Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

Samankaltaiset tiedostot
Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

1 Aaltofunktio, todennäköisyystulkinta ja normitus

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

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

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

Tilat ja observaabelit

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Kvanttimekaniikan perusteet

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

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

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Aineaaltodynamiikkaa

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

= 2 L L. f (x)dx. coshx dx = 1 L. sinhx nπ. sin. sin L + 2 L. a n. L 2 + n 2 cos. tehdään approksimoinnissa virhe, jota voidaan arvioida integraalin

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Korkeammat derivaatat

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

c) 22a 21b x + a 2 3a x 1 = a,

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Luento 2. Jaksolliset signaalit

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Korkeammat derivaatat

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka: peruskäsitteitä

Matematiikan tukikurssi

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Korkeammat derivaatat

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

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

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

AINEAALTODYNAMIIKKA...105

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Matematiikan tukikurssi

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

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

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

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

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

Matematiikan tukikurssi

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

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

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

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

1 sup- ja inf-esimerkkejä

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

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

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

TRIGONOMETRISTEN FUNKTIOIDEN KUVAAJAT

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

LASKIN ON SALLITTU ELLEI TOISIN MAINITTU! TARKISTA TEHTÄVÄT KOKEEN JÄLKEEN JA ANNA PISTEESI RUUTUUN!

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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEET...57

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

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

a b c d

.) (b) Vertaa p :tä vastaavaa kineettistä energiaa perustilan kokonaisenergiaan. ( ) ( ) = = Ek

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Integrointi ja sovellukset

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

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

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Transkriptio:

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5 February 4, 07 Tehtävä Oletetaan energian ominaisfunktiot φ n ortonormitetuiksi, dxφ nφ m = δ nm, jossa δ nm on Kroneckerin delta. Määritetään ensin superpositiotilan normitusvakio N: dxφ φ = dxn φ + 3iφ + iφ 3 N φ 3iφ iφ 3 =. Koska ominaisfunktiot φ n ovat ortonormitettuja, antavat ristitermien integraalit tulokseksi 0 ja jäljelle jää N dxφ φ 3 i dxφ φ i dxφ 3φ 3 =, N 4 + 9 + =, N = 4. Todennäköisyys saada energian arvoksi E 3 on sama kuin todennäköisyys löytää hiukkanen tilalta φ 3, kun se on alunperin ollut superpositiotilassa φ. Superpositiotilassa tämä todennäköisyys on tilan φ 3 normitusvakion normin neliö P E 3 = Ni = i = 4 4. Näin ollen todennäköisyys saada energian mittauksessa arvoksi E 3 on /4. Kun Hamiltonin operaattori H operoi sen ominaistilaan φ n, pätee ominaisarvoyhtälö Hφ n = E n φ n. Näin ollen operaattorille H saadaan H φ = H 4 φ 3iφ iφ 3 = 4 H φ 3iH φ ih φ 3

= 4 E Hφ 3iE Hφ ie 3 Hφ 3 = 4 E φ 3iE φ ie 3φ 3. Tällöin operaattorin H odotusarvo H on H = Tehtävä dxφ H φ = dx φ + 3iφ + iφ 4 3 Eφ 3iEφ ie 3φ 3, H = 4E + 9E + E3. 4 Käytetään laskuissa hyödyksi tietoa x, p] = i ja kommutaattorirelaatiota A, B] = B, A]. Kommutaattori p, x ] p, x ] = p x xp = ppx xpp + pxp pxp = ppx xp + px xpp = p p, x] + p, x] p = p i + i p = i p. Välissä lisättiin 0 lisäämällä ja vähentämällä lausekkeesta pxp. ausekkeen arvo säilyy siis samana ja lisätyt termit helpottavat termien muokkausta siten, että saatu lauseke voitiin esittää tunnettujen kommutaattoreiden avulla. Samaa nollan lisäys menetelmää käytetään myös seuraavissa laskuissa. Kommutaattori x, p ] x, p ] = x p px = xxp pxx + xpx xpx = xxp px + xp pxx = x x, p] + x, p] x = xi + i x = i x. Nollan lisäys tehtiin lisäämällä 0 = xpx xpx. 3 Kommutaattori x, p ] x, p ] = x p p x = xxpp ppxx + pxxp pxxp = pxxp pxx + xxp pxxp = p x, p ] + x, p ] p = i xp + px + xp xp = i xp + i px xp = 4i xp + i p, x] = 4i xp +. Nollan lisäys saadaan aikaan lisäämällä 0 = pxxp pxxp. Ratkaistaan vielä yleinen kommutaattorisääntö AB, C] = A B, C]+A, C] B: AB, C] = ABC CAB = ABC CAB + ACB ACB A BC CB + AC CA B = A B, C] + A, C] B.

