KVANTFYSIK för F3 och Kf Inlämningsuppgifter I2

Relevanta dokument
Kvantmekanik - Gillis Carlsson

KVANTFYSIK för F Inlämningsuppgifter I5

KVANTFYSIK för F Inlämningsuppgifter I6

1-1 Hur lyder den tidsberoende Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig längs x-axeln? Definiera ingående storheter!

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Hjälpmedel: Det för kursen ociella formelbladet samt TeFyMa. 0 x < 0

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

Kvantmekanik II - Föreläsning 10

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

Tentamen i Materia, 7,5 hp, CBGAM0

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

Number 14, 15, 16, and 17 also in English. Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057).

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Kvantmekanik II (FK5012), 7,5 hp

Atom- och kärnfysik med tillämpningar -

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

TENTAMEN I FYSIKALISK KEMI KURS: KEM040 Institutionen för kemi Göteborgs Universitet Datum: LÄS DETTA FÖRST!

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

Väteatomen. Matti Hotokka

Tentamen, Kvantfysikens principer FK2003, 7,5 hp

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Atomen och periodiska systemet

Mer om E = mc 2. Version 0.4

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

Theory Swedish (Sweden)

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 16 december 2015, kl 17:00-22:00

Fysiska institutionen april 1983 Hans Linusson, Carl-Axel Sjöblom, Örjan Skeppstedt januari 1993 FY 2400 april 1998 Distanskurs LEKTION 25.

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

F3: Schrödingers ekvationer

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

1.5 Våg partikeldualism

8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Figure 1: Ríontgenspektrum frçan katodstrçaleríor. de elektroner som infaller mot ríontgenríorets anod íandrades till XY kv, díar XY íar

Atom- och kärnfysik med tillämpningar -

7. Atomfysik väteatomen

Periodiska systemet. Atomens delar och kemiska bindningar

Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Kap. 7. Laddade Gränsytor

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Laboration i Tunneltransport. Fredrik Olsen

Elektriska och magnetiska fält Elektromagnetiska vågor

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

FAFA Föreläsning 7, läsvecka 3 13 november 2017

1 Hur förklarar du att det blev ett interferensmönster i interferensexperimentet med elektroner?

Föreläsning 3 Heisenbergs osäkerhetsprincip

Numerisk lösning till den tidsberoende Schrödingerekvationen.

Kommer sig osäkerheten av att vår beskrivning av naturen är ofullständig, eller av att den fysiska verkligheten är genuint obestämd?

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Atomer och molekyler, Kap 4. Molekyler. Kapitel 4. Molekyler

ATOMENS BYGGNAD. En atom består av : Kärna ( hela massan finns i kärnan) Positiva Protoner Neutrala Neutroner. Runt om Negativa Elektroner

Kvantmekanik II - Föreläsning 7

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Fö. 9. Laddade Kolloider. Kap. 6. Gränsytor med elektrostatiska laddningar

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Fysik TFYA86. Föreläsning 11/11

Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

A12. Laserinducerad Fluorescens från Jodmolekyler

Deliberate Practice på en kurs i kvantmekanik. Emma Wikberg (& Stefano Bonetti) Fysikum, SU

c = λ ν Vågrörelse Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Kvantmekanik 1.1 Elektromagnetisk strålning

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

FYTA11: Molekylvibrationer

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Mendelevs periodiska system

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

Svar och anvisningar

Materiens Struktur. Lösningar

Chalmers Tekniska Högskola Tillämpad Fysik Igor Zoric

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

1. INLEDNING 2. TEORI. Arbete A4 Ab initio

2.16. Den enkla harmoniska oscillatorn

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Materiens Struktur. Lösningar

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

16. Spridning av elektromagnetisk strålning

SUBATOMÄR FYSIK F3, 2004

Transkript:

