Tilat ja observaabelit

Samankaltaiset tiedostot
1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

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

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

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

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

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka: peruskäsitteitä

Kvanttimekaniikka: Luento 4. Martikainen Jani- Petri

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

Aineaaltodynamiikkaa

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

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

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

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Kvanttimekaniikan tulkinta

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

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

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

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

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

Kvanttimekaniikka kolmessa ulottuvuudessa Case vetyatomi

Kvanttifysiikan perusteet 2017

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

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

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Kvanttimekaniikan perusteet

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

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

Korkeammat derivaatat

3.6 Feynman s formulation of quantum mechanics

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

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

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

Puhtaiden lomittuneiden kubittien Bell-tyypin epälokaalisuudesta ja Gisinin teoreemasta

KVANTTIMEKANIIKKA II A. Mikko Saarela

Luku 8: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

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

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

Korkeammat derivaatat

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

KVANTTIMEKANIIKKA I Johdatus alkuaineiden jaksolliseen järjestelmään A/S

Hamiltonin formalismia

Puhtaiden lomittuneiden kubittien Bell-tyypin epälokaalisuus ja Gisinin teoreema

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

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

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

Korkeammat derivaatat

Aineen ja valon vuorovaikutukset

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2016

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Potentiaalikuoppa, työohje

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Hamiltonin-Jacobin teoriaa

Fysikaalinen kemia 2 (KEMA225, 4 op) syksy 2011

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Fysiikan matemaattiset menetelmät II

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Shrödingerin yhtälön johto

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

Potentiaalikuoppa, työohje

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

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

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

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

Luku 10: Atomien rakenne ja spektrit. Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit

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

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

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

Perustilan fotonit. Taneli Tolppanen. LuK-tutkielma Fysiikan koulutusohjelma Teoreettinen fysiikka Oulun yliopisto 2019

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Kvanttimekaniikan perusteet

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

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

Potentiaalikuoppa, työohje 12. lokakuuta 2015

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

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 )

8. Klassinen ideaalikaasu

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Kvanttimekaaninen geometrinen vaihe: Berryn vaihe. Jerry Nissinen

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

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

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

Transkriptio:

Tilat ja observaabelit Maksimaalinen informaatio systeemistä tietyllä ajanhetkellä sisältyy tilaan ψ (ket). Tila = vektori Hilbertin avaruudessa sisätulo ψ ψ C ψ c 1 ψ 1 + c 2 ψ 2 = c 1 ψ ψ 1 + c 2 ψ ψ 2 ψ 1 ψ 2 = ψ 2 ψ 1 ψ ja c ψ sama tila, voidaan normittaa ψ ψ = 1 Kutakin mitattavaa suuretta A vastaa lineaarinen hermiittinen operaattori  hermiittisyys:  =  (yleisesti ψ 1 Âψ 2 =  ψ 1 ψ 2 ) ominaistilat  ψ = a ψ

Mittaus Mitattaessa suuretta A mahdolliset tulokset ovat Â:n ominaisarvot. Tuloksen a todennäköisyys on P a = c a 2 = a ψ 2 Välittömästi mittauksen jälkeen systeemi on tilassa a (kun mittaustulos oli a) jos mittaus toistetaan heti uudestaan, saadaan a todennäköisyydellä 1. Jos mittaus toistetaan monta kertaa (samaan tilaan), tulosten keskiarvo on A:n odotusarvo A = a P a a = a a ψ 2 a = ψ Â ψ

Hermiittisen operaattorin ominaistilat Hermiittisen operaattorin ominaistiloille ja -arvoille on voimassa: reaalisuus, a = a ortogonaalisuus, a a = 0 jos a a samaan ominaisarvoon liittyvät tilat voidaan valita ortogonaalisiksi (ortonormeeraus) a a = δ aa täydellisyys, a a a = 1 Hermiittisillä operaattoreilla  ja ˆB on yhteiset ominaistilat jos ja vain jos [Â, ˆB] = ˆB ˆB = 0 Paikka ja impulssi eivät kommutoi: [ˆx i, ˆp j ] = i δ ij

Aikakehitys Tilan aikakehityksen antaa Schrödingerin yhtälö i d ψ = Ĥ ψ dt Energian (Ĥ:n) ominaistilan aikakehitys triviaalia, E, t = e iet/ E, 0 Mielivaltaisen alkutilan ψ aikakehitys saadaan kirjoittamalla se energian ominaistilojen avulla ψ(t) = E E e ie(t t 0)/ E ψ(t 0 ) Odotusarvon aikakehitys d dt  = i [Ĥ, Â]

Tiheysoperaattori Epätäydellisesti tunnettua systeemiä kuvaa tiheysoperaattori ˆρ = n p n ψ n ψ n A = Tr(ˆρÂ) Tr ˆρ = 1 Tr ˆρ 2 1 (vain puhtaalle tilalle =1) i d dt ˆρ = [Ĥ, ˆρ]

