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

Relevanta dokument
Atom- och kärnfysik med tillämpningar -

Atom- och kärnfysik med tillämpningar -

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

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Kvantmekanik II (FK5012), 7,5 hp

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

Kvantmekanik - Gillis Carlsson

1. Låt kommutatorn verka på en vågfunktion och inför att ˆp x = i h d. d2 (xψ(x)) ) = h 2 (x d2 Ψ(x) = i2 hˆp x Ψ(x) [ev] E n = 13, 6 Z2 n 2

Några utvalda lösningar till. Kvantvärldens fenomen. -teori och begrepp. Del 2: Formalism och runda system. Magnus Ögren

Formelsamling, Kvantmekanik

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

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

Litiumatomens spektrum

Räkneuppgifter 1, kvantmekanik

Dugga i FUF040 Kvantfysik för F3/Kf3

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

Gamla tentafrågor, FYS022:2, Statistisk Fysik, rörande kvantmekanik

F3: Schrödingers ekvationer

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

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

Kvantmekanik II - Föreläsning 7

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

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

9. Konfidensintervall vid normalfördelning

2.4. Bohrs modell för väteatomen

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för fysik LÖSNINGAR TILL TENTAMEN I MEKANIK B För FYP100, Fysikprogrammet termin 2

1. (Dugga 1.1) (a) Bestäm v (3v 2u) om v = . (1p) and u =

Repetion. Jonas Björnsson. 1. Lyft ut den/de intressanta kopp/kropparna från den verkliga världen

Kvantmekanik II - Föreläsning 10

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Lösningar av uppgifter hörande till övning nr 5.

Tentamen, Kvantfysikens principer FK2003, 7,5 hp

Några utvalda lösningar till. Kvantvärldens fenomen. -teori och begrepp. Del 1: Partiklar och vågor. Magnus Ögren

Numerisk lösning till den tidsberoende Schrödingerekvationen.

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

Tentamen. TFYA35 Molekylfysik, TEN1 24 oktober 2016 kl Skrivsal: G34, G36, G37

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

Bose-Einsteinkondensation. Lars Gislén, Malin Sjödahl, Patrik Sahlin

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

SF1624 Algebra och geometri

Gamla tentafrågor, FYS022:2, Statistisk Fysik, rörande kvantmekanik

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 7 poäng, FyL2 Tisdagen den 19 juni 2007 kl 9-15

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

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

2.4. Bohrs modell för väteatomen

1.13. Den tidsoberoende Schrödinger ekvationen

TAMS79: Föreläsning 10 Markovkedjor

Kursplanen är fastställd av Naturvetenskapliga fakultetens utbildningsnämnd att gälla från och med , vårterminen 2016.

Lösningar till tentamen i Elektromagnetisk fältteori för Π3 & F3

Vektorerna är parallella med planet omm de är vinkelräta mot planets normal, dvs mot

Materiens Struktur. Lösningar

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

MVE500, TKSAM Avgör om talserierna är konvergenta eller divergenta (fullständig motivering krävs). (6p) 2 n. n n (a) n 2.

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

KVANTMEKANIK SAMMANFATTNING Om du hittar fel eller oklarheter, skicka mig ett mail.

Skrivtid: Lösningar ska åtföljas av förklarande text. Hjälpmedel: formelsamling och manuella skrivdon. 1. Lös ekvationen z 4 = 16i.

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

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341, STN2) kl 14 18

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

1.15 Uppgifter UPPGIFTER 21. Uppgift 1.1 a) Visa att transformationen x i = a ikx k med. (a ik ) =

TFYA16: Tenta Svar och anvisningar

Tentamen i Mekanik - Partikeldynamik TMME08

Oändligtdimensionella vektorrum

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

1 dy. vilken kan skrivas (y + 3)(y 3) dx =1. Partialbråksuppdelning ger y y 3

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

2x + y + 3z = 4 x + y = 1 x 2y z = 3

Svar och anvisningar

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Kursplanen är fastställd av Naturvetenskapliga fakultetens utbildningsnämnd att gälla från och med , vårterminen 2018.

Tentamen i Beräkningsvetenskap I (nya versionen), 5.0 hp, Del A

Kvantmekanik II Föreläsning 2 Joakim Edsjö 1/37

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

2x + y + 3z = 1 x 2y z = 2 x + y + 2z = 1

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

= e 2x. Integrering ger ye 2x = e 2x /2 + C, vilket kan skrivas y = 1/2 + Ce 2x. Här är C en godtycklig konstant.

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

Andragradspolynom Några vektorrum P 2

4x az = 0 2ax + y = 0 ax + y + z = 0

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

1.13. Den rektangulära potentialbrunnen

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

Exempel på statistisk fysik Svagt växelverkande partiklar

y z 3 = 0 z i )

UPPSALA UNIVERSITET Matematiska institutionen Styf. Exempeltenta med lösningar Programmen EI, IT, K, X Linjär algebra juni 2004

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) , 8 13.