Tehtävä 3 uentokalvoissa on johdettu äärettömän syvän potentiaalikuopan ratkaisut välillä 0, ]. Siirretään kuitenkin tässä tehtävässä ratkaisujen helpottamiseksi laatikko origon suhteen symmetriselle välille, /], jonka pituus on yhtä suuri kuin aikaisemmalla välillä, joten periodisten ratkaisujen jakson pituus ei muutu. Sen sijaan periodisissa ratkaisuissa täytyy nyt ottaa huomioon vaihetekijä +/, jotta paikan x arvoilla ratkaisut saavat samat arvot molemmissa tapauksissa. Näin ollen ratkaisut tiloille ψ ja ψ 3 tällä uudella välillä ovat ψ x = ψ 3 x = π sin x + = πx sin + π πx ψ x = cos, 3π sin x + 3πx = sin + 3π 3πx ψ 3 x = cos. Näin ollen ajasta riippuva aaltofunktio superpositiotilalle on kokonaisuudeessaan ψ x, t = N e iet/ ψ x ie iet/ ψ 3 x. Kun potentiaali ei riipu ajasta esim. tässä tapauksessa äärettömän potentiaalikuopan kuopan rajat ja suuruus eivät muutu ajassa, operaattoreiden odotusarvot eivät myöskään riipu ajasta ja etsiessä ratkaisua tulolle ˆx ˆp voidaan ajasta riippuvat kertoimet jättää superpositiotilan tapauksessa huomiotta ja tarkastella pelkkiä stationaarisia ratkaisuja ψ x = N ψ x iψ 3 x. Aaltofunktio on ensin normitettava / / dxψ ψ = dxn ψ + iψ 3N ψ iψ 3 = / N dxψψ + 4ψ3ψ 3 i ψψ 3 ψ3ψ =. Stationaariratkaisut ψ ja ψ 3 ovat reaalisia ja ortonormitettuja, joten integraalista saadaan N + 4 = N = 5. 3

Seuraavaksi paljastuu syy kuopan rajojen siirtämiselle. Odotusarvojen integraalien laskemisessa voidaan hyödyntää tietoa parillisista ja parittomista funktioista. Parilliselle funktiolle f pätee f x = f x ja parittomalle funktiolle g puolestaan g x = g x. Valitun välin suhteen cos x ja cos x sekä x ovat parillisia funktioita. Sen sijaan x ja sin x ovat parittomia. Kahden parittoman funktion tulo on parillinen, parillisten tulo on parillinen ja parittoman ja parillisen tulo on pariton. Tiedosta on hyötyä, sillä origon suhteen symmetrisen välin yli parittoman funktion integraali häviää! Palataan odotusarvojen laskemiseen. Paikkaoperaattorin ˆx odotusarvo on ˆx = / dxψ ˆxψ = / dxxψ ψ. Ortonormaaliudesta seuraa, että ristitermien integraalit häviävät ja jäljelle jää ˆx = / dx x cos πx ] / ] 3πx + 4 dx x cos. 5 Nyt x cos x on pariton funktio, joten molemmat integraalit häviävät, minkä tuloksena ˆx = 0. Paikkaoperaattorin neliön tapauksessa ei valitettavasti selviydytä näin helpolla. = / dx 5 ˆx / = dxψ ˆx ψ = x cos πx / dxx ψ ψ ] / ] 3πx + 4 dx x cos. Sijoituksella x = y/π ja trigonometrisella identiteetillä cos x = / + cos x saadaan integraali muotoon π/ ˆx = 5π 3 dy π/ ] π/ y + y cos y + dy y + y cos 6y ]. π/ Osittaisintegroimalla saadaan osittaisintegrointikaava johdettu liitteessä ˆx 5 ] = π/ 5π 3 6 y3 π π/ 4 π 9 = 5π 3 5π 3 4 π 4 π = 9 3 90π, missä pystyviiva ensimmäisellä rivillä tarkoittaa määrätyn integraalin sijoitusta hakasulkujen sisällä olevaan lausekkeeseen. 4

