1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Samankaltaiset tiedostot
Kvanttifysiikan perusteet 2017

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

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

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

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

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

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

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

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

Kvanttimekaniikan perusteet

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

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

Aineaaltodynamiikkaa

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

Korkeammat derivaatat

Korkeammat derivaatat

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Matematiikan tukikurssi

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

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Mustan kappaleen säteily

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Shrödingerin yhtälön johto

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10 13

Korkeammat derivaatat

FYSA240/4 (FYS242/4) TERMINEN ELEKTRONIEMISSIO

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

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

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

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

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Tilat ja observaabelit

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Vapaat tilat. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 6. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

PYÖRÄHDYSKAPPALEEN PINTA-ALA

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

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,

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

Lue tehtävänannot huolella. Tee pisteytysruudukko 1. konseptin yläreunaan. ILMAN LASKINTA -OSIO! LASKE KAIKKI SEURAAVAT TEHTÄVÄT:

Matematiikan tukikurssi

3.3 Paraabeli toisen asteen polynomifunktion kuvaajana. Toisen asteen epäyhtälö

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

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Näihin harjoitustehtäviin liittyvä teoria löytyy Adamsista: Ad6, Ad5, 4: 12.8, ; Ad3: 13.8,

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Kompleksianalyysi, viikko 6

Harjoitus 7 -- Ratkaisut

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

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

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Termioninen ja kenttäemissio

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.

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Luento 2: Liikkeen kuvausta

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

3 Yleinen toisen asteen yhtälö ja epäyhtälö

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Valintakoe

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Transkriptio:

S-114.1427 Harjoitus 3 29 Yleisiä ohjeita Ratkaise tehtävät MATLABia käyttäen. Kirjoita ratkaisut.m-tiedostoihin. Tee tuloksistasi lyhyt seloste, jossa esität laskemasi arvot sekä piirtämäsi kuvat (sekä nimesi ja opiskelijanumerosi). Liitä selosteeseen myös MATLABkoodit. Kiinnitä humiota selkeyteen. Palauta seloste pdf-muotoisena osoitteeseen tihayryn@lce.hut.fi. Kirjoita selosteeseen myös arvio ajasta, joka tehtävän ratkaisemiseen kului. Nimeä tiedostosi nimelläsi sekä harjoituksen numerolla esim. Nimi harjoitus x.pdf. Laita lisäksi selosteeseen nimesi ja opiskelijanumerosi. Johdatusluento tehtävään pidetään keskiviikkona 18.3.29 ja tehtävän ratkaisua käsittelevä laskuharjoitus torstaina 19.3.29. Tehtävä tulee palauttaa viimeistään 1.4.29. 1 WKB-approksimaatio WKB (Wenzel, Kramers, Brillouin) -menetelmän avulla voidaan laskea approksimaatiivinen ratkaisu ajasta riippumattomalle yksiuloitteiselle Schrödingerin yhtälölle. Menetelmä on erityisen käyttökelpoinen mm. transmissiotodennäköisyyksien laskemiseen. Olkoon hiukkasen energia E ja oletetaan, että hiukkanen liikkuu alueessa, jonka potentiaalienergia V < E on vakio. Tällöin hiukkasen aaltofunktio on muotoa Ψ(x) = Ae ±ikx (1) k = 2m(E V )/ 2, (2) missä plusmerkki kuvaa oikealle liikkuvaa hiukkasta ja miinusmerkki vasemmalle liikkuvaa hiukkasta. Yleinen ratkaisu on näiden kahden ratkaisun summa. Hiukkasen aaltofunktio siis oskilloi vakioamplitudilla A ja vakioaallonpituudella λ = 2π/k. Jos taas V > E (V on vakio), saadaan exponentiaalisesti kasvava tai vaimeneva aaltofunktio Ψ(x) = Ae ±κx (3) κ = 2m(V E)/ 2. (4) 1

