Minikvant Fysik 22 - nu også med fysik 312 for os aber

Relaterede dokumenter
Formelsamling til. Kvantemekanik. 27. marts Dennis Hansen 1

Kvant 2. Notesamling....Of doom!

Noter til KM1 og KM2 på KU (Kvantemekanik 1 og 2)

Kvantemekanik 8 Side 2 af 10 Observable og operatorer. Grundlæggende egenskaber ved operatorrepræsentanter ( ) O= O. (8.4)

Den klassiske oscillatormodel

Chapter 6. Hydrogen Atom. 6.1 Schrödinger Equation. The Hamiltonian for a hydrogen atom is. Recall that. 1 r 2 sin 2 θ + 1. and.

Rektangulær potentialbarriere

2 Lektion Opgave C Opgave Opgave Opgave Opgave a b...

Heisenbergs usikkerhedsrelationer. Abstrakt. Hvorfor? Funktionsrum. Nils Byrial Andersen Institut for Matematik. Matematiklærerdag 2013

Hans Harhoff Andersen juni 2010 Projekt i numeriske metoder. Resumé

Anvendelser af den kvantemekaniske bølgemekanik

Niels Wessel Larsen MOLEKYLSPEKTROSKOPI. En kvantitativ beskrivelse af vibrations- og rotations-spektroskopi. Noter til Gasfasespektroskopi

Note om Laplace-transformationen

SINGULÆR PERTURBATIONSTEORI

1 Eksamen Spin Spin-halv-operatorer Spin-orbitaler... 3

Eksamen i Mat F, april 2006

Svar til eksamen i Matematik F2 d. 23. juni 2016

Uskelnelige kvantepartikler

Løsningsforslag til opgavesæt 5

Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Youngs dobbeltspalteforsøg 1

standard normalfordelingen på R 2.

Wigner s semi-cirkel lov

Momenter som deskriptive størrelser. Hvad vi mangler fra onsdag. Momenter for sandsynlighedsmål

Hvad vi mangler fra onsdag. Vi starter med at gennemgå slides fra onsdag.

Anvendt Lineær Algebra

DOK-facitliste DOK. DOK-facitliste 1

Løsningsforslag til opgavesæt 5

Stochastic Variational Method -Used on Small Atoms. 14. september 2011

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Magnetisk dipolmoment

Indhold En statistisk beskrivelse... 3 Bølgefunktionen... 4 Eksempel... 4 Opgave Tidsafhængig og tidsuafhængig... 5 Opgave 2...

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Kvantemekanik postulater, notation, polarisationstilstande, entanglement, Bells ulighed,...

Outline. Chapter 6: (cont d) Qijin Chen. November 21, 2013 NH = =6 CH = 15 4

Besvarelse til eksamen i Matematik F2, 2012

ˆ Š ˆ ˆ É ÉÊ, ± Ö, ²μ Ö.. ƒ μ ±μ

Magnetisk dipolmoment

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

6.1 Reelle Indre Produkter

Elementær sandsynlighedsregning

Statitisk fysik Minilex

Kortfattet svar til eksamen i Matematik F2 d. 21. juni 2017

Course on Continuum Mechanics - academic year Màster en Enginyeria de Camins, Canals i Ports. Màster en Enginyeria Geològica i de Mines.

Anvendt Lineær Algebra

Skriftlig eksamen i Statistisk Mekanik den fra 9.00 til Alle hjælpemidler er tilladte. Undtaget er dog net-opkoblede computere.

Elementær sandsynlighedsregning

Lambforskydning i en elektrisk ledende mesoskopisk ring

nr. 495c (2. udgave)

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

GEOMETRI-TØ, UGE 6. . x 1 x 1. = x 1 x 2. x 2. k f

Overheads til forelæsninger, mandag 5. uge På E har vi en mængde af mulige sandsynlighedsfordelinger for X, (P θ ) θ Θ.

Bachelor opgaven. Vincent Appel ( )

Lineær Algebra F08, MØ

Formelsamling - MatF2. Therkel Zøllner og Amalie Christensen 27. juni 2009

Eksamen i Mat F, april 2006

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [DL] 1, 2

Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

Calculus Uge

Kvantitative Metoder 1 - Forår Dagens program

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 10

by antisymmetry of ɛ s

Ganganalyse. Modellering og estimation. Klaus Kähler Holst. 5. Januar 2006

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse

Analytisk perturbationsteori

Uge 10 Teoretisk Statistik 1. marts 2004

Sandsynlighed og Statistik

n=1 er veldefineret for alle følger for hvilke højresiden er endelig. F.eks. tilhører følgen

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Abstract. This paper examines the symmetries in particle physics and the mathematics behind. It investigates

Sandsynlighedsregning

4. Differentialligninger i højere dimension, Dirichlet problemet

8 Regulære flader i R 3

Resonant Tunneling Diodes

Landmålingens fejlteori Lektion 1 Det matematiske fundament Kontinuerte stokastiske variable