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Mikroteknologi och nanovetenskap Elsebeth Schröder (schroder vid chalmers.se) 2009-09-5 KVANTFYSIK för F3 och Kf3 2009 Inlämningsuppgifter I2 Bedömning: Bedömningen av de inlämnade lösningarna sker summariskt. Uppgifterna kan ge upp till 3 poäng vardera (För betyg 3 krävs 6 poäng, för fyra 9 poäng och för femma 2 poäng, men detta gäller de viktade poängtalen för hela kursen). Vid bedömningen läggs inte bara vikt på ev. rätta svar på direkta frågor utan också på klarhet i presentationen, med fullständiga meningar, med logik i argumenten och med tydliga referenser till kompendiet o/e boken samt tabeller för material som hämtats där. Observera att också en redigt skisserad principlösning kan ge vissa poäng. Denna omgångs inlämningsuppgifter är: 0.) För att underlätta lösandet av inlämningsuppgifterna bör du först öva Dig genom att t ex lösa de uppgifter som ges i veckoschemat..) Lös uppgift VI. i Exempelsamlingen varvid två av deluppgifterna görs exakta, dvs räknas med alla skarvningar explicita. 2.) Lös uppgift VIII.2 i Exempelsamlingen. 3.) Hellmann-Feynman-teoremet: Hellmann-Feynman-teoremet säger följande: En självadjungerad (hermitsk) operator beror av en reell parameter λ, H(λ), ledande till att ett givet diskret egenvärde får formen E k (λ). Då gäller ( ( ) ) E k (λ) H(λ) = ψ k (λ), ψ k (λ), () λ λ där skalärprodukten mellan a och b betecknas (a, b). Detta kan även skrivas E k (λ) = ψ k (λ) H(λ) λ λ ψ k(λ), (2) a) Visa ekv () [eller (2)]! Utgångspunkten för den kvantmekaniska beskrivningen av ett fast ämne, t ex en metall, är hamiltonoperatorn för den metall som studeras. Låt det fasta ämnet ha K kärnor och N elektroner och numrera kärnorna med index k (k =, 2,..., K) och elektronerna med index i (i =, 2,..., N). Den viktigaste växelverkan i detta system är coulombväxelverkan. Då kan hamiltonoperatorn skrivas på formen H = N i= h 2 2m e 2 i N K i= k= K k= h 2 2M k 2 k + 2 Z k e 2 4πɛ 0 r i R k + 2 N i,j=;i j K k,l=;k l e 2 4πɛ 0 r i r j Z k Z l e 2 4πɛ 0 R k R l, (3)

där r i och R k är ortsvektorerna för elektron i respektive kärna k och Z k och M k betecknar ifrågavarande kärnas atomnummer och massa. Vi kan anta att atomkärnornas rörelse är försumbar på den tidskalan som karakteriserar elektronernas rörelser (Born-Oppenheimer approximationen). b) Identifiera de olika termerna i (3), argumentera för varför de ser ut som de gör och varför just de är med i hamiltonoperatorn. c) Räkna sedan m.hj.a. ekv. () eller (2) fram uttrycket för kraften på en atomkärna, som är på precis samma sätt som i det klassiska fallet och kan uttryckas i elektrontätheten n(r). I Sverige finns världsledande företag (Sandvik Coromant, SECO Tools,... ) inom framställning av hårda verktyg. Hårdmetaller framställs genom sintring, och ännu hårdare verktyg får man genom att lägga ännu hårdare lager utanpå. Påläggning av alumina (Al 2 O 3 ) görs med Chemical Vapor Deposition (CVD), dvs. en framställning atom för atom. Figur ger ett exempel. TiN Al 2O3 TiC WC/Co Figure : d) Enligt gjorda beräkningar för gränsytan mellan Co och TiC, aktuell för sintring av hårdmetall, ser elektrontätheten i ett snitt genom gränsytan ut som i fig. 2. 0.9 Co 0.8 0.7 Ti C Ti 0.6 0.5 C Ti C 0.4 0.3 0.2 Phys. Rev. Lett. 85, 898 (2000). Figure 2: Elektrontäthet i gränsyta mellan Co och TiC. 2

