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

Samankaltaiset tiedostot
S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

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

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

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

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

S Fysiikka III (Est) Tentti

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

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

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

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

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

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

S Fysiikka III (Est) 2 VK

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

S Fysiikka IV (ES) Tentti

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

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

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Jukka Tulkki 8. Laskuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 3.4 klo 12:00 mennessä. x 2

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

:n perustilaan energiasta. e) Elektronien ja ytimien välinen vuorovaikutusenergia H 2

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

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

S Fysiikka III (EST), Tentti

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

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,

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Aineaaltodynamiikkaa

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

λ x = 0,100 nm, Eγ = 0,662 MeV, θ = 90. λ λ+ λ missä ave tarkoittaa aikakeskiarvoa.

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Kvanttimekaniikan perusteet

Molekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen

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

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Luento Atomin rakenne

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

1. Oletetaan, että protonin ja elektronin välinen vetovoima on verrannollinen suureeseen r eikä etäisyyden neliön käänteisarvoon

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

5.1 Johdanto Helium-atomi Keskeiskenttämalli Paulin kieltosääntö Atomien elektronirakenne 208

Monen elektronin atomit

S Fysiikka IV (ES) Tentti RATKAISUT. 1,0*10 m. Kineettinen energia saadaan kun tästä vähennetään lepoenergia: 2

Jakso 8: Monielektroniset atomit

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

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

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Luku 3: Virheetön kide

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

Ekvipartitioperiaatteen mukaisesti jokaiseen efektiiviseen vapausasteeseen liittyy (1 / 2)kT energiaa molekyyliä kohden.

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

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

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

pääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

Shrödingerin yhtälön johto

j = I A = 108 A m 2. (1) u kg m m 3, (2) v =

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

Monen elektronin atomit

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

1. (*) Luku 90 voidaan kirjoittaa peräkkäisen luonnollisen luvun avulla esimerkiksi

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

4πε. on molekyylin ionisaatioenergia eli energia, joka vaaditaan elektronin siirtämiseen K:lta Cl:lle. (a) Potentiaalin attraktiivinen osa on 2

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

missä t on matkaan raosta varjostimelle kuluva aika. Jos suihkun elektronien liikemäärä x- sunnassa on p x,on min y0min 0min

Korkeammat derivaatat

S , Fysiikka IV (ES) Tentti

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Transkriptio:

S-1146 Fysiikka V (ES) Tentti 165005 1 välikokeen alue 1 a) Rubiinilaserin emittoiman valon aallonpituus on 694, nm Olettaen että fotonin emissioon tällä aallonpituudella liittyy äärettömän potentiaalikuopan elektronin transitio n = tasolta n = 1 tasolle, laske kuopan leveys L b) Miksi fotoniemissio tilalta n = tilalle n = 1 on kielletty sähködipoliapproksimaatiossa? h n a) Potentiaalikuopan energiatasot: En = 8mL joten transitiossa tilalta n + 1 tilaan n vapautuu energiaa E verran, mikä vastaa emittoituneen fotonin energiaa : h h hc E = En+ 1 En = ( n + n+ 1 n ) = (n+ 1) = 8mL 8mL λ Nyt n = 1 Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot λh λhc (694, nm)(140 ev nm) L= = = = 0795nm 6 8mc 8mc 8(0511 10 ev ) b) Sähködipolisiirtymissä edellytetään aaltofunktion pariteetin vaihdes Tilat joilla n = 1 tai n = ovat molemmat parillisia (potentiaaliboksin keskipisteen suhteen), joten siirtymä niiden välillä on kielletty Olkoon l = Laske L + L :n (a) pienin arvo ja (b) suurin arvo (c) Jos lisäksi m = 1 laske y L+ Ly Voidaanko tästä määrittää L tai tilalle? (T&L) L y (d) Mikä on pienin mahdollinen n:n arvo tälle : Kulmaliikemäärän itseisarvon neliö voidaan kirjoittaa muodossa L = l( l+ 1), missä l = 0,1,, n 1 on kulmaliikemäärän kvanttiluku Vastaavasti voidaan kulmaliikemäärän z- komponentin itseisarvon neliö kirjoittaa muodossa L = m, missä m = 0, ± 1, ±,, ± l on z magneettinen kvanttiluku Näiden avulla voidaan kirjoittaa L = L + L + L y z L + L = L L = l( l+ 1) m = l( l+ 1) m L + L = 6 m (a)( L ) 6 + L y = = min y z y