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

A4: Introduction to Cosmology. Forelæsning 2 (kap. 4-5): Kosmisk Dynamik

Selv-absorberende C*-algebraer

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

1/41. 2/41 Landmålingens fejlteori - Lektion 1 - Kontinuerte stokastiske variable

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 2 Transverse motion, Lattices

Integration m.h.t. mål med tæthed

Den todimensionale normalfordeling

StatDataN: Plot af data

Trykfejlsliste - alle fejl Asymptotisk teori

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Den Brownske Bevægelse

af koblede differentialligninger (se Apostol Bind II, s 229ff) 3. En n te ordens differentialligning

Udledning af Keplers love

Lineær algebra 4. kursusgang

Signalbehandling og matematik 1 (Tidsdiskrete signaler og systemer)

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

Minikaos - må ikke bruges til noget. Henrik Dahl

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 9 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Diffusionsligningen. Fællesprojekt for FY520 og MM502. Marts Hans J. Munkholm og Paolo Sibani. Besvarelse fra Hans J.

Matematik F2 Opgavesæt 6

DesignMat Den komplekse eksponentialfunktion og polynomier

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Transkript:

Minikvant Fysik - nu også med fysik 31 for os aber. enrik Dahl hdahl@tdc-broadband.dḳ. Resumé ADVARSEL - dette er et total underground-dokument!. Det er livsfarligt at bruge ukritisk. Der er næsten sikkert graverende fejl. Jeg påtager mig intet ansvar overhovedet for noget som helst. Faktisk vil jeg for en sikkerheds skyld fraråde brug af det følgende... Jeg har brugt flere kilder til det følgende. Selvfølgelig Liboff, men også Zettili,N: Quantum Mechanics, Concepts and Aplications Wiley, 001, Woan, G: The Cambridge Handbook of Physics Formulas Cambridge, 000 og Phillips, A.C.: Introduction to Quantum Mechanics Wiley, 003. Desuden også Sakurai og en note om Sjov med tensorer af m og m. Hvis du finder fejl - og der er med garanti næsten lige så mange som i Liboff - eller har andre kommentarer hører jeg meget gerne om det. Send mig en mail, så det kan blive forbedret. På forhånd tak! - og tak til Michael B for at finde fejl og komme med forslag til forbedringer!

INDHOLD Indhold 1 Operatorer 4 1.1 Definition............................... 4 1. Operatoralgebra............................ 4 1.3 Vigtige operatorer........................... 5 1.3.1 Cartesiske koordinater.................... 5 1.3. Sfæriske koordinater..................... 6 Kommutatorer 7.1 Definition............................... 7. Kommutatoralgebra.......................... 7.3 Vigtige kommutatorer........................ 7.4 Usikkerhedsrelation.......................... 9.5 Egenskaber.............................. 9 3 Diracnotation 9 3.1 Definitioner.............................. 9 3. Algebra................................ 9 4 Sandsynlighed mm. 10 4.1 Usikkerhedsrelationer......................... 10 4. Sandsynlighed............................. 10 4.3 Middelværdi og spredning...................... 10 5 Postulaterne 11 6 Schrödinger og stationære tilstande 11 7 Spektrumtyper 1 7.1 1 dimension.............................. 1 8 Specifikke problemer 1 8.1 1 dimension.............................. 1 8.1.1 Potentialtrin.......................... 1 8.1. Potentialbarriere....................... 13 8.1.3 Uendelig brønd........................ 14 8.1.4 Endelig brønd......................... 14 8.1.5 Harmonisk oscillator..................... 15 8. 3 dimensioner............................. 16 8..1 Impulsmoment, spherical harmonics............. 16 8.. Kartesiske koordinater.................... 17 8.3 Sfæriske koordinater......................... 18 8.3.1 Fri partikel.......................... 18

INDHOLD 3 8.3. Sfærisk æske.......................... 18 9 Hydrogenlignende atomer 18 10 Spin 19 11 Specielle funktioner 1 11.1 Hermitiske polynomier........................ 1 11. Legendrepolynomier......................... 1 11.3 Sfæriske Besselfunktioner....................... 1 1 Fra Fysik31 for os aber 1.1 Tensorer................................ 1.1.1 Udtrykt ved stedkoordinater................. 1.1. Stedkoordinater udtrykt ved tensorer............ 1. Udvalgsregler............................. 1.3 Perturbationsteori........................... 3 1.3.1 Statisk, ikke degenereret................... 3 1.3. Statisk, degenereret...................... 3 1.3.3 Tidsafhængig......................... 3