Aaltomekaniikka Paikan ˆx ominaistilojen kannassa amplitudi on aaltofunktio ψ(x) x ψ sisätulo ψ ψ = d 3 x ψ (x)ψ (x) odotusarvo ψ Â ψ = d 3 x ψ (x)âψ (x) paikka ˆx = x impulssi ˆp = i Aaltofunktio on todennäköisyysamplitudi löytää hiukkanen pisteestä x, todennäköisyystiheys ρ(x) = ψ(x) 2. Tavallisesti Hamiltonin funktio H = p 2 /2m + V (x), jolloin i [ ] t ψ(x, t) = 2 2m 2 + V (x) ψ(x, t)

Perusasioita aaltomekaniikasta Todennäköisyystulkinta edellyttää normitusta: d 3 x ψ(x) 2 = N ψ ψ/ N Superpositioperiaate: jos ψ 1 (x) ja ψ 2 (x) ovat mahdollisia aaltofunktioita, myös c 1 ψ 1 (x) + c 2 ψ 2 (x) on interferenssi Liikemäärän ominaistila on tasoaalto ψ p (x) = 1 2π e ipx/ Epätarkkuusperiaate: x p /2 Impulssiavaruuden aaltofunktio 1 ϕ(p) = (2π ) 3/2 d 3 x e ip x/ ψ(x)

Yksinkertaisia systeemejä Suorakulmaiset potentiaalit: aaltofunktiot e ikx, e κx ψ ja ψ jatkuvia sidotut tilat: ψ(± ) = 0 Deltafunktiopotentiaali: reunaehto integroimalla Schrödingerin yhtälöä Sironta potentiaalista: äärettömyydessä tasoaalto ei normittuva, sironta ja heijastus suhteessa alkuperäiseen aaltoon tunnelointi, aaltofunktio tunkeutuu klassisesti kiellettyyn alueeseen

Harmoninen oskillaattori Aaltofunktiot ψ n (x) = Hermiten polynomi e mωx2 /2, E n = ω(n + 1/2) Operaattoriformalismissa yksinkertaisempi nosto- ja laskuoperaattorit: a ( ) ˆx ± iˆp perustila: a 0 = 0 muut tilat: a n = n n 1, a n = n + 1 n + 1 Hamiltonin operaattori Ĥ = ω(a a + 1/2) energiat Ĥ n = ω(n + 1/2) n

Keskeispotentiaali Potentiaali riippuu vain r:stä. Muuttujien separointi ψ(r) = R l (r)y lm (θ, ϕ) Palloharmonisten funktioiden ominaisuuksia ortonormaaleja: dω Y lm Y l m = δ ll δ mm täydellinen joukko: mv. f (θ, φ) = lm a lmy lm (θ, φ) implussimomentin ominaistiloja: ˆL 2 Y lm = 2 l(l + 1)Y lm, ˆL z Y lm = my ln Radiaaliyhtälö (tavallisesti helpompi funktiolle u(r) = rr(r)): 2 2m d 2 2 u + V (r)u + dr 2 2m l(l + 1) r 2 u = Eu Vapaan hiukkasen ratkaisut Besselin pallofunktioita j l (kr).

Vedynkaltainen atomi Coulombin potentiaali V (r) = Ze2 4πɛ 0 r aaltofunktiot: ψ nlm = (Laguerren polynomi) r l e Zr/na energiatilat E n = 1 2 Z 2 α 2 m e c 2 1 n 2 riippuu vain pääkvanttiluvusta n = 0, 1, 2,... n 2 kertaa degeneroitunut: l = 0,..., n 1, m = l,..., l verrannollinen α 2 e 4, m, Z 2

Häiriöteoria Tunnettu systeemi (tilat ϕ n ) + pieni korjaus: H = H 0 + gv Ensimmäisen kertaluvun korjaus energiaan Aaltofunktio: ge (1) n = ϕ n g ˆV ϕ n ψ n = ϕ n + ϕ m g ˆV ϕ n m n E n (0) E m (0) ϕ m + O(g 2 ) Toisen kertaluvun korjaus energiaan: g 2 E (2) n = m n ϕ m g ˆV ϕ n 2 E n (0) E m (0)

Variaatiomenetelmä soveltuu (perustilan) energian arviointiin antaa ylärajan energialle viritystiloja vain, jos alemmat tilat saadaan poistettua (symmetriat) onnistuminen riippuu yritteen valinnasta ymmärrys systeemistä tärkeä Menetelmä: 1 tehdään yrite ψ(α i ), joka riippuu parametreista α i 2 lasketaan energian odotusarvo E(α i ) = ψ Ĥ ψ / ψ ψ 3 minimoidaan parametrien suhteen: α j E(α i ) = 0