisuudet ovat ˆ + Operaattorin l esitys 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ˆ Operaattorin l esitys 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0

x- ja y-komponentit Korotus ja laskuoperaattoreiden avulla lausuttuna x- ja y-komponentit ovat Matriisiesitykset

Spin-operaatttori Spin- eli hiukkasen sisäinen kulmaliikemäärä toteuttaa matemaattisesti samat säännöt kuin rataliikkeen kulmaliikemäärä Sykliset kommutaatiosäännöt Ominaisfunktiomääritelmät Kvantittumissäännöt Korotus ja laskuoperaattorit Korotus ja laskuoperaattoreiden ominaisuudet

Spinin kierto-operaattorit Määritellään Spinkulmaliikemääräoperaattorin avulla samoin kuin avaruuskierrot Sandwich operaattorit määritellään samaan tapaan ( ) ( ) Rˆ β Iˆ Rˆ β = Iˆ cos β + Iˆ sin β x y x y z ( π / 2 ) ( β ) ( π / 2) = ( β ) Rˆ Rˆ Rˆ Rˆ x y x z

Spinin kantafunktiot Yleisesti I, M Määritellään seuraava normaalijärjestys 3/ 2,3/ 2 3/ 2,1/ 2 3/ 2, 1/ 2 3/ 2, 3/ 2... Spinin x-komponentin matriisiesitys I=3/2,M aliavaruudessa

Trace (jälki) Määritelmä operaattorin Aˆ tracille kantatilojen m avulla 1. Trace on riippumaton kantatiloista kunhan kantatilat ortonormitettu. 2. Tulon jälki on riippumaton tekijöiden järjestyksestä { ˆ ˆ} m Aˆ = { ˆ} Tr AB n, m n n Bˆ m = Tr BA ˆ Huomaa Closure relaatio n n = 1ˆ 3. Kolmen tai useamman operaattorin tulon jälki on riippumaton tekijöiden syklisestä permutoinnista. n= 1 Hyödyllinen relaatio

Spin - 1/2 erikoistapaus Kantatilat Tärkeimmät operaattoriesitykset yo kannassa Iˆ 1/ 2 ˆ z α = α I z β = 1/ 2 β Iˆ + α 0 Iˆ + = β = α Iˆ α β Iˆ = β = 0 Paulin spinmatriisit

Spin - ½ rotaatio-operaattorit Rotaatio-operaattorin esitys spin ½ kannalle. Kokeilemalla voi huomata että esimerkiksi relaatiot ( ) ( ) Rˆ β Iˆ Rˆ β = Iˆ cos β + Iˆ sin β x y x y z Yksikköoperaattori Normitettu yksikköoperaattori 1 0 0 1 1 1 0 2 0 1 ( π / 2 ) ( β ) ( π / 2) = ( β ) Rˆ Rˆ Rˆ Rˆ x y x z Toteutuvat yo matriiseilla

Korotus- ja laskuoperaattorit Käyttämällä lasku- ja korotusoperaattoreiden määritelmää ja spin-1/2 kantafunktioita saadaan helposti nämä matriisiesitykset Projektio-operaattorit : jos näillä operoidaan yleiseen spin ½ tilaan ne antavat projisoivat ko tilasta vastaavan spin komponentin. ˆα ˆβ I α = α I α = 0 Iˆ α 0 Iˆ β β = β = β Matriisiesitys spin ½ kannassa

Spin -1 hiukkaset Matriisiesitykset Spinoperaattorille

Spin 1 rotaatio-operaattorit

Spin 3/2 hiukkaset Määritellään seuraava normaalijärjestys 3/ 2,3/ 2 3/ 2,1/ 2 3/ 2, 1/ 2 3/ 2, 3/ 2... Korkeammat spin-tilat