1 OPERATORER 4 1 Operatorer 1.1 Definition Matematisk regel, der transformerer en ket til en anden ket fra samme rum ditto for bra:  ψ = ψ, φ  = φ 1. Operatoralgebra Generelt gælder  ˆB ˆB  ˆBĈ =  ˆBĈ =  ˆBĈ Ân  m = Ân+m  ˆB ψ =  ˆB ψ Hvis  er lineær gælder Âa 1 ψ 1 +a ψ = a 1  ψ 1 +a  ψ og ψ 1 a 1 + ψ a  = a 1 ψ 1  + a ψ  Middelværdien af en operator med hensyn til en tilstand ψ er givet ved ψ  ψ φ ψ er en lineær operator ψ  og  ψ er forbudte udtryk Der gælder ψ  φ = φ  ψ aâ = a   =   + ˆB =  + ˆB  ˆB = ˆB  Ân =  n  ˆB ψ = ψ ˆB   er hermitisk hvis  =  dvs. ψ  φ = φ  ψ  er antihermitisk skævhermitisk hvis  =   er en projektionsoperator hvis  =  hermitisk og  = Â. Produktet af to projektionsoperatorer er en projektionsoperator men det samme gælder normalt ikke for summen

1 OPERATORER 5 Enhedsoperator Position Impuls Kinetisk energi Hamilton Impulsmoment 1.3 Vigtige operatorer 1.3.1 Cartesiske koordinater Î : Î ψ = ψ ˆX n = x n 1 dimension, ˆR = r i 3 dimensioner ˆP n x = i n n x n ˆT = m x Ĥ = m + ˆV r = m 1 dimension, ˆP = i i 3 dimensioner + + + ˆV r x y z For harmonisk oscillator i 1 dimension: Ĥ = 1 ˆP + m ω m ˆX = ω ˆp + ˆq = ω ˆN + 1 ˆ L = i ˆR ˆL x = Ŷ ˆP z Ẑ ˆP y = i Ŷ Ẑ z y ˆL y = Ẑ ˆP x ˆX ˆP z = i Ẑ ˆX x z ˆL z = ˆX ˆP y Ŷ ˆP x = i ˆX Ŷ y x ˆL = ˆL x + ˆL y + ˆL z Paritet Gradient Laplace Dimensionsfri ˆPψ r = ψ r ˆP r = r ψ r = ψ x i + ψ y j + ψ z k ψ = ψ = ψ x ˆp = ˆP m ω + ψ y + ψ z ˆq = ˆX mω/ Stigeoperatorer â = 1 ˆq + iˆp â = 1 ˆq iˆp ikke-hermitiske â n = n n 1 â n = n + 1 n + 1

1 OPERATORER 6 ˆX = â+â β ˆP = mω 0 i â â β Tal-operator Sænke- og hæveoperator occupation number operator: ˆN = â â ˆN n = n n Ĵ ± = Ĵx ± iĵy Ĵ x = 1 Ĵ+ + Ĵ Ĵ y = 1 i Ĵ+ Ĵ Ĵ = Ĵ+ 1 Ĵ + Ĵ Ĵ+ + Ĵ z Ĵ j, m = jj + 1 j, m Ĵ z j, m = m j, m, j m j Ĵ ± j, m = j mj ± m + 1 j, m ± 1 1.3. Sfæriske koordinater Laplace Impulsmoment Hæve- og sænkeoperatorer = 1 r r r 1 r ˆL ˆL = [ ˆP r = i 1 r ˆL z = i ϕ 1 sin θ r r θ sin θ θ + 1 sin θ ˆL ± = e ±iϕ i cot θ ϕ ± θ ] ϕ ˆL± Y m l l = [ll + 1 m l m l ± 1] 1/ Y m l±1 l

KOMMUTATORER 7 Kommutatorer Kommutator Antikommutator.1 Definition [Â, ˆB] = Â ˆB ˆBÂ {Â, ˆB} = Â ˆB + ˆBÂ. Kommutatoralgebra [Â, Â] = 0 [Â, c] = 0 [Â, ˆB] = [ ˆB, Â] [Â, ˆB + Ĉ] = [Â, ˆB] + [Â, Ĉ] [Â, ˆBĈ] = [Â, ˆB]Ĉ + ˆB[Â, Ĉ] [Â ˆB, Ĉ] = Â[ ˆB, Ĉ] + [Â, Ĉ] ˆB [Â, ˆB] = [ ˆB, Â ] [Â, [ ˆB, Ĉ]] + [ ˆB, [Ĉ, Â]] + [Ĉ, [Â, ˆB]] = 0 [Â, ˆB n ] = n 1 j=0 ˆB j [Â, ˆB]Ân j 1 [Ân, ˆB] = n 1 j j=0 Ân j 1 [Â, ˆB] ˆB Sted og impuls.3 Vigtige kommutatorer [ ˆX, ˆP x ] = i [ ˆX n, ˆP x ] = i n [ ˆX, ˆP x n ] = i n x [f ˆX, ˆP x ] = i n 1 ˆX n 1 ˆP df ˆX d ˆX Sæt j, k = x, y, z - så gælder: [ ˆR j, ˆP k ] = i δ jk [ ˆR j, ˆR k ] = 0 [ ˆP j, ˆP k ] = 0

