Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

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

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

Aineaaltodynamiikkaa

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

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

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

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

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

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

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

Tilat ja observaabelit

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

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

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 11: Periodinen liike

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

Epähomogeenisen yhtälön ratkaisu

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

LIITTEET Liite A Stirlingin kaavan tarkkuudesta...2. Liite B Lagrangen kertoimet...3

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

1. (Jatkoa Harjoitus 5A tehtävään 4). Monisteen esimerkin mukaan momenttimenetelmän. n ne(y i Y (n) ) = 2E(Y 1 Y (n) ).

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

2 avulla. Derivaatta on nolla, kun. g( 3) = ( 3) 2 ( 3) 5 ( 3) + 6 ( 3) = 72 > 0. x =

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

Kvanttimekaniikan perusteet

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

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6A

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

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

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

S Laskennallinen systeemibiologia

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Kvanttistatistiikka 1

Kvanttistatistiikka 1

4 KORKEAMMAN KERTALUVUN LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT. Kertaluvun n lineaarinen differentiaaliyhtälö ns. standardimuodossa on

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

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

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

Luento 2. Jaksolliset signaalit

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

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

a 1 y 1 (x) + a 2 y 2 (x) = 0 vain jos a 1 = a 2 = 0

Valo-oppia. Haarto & Karhunen.

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

OSA C 1. DIFFERENTIAALIYHTÄLÖN DISKRETISOIMINEN SCHRÖDINGERIN YHTÄLÖ

Luento 2. S Signaalit ja järjestelmät 5 op TKK Tietoliikenne Laboratorio 1. Jean Baptiste Joseph Fourier ( )

Dissipatiiviset voimat

Aallot. voima F on suoraan verrannollinen venymään x. k = jousivakio Jousivakion yksikkö [k] = 1 N/m = 1 kg/s 2

RATKAISUT x 2 3 = x 2 + 2x + 1, eli 2x 2 2x 4 = 0, joka on yhtäpitävä yhtälön x 2 x 2 = 0. Toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla saadaan

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

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

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Gaussin lause eli divergenssilause 1

Äärettämän sarjan (tai vain sarjan) sanotaan suppenevan eli konvergoivan, jos raja-arvo lims

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

1. osa, ks. Solmu 2/ Kahden positiivisen luvun harmoninen, geometrinen, aritmeettinen ja + 1 u v 2 1

15 MEKAANISET AALLOT (Mechanical Waves)

tilavuudessa dr dk hetkellä t olevien elektronien

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

Korkeammat derivaatat

Laudatur 13. Differentiaali- ja integraalilaskennan jatkokurssi MAA 13. Tarmo Hautajärvi Jukka Ottelin Leena Wallin-Jaakkola. Opettajan aineisto

Korkeammat derivaatat

Luento 18: Kertausluento

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Diskreetit jakaumat Jatkuvat jakaumat. Avainsanat:

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

- suurempi voima aiheuttaa nopeampaa liikettä kuin pieni voima - samanlainen voima aiheuttaa samalle kappaleelle aina samanlaisen vaikutuksen

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.

Luento 11: Periodinen liike

BM30A0240, Fysiikka L osa 4. Värähtelyfysiikkaa. Luennot: Heikki Pitkänen

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

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

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

VÄRÄHTELYMEKANIIKKA SESSIO 15: Yhden vapausasteen vaimeneva pakkovärähtely, roottorin epätasapaino ja alustan liike

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

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

Kertausta: Vapausasteet

Scanned by CamScanner

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

S Fysiikka IV (Sf) tentti

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

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Insinöörimatematiikka D

Transkriptio:

Klassise fysiika ja kvattimekaiika yhteys Scrödigeri yhtälö ei statioäärisistä tiloista muodostuvie aaltopakettie aikakäyttäytymie oudattaa Newtoi lakeja. Newtoi mekaiikka voidaa johtaa Schrödigeri yhtälöstä. Kattimekaiika aaltopaketteja laskeva simulaattori löytyy verkkosivulta http://www.lce.hut.fi/teachig/s-4.37/simulaattoreita/ Laboratory of Computatioal Egieerig Aikariippuva Schrödigeri yhtälö Aieaaltoketä aikariippuvuude määrää yhtälö Schrödigeri yhtälöä ei voi johtaa mistää klassise fysiika teoriasta se o yksi uude teoria hypoteeseista eli perusoletuksista. Schrödigeri yhtälöä voidaa motivoida aalogialla sähkömageettise ketä aaltoyhtälöö Ajasta riippumattoma ja aikariippuva Schrödigeri yhtälö suhdetta voidaa verrata staattise ja dyamise kettäteoria suhteesee klassisessa sähkömagetiikassa!

