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

Samankaltaiset tiedostot
fotonin tilojen miehitystodennäköisyys. Lausumalla fotonin energia taajuuden avulla E = hν

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

e n 4πε S Fysiikka III (Est) 2 VK

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

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Korkeammat derivaatat

Kvanttifysiikan perusteet, harjoitus 5

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

S Fysiikka IV (Sf) Tentti

exp(x) = e x x n n=0 v(x, y) = e x sin y

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

Korkeammat derivaatat

1. Osoita, että annetut funktiot ovat seuraavien differentiaaliyhtälöiden ratkaisufunktioita:

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Aikariippuva Schrödingerin yhtälö

LIITE 8A: RAKENNELUVUN 137 YHTÄLÖITÄ

Aineaaltodynamiikkaa

Korkeammat derivaatat

Differentiaaliyhtälöt, Syksy 2015 Harjoitus 2, Ratkaisut Ratkaise separoituvat differentiaaliyhtälöt. a) y = y

S , FYSIIKKA III (ES), Syksy 2002, LH 4, Loppuviikko 39. Partitiofunktiota käyttäen keskiarvo voidaan kirjoittaa muotoon

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

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

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

S Fysiikka III (EST), Tentti

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

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

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

1. Laske sivun 104 esimerkin tapaan sellainen likiarvo luvulle e, että virheen itseisarvo on pienempi kuin 10 5.

Tilavuusintegroin. f(x,y,z)dxdydz. = f(x,y,z)dx dy

Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö on lineaarinen, jos se voidaan kirjoittaa muotoon. + p(x)y = r(x) (28)

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

S FYSIIKKA IV (ES), Koulutuskeskus Dipoli, Kevät 2003, LH4. Bohrin vetyatomimallin mukaan elektronin kokonaisenergia tilalla n on. n n.

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Kvanttimekaniikan perusteet

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

MEI Kontinuumimekaniikka

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

S , Fysiikka IV (ES) Tentti

Lisävaatimuksia aaltofunktiolle

u = 2 u (9.1) x + 2 u

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan AE AE

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti

Tilat ja observaabelit

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

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

S Fysiikka III (Est) Tentti

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikan yhteys

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

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

Kvanttimekaniikan perusteet

Vektorilaskenta, tentti

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

4.3.7 Epäoleellinen integraali

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

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

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

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

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

Useita oskillaattoreita yleinen tarkastelu

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

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

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

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Rahoitusriskit ja johdannaiset Matti Estola Luento 5. Termiinihinnan määräytyminen

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

4 KORKEAMMAN KL:N LINEAARISET DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT

Juuri 10 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

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

Gaussin lause eli divergenssilause 1

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

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

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

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

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

3. Teoriaharjoitukset

Matematiikan tukikurssi

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2010 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

ELEMENTTIMENETELMÄN PERUSTEET SESSIO 19: Gaussin integrointi emojanan alueessa.

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

Luku 9: Kvanttimekaniikan soveltaminen eri liiketyyppeihin:

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

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

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

Transkriptio:

S-11446 Fysiikka IV (Sf), I Väliko 544 1 Osoita, ttä Comptonin sironnassa lktronin suurin mahdollinn rkyylinrgia voidaan sittää muodossa E Kin hf 1 + mc /hf Enrgian säilymislain prustlla lktronin rkyylinrgia on fotnin nrgioidn rotus: E hf hf (1) K 1 missä 1 ja viittaavat tulvaan ja sironnsn fotoniin vastaavasti Comptonin kaavaan prustlla h 1 1 h λ λ θ θ ( 1 cos ) ( 1 cos ) 1 mc f f1 mc Ratkaismalla tästä fmc 1 f mc hf1 ( 1 cos + θ ) Sijoittaan näin saatu f yhtälöön (1) saamm E K 1+ hf 1 ( 1 cosθ ) ( ) ( 1 cosθ ) ( θ) hf1m c hf1mc + hf1 hf1mc 1 mc + hf1( 1 cosθ) mc + hf1 1 cos hf hf1 mc Comtonin kaavan mukaan fotonin nrgian mntys (li aallonpituudn lisäys) on suurin silloin, kun sirontakulma on 18 asttta li π Tällöin cosθ 1, jolloin hf1 EK 1 + mc /hf 1 Olttaan, ttä protonin ja lktronin välinn vtovoima on vrrannollinn suursn r ( F kr) ikä täisyydn nliön kääntisarvoon ( F k / r ) Käytä kulmaliikmäärän kvantittumissääntöä ja osoita, ttä stationääristn ratojn sätt ovat rn n / / km 8 1 ja ttä