KOMMUTATORER 8 [ ˆ P, f ˆ R ] = i f ˆ R Impulsmoment [ˆL x, ˆL y ] = i ˆL z [ˆL y, ˆL z ] = i ˆL x [ˆL z, ˆL x ] = i ˆL y [ ˆX, ˆL x ] = 0 [ ˆX, ˆL y ] = i Ẑ [ ˆX, ˆL z ] = i Ŷ [ ˆP x, ˆL x ] = 0 [ ˆP x, ˆL y ] = i ˆP z [ ˆP x, ˆL z ] = i ˆP y [ ˆX, ˆL ] = i ˆL y Ẑ + Ẑ ˆL y ˆL z Ŷ Ŷ ˆL y [ ˆP x, ˆL ] = i ˆL y ˆPz + ˆP z ˆLy ˆL z ˆPy ˆP y ˆLy [Ĵx, Ĵy] = i Ĵz [Ĵy, Ĵz] = i Ĵx [Ĵz, Ĵx] = i Ĵy [Ĵ, Ĵk] = 0 [Ĵ, Ĵ±] = 0 [Ĵ+, Ĵ ] = Ĵz [Ĵz, Ĵ±] = ± Ĵ± Andre [ˆq, ˆp] = i [â, â ] = 1 For harmonisk oscillator i 1 dimension: [â, Ĥ] = ωâ [â, Ĥ] = ωâ [ ˆN, â] = â [ ˆN, â ] = â

3 DIRACNOTATION 9.4 Usikkerhedsrelation A B 1 [Â, ˆB].5 Egenskaber To observerbare er kompatible, hvis deres operatorer kommuterer, [Â, ˆB] = 0 Hvis to observerbare er kompatible, har deres operatorer et sæt fælles egentilstande Kompatible observerbare kan måles samtidig med vilkårlig præcision det kan inkompatible ikke 3 Diracnotation Ket Bra Skalarprodukt Braket Fortolkning 3.1 Definitioner m n n m = ψnψ m dx n â m = ψ n â ψ m = ψnâψ m dx φ ψ kan fortolkes som sandsynligheden for, at hvis systemet først er i tilstand ψ og der foretages en måling, så er systemet i tilstand φ. 3. Algebra ψ = ψ a ψ = a ψ aψ = a ψ aψ = a ψ φ ψ = ψ φ ψ a 1 ψ 1 + a ψ = a 1 ψ ψ 1 + a ψ ψ a 1 ψ 1 + a ψ ψ = a 1 ψ 1 ψ + a ψ ψ

4 SANDSYNLIGHED MM. 10 a 1 φ 1 + a φ b 1 ψ 1 + b ψ = a 1b 1 φ 1 ψ 1 + a 1b φ 1 ψ + a b 1 φ ψ 1 + a b φ ψ ψ ψ 0 = 0 for ψ = 0 Hvis tilstanden er normaliseret er ψ ψ = 1 Schwarz: ψ φ ψ ψ φ φ Trekantsulighed: ψ + φ ψ + φ ψ ψ + φ φ Ortogonalitet: Hvis ψ φ = 0 Ortonormalitet: ψ φ = 0, ψ ψ = φ φ = 1 4 Sandsynlighed mm. Generelt Heissenberg 4.1 Usikkerhedsrelationer a b 1 i[â, ˆb] 4 p x 4. Sandsynlighed P x, tdx = ψx, t dx jx = m ψ ψ ψ ψ x x Middelværdi Tidsudvikling Superposition Ehrenfest 4.3 Middelværdi og spredning a = â = ψ â ψ = ψ âψdx Hvis ikke normaliseret gælder â = ψ â ψ ψ ψ d â = i â [Ĥ, â] + dt t Hvis âψ n = a n ψ n og Ψ = c n ψ n er a = c n a n m d dt d dt r = p p = V

5 POSTULATERNE 11 Varians a = a a Ĵ x = Ĵ y = 1 Ĵ Ĵ z = [jj + 1 m ] 5 Postulaterne Tilstand Observerbare Måling Spektre Tidsudvikling Et fysisk system er til enhver tid t specificeret ved en tilstandsvektor ψt. En superposition af sådanne er også en tilstand Til enhver observerbar A svarer en lineær hermitisk operator Â, hvis egenvektorer udgør en komplet basis Måling kan repræsenteres ved at en operator  virker på en tilstand ψt. Hvis målingen giver a n er tilstanden umiddelbart efter givet ved en projektion på egenvektoren ψ n, der svarer til a n : ψ efter = ψ n ψ n ψt Sandsynligheden for et bestemt måleresultat er for diskrete spekre givet ved P n a n = ψn ψ ψ ψ og for kontinuerte spektre ved dp a = ψa = ψa da ψ ψ ψa da Tidsudviklingen er givet ved den tidsafhængige Schrödingerligning = Ĥ ψt i ψt t 6 Schrödinger og stationære tilstande Den tidsafhængige Schrödingerligning kan skrives i Ψ r, t t = m Ψ r, t + ˆV r, tψ r, t Antag tidsuafhængigt potential, ˆV r, t = ˆV r. Da fås den tidsuafhængige Schrödingerligning: [ m + ˆV ] r ψ r = Eψ r Løsningerne til den tidsafhængige ligning bliver Ψ r, t = ψ r e iet/ = ψ r e iωt E = ω