Yrite Ψ Statioääriset tilat iet ( t, ) = φ( ) e ; Ψ ( t, ) = φ( ) Tällöi ajasta riippumato Sijoittamalla: Ψ ie iet ψ i = i φ( ) e = + E ( ) p Ψ = t m iet ψ = e + E p m ( ) φ ( ) Yrite o ajasta riippuva Schrödigeri yhtälö ratkaisu jos ψ + E ( ) ( ) ( ) p φ = Eφ m ( ) = φ ( ) Ψ t, c e ; Ei-statioääriset tilat Schrödigeri yhtälö yleie ratkaisu o Esimerkki: ie t Potetiaalilaatikko iet ( ) ie t (, ) = / ( ) + ( ) Ψ t φ e φ e π Eergiat: E = ; E = 4 E ; ma Hetkellä t = aaltopaketti o vasemmalla: Ψ (,) = ( / ) φ( ) + φ( ) ja hetkellä t = π /( E E ) aaltopaketti o oikella: Ψ t = π E E = e φ φ iπ E /( E E ) ( )[ ] (, /( )) / ( ) ( ) Aaltofuktio värähtelee edestakaisi äide asemie välillä

Hermiittisyys Tämä o apueuvo, jota tarvitaa Ehrefesti teoreema ymmärtämisessä. Kaikki fysikaalisia suureita kuvaavat operaattorit eergia liikemäärä je ovat Hermiittisiä. Operaattori Aˆ o hermiittie jos ( ˆ ) ˆ = Φ AΦ d AΦ Φ d mielivaltaisille fuktioille Φ ja Φ. Hermiittise operaattori omiaisarvot ovat reaalisia ja se omiaisfuktiot voidaa valita ortogoaalisiksi : ( ) ( ) ˆ i j jos ja i i i φφd = i j Aφ = a φ i =,,3.. Ehrefesti teoreema / Ehrefesti teoreema mukaa kvattimekaaiset fysikaaliste suureide odotusarvot toteuttavat klassise mekaiika liikeyhtälöt! Esimerkki: Newtoi toie laki Kvattimekaiikassa : d de p p = dt d d de ( p ) = ma = F = dt d p

Apueuvo d Johdetaa aputulos: A = AH HA dt i d dψ dψ Merkitää: A = ψ Aψd A = A A d dt ψ + ψ dt dt dψ Schrödigeri yhtälöstä: = Hψ dt i d A = ( H ψ) A ψ + ψ A ( H ψ) d dt i Merkitää: χ = Aψ. A: hermii ttisyys ( Hψ) χd = ψ H χd d A = ψ ( HA + AH ) ψ d = AH HA dt i i ( ) Ehrefesti teoreema / d Aputulokse perusteella p = ph Hp dt i Liikemääräoperaattori o vaihdaaie liike-eergia operaattori kassa: p p = p p ( ) ( ) ( ) p p Ψ p p ph Hp = pe E p = (, t) pe E p Ψ (, t) d E p Ψ Ψ E p pe p E pp Ψ = i Ψ + E p E p = i Ψ = ( p p ) = i Ep E Ψ ( t, ) i Ψ ( td, ) i = d p Ψ (, t ) pe E p Ψ (, t ) d dt p

Harmoie värähtelijä Klassie harmiie värähtelijä = jouse päässä oleva massa d de p m = m () t = k = F( ) = d d Jousivakio = k Massa = m Kulmatajuus = ω = k/ m Potetiaalieergia = Ep ( ) = k () Klassie ratkaisu Yhtälö () ratkaisu alkuehdolla ( ) t o = = () () = ω t cos t Yhtälö () kuvaa jouse päässä värähtelevä massa paikkaa aja fuktioa. Värähtely amplitudi o. Massa päästetää irti pisteessä ajahetkellä t =.

Aaltopaketi liike Ehrefesti teoreema mukaa aaltopaketi keskimääräie sijaiti = paikkakoordiaati odotusarvo oudattaa samaa yhtälöä! () (, ) (, ) t = Ψ tψ td= missä o aaltopaketi liikkee amplitudi. Aaltopaketti muodostetaa olettamalla, että se o kääepisteessä = ajahetkellä t =. cosωt ( ) Harmoie oskillaattori Harmoise oskillaattori Schrödigeri yhtälö d ψ + k ψ = Eψ m d Omiaisarvot: E = + ω; ω = k m =,,,3,.. Esimmäiset omiaisfuktiot 3 ( ) E ψ / α / ω ψ α / π e 3 / α ω ψ ( ) = ( α / π ) αe 5 / ω ψ ( ) = ( α /8 π ) ( 4α ) e 3 7 ω ψ α /48 π 8α a e ( ) = ( ) α = mω/ / ( ) = ( ) ( ) / α / 3 3 α /

Aaltofuktiot ja todeäköisyystiheydet Klassisesti kielletty alue Potetiaalieergia o symmetrie pistee = suhtee, jote aaltofuktiot ovat tämä piste suhtee parillisia tai parittomia. Skaalattu yhtälö Muuttuja vaihdolla voidaa Schrödigeri yhtälö saattaa yksikertaisempaa muotoo: = X mω mω d Ψ + Ψ = Ψ m dx mω d Ψ + Ψ = Ψ dx ε = E ω ( X ) mω X ( X) E ( X) ( X ) X ( X) ε ( X)

Skaalattu yhtälö Omiaiseergiat ε = + Omiaisfuktiot Ψ ( X) = h( X) e π! X / Aika skaalautuu seuraavasti: T = ωt jolloi klassise värähtelijä paikka o: ( ) = ( ) X T X cos T Gaussi paketi muodostamie Tehtävässä lasketaa kertoimet (5) ja se jälkee piirretää fuktio (4) aettuia ajahetkiä sekä merkitää samoihi kuvii klassise värähtelijä asema vastaavia ajahetkeä. Vertailu osoittaa, että aaltopaketi (4) maksimikohta o samassa paikassa kui klassie harmoisesti värähtelevä massa ts. aaltopaketti oudattaa Newtoi liikeyhtälöä.