Svar till Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057). med V=0 ges lösningen av (efter lite räknande) ψ n (x) = 2

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

12.6 Heat equation, Wave equation

Kurskod: TAMS28 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TEN1 05 June 2017, 14:00-18:00. English Version

1. Compute the following matrix: (2 p) 2. Compute the determinant of the following matrix: (2 p)

MVE500, TKSAM Avgör om följande serier är divergenta eller konvergenta. Om konvergent, beräkna summan. (6p) ( 1) n x 2n+1 (a)

Tentamen i Matematik 2: M0030M.

Module 1: Functions, Limits, Continuity

This exam consists of four problems. The maximum sum of points is 20. The marks 3, 4 and 5 require a minimum

Tentamen i Matematik 2: M0030M.

Module 6: Integrals and applications

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Isometries of the plane

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

Solutions to exam in SF1811 Optimization, June 3, 2014

Support Manual HoistLocatel Electronic Locks

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

Pre-Test 1: M0030M - Linear Algebra.

2(x + 1) x f(x) = 3. Find the area of the surface generated by rotating the curve. y = x 3, 0 x 1,

2.4. Bohrs modell för väteatomen

Preschool Kindergarten

Högskolan i Skövde (SK, JS) Svensk version Tentamen i matematik

Tentamen i Matematik 3: M0031M.

Styrteknik: Binära tal, talsystem och koder D3:1

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för Elektro- och Informationsteknik

2.4. Bohrs modell för väteatomen

Adding active and blended learning to an introductory mechanics course

Kurskod: TAMS11 Provkod: TENB 28 August 2014, 08:00-12:00. English Version

Grafisk teknik IMCDP IMCDP IMCDP. IMCDP(filter) Sasan Gooran (HT 2006) Assumptions:

Kurskod: TAIU06 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TENA 15 August 2016, 8:00-12:00. English Version

(D1.1) 1. (3p) Bestäm ekvationer i ett xyz-koordinatsystem för planet som innehåller punkterna

1.13. Den tidsoberoende Schrödinger ekvationen

F ξ (x) = f(y, x)dydx = 1. We say that a random variable ξ has a distribution F (x), if. F (x) =

1. Varje bevissteg ska motiveras formellt (informella bevis ger 0 poang)

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

denna del en poäng. 1. (Dugga 1.1) och v = (a) Beräkna u (2u 2u v) om u = . (1p) och som är parallell

(4x 12) n n. is convergent. Are there any of those x for which the series is not absolutely convergent, i.e. is (only) conditionally convergent?

f(x) = x2 + 4x + 6 x 2 4 by utilizing the guidance given by asymptotes and stationary points.

Webbregistrering pa kurs och termin

FÖRBERED UNDERLAG FÖR BEDÖMNING SÅ HÄR

and Mathematical Statistics Gerold Jäger 9:00-15:00 T Compute the following matrix

Grafisk teknik IMCDP. Sasan Gooran (HT 2006) Assumptions:

Find an equation for the tangent line τ to the curve γ : y = f(4 sin(xπ/6)) at the point P whose x-coordinate is equal to 1.

1.7. Tolkning av våg partikeldualiteten

x 2 2(x + 2), f(x) = by utilizing the guidance given by asymptotes and stationary points. γ : 8xy x 2 y 3 = 12 x + 3

F3: Schrödingers ekvationer

Chapter 2: Random Variables

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

Vässa kraven och förbättra samarbetet med hjälp av Behaviour Driven Development Anna Fallqvist Eriksson

Formelsamling, Kvantmekanik

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

Grafisk teknik. Sasan Gooran (HT 2006)

1.13. Den rektangulära potentialbrunnen

Hjälpmedel: Inga, inte ens miniräknare Göteborgs Universitet Datum: 2018 kl Telefonvakt: Jonatan Kallus Telefon: ankn 5325

Make a speech. How to make the perfect speech. söndag 6 oktober 13

S 1 11, S 2 9 and S 1 + 2S 2 32 E S 1 11, S 2 9 and 33 S 1 + 2S 2 41 D S 1 11, S 2 9 and 42 S 1 + 2S 2 51 C 52 S 1 + 2S 2 60 B 61 S 1 + 2S 2 A

8 < x 1 + x 2 x 3 = 1, x 1 +2x 2 + x 4 = 0, x 1 +2x 3 + x 4 = 2. x 1 2x 12 1A är inverterbar, och bestäm i så fall dess invers.