7 SPEKTRUMTYPER 1 Denne løsning er en stationær tilstand. Den generelle løsning bliver Ψ r, t = c n ψ n r exp ie nt n 7 Spektrumtyper Bundne tilstande Ubundne tilstande Blandede tilstande Paritet 7.1 1 dimension Partiklen kan ikke gå til ±. I så fald er spektret diskret Partiklen kan gå mod eller eller begge. Ikke begge: Spektret er kontinuert, ingen egenværdier er degenererede Begge: Spektret er kontinuert, alle egenværdier er dobbelt degenererede For nogle energiniveauer er partiklen bundet, for andre ubundet. Symmetrisk potential: V x = V x Bundne egentilstande har enten lige eller ulige paritet: ψ x = ±ψx Degenereret spektrum: Egentilstande har ikke nogen given paritet 8 Specifikke problemer 8.1 1 dimension 8.1.1 Potentialtrin Partiklen kommer fra venstre. Potential For E > V 0 { 0 x < 0 V x = V 0 x > 0 { ψ1 xe Ψx, t = iωt = Ae ik1x ωt + Be ik 1x+ωt x < 0 ψ xe iωt = Ce ik x ωt x > 0 B = k 1 k C = k 1 k 1 +k A k 1 +k A R = k 1 k k 1 +k = 1 κ 1+κ T = 4k 1k k 1 +k = 4κ 1+κ κ = k /k 1 = 1 V 0 /E

8 SPECIFIKKE PROBLEMER 13 For E < V 0 Ψx, t = B = k 1 ik k 1 +ik A C = k 1 k 1 +ik A { Ae ik 1 x ωt + Be ik 1x+ωt x < 0 Ce k x e iωt x > 0 R = 1 P x = C e k x 8.1. Potentialbarriere Potential For E > V 0 > 0 Partiklen kommer fra venstre. 0 x < 0 V = V 0 0 x a 0 x > a ψ 1 x = Ae ik1x + Be ik 1x x 0 ψx = ψ x = Ce ikx + De ik x 0 < x < a ψ 3 x = Ee ik 1x x a k 1 = me/ k = me V 0 / Randbetingelser: ψ 1 0 = ψ 0 dψ 1 0 = dψ 0 dx dx ψ a = ψ 3 a dψ a dx = dψ 3a dx For E > V 0 < 0 E = 4k 1 k Ae ik 1a [4k 1 k cosk a ik 1 + k sink a] 1 [ T = E = 1 + 1 A 4εε 1 sin λ ] 1 ε 1 λ = a mv 0 / ε = E/V 0 [ ] 1 R = 1 + 4εε 1 sin λ ε 1 [ T = 1 + 1 4εε+1 sin λ ] 1 ε + 1 λ = a m V 0 /

8 SPECIFIKKE PROBLEMER 14 For E < V 0 ε = E/ V 0 ψ 1 x = Ae ik1x + Be ik 1x x 0 ψx = ψ x = Ce kx + De k x 0 < x < a ψ 3 x = Ee ik 1x x a k 1 = me/ k = me V 0 / [ T = 1 + 1 4ε1 ε sinh λ 1 ε λ = a mv 0 / ε = E/V 0 ] 1 R = T 4ε1 ε sinh λ 1 ε Asymmetrisk potential Symmetrisk potential Potential For E > V 0 For 0 < E < V 0 8.1.3 Uendelig brønd x < 0 V x = 0 0 x a x > a E n = m k n = π ψ n x = ψ n = ma n, n = 1,, 3,... sin nπ x, n = 1,, 3,... a a Ψx, t = n=1 ψ nxe ient/ = x < a/ V x = 0 a/ x a/ x > a/ a sin [ nπ a x + a/] = 8.1.4 Endelig brønd V 0 x < a/ V x = 0 a/ x a/ V 0 x > a/ a n=1 sin nπ x e in E 1 t/ a cosnπx/a a n = 1, 3, 5,... sinnπx/a n =, 4, 6... Endelig reflektionskoefficient, oscillation i alle tre områder k 1 = mv 0 E/ a

