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

Samankaltaiset tiedostot
S Fysiikka III (Est) 2 VK

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

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

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

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

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

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

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,

Puolijohteet. luku 7(-7.3)

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Molekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen

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

e n 4πε S Fysiikka III (Est) 2 VK

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

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

S Fysiikka III (Est) Tentti

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko

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

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Mustan kappaleen säteily

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Korkeammat derivaatat

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Korkeammat derivaatat

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

11. MOLEKYYLIT. Kvanttimekaniikka on käyttökelpoinen molekyyleille, jos se pystyy selittämään atomien välisten sidosten syntymisen.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

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

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne.

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering, Micro- and Nanosciences Laboratory. Atomien väliset sidokset

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

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

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


Korkeammat derivaatat

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

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

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

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

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

Miehitysluvuille voidaan kirjoittaa Maxwell Boltzmann jakauman mukaan. saamme miehityslukujen summan muodossa

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

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

Infrapunaspektroskopia

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering. Atomien väliset sidokset

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Alikuoret eli orbitaalit

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Mustan kappaleen säteily

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

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

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

OPETUSSUUNNITELMALOMAKE

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

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

pääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"

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

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

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

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

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

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

dl = F k dl. dw = F dl = F cos. Kun voima vaikuttaa kaarevalla polulla P 1 P 2, polku voidaan jakaa infinitesimaalisen pieniin siirtymiin dl

Shrödingerin yhtälön johto

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

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

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Transkriptio:

S-.7 Fysiikka III (st), VK 8.5.008 Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä). Näytä, että sekä symmetrinen aaltofunktio ψn( x ) ψn ( x) + ψn( x) ψn, että antisymmetrinen aaltofunktioψn( x) ψn ( x) ψn( x) ψn ovat ratkaisuja -hiukkasen Schrödingerin yhtälölle Ψ ( x, x) + U( x, x) Ψ ( x, x) = Ψ ( x, x ) x x ominaisarvolla olettaen, että ψn( x ) ψ n ( x ), jolla ei ole määrättyä vaihtosymmetriaa, on yo. Schrödingerin yhtälön ratkaisu samalla ominaisarvolla. Ratkaisu (Laskuharjoitustehtävä) Ratkaistaan sijoittamalla annetut symmetrinen ja antisymmetrinen ratkaisu Schrödingerin yhtälöön. Symmetrisen ratkaisun sijoittaminen Schrödingerin yhtälöön antaa [ ψn ψn ( x) + ψn( x) ψn ] + U( x, x) [ ψn ψn ( x) + ψn( x) ψn ] = x x [ ψn ψn ( x) ] + U( x, x) [ ψn ψn ( x) ] + x x ψ ( [ n x ) ψn ( x) ] + U( x, x) [ ψn ψn ( x) ] x x Tehtävän mukaan symmetrisoimaton aaltofunktio ψn ψ n ( x) on saman Schrödingerin yhtälön ratkaisu ominaisarvolla ts. ( ) ( ) (, ) ( ψn x ψn x + U x x ψn x) ψn ( x) = ψn ψn ( x). () x x nsimmäinen aaltosulkulauseke yhtälössä () antaa siis ψn ψ n ( x). Seuraavaksi pohditaan alempaa aaltosulkulauseketta yhtälössä (). Sen selvittämiseksi katsotaan toteutuuko yhtälö, jos siinä vaihdetaan koordinaatit x ja x. Schrödingerin yhtälössä kineettisen energian ja potentiaalienergian operaattorit ovat symmetriset muuttujien x ja x vaihdon suhteen (Huom! U ( x, x) = U( x, x) sillä identtiset hiukkaset näkevät identtisen potentiaalienergian, kineettisen energian termit voi aina vaihtaa keskenään), joten yhtälöstä () seuraa ψ ( ) ( ) (, ) ( n x ψn x + U x x ψn x) ψn = ψn( x) ψn x x Tästä seuraa, että alempi aaltosulku yhtälössä () antaa ψn( x) ψ n. Yhdistämällä aaltosulkujen antamat ψ ( x ) ψ ( x ) + ψ ( x ) ψ ( x ) ts. tulokset huomataan, että aaltosulkulausekkeiden summa antaa yhteensä [ ] [ ψn ψn ( x) + ψn( x) ψn ] + U( x, x) [ ψn ψn ( x) + ψn( x) ψn ] = x x = x x + x x [ ψ ( ) ψ ( ) ψ ( ) ψ ( )] n n n n n n n n Toisin sanoen symmetrinen aaltofunktio toteutti annetun Schrödingerin yhtälön. Antisymmetrinen tila osoitetaan samaan tapaan yo yhtälöissä korvataan + merkit miinus merkeillä. () () ()