Vilket atompar, Co-C eller Ti-C, bedömer du hålls ihop av de starkaste krafterna? Motivera! Ger det någon förklaring till att hårdmetall framställs genom sintring av pulver av hårda föreningar, t.ex. WC och TiC, med Co som bindemedel. e) Man säger att molekyler och fasta ämnen hålls samman av kvantmekaniska krafter och ändå ser formeln för kraften på en atom i b) ut som i klassisk fysik. Hur kommer kvantfysiken in? 4.) Väteatomer och väteliknande föreningar. Väteatomen består som bekant av en positivt laddat partikel (protonen) och en negativt laddat partikel (elektronen) som hålls ihop av coulombväxelverkan. Myonium, positronium, deuterium är alla väte-atom-liknande föreningar. Därtill kommer alkaliatomer (som har en elektron som är mer löst bunden än de övriga) samt joner med bara en elektron. Här fokuserar vi på myonium, positronium och deuterium. Positronen är elektronens antipartikel. Den förutsågs av Paul Dirac och upptäcktes i kosmisk strålning 932 av Carl Anderson. Detta gav Dirac nobelpriset 933 och Anderson 936. En positron och en elektron kan gå ihop och bilda ett väte-atom-liknande, metastabilt par kallat positronium (symbol Ps) som lever i 0.-00 ns innan det förstörs (annihilerar) och bildar 2-3 gammastrålar. En myon är en instabil partikel med samma laddning (och spinn, som introduceras senare i kursen) som en elektron, men den har större massa, m µ = 05.66 MeV/c 2. Även myonen upptäcktes från kosmisk strålning av Carl Anderson i 936. Myonens antipartikel, antimyonen, har motsatt laddning (dvs positiv) men samma massa (och spinn) som myonen. Myonium består av en antimyon och en elektron. Myonium är instabilt och har en livstid på 2.2 µs. Deuterium är en stabil isotop av väte, med en proton och en neutron i kärna atomens kärna. a) Beräkna, inom relevant modell (vilken?) presenterad i kursen hittills, frekvensen ν s2s i övergången från s till 2s tillståndet för positronium, myonium och deuterium. Experimentella mätningar är (javisst, experimentens noggrannhet ligger på de sista siffrorna!): positronium myonium deuterium ν s2s (exp.) [MHz] 233 607 28 a 2 455 528 94 b 2 466 732 397 b a K. Danzmann et al., Physical Review A 39, 6072 (989). b V. Meyer et al., Physical Review A 84, 36 (2000). Två väteatomer kan bilda en molekyl, H 2. Analogt till detta räknades redan för 50 år sedan fram att det bör finnas en molekyl, Ps 2, bildat genom bindning av två positronium- atomer, med en bind- 3