8 SPECIFIKKE PROBLEMER 15 k = me/ d k dx 1 ψ 1 x = 0, x < a/ d + k dx ψ x = 0, a/ x a/ d k dx 1 ψ 1 x = 0, x > a/ ψ 1 x = Ae k1x, x < a/ { B cosk x symmetrisk ψ x = C sink x antisymmetrisk ψ 3 x = De k 1x, x > a/ 8.1.5 Harmonisk oscillator Potential V = 1 mω x Ĥ = ˆP + 1 m mω ˆX = ω ˆN = â â ˆN + 1 E n = n + 1 ω ψ 0 x = 1 πx0 exp ψ n x = 1 1 π n n! x n+1/ 0 x, x x 0 = /mω 0 x x 0 d dx n exp x x 0 = 1 mω n ˆX n = 1 n ˆP n = 1 n Ĥ n virialsætningen m x = p = mω n + 1 m ωn + 1 x p = n + 1/ / De første 6 egenenergier og -tilstande π n n!x 0 e x /x 0 Hn x x 0

8 SPECIFIKKE PROBLEMER 16 n E n ψ n 0 ω/ A 0 e ξ / 1 3 ω/ A 1 ξe ξ / 5 ω/ A 4ξ e ξ / 3 7 ω/ A 3 8ξ 3 1ξe ξ / 4 9 ω/ A 4 16ξ 4 48ξ + 1e ξ / 5 11 ω/ A 5 3ξ 5 160ξ 3 + 10ξe ξ / A n = n n! π ξ = mω x 8. 3 dimensioner 8..1 Impulsmoment, spherical harmonics ˆL l, m = ll + 1 l, m ˆL z l, m = m l, m θ, ϕ l, m = Y lm θ, ϕ ˆL Y lm θ, ϕ = ll + 1Y lm θ, ϕ ˆL z Y lm θ, ϕ = m Y lm θ, ϕ ˆL ± Y lm θ, ϕ = ll + 1 mm ± 1Y lm±1 θ, ϕ Y lm θ, ϕ = 1 m l+1 l m! P m 4π l+m! l cos θe imϕ m 0 Y lm θ, ϕ = 1l l l! l+1 l+m! 4π l m! eimϕ 1 sin m θ [Y lm θ, ϕ] = 1 m Y l, m θ, ϕ d l m dcos θ l m sin θ l m 0 Y lm θ, ϕ Y lm x, y, z Y 00 θ, ϕ = 1 4π Y 00 x, y, z = 1 4π 3 Y 10 θ, ϕ = cos θ Y 3 z 4π 10x, y, z = 4π r 3 Y 1,±1 θ, ϕ = 8π e±iϕ sin θ Y 1,±1 x, y, z = 5 Y,0 θ, ϕ = 3 16π cos 5 θ 1 Y,0 x, y, z = 16π 15 Y,±1 θ, ϕ = 8π e±iϕ sin θ cos θ Y,±1 x, y, z = 15 Y,± θ, ϕ = 3π e±iϕ sin θ Y,± x, y, z = 3 8π x±iy r 3z r r 15 8π 15 3π x±iyz r x y ±ixy r

8 SPECIFIKKE PROBLEMER 17 Schrödinger Antag tidsuafhængigt potential Separation Fri partikel Kassepotential Kubisk kasse Anisotropisk harmonisk oscillator Isotropisk harmonisk oscillator 8.. Kartesiske koordinater m Ψx, y, z, t + ˆV x, y, z, tψx, y, z, t = i Ψx,y,z,t t Ψx, y, z, t = ψx, y, ze iet/ Hvis V x, y, z = V x x + V y y + V z z fås separation ψx, y, z = π 3/ e ikxx e ikyy e ikzz = π 3/ e i k r kx = me x / E = E x + E y + E z = m k { 0 0 < x < a, 0 < y < b, 0 < z < c V x, y, z = ellers ψ nx,ny,n z x, y, z = E nx,n y,n z = π m n x a 8 sinn abc xπx/a sinn y πy/b sinn z πz/c + n z c + n y b a = b = c = A E nx,ny,n z = π n ma x + n y + n z E nx,ny,n z /E 1 x n, n y, n z Degenerering, g n 3 111 1 6 11,11,11 3 9 1,1,1 3 11 311,131,113 3 1 1 14 31,31,31,13,13,13 6 ˆV ˆx, ŷ, ẑ = 1 mω ˆX x + 1 mω yŷ + 1 mω zẑ E nx,ny,n z = E nx + E ny + E nz = n x + 1/ ω x + n y + 1/ ω y + n z + 1/ ω z ψ er produktet af de tre en-dimensionale harmoniske oscillatorer ω x = ω y = ω z = ω E nx,ny,n z = n x + n y + n z + 3/ ω Degenerering g n = n + 1n + / n E n / ω n x, n y, n z g n 0 3 000 1 1 5 100,010,001 3 7 00,00,00,110,101,011 6 3 9 300,030,003,10,01,01 10 10,10,01,111