Webbreg öppen: 26/ /

Kurskod: TAMS11 Provkod: TENB 07 April 2015, 14:00-18:00. English Version

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

Discovering!!!!! Swedish ÅÄÖ. EPISODE 6 Norrlänningar and numbers Misi.se

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Lösenordsportalen Hosted by UNIT4 For instructions in English, see further down in this document

Consumer attitudes regarding durability and labelling

R AKNE OVNING VECKA 1 David Heintz, 31 oktober 2002

f(x) =, x 1 by utilizing the guidance given by asymptotes and stationary points. cos(x) sin 3 (x) e sin2 (x) dx,

EXTERNAL ASSESSMENT SAMPLE TASKS SWEDISH BREAKTHROUGH LSPSWEB/0Y09

1. Find the volume of the solid generated by rotating the circular disc. x 2 + (y 1) 2 1

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

S 1 11, S 2 9 and S 1 + 2S 2 32 E S 1 11, S 2 9 and 33 S 1 + 2S 2 41 D S 1 11, S 2 9 and 42 S 1 + 2S 2 51 C 52 S 1 + 2S 2 60 B 61 S 1 + 2S 2 A

Rep MEK föreläsning 2

Kurskod: TAIU06 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TENA 31 May 2016, 8:00-12:00. English Version

1. Find the 4-tuples (a, b, c, d) that solves the system of linear equations

Kurskod: TAMS24 / Provkod: TEN (8:00-12:00) English Version

and u = och x + y z 2w = 3 (a) Finn alla lösningar till ekvationssystemet

Algoritmer och Komplexitet ht 08. Övning 6. NP-problem

Kvantmekanik II (FK5012), 7,5 hp

BOENDEFORMENS BETYDELSE FÖR ASYLSÖKANDES INTEGRATION Lina Sandström

Tentamen MMG610 Diskret Matematik, GU


Provlektion Just Stuff B Textbook Just Stuff B Workbook

Second handbook of research on mathematics teaching and learning (NCTM)

Lösningar till tentan i SF1861/51 Optimeringslära, 3 juni, 2015

Tentamen Fysikaliska principer


VI. Rörelsemängdsmomentets kvantisering

NP-fullständighetsbevis

Love og regler i Sverige Richard Harlid Narkos- och Intensivvårdsläkare Aleris FysiologLab Stockholm

KTH MMK JH TENTAMEN I HYDRAULIK OCH PNEUMATIK allmän kurs kl

Sammanfattning hydraulik

STORSEMINARIET 3. Amplitud. frekvens. frekvens uppgift 9.4 (cylindriskt rör)

Vågkraft. Verification of Numerical Field Model for Permanent Magnet Two Pole Motor. Centrum för förnybar elenergiomvandling

Kurskod: TAIU06 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TENA 17 August 2015, 8:00-12:00. English Version

Schenker Privpak AB Telefon VAT Nr. SE Schenker ABs ansvarsbestämmelser, identiska med Box 905 Faxnr Säte: Borås

Workplan Food. Spring term 2016 Year 7. Name:

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

Eternal Employment Financial Feasibility Study

samhälle Susanna Öhman

Datasäkerhet och integritet

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

UTLYSNING AV UTBYTESPLATSER VT12 inom universitetsövergripande avtal

Transkript:

UEÅ TEKNISKA UNIVERSITET Hans Weber, Tillämpad fysik, 14 Svar till Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF57). 1. a) S.E. : h m x ψ + V (x)ψ = Eψ lösningen utanför V= är ψ =, i området med V= ges lösningen av (efter lite räknande) sin(nπx ) Normeringen N = fås ur integralen N sin( nπx ) sin(nπx )dx = 1 b) Energinivåerna ges av (insättning i S.E. av egenfunktionen) E n = h m vilket ger att om vidden på lådan halveras så ökar grundtillståndets energi med en faktor 4. c) Ortogonaliteten sin( nπx ) sin(mπx )dx = cos( πx (n m)) cos(πx (n + m))dx = Integralen cos( πx (heltal))dx = utom då heltalet råkar vara lika med, dvs ψ m och ψ n är ortogonala om m n.. a) E = 3 k BT = 1 mv 3k ; v = B T m = 134863.88m/s, λ = h p = h mv = h 3mkB T = 6.66 1 34 = 5.39 3 9.19 1 31 1.38 1 3 4 1 9 m b) Uppgiften utgår. Fotonens energi för väte lika system ges av W f = W n W m där W n = W H Z /n, W H =13.56 ev. För övergång mellan innersta nivåer ger detta. W f1 = Z 13.56(1 1 4 ) = Z 1.17 = hc vilket ger Z = 6.66 1 34.998 1 8 53 1 9 1.17 1.6 1 19 =.69 dvs uppgiften felformulerad. Antagandet nm skall vara Å ger Z=. vilket är långt ifrån ett heltal. 3. a) h d ψ m dx = Eψ och randvillkor ψ() = ψ() =. ösningen till SE är på formen ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx) med randvillkor ger A= och k = nπ; k = nπ med n=1,, 3,... Detta ger E n = h kn m = h n π m och hν = E f = E E 1 = (4 1) h π m ; = 3π h 4mν = 3π1.55 1 34 49.19 1 31 1 = 14 1.168 1 9 m= 1.17 nm. b) Kinetiska energin i grundtillståndet ges av E 1 = h k1 1.55 1 68 π 1.168 1 18 9.19 1 31 1.6 1 =.76 ev. 19 λ n π m = h 1 π m = 4. This is a dimensional problem with a Schrödinger equation (where V (x, y) = ) like d h h m dxψ(x, y) m dyψ(x, y) = EΨ(x, y) d