. a) Laske kaliumin Fermienergia olettamalla, että jokainen atomi luovuttaa yhden elektronin johtovyöhön. Johtavuuselektronit muodostavat vapaan vuorovaikuttamattoman elektronikaasun. Kaliumin tiheys on 8,5 g/cm ja yhden kalium atomin paino on 6,9 0 6 kg. b) Mikä on kaliumin johtovyön elektronin keskimääräinen energia hyvin alhaisissa lämpötiloissa? c) Toteuttaako kaliumin johtovyön elektronit ekvipartitioperiaatteen huonelämpötilassa? (perustele vastauksesi). Ratkaisu Arvostelu: Kustakin kohdasta pistettä. a) Fermienergia on / / ( π ) N F = V kaliumin tiheys yhden atomin painolla ρ kg 9 n = = 850 =, 0 m m 6,9 0 kg m Katomi, 6 Sijoittamalla tämä yo. yhtälöön saadaan F = 9, ev. (ks. kaavakokoelma). Atomien tiheys N/V saadaan jakamalla b) Keskimääräinen energia hyvin alhaisissa lämpötiloissa on (Fermifunktio on likimain yksi Fermienergiaan saakka ja nolla sen yläpuolella) / / / / F dn Vm / Vm 5/ ave = d d F N = d N = N 5 0 π 0 π sijoittamalla / / ( π ) N F = V saadaan ave = 5 c) kvipartitioperiaate edellyttäisi keskimääräiseksi energiaksi huonelämpötilassa ( /) kt eli noin 0 mev. kvipartitioperiaate ei toteudu koska kvanttiefektit dominoivat metallin elektronikaasussa. F. Oletetaan, että saunan kiukaan tulipesää voidaan pitää likimain mustana kappaleena, jonka lämpötila on 00 0 C. (a) Miten tulipesän lämpösäteilyn fotonien tiheys riippuu fotonien taajuudesta anna yhtälö? (b) Miten lämpösäteilyn kokonaisenergiatiheys riippuu lämpötilasta - anna yhtälö? (c) Kiukaan tulipesän luukku avataan (oletetaan, että avaaminen ei häiritse lämpösäteilyä tulipesässä) Mikä on aukosta ulos virtaavan lämpösäteilyn energiavuo (yksikköpinnan läpäisevä energia sekunnissa)- laske lukuarvo? (d) Laitat kätesi avatun luukun eteen. Oletetaan, että kaikki emittoituva lämpösäteily absorboituu ihollesi yhden kymmenysosamillimetrin paksuiseen pintakerrokseen, jonka tiheys on,86kj/ kgk. Missä ajassa, 0kg/dm ja ominaislämpö sama kuin veden eli ( ) ihon pintakerroksen lämpötila on 00 0 C - laske lukuarvo? Ratkaisu Arvostelu Kohdat a ja b p kukin kohdat c ja d p kukin. a) Fotonien lukumäärä energian yksikköä kohden on dn = g ( ) d kt e, missä 8πV g( ) = on fotonien tilatiheysfunktio ja fotonin tilojen kt h c e miehitystodennäköisyys. Vastaavasti fotonien tiheys voidaan ilmoittaa myös taajuuden yksikköä kohden jolloin dn 8π f V = df hf / kbt c e. (b) Lämpösäteilyn kokonaisenergiatiheyden riippuvuutta lämpötilasta kutsutaan Stefan-Boltzman -laiksi

tot = at, missä vakio 5 8π k a =. li lämpösäteilyn energiatiheyden riippuvuus lämpötilasta on tot T. 5c h (c) Lämpösäteilyn aikayksikössä tuoma energia pinta-alayksikköä kohden on karkeasti energiatiheys kertaa valon nopeus, ts. Φ = at c Tämä tulos on kuitenkin vain suuruusluokka-arvio, tarkka tulos edellyttää vielä geometrista tekijää /, joka aiheutuu siitä että kaikki fotonit eivät liiku uunin luukkua kohden. Huom! Geometrista tekijää ei vaadittu täysin oikeaan vastaukseen!!,67 0 Jm s 5 - - Φ = at c =. (d) Ihokerroksen paksuus ( ) l =, 0 0 m, tiheys ρ =, 0 0 kg m ja ominaislämpökapasiteetti C =,86kJ kgk. Lisäksi kiukaan lämpötila T = 00 C ja Stefan-Boltzmanin vakio ( ) a J m K 6 = 7,56 0. Oletetaan, että kaikki emittoituva lämpösäteily absorboituu iholle. Kiukaan 8 emittoima lämpöenergia on ( c =,9979 0 m ) s Q At at cat =Φ =. Ihon absorboima lämpöenergia on Q = mcδt = ρ AlCΔT, missä massa m ρ V = ρal yhtä suuriksi ja ratkaisemalla t saadaan ρalcδt ρlcδt t = = 0,s. at c at ca = ja lämpötilan muutos ( ) Δ T = 00 7 C = 6 C. Asettamalla nämä lämpöenergiat. Oheinen kuva esittää kloorivedyn HCL absorptiospektriä. a) Laske sidospituus b) sidoksen jousivakio sekä c) arvioi tilastollisen mekaniikan menetelmiä hyödyntäen, mikä on kaasunäytteen, josta mittaus on tehty, lämpötila. Vedyn atomipainona voit pitää amu ja kloorin 5,5 amu. Ratkaisu Arvostelu: Kukin kohta p