S-114.1427 Harjoitus 3 29 1.1 Klassinen alue (E > V ) Kirjoitetaan Schrödingerin yhtälö muodossa missä p(x) = p on reaalinen. 2 d 2 Ψ(x) + V (x)ψ(x) = EΨ(x) (5) 2m dx 2 d 2 Ψ(x) dx 2 = p2 2Ψ(x), (6) 2m(E V ) on klassinen yhtälö liikemäärälle. Koska E > V, Yleisessä tapauksessa V (x) ei ole vakio, joten myös A ja p riippuvat paikasta. Oletetaan kuitenkin, että hiukkasen de Broglie aallonpituus sen liikkuessa potentiaalivallissa on sellainen, että potentiaalienergia muuttuu vain vähän yhden de Broglie aallonpituuden matkalla. Tällöin voidaan osoittaa, että on edullista etsiä Schrödingerin yhtälön tarkaisua muodossa Ψ(x) = A(x)e iφ(x), (7) missä A(x) on paikkariippuva amplitudi ja φ(x) paikkariippuva vaihe. Sijoittamalla ratkaisu yhtälöön (6), saadaan d 2 Ψ(x) dx 2 = ( A (x) + 2iA (x)φ (x) + ia(x)φ (x) A(x)(φ (x)) 2) e iφ(x) = p2 2A(x)eiφ(x) (8) Yllä olevasta yhtälöstä saadaan kaksi reaalista yhtälöä: toinen reaaliosalle ja toinen imaginääriosalle A (x) A(x)(φ (x)) 2 = p2 2A(x) ( ) A (x) = A(x) (φ (x)) 2 p2 2 (9) 2A (x)φ (x) + A(x)φ (x) = ( A 2 (x)φ (x) ) =. (1) Jälkimmäisestä yhtälöstä (1) saadaan ratkaisuksi A 2 (x)φ (x) = C 2 eli A(x) = C/ φ (x), missä C on vakio. Olettamalla nyt, että A(x) muuttuu hitaasti, 2

S-114.1427 Harjoitus 3 29 voidaan approximoida A (x)/a(x) ja ensimmäisestä yhtälöstä saadaan [φ (x)] 2 = p 2 / 2 eli φ (x) = ±p/, jonka ratkaisu on φ(x) = ± 1 x p(x )dx. (11) Aaltofunktion approximatiiviseksi ratkaisuksi ns. WKB-ratkaisuksi saadaan siis Ψ(x) = p(x) C i x e± p(x )dx. (12) Yleisessä tapauksessa vakio C voi olla myös kompleksinen. Integrointirajat on valittu siten, että potentiaalivallin etureunan oletetaan sijaitsevan pisteessä x = (vrt. kuva 1). Rajojen valitseminen toisin muuttaa vain vakion C arvoa. 1.2 Tunnelointi (E < V (x)) Kun E < V (x), saadaan p(x) = i p(x), joilloin aaltofunktio voidaan kirjoittaa muodossa C 1 x Ψ(x) = p(x) e± p(x ) dx. (13) Olkoon suorakulmion mallinen potentiaalivalli alueessa x a (ks kuva 1). Alueissa x < ja x > a aaltofunktiot voidaan kijoittaa muodoissa Ψ x< (x) = Ae ikx + Be ikx (14) Ψ x>a (x) = Fe ikx, (15) missä k = 2mE/. Transmissiokerroin saadaan potentiaalivallin läpäisseen hiukkasen aaltofunktion amplitudin ja potentiaalivalliin tulevan hiukkasen aaltofunktion amplitudin avulla T = F 2 A 2. (16) Potentiaalivallin alueessa ( x a) WKB-approksimaation mukainen aaltofunktio on Ψ x a (x) = C p(x) e 1 x p(x ) dx + p(x) D e 1 x p(x ) dx. (17) 3