nrgiat ovat En nω, missä ω on massan m omaavan hiukkasn kirtoliikkn kulmataajuus tässä voimakntässä Bohrin mallin kvantisointihto on L n; n 1,,,, (1) Jos oltamm radan ympyrän muotoisksi n L n mrv v () mr Tasaisll ympyräliikkll pät (sijoittaan lopuksi yhtälö ()) mv m n n kr r r () r m mr Ratkaismalla r n n r km km 1 / (4) Mrkitsmällä oskillaattorin kulmataajuutta ω k / m saadaan kokonaisnrgiaksi: E 1 mv + 1 kr kr k n km n k / m n ω, (5) missä käytttiin toistamisn yhtälöä () Voidaan osoittaa, ttä ksakti kvanttimkaaninn ratkaisu on En n + ω, missä ( / ) ω on ns nollapist-nrgia Huomaa, ttä myös harmoninn oskillaattori totuttaa viriaalitorman, joka ylisssä muodossa kirjoittaan Ekin 1 V r (6) klassisssa mkaniikassa tarkoittaa aikakskiarvoa ja kvanttimkaniikassa ao suurn odotusarvoa Voidaan osoittaa, ttä torman (6) ylistys johtaa raalikaasun tilanyhtälön muotoon 1 pv νrt + ij F r ij kaikki parit av missä av tarkoittaa aikakskiarvoa

Tarkastllaan äärtöntä potntiaalilaatikkoa, jonka lvys on a a) Päättl lktronin x- koordinaatin ja liikmäärän odotusarvot < x > ja < p > potntiaalilaatikon prustilassa Lask odotusarvot suurill < x > ja < p > Määritllään kskipoikkamat x ( < x > < x> ) 1/ ja p ( p p ) 1/ 1/ < > < > b) Osoita, ttä π 6 x p ts lktronitila totuttaa Hisnbrgin päyhtälön (a) Symmtrian prustlla < x > a/ ts, lktroni on yhtä suurlla todnnäköisyydllä kskikohdan molmmin puolin Samalla prustlla < p > ; lktroni liikkuu molmpiin suuntiin yhtä usin Edllä olvat tulokst voi titnkin myös hlposti laska aaltofunktion avulla (b) Lasktaan suraavaksi < x > Odotusarvon määritlmän mukaan a a πx πx 1 πx < x > sin x sin dx 1 cos x dx a a a a a a 1 π 1 cos xdx a a a 4π π a x a a a a missä jälkimmäinn intgraali laskttiin käyttämällä 1 x x coskxdx x sin kx coskx k + k k Odotusarvo < p > m< E > ( sillä tässä rikoistapauksssa E ), mutta prustilassa (stationäärinn tila) (b) Sijoittamalla π π 1 1 < E > E < p > me ma a x ja p lauskkisiin yllä, saadaan 1 1 1 π π x p a 1,14 > π 4 a 4 (a) Lask normitusvakio C harmonisn oskillaattorin prustilan aaltofunktioll ψ ( x) m x Lask myös (b) x ja (c) V( x ) täll tilall Prustilan aaltofunktio on / ψ C ω Vinkkinä intgraalit: x 1 π I λ λ ja x 1 4 λ π I x λ p