(b) ( y) L + L = 6 0 = 6 ma + y = 6 1 = 5 (c) L L L :ää tai summa (d) Ratkaistaan pääkvanttiluku n l:n määritelmästä = l = 0,1,, n 1 n = + 1=, (b) ominaisfunktioita Mitkä ovat vastaavat ominaisarvot? Tutki ovatko funktiot (a) e ik min L y :tä ei voida ratkaista, vain niiden neliöiden e α ja (c) sin( k ) operaattoreiden / d ja d / : ψ ( ) on operaattorin  ominaisfunktio ominaisarvolla a, jos A ˆ Ψ ( ) = aψ ( ), tutkiaan voidaanko annetut funktiot kirjoittaa tähän muotoon (a) Derivoidaan d e ik ik = ike on ( a = ik ) d ik ik on ( ) e = ke a = k (b) Derivoidaan d e α e α = α on ( a = α) d e α e α = α a = α on ( ) (c) Derivoidaan d sin( k) = k cos( k) ei ole d sin( k) = k sin( k) on ( a= k ) välikokeen alue 4 a) Osoita (matemaattisesti), että tilalla n olevien elektronien maksimilukumäärä on n b) Litiumin perustilan elektronikonfiguraatio on 1ss Kirjoita aaltofunktio 1 determinanttimuodossa, kun kokonaisspinmagneettinen kvanttiluku on M S =

(a) Tiettyä ratakulmaliikemäärän kvanttilukua l kohti on l + 1 magneettisen kvanttiluvun ml arvoa sekä kutakin ml:n arvoa kohti kaksi spinmagneettisen kvanttiluvun ms arvoa eli kaikkiaan kutakin l:n arvoa kohti (l + 1) alitilaa Kutakin n:n arvoa vastaavat l:n arvot ovat l = 0,1,,, n 1 Elektronien lukumäärä täydellä n-kuorella on siis n 1 ( 1) 1 5 ( 1) N = l+ = + + + + n l= 0 Aritmeettiselle sarjalle pätee a1 am a1+ a + + am = m + Jolloin hakasulkujen sisällä olevan lausekkeen arvoksi tulee 1+ ( n 1) 1+ + 5+ + ( n 1) = n = n Näin ollen elektronitilojen määräksi saadaan n 1 ( 1) N = l+ = n l= 0 (b) Merkitään hiukkasen eri kvanttitiloja nlmlms alaindeksillä a, b, c, Voidaan osoittaa, että N:n elektronin (yleisemmin fermionin) systeemille Paulin periaatteen vaatima antisymmetrinen kokonaisaaltofunktio voidaan kirjoittaa determinanttimuotoon ψ abc = ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ψ ( ) ψ ψ ψ a a a 1 ψb ψb ψb, N! ψc c missä numerot 1,, jne tarkoittavat elektroneja Jos vaihdetaan kaksi elektronia keskenään, esim ja, se merkitsee kahden pystyrivin vaihtoa, mikä tunnetusti muuttaa determinantin merkin, eli ψ abc on antisymmetrinen Todetaan myös, että jos kaksi tilaa, esim a ja b ovat identtisiä, on determinantissa kaksi identtistä vaakariviä, jolloin se häviää (Paulin kieltosääntö) Li: perustilan konfiguraatio 1ss Elektroneja on kolme ja aaltofunktio on muotoa ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ψa ψa ψa 1 ψ = ψ 1s s b ψb ψb! ψ ψ ψ c c c Kukin determinantin alkio on orbitaalisen funktion ja spinfunktion tulo muotoa ψnlm χ l m 1stilassa on kaksi elektronia, joista toisella Paulin säännön mukaan tulee olla spin ylös, toisella s spin alas s-tilassa on vain yksi elektroni, nyt siis spin ylös (MS = 1/) Aaltofunktio on siis