This equation is separable and the ansatz Ψ(x, y) = ψ(x) ψ(y) gives the following result d d h m dx ψ x(x) h m dy ψ y(y) = E x ψ x (x) + E y ψ y (y) ie two independent one dimensional Schrödinger equations one for the variable x and on for y. We therefor solve the one dimensional problem first and after that we construct the two dimensional solution. To find the eigenfunctions we need to solve the Schrödinger equation which is (in the region where V (x) is zero) h d m dxψ = EΨ d dx Ψ + k Ψ = where k = me h Solutions are of the kind: Ψ(x) = A cos kx + B sin kx Now we need to take the boundary conditions for the wave function Ψ ( Ψ( a ) = Ψ(a ) = ) into account. A cos( ka ) + B sin( ka ) = and A cos(ka ) + B sin(ka ) = Adding the two conditions gives: cos( ka ) = and subtracting them gives sin( ka ) =. These two conditions cannot be fulfilled at the same time, so either A or B has to be zero. We start with A = and we get the following solution: The normalising constant B = a you get from the condition a/ a/ Ψ dx = 1. The condition sin( ka ka ) = gives = π (even integer). The solution is: a sin(nπx a ) with eigenenergys E n = n π h where n =, 4, 6,... Ma (1) In a similar way the other function is analysed (A = ) which gives: The condition cos( ka ka ) = gives = π (odd integer). The solution is: a cos(nπx a ) with eigenenergys E n = n π h where n = 1, 3, 5,... Ma The eigenfunctions in the y direction are the same as for the x direction as the potential is similar for this direction. Now we have the eigenfunctions of the one dimensional problem and the solution to the dimensional problem is readily produced. The eigenfunctions are: Ψ n,m (x, y) = ψ n (x) ψ m (y) eigenenergys E n,m = E n +E m where n = 1,,,. and m = 1,, (3) ()

In the area where the potential is infinite the wave function is equal to zero. An alternative route taken by many students has been to present a calculation with the following boundary conditions: Ψ (Ψ() = Ψ(a) = ) into account. In this case the solution is for these boundary conditions: a sin(nπx a ) with eigenenergys E n = n π h where n = 1,, 3,... Ma (4) This solution has to be adapted to the boundary conditions related to this exam problem: a sin(nπ a (x+a )) with eigenenergys E n = n π h where n = 1,, 3,... Ma (5) a sin(nπx a + nπ ) = ( a sin( nπx a ) cos(nπ ) + cos(nπx a ) sin(nπ )). We see that we recover the solution in eq (1), () and (3) as we let n run from 1 to. b) The ground state eigenfunction is given by (using eq. ()) Ψ n=1,m=1 (x, y) = ψ 1 (x) ψ 1 (y) = a cos(πx a ) a cos(πy a ) (6) The next lowest state eigenfunction is given by (using eq. () and (1)). Note there are two eigenfunctions with the same energy (Ψ n=1,m= (x, y)) you may use either one of them. Ψ n=,m=1 (x, y) = ψ (x) ψ 1 (y) = Orthogonality is defined as by explicit calculation a/ x= a/ a/ y= a/ x a sin(πx a ) a cos(πy a ) (7) y Ψ n 1,m 1 (x, y)ψ n,m (x, y) = δ n1,n δ m1,m (8) ( ) ( ) a cos(πx a ) cos(πy a ) a sin(πx a ) cos(πy a ) = calculations = (9)