Paikkaoperaattorin ja sen neliön odotusarvojen laskemisen jälkeen voidaan laskea keskihajonta ˆx: ˆx = ˆx ˆx = 3 90π. Vastaavasti liikemääräoperaattorin ˆp = i / x tapauksessa saadaan, että ˆp = / dxψ ˆpψ = / dxψ i x ψ. Superpositiotilan aaltofunktion derivaatta koostuu sinifunktioista, ja sin x on pariton funktio, joten parillisen ja parittoman funktion tulona ψ i x ψ integraali yli valitun välin häviää ja ˆp = 0. iikemääräoperaattorin neliön odotusarvoksi saadaan ˆp / = dxψ ˆp ψ = dx / dxψ x ψ. Ristitermit häviävät ortonormaalisuuden vuoksi ja jäljelle jää ˆp = π / 5 3 cos πx = π 5 ] / ] 3πx + 36 dx cos π/ π/ dy + cos y] + 8 dy + cos 6y] π/ π/ = π 5 37 y + ] π/ sin y + 3 sin 6y π/ ˆp = 37π 5. Integraalin ratkaisemiseksi on käytetty samaa y sijoitusta kuin paikan tapauksessa. asketaan vielä liikemääräoperaattorin keskihajonta ˆp: ˆp = ˆp ˆp = π 37 5 Siispä, 37 ˆx ˆp = π 60 48 450π, > ja nähdään, että aaltofunktio toteuttaa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen. 5

Tehtävä 4 Harmonisen värähtelijän laskuoperaattorille pätee yhtälö A = p imωx, mω ja nosto-operaattorille yhtälö A = p + imωx. mω asketaan ensin kommutaattori liikemäärä- ja laskuoperaattorin välille: p, A] = p p imωx p imωx p mω mω = pp pp + imω xp px mω mω = 0 + imω x, p] = mω mω mω, jossa käytettiin jälleen hyödyksi kommutaattorirelaatiota x, p] = i. Nyt tehtävässä todistetun säännön perusteella p, A ] = p p, A] + p, A] p = mω mωp. isäämällä jälleen 0 = imωx imωx ja jakamalla p = p + p saadaan p, A ] = mω p + p + imωx imωx. mω Järjestelemällä termit uudelleen päädytään muotoon p, A ] = mω p + imωx + p imωx mω mω = mω A + A, joka on nyt pyydettyä muotoa p, A ] = c A + A. Edeltävästä yhtälöstä voidaan lukea, että vakio c = mω. 6

iite Esitetään tehtävän 3 mallissa ohitettu osittaisintegrointi yleisessä tapauksessa, jolloin sitä voidaan soveltaa molemmissa termeissä. = 0 + y = n π/ π/ dyy cos ny π/ π/ y sin ny sin ny π/ π/ n y n cos ny π/ π/ π/ π/ = π cos nπ sin ny π/ n 4n π/ = cos ny n π cos nπ. n Tapauksissa n = ja n = 3 saadaan tulokseksi cos nπ =. 7