m ω x / (a) ψ C normitus (funktion itsisarvon nliö intgroituna koko avaruudn yli 1): mω x / π ψ ( x) dx 1 C dx C I C, λ missä nyt λ mω/ Käytttiin siis vinkiksi annttua intgraalia Koska funktio on x- akslilla symmtrinn origon suhtn, voitiin intgraalia käyttää nollan molmmin puolin josta krroin nljännssä vaihssa Ratkaistaan C : π ψ ( x) dx C 1, mω 1/4 mω josta ratkaistaan normitusvakio C π (b) Idana oppia laskmaan jonkun suurn odotusarvo Lasktaan siis x-koordinaatin nliön odotusarvo: * mω mω x / x ψx ψdx x dx π mω mω 1 π I 4 π π λ 1 mω π π m ω mω kx mω x (c) Harmonisn värähtlijän potntiaalinrgia on V( x) Sn odotusarvo 1 1 saadaan (b) kohdan tuloksn avulla sillä V( x) kx mω x Käyttään tähän kohdan (b) 1 1 tulosta, koska V( x) mω x mω x, jolloin saadaan V( x) mω x mω x mω ω mω 4 5 Olkoon lktronin aaltofunktion pallokoordinaatiston kulmasta φ riippuva osa φ φ ψ ( φ) A i 1 i 4 + 8 9 φ, π a) Mitkä ovat yksittäisssä mittauksssa saatavat L z :n mahdollist arvot täll lktronill? b) millä todnnäköisyydllä n saadaan? c) Mikä on kulmaliikmäärän z-komponntin odotusarvo? Apunuvo: Voidaan osoittaa, ttä pallokoordinaatistossa L z i Määrää normitusvakio φ I π A sitn, ttä ψφ ( ) d φ 1

Aloitamm ylisillä tarkastluilla Voidaan osoittaa, ttä pallokoordinaatistossa Lˆz i, missä φ on kirtokulma z-akslin ympäri Suraavissa tarkastluissa mm φ kuitnkaan tarvits pallokoordinaatiston ominaisuuksia i1 φ iφ Mrkitään χ1 ( φ ) ja π ( ) χ φ Kokilmalla huomaamm, ttä L ˆ z χ1 1 π 1 χ, kysssä on siis L ˆz ominaisfunktio ominaisarvolla 1 toisaalta L ˆ z χ χ, kysssä on siis L ˆz ominaisfunktio ominaisarvolla Lisäksi huomataan, ttä π π 1 d χ ( φ) φ χ ( φ) dφ 1 ja π π * * 1 d 1 χ χ φ χ χ dφ (1) Tällaisia funktioita sanotaan ortonormratuiksi Normitusvakion laskminn : π π * * ( 1 )( 1 ) ψφ ( ) dφ π A χ + 8χ χ + 8χ dφ π * * * * ( 1 1 1 1) π A χ χ + 8 χ χ + 8χ χ + 8χ χ dφ 1 Yhtälöidn (1) prustlla saamm suoraan π A ( ) (valitsimm A :n raalisksi) 5 + 8 1 A 484 4π a) Kulmaliikmäärän z-komponntin yksittäisissä mittauksissa mahdollisia arvoja ovat ylissti L ˆz :n ominaisarvot Anntussa aaltofunktiossa siintyy kuitnkin ainoastaan kaksi i1 L ˆz :n ominaistilaa 1 ( ) φ iφ χ φ ja π ( ) χ φ Siksi mahdollisia mittauksissa saatavia π arvoja täll hiukkasll ovat ainoastaan 1 ja b) Mrkitään nyt c 1 A π, 46 ja c 8A π,976 Tällöin alkupräinn aaltofunktio voidaan kirjoittaa ψ c1χ1+ cχ ja lisäksi komponntin arvo 1 saadaan todnnäköisyydllä π * 1 d c 1 ψ χ φ, 5885 1 c 1 c + Kulmaliikmäärän z- (li 6 % todnnäköisyydllä) ja z-komponntin arvo saadaan vastaavasti todnnäköisyydllä

π * d c ψ χ φ,941 li 94 % todnnäköisyydllä c) Aaltofunktio on valmiiksi normitttu, jotn z π π * * * φ z z π ( )( ˆ ˆ 1 1 1 1 ) L ψ i ψdφ c χ + c χ c L χ + c L χ dφ * * ( c1χ1 + cχ)[ c11 χ1 + c( ) χ] dφ c1 1 + c ( ) () Sijoittamalla lopuksi krtoimt c 1, saadaan L 1,85 z VAKIOITA 1 7 7 7 p n 19 8 4 4 1 m 9, 191 1 kg m 1, 675 1 kg m 1, 6748 1 kg amu 1, 665 1 kg 1, 61 1 C c, 9979 1 m / s 1, 545 1 Js µ B 9, 7 1 JT 1-1 - 6 ε 8, 8544 1 C N m K 1 / 4πε µ 1, 566 1 mkgc Km µ / 4π 11 1-1 -1-1 γ 6, 67 1 Nm kg N 6, 5 1 mol R 8,14 JK mol k 1,85 1 JK A