this is a separable integral (in x and y), suggestion do the integral in x first as this will be zero as they belong to different eigenvalues. Thus the calculation ends with a zero as it should. 5. Normering ψn(x, t)ψ n (x, t)dx = 1 ger C sin ( nπx )dx = 1 vilket ger C =. Sannolikheten att finna partikeln i ett intervall dx =.1 nära x = /3 ges av: ψ ψdx = sin(nπ 3 ) sin(nπ 3 ).1 =. sin (n π 3 ). Det blir två fall: =.( 3 ) =.15 om n=1+3k eller n=+3k, k=,1,,... eller = om n=3k, k=1,,3,... 6. Systemet är preparerat i vågfunktionen 1 6 [4ψ 1(r) + 3ψ 11 (r) ψ 1 (r) + 1ψ1 1 (r)]. Den är normerad och tex ψ 1 är väte egenfunktionen med kvanttalen n =, l = 1 och m l =. a) För väte E n = 13.56 n ev ; < E >= 1 36 [16 1 1 +9 1 +1 1 +1 1 ]( 13.56)eV = -7.91 ev b) = h l(l + 1) ; < >= 1 36 [16 1 + 9 1 + 1 1 + 1 1 ]4 36 h c) z = m l h; < z >= 1 36 [16 + 9 1 + 1 1 1] = h 36 7. Se Atkins ed7 Problem 13.1. Den ena gränsen 381.4 nm är övergång från oändligheten ner till lägsta nivån i serien. Detta ger övergångar ner mot n = 6. Det går också att borja i andra ändan av serien 1368 nm. Denna motsvarar en övergång mellan två närliggande nivåer, n + 1 ner till n. Detta ger också att 1368 nm är mellan n=7 och n=6 dvs n = 6. Serien är 1368 nm, 753 nm, 598 nm, 519 nm,... konvergerar mot 38 nm 8. Visa ψ = Ae ax +bx är grundtillståndet. Det går ut på att sätta in ψ i S.E. Skriv om S.E. till x ψ = m (V (x) E) ψ = [ mkx mk x h h h x + mk x h me ] h Ae ax +bx Bilda derivatorna x ψ = (ax + +bx ; b)aeax x ψ = (4a x + 4abx + b + a)ae ax +bx vilket ger 4a = mk ; a = mk h h, a måste vara mindre än ty annars ej normerbar vågfunktion. Vidare mk x h = 4ab vilket ger b = mk h x. Vidare mk x h me = h b + a = mk x h mk h och detta ger energin E = h k m, dvs grundtillståndets energi och med konstanterna a = mk h och b = mk h x.

9. Fotonens energi W f = W n W m där W n = W H /n, W H =13.6 ev. Våglängderna för synligt ljus 4 nm < λ < 7 nm, vilket motsvarar 1.77 ev < W f < 3.1 ev. Prövning ger att synligt ljus kommer från (Balmer serien), m= och n=3,4,... vilket ger W f = 1.89,.55,.86, 3.1 ev Motsvarande våglängder är λ = 656, 486, 434, 41 nm. (Om m=1 är fotonenergierna för stora och om m=3 är fotonenergierna för små.) 1. a) yman serien ges av övergången mellan högre nivåer ner till lägsta nivån (n = 1). Den ges ν = 1 λ = R i(1 1 n ) Serien som ges är för n 1 =,3 resp 4. Vilket ger R i = 4 3 74747 = 98766.7cm 1, R i = 9 8 87794 = 987664.5cm 1, R i = 16 15 95933 = 987661.9cm 1. Medelvärdet blir R i = 987663.cm 1 b) Gränsvåglängden ges av λ = 1 1 R i = 987663. 1 = 1.149 1 8 m = 11.49Å. Motsvarande energi (=jonisationeenergi) blir E = hc 6.66 1 34.998 1 8 1.6 1 19 1.149 1 8 = 1.45eV λ = 11. Relevant radieldel: R 1 (r) = 1 ( ) 3/ Z Zr 3 a a e Zr/a Sannolikheten att hitta den mellan r och r+dr ges av P (r)dr = R 1 (r) r dr och därmed P (r) = R 1 (r) r = konstant r 4 e Zr/a. Extremvärden då derivatan =. dp (r) dr = 4r 3 e Zr/a r 4 Z a e Zr/a = r3 (4 r Z a )e Zr/a. Vilket ger ett maxima för r = 4a (P () = P ( ) = och P (r) alltså ett max). Utan yttre fält (elektriska eller magnetiska) beror väte atomens energi enbart på huvudkvanttalet n och inte på banrörelsemängdsmomentkvanttalet l, och ej heller på m l kvanttalet. Så följande tillstånd har samma energi (se Atkins 6ed sid 353): I) 3s med m l =, 3p med m l = 1, 3p med m l = 1, 3p med m l =. II) 4d med m l = 1, 4p med m l =, 4p med m l = 1. III) 5d med m l = 1, 5p med m l = 1, 5s med m l =. 1. Rewrite the wave function in terms of spherical harmonics: (polar coordinates: x = r sin θ sin φ, z = r cos θ and hence zx = r cos θ sin θ(e iφ + e iφ )/ using the Euler relations) the appropriate spherical harmonics can now be identified and we arrive at ψ(r) = ψ(x, y, z) = N(zx)e r/3a = N r 8π 15 ( Y,1 + Y, 1 )e r/3a. (1) As all the involved Y l,m have l = the probability to get = ( + 1) h = 6 h is one. For the operator z we note the two spherical harmonics have the same