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

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

TMV166 Linjär Algebra för M. Tentamen

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

Hjälpmedel: utdelad ordlista, ej räknedosa Chalmers tekniska högskola Datum: kl

Tentamen Fysikaliska principer

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 15 mars 2010 kl

SF1901 Sannolikhetsteori och statistik I

Transkript:

LÖSNINGAR TILL Deltentamen i kvantformalism, atom och kärnfysik med tillämpningar för F3 9-1-15 Tid: kl 8.-1. (MA9A. Hjälpmedel: Det för kursen ociella formelbladet samt TeFyMa. Poäng: Vid varje uppgift anges poängantal. För godkänt krävs minst 15 poäng. Logiskt uppställda, renskrivna och väl motiverade lösningar med tydligt markerade svar krävs. 1. Ett kvantmekaniskt endimensionellt system beskrivs av vågfunktionen x < φ (x = Cx (x a x a. x > a Bestäm normeringskonstanten C och beräkna förväntningsvärdet av operatorerna x och p x. (6p Lösning: Normering ger 1 = C ( x 4 + a x ax 3 ( dx = C 1 a 5 5 + 1 3 1 C = 3 a 5. Förväntningsvärdet av x bör ligga vid a/ då φ (x är symmetrisk där, en uträkning bekräftar detta φ x φ = C ( x 5 + a x 3 ax 4 dx = 3 a 5 a6 ( 1 6 + 1 4 = a 5. Operatorn p x uttrycks enligt p x = i x, så att p xφ = i x [Cx (x a] = i (Cx Ca. Vi får då φ p x φ = i C x (x a (x a dx = i C ( x 3 3ax + a x ( dx = i C 1 a 4 1 + 1 =. 1

. Betrakta en partikel med massan m i en oändligt djup kvantbrunn med bredden a. Egenfunktioner och egenenergier ges då av φ k = a sin ( kπx a, E k = π ma k, k = 1,, 3,.... En störning V 1 i mitten av brunnen modelleras med en deltafunktion enligt V 1 (x = ɛaδ (x a/ a Visa att energin för grundtillståndet i första ordningens störningsräkning blir E 1 = E1 + E 1 = π ma + ɛ (du behöver inte härleda själva formalismen utan bara i detalj redovisa beräkningen av E 1. (p b Visa att första ordningens störningsräkning inte ger något energibidrag E k för ostörda tillstånd av jämn ordning (dvs k =, 4, 6,... vilka har udda paritet. (p c Då vi enligt b inte får något bidrag från störningen för det första exciterade tillståndet måste vi inkludera åtminstone det andra exciterade tillståndet i en ändlig underrumsutveckling för att få en bättre approximation till grundtillståndet än den som ges av första ordningens störningsräkning i a. Vad blir således det störda grundtillståndet i den underrumsrepresentation av Hamiltonoperatorn som beskrivs av följande 3 3-matris? (p H = E 1 + ɛ ɛ E ɛ E 3 + ɛ Lösning a: Vi får (precis som i kap. 6 i läroboken E 1 = φ 1 V 1 φ 1 = a ɛa ( sin πx ( δ (x a/ dx = ɛ sin π = ɛ. a Lösning b: För tillstånd med n = k gäller E n = a ɛa ( sin nπx δ (x a/ dx = ɛ sin (kπ =. a Lösning c: De tre egenvärdena till H approximerar de tre lägsta energierna för det störda systemet. Ur sekularekvationen det (H λi = ser man direkt att λ = E (d.v.s. inte heller nu ändras energin för k = tillståndet. De två kvarvarande energierna uppfyller andragradsekvationen λ (E 1 + E 3 + 4ɛ λ + E 1 E 3 + ɛ (E 1 + E 3 =.

Efter förenklingar inses att det störda grundtillståndet då approximeras av λ 1 = E 1 + E 3 + ɛ 1 (E 1 E 3 + 16ɛ. Figuren nedan visar att skillnaden är liten mellan λ 1 (heldragen och första ordningens störningsräkning (streckad i detta exempel (enheter där = m = a = 1 har använts. Grundtillståndets energi 7 6 5.5 1 ε 3. Vid en given tidpunkt beskrivs tillståndet för en partikel i ett experiment i sfäriska koordinater av vågfunktionen Ψ = 8 r e r a sin (θ sin (ϕ. πa 3 a a Skriv om Ψ på formen 'radiell funktion' gånger 'klotytefunktioner' [d.v.s. Ψ = f (r l,m Y l m ]. (p Lösning: Vi har sin (ϕ = exp(iϕ exp( iϕ i så att vi m.h.a. formelsamlingen kan identiera klotytefunktionerna svarande mot l = 1 och m = ±1, d.v.s. Ψ = f (r ( Y1 1 + Y1 1. (Observera att en faktor exp (iα, α R inte förändrar ett tillstånd. b Vilka möjliga mätvärden kan erhållas vid experimentet då man mäter de fysikaliska storheter som i kvantmekaniken representeras av operatorerna L och L z? (p Lösning: De enda möjliga mätvärdena är egenvärdena tillhörande de ingående klotyte(egen-funktionerna d.v.s. 1 (1 + 1 = respektive ±1 = ±. c Vad är motsvarande sannolikheter? (p Lösning: Då endast ett egenvärde (svarande mot kvanttalet l = 1 är möjligt 3