9 HYDROGENLIGNENDE ATOMER 18 8.3 Sfæriske koordinater 8.3.1 Fri partikel Se også Liboff, s.44 Fri partikel ˆp r = i 1 r Ĥ = m r r Schrödinger: 1 m = ˆp r m + ˆL mr ϕ klm r, θ, φ = j l kry m l θ, φ E k = k m ˆp r + ˆL r ϕ klm = E klm ϕ klm Centralt potential 8.3. Sfærisk æske V { 0 r < a r = V r = r > a ϕ nlm = j xln r l a Y m l θ, φ E nl = x ln ma 9 Hydrogenlignende atomer Schrödinger Reduceret masse Egenfunktioner Energi Middelværdier Tilladte kvantetal µ Ψ nlm Ze 4πε 0 r Ψ nlm = E n Ψ nlm µ = mem kerne m e+m kerne Ψ nlm = a = me µ n l 1! nn+l! a 0 Z a 0 = ε 0h πm ee x = r an L l+1 n l 1 = n l 1 k=0 E n = µe4 Z 8ε 0 h n 1/ 3/ an x l e x/ L l+1 n l 1 Y l m θ, φ l+n! x k l+1+k!n l 1 k!k! r = a 3n ll + 1 r = a n 5n + 1 3ll + 1 1/r = 1 an 1/r = l+1n 3 a n = 1,, 3,...

10 SPIN 19 l = 0, 1,,..., n 1 m = 0, ±1, ±,..., ±l Udvalgsregler Bølgefunktioner n 0 l = ±1 m { 1, 0, 1} Ψ 100 = a 3/ π 1/ e r/a Ψ 00 = a 3/ 4π r 1/ a e r/a Ψ 10 = a 3/ r 4π 1/ a e r/a cos θ Ψ 1±1 = a 3/ r 8π 1/ a e r/a sin θe ±iφ Ψ 300 = a 3/ 813π 1/ Ψ 310 = 1/ a 3/ 81π 1/ Ψ 31±1 = a 3/ 81π 6 r 1/ a Ψ 30 = 7 18 r + r e r/3a a 6 r r a a e r/3a cos θ r a e r/3a sin θe ±iφ a a 3/ r e r/3a 3 cos θ 1 816π 1/ a Ψ 3±1 = a 3/ r e r/3a sin θ cos θe ±iφ 81π 1/ a Ψ 3± = a 3/ r e r/3a sin θe ±iφ 16π 1/ a 10 Spin 0 1 Paulimatricer σ 1 = 1 0 0 i σ = i 0 1 0 σ 3 = 0 1 1 0 I = 0 1 Antikommutation{σ i, σ j } = σ i σ j + σ j σ i = δ ij I Cyklisk permutation Spinmatricer σ i σ j = iσ k σi = I 0 1 Ŝ x = 1 0 0 i Ŝ y = i 0

10 SPIN 0 Ŝ z = 1 0 0 1 Egenværdier Egenvektorer λ = ± α x = 1 1 spin op i x-retningen 1 β x = 1 1 spin ned i x-retningen 1 α y = 1 1 spin op i y-retningen i β y = 1 1 spin ned i y-retningen i α z = 1 1 spin op i z-retningen 0 β z = 0 1 spin ned i z-retningen 1 ˆ Sammensætning J i j i, m i = j i j i + 1 j i, m i Ĵiz j i, m i = m i j i, m i Ŝ tot = Ŝ1 + Ŝ Ŝ tot,z = S 1z + S z Antal tilstande = s + 1, s m s s = 1 + + Hvem og hvad? Bosoner heltalligt spin, fermioner halvtalligt spin. Liboff tabel 11.3 Spinbølgefunktioner for to elektroner i koblet repræsentation: Spinkombination Bølgefunktion s 1 s s m ξ = s 1 s sm 1 ξ 1 1 1 1 = α 1 α 1 1 1 + 1 ξ 0 1 = 1 1 1 α 1 β + β 1 α 1 0 1 ξ 1 1 1 1 = β 1 β 1-1 1 1 ξ 0 0 = 1 1 1 α 1 β β 1 α 0 0