pre factor (one has -1 and the other has +1 but the absolute value square is the same) ie they will have the same probability. The probability to find m = h is, for m = 1 h is 1, for m = h is for m = 1 h is 1, and for m = h is. As all the involved Y l,m have l = the probability to get = ( + 1) h = 6 h is one. b. To calculate the expectation value < r > we need to normalise the given wave function if we wish to do the integral. In order to achieve this in a simple way is to identify the radial wave function. As l is equal to we know that n cannot be equal to 1 or it has to be larger or equal to 3. By inspection of eq (1) and we find n = 3 this function has the correct exponential and ( Z 3a ) 3/ ( Zr a ) e Zr/3a. We the correct power of r (r ) and hence R 3, (r) = 7 5 also note that Y,1 and Y, 1 are normalised but the sum ( Y,1 + Y, 1 ) is not normalised. The sum has to be changed to ( 1 Y,1 + 1 Y, 1 ) in order to be normalised. Note that R 3, (r) contains an r term as also a e r/3a term. The wave function can now be completed to the following normalized wave function (note that we do not need to calculate the constant N as all separate parts of ψ(r) are normalised by them selves) ψ(r) = ψ(x, y, z) = N(zx)e r/3a = R 3, (r)( 1 Y,1 + 1 Y, 1 )e r/3a From physics handbook page 9 you find r = 1 [ 3n l(l + 1) ] ( ) a = 1 Z 1.5.59 Å = 5.56 Å. You may also do the integral directly like this: r = π π dφ dθ dr r sin(θ) r R 3, (r) [ 3 3 ( + 1) ] ( ) a = 1 1 a = ( 1 Y,1 + 1 Y, 1 ) e r/3a = dr r 3 R 3, (r) e r/3a = 1 a = 1.5.59 Å = 5.56 Å. 13. (a) i h t cos ωt = i hω t sin ωt = i hω cos ωt (b) x eikx = ike ikx YES (c) x = axe e ax ax NO cos kx = k sin kx NO (d) x (e) x kx = k NO YES

(f) ˆP sin(kx) = sin( kx) = sin(kx) (g) i h z C(1 + z ) = i hc( + z) (h) h YES NO z Ce 3z = h C( 3)e 3z ψ(z) YES (i) C (z z )ze 1 z =? This has to be done in some steps. Start by doing this derivative first: z ze 1 z = z (e 1 z z e 1 z ) = ( ze 1 z ze 1 z + z 3 e 1 z ) = 3ze 1 z z 3 e 1 z. Now you go back to the start: C (z z )ze 1 z = C (z3 e 1 z + 3ze 1 z z 3 e 1 z ) = C (+3ze 1 z ) = ψ(z) YES 14. (a) H = 1.31 + 1.97 + 1 1 1.81 + 3 16 3.35 + 1 164.8 = 1.3565 1.35eV. Uncertainty is defined by: H = H H H = 1 (.31) + 1 (.97) + 1 1 (1.81) + 3 16 (3.35) + 1 16 (4.8) = 3.6494 3.6eV. H = 3.6494 1.3565 = 1.3419 1.34eV (b) The expression is not unique as we only know the probabilities which are the squares of the coefficients. In the evaluation of H and H only the probabilities are important thats why a different sign ± is of no importance in this calculation. One is: Ψ(z) = 1 ψ 1 (z) + 1 ψ (z) + 1 1 ψ 3 (z) + 3 4 ψ 4(z) + 1 4 ψ 5(z). Another is: Ψ(z) = 1 ψ 1 (z) 1 ψ (z) + 1 1 ψ 3 (z) + 3 4 ψ 4(z) + 1 4 ψ 5(z). (c) By a factor of 4. (All eigenvalues change by a factor of 4)