Kuvassa näkyy kloorin kahdesta eri isotoopista aiheutuvat spektrit erillisinä. H molekyylin suhteellinen massa mh + m μ = on 0,97 amu m m H a) Rotaatiossa transitioenergiat ovat Δl = [( l+ )( l+ ) l( l+ ) ] = ( l+ ), joten rotaatiosiirtymien I μr0 viivojen ero (peräkkäisten transitioenergioiden ero) on sähködipolitransitioille Δrot = /( μr 0 ). Kuvasta arvioidaan välimatkaksi Δ rot =,6meV. Tästä saadaan tasapainoetäisyydeksi r 0 = = 0, nm. μδ rot b). R- ja P-spektrien puoliväli vastaa värähtelyn perustaajuutta. Kuvasta saadaan MH M k = μω ( ) r = ω = 8 N/m. M + M H ω = 60meV. Jousivakio on c) Absorption voimakkuus on verrannollinen rotaatiosiirtymän alkutilan miehitystodennäköisyyteen. Kuvasta huomataan, että kolmas ja neljäs absorptiopiikki ovat voimakkaimmat. Näitä vastaavat alkutilat l = ja. Toisaalta miehitysluvun maksimiksi saadaan derivoimalla (tässä sijoitetaan rotaatioenergian lauseke 7 miehitystodennäköisyyteen, hitausmomentti on I = μr =,0 0 kgm ) 0 ( l + ) dp l d ( ) / ( )/ ll IkT B ll IkT B (l ) e + e + = + = = 0 dl dl IkBT IkBT lm = = tai, kuvan perusteella. Tästä voimme ratkaista lämpötilan ( l + ) m T = =87 K, jos l = ja 758 K, jos l =. HUOM! Tarkan lämpötilan määrääminen spektristä on kbi vaikeaa - oikea idea MB-jakauman soveltamisesta ja vastauksen oikea suuruusluokka riittää oikeaan vastaukseen. 5. Selvitä - virkkeellä seuraavia asioita: a) ionisidos, b) kovalenttinen sidos, c) elektronivyö ja energiaaukko d) seostamattoman puolijohteen ylimpien elektronivöiden ominaisuudet, e) hybridisaatio metaanimolekyylissä f) efektiivinen massa. Ratkaisu Arvostelu: Kukin kohta p a) Ionisidoksessa toinen atomeista pääsee jalokaasukonfiguraatioon luovuttamalla elektronin ja toinen vastaanottamalla elektronin. simerkiksi Na kiteessä natriumluovuttaa s elektronin kloorille joka saa argonin elektronikonfiguraation. Kide pysyy koossa Coulombin voimien avulla. b) Kovalentinen sidos muodostuu tyypillisesti saman alkuaineen atomeista, jotka jakavat uloimmat elektroninsa atomien väliseen tilaan. Ydinten välissä oleva negatiivinen varaus liimaa ytimet kiinni toisiinsa. simerkki typpi molekyyli ja timanttikide. c) Kiteen muodostuessa yksittäisten atomien diskreetit energiatilat muodostavat energiatilaryhmiä, joissa tilat ovat lähellä toisiaan. Vastaavasti muodostuu alueita joissa energiatiloja ei ole. Kun kiteen atomien määrä on hyvin suuri nämä alueet muodostavat energiajatkumoita, joissa on tiloja (elektronivyö) ja ja joissa ei ole tiloja (energia-aukko).

d) Seostamattomalle puolijohteelle on ominaista että alhaisissa lämpötiloissa sen valenssivyö on täysi ja johtovyö tyhjä. Korkeammissa lämpötiloissa elektroneita virittyy johtovyöhön, jolloin puolijohde johtaa jonkin verran sähköä. e) Metaanimolekyylissä hiilen s p x, p y ja p z orbitaalit muodostavat atomiorbitaaalien lineaarikombinaatioina neljä molekyyliorbitaalia, jotka suuntautuvat kohden tetraedrin kärjissä olevia vetyatomeja. f) nergiavöiden reunalla energia voidaan esittää elektronin aaltovektorin avulla muodossa k * d = tästä seuraa m = * dk * missä m on elektronin efektiivinen massa. Puolijohteen valenssivyössä elektronin efektiivinen massa voi olla myös negatiivinen (tällöin aukon efektiivinen massa on positiivinen). Vakioita 7 7 7 me = 9, 09 0 kg mp =,675 0 kg mn =,678 0 kg amu =,6605 0 kg 9 8 e =,60 0 C c =,9979 0 m / s =,055 0 Js μ B = 9,7 0 JT - - 6 ε0 = 8,85 0 C N m Ke = / πε0 μ0 =,566 0 mkgc Km = μ0 / π - - - γ = 6,670 0 Nm kg N A = 6,05 0 mol R = 8, JK mol k =,805 0 JK