för L operator är sannolikheten ett. För L z operatorn är sannolikheten 5% för och 5% för eftersom motsvarande två tillstånd ( har lika stora absolutkvadratvärde av deras koecienter d.v.s. Ψ i }{{} exp( i π 1 exp (iϕ 1 exp ( iϕ. 4. Potentialen nedan är en bra (medelfälts- modell för en tung atomkärna med sfärisk symmetri. För ett visst (bundet tillstånd φ Nr,l=,m (N r betecknar här antalet radiella noder gäller att det s.k. root mean square avståndet φ Nr,l=,m r φ Nr,l=,m är lika med R (se guren ovan. a Är root mean square avståndet för tillståndet φ Nr,l=1,m (d.v.s. φnr,l=1,m r φ Nr,l=1,m större eller mindre än R? (p Ledning: Inga uträkningar behöver göras! b Hur många/vilka m-tillstånd nns det för φ Nr,l=1,m? (p c Hur beror energin φ Nr,l=1,m Ĥ φ Nr,l=1,m för just detta sfäriska system på m-kvanttalet? (p Lösning: a Den eektiva potentialen är V effektiv (r = l(l+1 mr +V (r där den första termen i V effektiv är noll för φ Nr,l=,m. För φ Nr,l=1,m har vi ett positivt bidrag som är större för små värden på r, vilket leder till att vågfunktionen 'trycks ut' så att φ Nr,l=1,m r φ Nr,l=1,m > R. Lösning: b Det gäller att m = l, l+1,...,, 1, l 1, l, så att φ Nr,l=1,m innefattar tre tillstånd m = 1,, 1. Lösning: c Det gäller för alla sfäriskt symmetriska system V (r = V (r att energierna är oberoende av m-kvanttalet dvs E = E Nr,l. 4

5. Det visas i avsnittet om variationsmetoden i läroboken att en Gaussisk vågfunktion ϕ = ( α 1/4 ( π exp αx med α = mω minimerar energin för den harmoniska oscillator (HO- potentialen V = 1 mω x (för denna potential råder t.o.m. likhet med grundtillståndet!. Den totala energin bestod då av en kinetisk och en potentiell del E tot = E kin + E pot = m α + 1 8 mω 1 α = ω. Under 199-talet har man i era laboratorier i världen lyckats framställa s.k. Bose-Einstein-kondensat (BEC. Som en första approximation för att beskriva vågfunktionen för ett BEC med N st atomer fångade i en HO-potential kan man använda den s.k. Gross-Pitaevskiiekvationen (GPE (som påminner om den mera bekanta Schrödingerekvationen m x Ψ + gn Ψ Ψ + V HO Ψ = µψ. Den totala energin (per partikel får då istället tre termer E tot = E kin + gn Ψ 4 dx + E pot, där den mittersta termen modellerar energin p.g.a. växelverkan mellan atomerna. a Ställ upp den ekvation i parametern α som behöver lösas för att minimera energin för kondensatet om Ψ = ( α 1/4 ( π exp αx används som variationsvågfunktion. (p b Vad blir energin (per partikel om atomerna inte växelverkar alls d.v.s. då g =? (p c Ekvationen som ställdes upp i a kan vara svår att lösa. Låt oss därför anta att inverkan från växelverkan är så svag att vi kan använda resultatet α = mω. Vad blir energin (per partikel för kondensatet i denna approximation? (p Lösning a : Med den givna vågfunktionen får vi E tot = E kin + g N α π exp ( 4αx dx + E pot, E tot = m α + g α N + 1 1 π 8 mω α. (1 Vi nner det optimala värdet på α då energin har en stationär punkt d.v.s. då E tot α = m + g N 1 πα 1 8 mω 1 α =. 5

Lösning b : För g = (ingen växelverkan mellan atomerna ger detta det välkända resultatet α = mω så att enligt tidigare energin (per partikel blir E tot = ω. Lösning c : Med det approximativa (för t.ex. g > valet α = mω ovan att så ger (1 E tot = E kin + g α N + E pot = ω π + 1 mω π Ng. Observera att g har dimensionen energi längd. 6