). S-114.1427 Harjoitus 3 29 Exponentiaalisesti kasvavan termin kerroin voidaan olettaa nollaksi (C ) tilanteissa, joissa potentiaalivalli on hyvin korkea ja/tai leveä. Amplitudien itseisarvojen suhteeksi saadaan F A e eli transmissionkertoimeksi saadaan 1 a p(x) dx, (18) T = e 2γ (19) γ = 1 a p(x) dx = 1 a 2m(V (x) E)dx. (2) 2 J A J E = = E L = E = Kuva 1: Kuvassa on esitetty aaltofunktion vaimeneminen potentiaalivallissa (valli sijaitsee alueessa x a), kun hiukkasen energia E < V. Tulevan aaltofunktion amplitudi on A ja läpäisseen F. 2 Terminen emissiovirta Metallin vapaat elektronit sijaitsevat potentiaalikuopassa (ks. kuva 2), jonka syvyys on fermienergian (E F ) ja irrotustyön eli työfunktion (φ ) summa (kertaa valosähköinen ilmiö opetusmonisteesta). Energian nollakohdaksi on valittu taso, jossa metallista tyhjiöön irrotetun elektronin liike-energia on nolla. 4

S-114.1427 Harjoitus 3 29 E φ E F vapaat elektronit x Kuva 2: Metallin vapaat elektronit sijaitsevat potentiaalikuopassa. Termisellä emissiovirralla tarkoitetaan lämpöenergian synnyttämää elektronivirtausta metallista tyhjiöön. Termiselle emissiovirralle saadaan kaavaa J T = CT 2 e φ /(k B T), (21) missä vakio C on Richardsonin vakio ja sen arvo on 3 Kenttäemissiovirta C = em ek 2 B 2π 2 3 12Acm 2 K 2. (22) Kuvan 2 tilanne muuttuu kuvan 3 kaltaiseksi, kun tyhjiöön kytketään sähkökenttä (E s ) negatiivisen x-akselin suuntaan. Tällöin elektronien potentiaalienergia tyhjiöalueella on E p = E F + φ ee S x. (23) Elektroneja sitoo metalliin siis kolmion muotoinen potentiaalivalli. Virta on verrannollinen elektronien läpäisykertoimeen (transmissiokertoimeen) potentiaalivallin läpi. Virrantiheys on J F = ev R nt, (24) missä elektronitiheys on n = (2mE F ) 3/2 3π 2 ja ns. Richardsonin nopeus on v 3 R = kb T. Transmissiokertoimen edessäolevaksi lämpötilariippuvaksi kertoimeksi 2πm saadaan 2, 115 1 9 A cm 2 K 1/2 T 1/2 eli J F = 2, 115 1 9 T T 1/2 A cm 2 K 1/2. (25) 5

S-114.1427 Harjoitus 3 29 4 Tehtävät Tarkastellaan kuvan 3 mukaista tilannetta. Oletetaan, että metalli on kuparia, jossa työfunktio ja Fermienergia ovat φ = 4.45 ev ja E F = 7.5 ev. Laske kenttäemissiovirrantiheys sähkökentän (E s ) funktiona kolmessa lämpötilassa T = 3 K, T = 5 K, ja T = 2 K. Transmissiokertoimen laskemiseksi on ensin laskettava numeerisesti integraali γ = 2m φ /(ee S ) E p (x) Edx, (26) missä E p (x) = E F +φ ee S x ja E = E F. Laske trasmissiokertoimen avulla kenttäemissiovirrantiheys (25) ja piirrä samaan kuvaan terminen emissiovirta (21). E φ E p = E F + φ ee S x Vapaat elektronit E F x = φ /(ee S ) x Kuva 3: Valitse potentiaalienergian nollataso kuten kuvassa. Elektronin energia on E F. Potentiaalienergian profiili muuttuu sähkökentän funktiona: mitä suurempi sähkökenttä on, sitä kapeampi on kolmiovalli. 6