ningsenergi på cirka 0.4 ev. Det tog dock tills 2007 att hitta sådana Ps 2 -molekyler experimentellt! Då presenterades i tidskriften Nature en artikel med titeln The production of molecular positronium. Genom att skicka in positroner mot en tunn och porös SiO 2 -film kan man få positronerna att växelverka med filmens elektroner och i vissa fall bilda positronium med en livstid (i filmen) på ungefär 60 ns. Ihåligheterna i filmen fångar positronium- atomerna under tillräckligt lång tid för att några av dem ska hinna bindas ihop till positronium-molekyler, Ps 2, vilket forskargruppen i UC-Riverside har observerat. Vi ska återkomma till di-positronium, som molekylen kallas, men först ska vi se mer allmänt på vibrationer i bindningen i H 2 -liknande molekyl, och få en lämplig teori på plats. Den stationära schrödingerekvationen för den harmoniska oscillatorn kan skrivas ] [ξ 2 d2 2 dξ 2 ψ(ξ) = ɛψ(ξ). (4) b) Vilka transformationer, uttryckta i partikelmassan m och oscillatorfrekvensen ω, har härvid gjorts av rörelsemängd, koordinater och energi för den oscillerande partikeln? De följande två operatorerna  = 2 2 ( ξ + d ) dξ och  + = 2 2 ( ξ d ), (5) dξ brukas kallas stegoperatorer. c) Visa för valfritt värde av n( ) att Âψ n (ξ) = n 2 ψn (ξ) (6) och  + ψ n (ξ) = (n + ) 2 ψn+ (ξ) (7) gäller (vågfunktionerna ψ n (ξ) för (4) kan tas från kompendiet eller annan litteratur). d) Visa att (4) med hjälp av stegoperatorerna kan skrivas och att energiegenvärdena är (n + 2 ) hω [använd (8)]. [ + + Â] 2 Â+ ψ(ξ) = ɛψ(ξ) (8) e) Figur 3 visar resultat från energiförlustexperiment, där topparna markerar vibrationsegenenergier för väte- och deuteriummolekyler på en Cu-yta. Stämmer effekten av isotoputbytet med harmoniska oscillatorns förutsägelser? f) Vid ungefär vilka frekvenser bör man leta om man ska mäta Ps 2 s vibrationsfrekvenser i SiO 2 -filmen? 5.) Sveptunnelmikroskopet (STM) utnyttjar det faktum att sannolikheten för en elektron att tunnla genom en barriär avtar snabbt, när barriärens bredd ökar. I en STM-apparat läggs en potentialskillnad mellan en skarp metallspets, t.ex. W, och ytan av det mätprov, som studeras (figur 4). För en liten förspänning kan potentialbarriären mellan spets och prov se ut som i figur 5. En elektrisk ström kan uppstå genom att elektronen tunnlar igenom (figur 6), förutsatt att barriären är tillräckligt smal. 3 september 2007: B.D. Cassidy och A.P. Mills Jr., Nature 449, 95 (2007). 4

Figure 3: a) Ge ett enkelt argument för att en ökning av barriärbredden med bara 0, nm minskar strömmen med ungefär en faktor 0! b) Visa för enklast tänkbara fall (rita figur!) att tunnelsannolikheten är proportionell mot e 2κa, där ( hκ) 2 2m = V 0 E, a = barriärbredden och V 0 = barriärhöjden, samt E (< V 0 ) energin för den tunnlande partikeln. Nu är ju inte barriären för STM så enkel. Som ni sett kan man härleda tunnelsannolikheten för en allmän endimensionell potential V (x), genom att först använda resultatet i b) på en följd av dx-tunna barriärer enligt figur 7 och få en tunnelsannolikhet proportionell mot exp [ 2 i κ idx] och sedan ta gränsen [ dx 0. Då fås att man ] för ovanstående potential får en tunnelsannolikhet proportionell mot exp 2 2m h 2 b a dx V (x) E. c) Figur 8 visar en STM-bild för ett ensamt NaCl-lager på en kopparyta, närmare bestämt c(2 2)- geometri på Cu(3). Figuren anger konstant ström-konturer. Man kan också mäta konstant-höjdkonturer. Om ljusare fläckar då betyder mer ström, vilka Cl-atomer skulle då vara ljusa resp. mindre ljusa, de yttersta eller de innersta? Varför? d) Inne i koksaltkristallen (NaCl) ser strukturen ut som i figur 9, där gitterkonstanten (avståndet mellan två Cl-atomer i kubsidan) är a = 5,64 Å. Kan man säga att kopparytan modifierat denna struktur med avseende på gitterkonstant och kristallplanens släthet? Motivera! 5

I 0 feedback piezo piezo A tip V sample Figure 4: Principskiss av STM. V(x) E 0 a x Figure 5: Typisk barriär i STM. tip sample α> ev β> Figure 6: Tunnling i STM. 6

Figure 7: Generell potentialbarriär. d [233] Å 0 8 6 4 8.95 8.9 8.85 2 0 0 5 20 d [0] Å 8.8 8.75 Figure 8: Atomärt NaCl-lager på Cu-yta. Skalan anger avståndet från spetsen till ytan vid konstant ström. De ljusa fläckarna är Cl-atomer (prick i mitten indikerar kärnan) och de mörka fälten är Na-atomer. Figure 9: NaCl-struktur 7