11 SPECIELLE FUNKTIONER 1 11 Specielle funktioner 11.1 Hermitiske polynomier H 0 y = 1 H 1 y = y H y = 4y H 3 y = 8y 3 1y H 4 y = 16y 4 48y + 1 H n+1 y = yh n y nh n 1 y 11. Legendrepolynomier Løsning til Får 1 sin θ d dθ sin θ dθ ] lmθ + [ll + 1 m dθ sin Θ lm θ = 0 θ Θ lm θ = C lm P m l cos θ Pl m x = 1 x m / d m dx P lx m P l x = 1 d l l l! dx l x 1 l C lm = 1 m l + 1 l m! l + m! Se Liboff, s.373 for stor tabel. Her en lille tabel. Legendrepolynomium Associeret Legendrepolynomium P 0 cos θ = 1 P 1 cos θ = cos θ P1 1 cos θ = sin θ P 1 cos θ = 3 cos θ sin θ P cos θ = 3 cos θ 1/ P cos θ = 3 sin θ P 3 cos θ = 5 cos 3 θ 3 cos θ/ P3 1 cos θ = 3 sin θ5 cos 3 θ 1/ P 4 cos θ = 35 cos 4 θ 30 cos θ + 3/8 P3 cos θ = 15 sin θ cos θ P 5 cos θ = 63 cos 5 θ 70 cos 3 θ + 15 cos θ/8 P3 3 cos θ = 15 sin 3 θ 11.3 Sfæriske Besselfunktioner j 0 x = sin x x j 1 x = sin x cos x x x j x = 3 1 x 3 x sin x 3 cos x x

1 FRA FYSIK31 FOR OS ABER 1 Fra Fysik31 for os aber 1.1 Tensorer 1.1.1 Udtrykt ved stedkoordinater T 0 0 = 1 3 x + y + z = 1 3 r T 1 0 = z T 1 1 = 1 x + iy T 1 1 = 1 x iy T = 1 x + iy T = 1 x iy T 1 = 1 zx iy hvis [x, y] = [y, z] = 0 T 1 = 1 zx iy hvis [x, y] = [y, z] = 0 T 0 = 1 6 z x y = 1 6 3z r 1.1. Stedkoordinater udtrykt ved tensorer x = 1 T 1 1 T 1 1 y = i T 1 1 + T 1 1 z = T 1 0 x = 1 T + T 1 6 T 0 T 0 y = 1 T + T 1 6 T 0 T 0 z = 6 T 0 T 0 0 hvis [x, y] = 0 xy = 1 T i T hvis [x, y] = 0 zy = i T 1 + T 1 hvis [z, y] = 0 zx = 1 T 1 T 1 hvis [z, x] = 0 x y = T + T 0 hvis [x, y] = [y, z] = 0 0 hvis [x, y] = [y, z] = 0 1. Udvalgsregler Sfærisk potential V r giver egentilstande nlm. Vi skal afgøre, hvornår n l m nlm nødvendigvis er = 0 når systemet perturberes med en operator W. Regel 1: Paritet. l lige hvis W er lige har positiv paritet. l ulige hvis W er ulige har negativ paritet. NB - nogle operatorer er hverken lige eller ulige.

1 FRA FYSIK31 FOR OS ABER 3 Regel : Oversæt operator W til tensor: W T q k. m = q ved Wigner- Eckhart 3.10.31. Regel 3: l k ved Wigner-Eckhart 3.10. Sammenfat resultaterne fra de tre regler. Overtrædelse betyder, at n l m nlm = 0 1.3 Perturbationsteori 1.3.1 Statisk, ikke degenereret H 0 H 0 + V Til H 0 svarer egenværdier En 0 og egentilstande ψn 0 Problem: Find første ordens korrektion til En. 0 Løsning gen 1 = ψn gv 0 ψn 0 note 18. Problem: Find første ordens korrektion til ψn. 0 Løsning: Definer V mn = ψm V 0 ψn. 0 Første ordens korrektion er da ψ 1 n = m n V mn E 0 n E 0 m ψ 0 m note 1. Problem: Find anden ordens korrektion til En. 0 Løsning: En = m n 7. 1.3. Statisk, degenereret V mn E 0 n E 0 m note H 0 er degenereret med degeneracy d n for egenværdi n: H 0 n 0 i = E n 0 n 0 i, i = 1,..., d n H 0 H = H 0 + V, giver splitting af disse degenerationer: H n i = E n,i n i, i = 1,..., d n Problem: Find første ordens korrektion til E 0 i. Løsning: Nedskriv matricen A = n 0 i V n 0 j den er d n d n. Find egenværdier for A. Disse udgør E 1 i, altså første ordens korrektionerne. Problem: Find nulte ordens korrektion til egentilstande n 0 i. Løsning: Nedskriv A som ovenfor og find egenvektorer for A. Nulte ordens korrektion er da l 0 i = d n j=1 c ij n 0 j. 1.3.3 Tidsafhængig H 0 H 0 + V t Antag, at ψt 0 = e ie kt 0 / k Definer ω lk = E0 k Definer V lk t = E 0 l V t E 0 k Da er ψt I = l c lt l i Interaction picture, hvor c l fås fra TDP: l E 0

1 FRA FYSIK31 FOR OS ABER 4 c lk = t t 0 e iω lks t 0 V lk sds I Schrödinger picture fås ψt S = e ih 0t/ ψt I = l c lkte ie lt/ l P k l,k l t, t 0 = 1 c lk NB bemærk ovenfor, at l k. Husk at være opmærksom på singulariteter. TDP er kun gyldig for små perturbationer og muligvis også kun for kort tid.