1s s ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ψ χ ψ χ ψ χ 1s + 1s + 1s + ψ = ψ χ ψ χ ψ χ, 1s 1s 1s ψ χ ψ χ ψ χ s + s + s + missä on merkitty lyhentäen χ+ 1 χ+ ; χ 1 χ 5 Happimolekyyli on aluksi alimmalla mahdollisella värähtely- ja rotaatiotasolla Tähän tasoon liittyvät kvanttiluvut ovat n = 0, l = 0, värähtelylle ja rotaatiolle vastaavasti Molekyyli absorboi aluksi fotonin, jonka energia on 01965 ev ja siirtyy n = 1, l = 1 tasolle Sen jälkeen se emittoi fotonin, jonka energia on 019546 ev siirtyen tasolle n = 0, l = Määrää a) värähtelyn perustaajuus ja b) rotaatioon liittyvät hitausmomentti Rotaatiotilojen energiat ovat E = l( l + 1) ( 1/) 0 Evib n ω = + rot ja värähelytilojen energiat Absorptiossa ( n 0, l 0 n 1, l 1) E rot = 11 ( + 1) 0 = = = = = on rotaatioenergian muutos ja värähtelyenergian muutos ( ) ω ω E vib = 0 1+ 1/ 1/ = 0 Energian säilymislain perusteella absorboituvan fotonin energia on yhtä suuri kuin rotaatioenergian ja värähtelyenergian yhteenlaskettu muutos (rekyylienergia voidaan unohtaa ensimmäisessä approksimaatiossa): Erot + Evib = + ω0 = 0,1965 ev (1) n = 1, l = 1 n = 0, l = rotaaatio- ja värähtelyenergioiden muutokset ovat Emissiossa ( ) vastaavasti: Erot = ( 1) 1( 1 1) + + = Evib = 0 ( 0+ 1/) ( 1+ 1/) = 0 ω ω Energian säilymislaista saadaan nyt (elektronin energia pienenee fotonin energian verran)

Erot + Evib = ω0 = 0,19546 ev () Yhtälöistä (1) ja () saadaan yhtälöpari, josta ratkaisemalla 14 ω 0 =,98 10 rad/s -46 =1,95 10 kgm 6 Kuparilla on pintakeskinen kuutiollinen (FCC) kiderakenne Laske (a) konventionaalisen kuutiollisen hilakopin särmän pituus (hilavakio), (b) lähinaapurietäisyys, ja (c) lähinaapurien lukumäärä Kuparin tiheys on 890 kg/m ja atomimassa 6,54 u a) Kuparin FCC-yksikkökopissa on 4 atomia Atomien lukumäärä tilavuusyksikössä on 4 ρ siten n = Toisaalta n = Saadaa siis a M 1 7 4 ρ 4M 4 654 1,6604 10 kg = a = 0,6 nm a M ρ kg 890 m 1 b) FCC-kopin nurkkapisteessä sijaitsevan atomin lähin naapuri on pintakeskuksessa sijaitseva atomi Siis lähinaapurietäisyys on a a 0,6154 nm r o = = 0,56 nm c) Nurkkapisteessä sijaitsevalla atomilla on omassa kopissa lähinaapuria (sivutahojen keskipisteissä) Nurkkapisteessä koskettavat toisiaan 8 yksikkökoppia Jokaisessa niistä on kolme lähintä sivutahon keskipistettä, mutta jokainen niistä on yhteinen kahden kopin kanssa Siis kaikkiaan tarkasteltavalla nurkkapisteen atomilla on lähinaapureita Vakioita 8 = 1 kpl

1 7 7 7 m e = 9,1091 10 kg m p = 1,675 10 kg m n = 1,6748 10 kg amu = 1,6605 10 kg 19 8 4 4 1 e = 1,601 10 C c =,9979 10 m/s = 1,0545 10 Js µ B = 9,7 10 JT 1-1 - 6 0 = 8,8544 10 C N m K e = 1/4 0 0 = 1,566 10 mkgc K m = 0 /4 ε πε µ µ π 11 1-1 -1-1 γ = 6,670 10 Nm kg N = 6,05 10 mol R = 8,14JK mol k=1,805 10 JK A