FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 4
Transcription
FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 4
FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2 FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim Obligatorisk oppgave 4 Oppgave 1 a) akselereres av et elektrisk Vi har fått oppgitt at en partikkel med ladning og masse potensial til en relativistisk hastighet. Vi skal så vise at de Broglie bølgelengden for partikkelen er gitt ved 1 . For å vise dette må vi ta utgangspunkt i energibevaring for relativistisk hastighet. , hvor og 2 2 2 1 1 1 Dette viser at de Broglie bølgelengden for partikkelen er gitt ved b) Videre skal vi vise at dette gir , hvor 1 1 Side 1 av 10 . i den ikke–relativiske grensen. Dette gjør vi på følgende måte. 1 1 FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim 1 For en ikke–relativiske grensen vil at slik at 0. Tar vi nå hensyn til dette har vi vist . √ √ i den ikke–relativiske grensen. Vi har nå vist at dette gir c) Nå skal vi vise at de Broglie bølgelengden til en en relativistisk partikkel med hvileenergi er gitt ved . hvor og · · er oppgitt i Å . For å vise dette må vi ta samme utgangspunkt som i oppgave 1a), men vi bruker er at den totale energien . · · · Da har vi løst for , og kan å sette inn de verdiene vi kjenner. Fra kompendiet har vi gitt at skal oppgis i , altså 10 . 1240 og fra oppgaven ser vi at Side 2 av 10 FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 · · · · · . · · Nicolai Kristen Solheim · · 10 · Å Dette viser at de Broglie bølgelengden til en en relativistisk partikkel med hvileenergi gitt ved . · · Å. Side 3 av 10 er FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim Oppgave 2 a) Vi betrakter i denne oppgaven den gaussiske fordelingen hvor , og er positive reelle konstanter. Det første vi skal gjøre er bruke ligning (1.16) i Griffiths for å bestemme . Ligning (1.16) er definert ved 1. Setter vi inn for har vi følgene. 1 1 1 Fra Rottman, formel (51), har vi så at . 1 1 1 1 1 b) Dette gir at . Vi skal så finne , For og for . har vi at slik at Formel (52) i Rottman gir Side 4 av 10 . . FYS2140 Kvantefysikk Tilsvarende gjør vi for Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim . Formel (53) i Rottman gir For å finne bruker vi ∆ . . Dette gir at . √ Fra dette har vi funnet at c) , og . Vi skal så tegne grafen . Vi har her valgt å først se hvordan endring i konstantene påvirker grafen. Til dette har vi brukt MATLAB, og programmet ligger vedlagt. Vi ser hvordan endring i og påvirker grafen vår. Side 5 av 10 √ FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Figur 1: med endring i med konstant 1.0. Figur 2: med endring i med konstant 0.0. Side 6 av 10 Nicolai Kristen Solheim FYS2140 Kvantefysikk Figur 3: Obligatorisk oppgave 4 generert med 1.0 og Nicolai Kristen Solheim 0.0. Vi ser fra figur 3 at dette er en fordelingskurve. Figurene 1 og 2 viser også hvordan og påvirker grafen. påvirker , som sier noe om høyden og bredden på kurven, mens definerer det horisontale midtpunktet som kurven har toppunkt over. Det kan også nevnes at er verdien for toppunktet. Side 7 av 10 FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim Oppgave 3 a) | | Vi betrakter nå en bølgefunksjon , hvor , og er positive reelle konstanter. Vi skal først finne normaliseringen til . Denne er definert som | 1 hvor | , , | . Altså den komplekskonjugerte. | 1 | , | | | 1 | | · 1 | | 1 | | 1 | | Vi må så ta hensyn til absoluttverdien ved å dele opp uttrykket. 1 1 0 1 0 1 1 √ Dette gir at b) √ . Videre skal vi bestemme forventningsverdien til Vi løser først for og . . | , | | | | | · | | | | Løser først for : , hvor , Side 8 av 10 , og FYS2140 Kvantefysikk Obligatorisk oppgave 4 Nicolai Kristen Solheim 0 Løser deretter for : , hvor , , og 0 0 Vi har nå funnet . Vi velger nå å løse med formelen , og kan så finne ! da dette er en symetrisk funksjon. Da denne symetriske funksjonen er utspent fra ∞ til ∞ vil den korrekte løsningen være 2 2 | , | 2 2 2 2! Side 9 av 10 . FYS2140 Kvantefysikk Dette gir oss at c) Obligatorisk oppgave 4 0 og Nicolai Kristen Solheim . Vi ønsker så å finne standardavviket til . Vi husker fra 2b) at som gir . ∆ 0 √ Standardavviket til er √ . Deretter ønsker vi å tegne grafen til | og sammen med punktene vedlagt ligger programmet som ble brukt. Figur 4: | , | med punktene , | | | . Her er dette gjort i MATLAB, og og markert med vertikale streker. noe som vil si at cirka 69 % av partiklene ligger Fra figur 4 ser vi | , | tegnet med innenfor . Sannsynligheten for at en partikkel befinner seg utenfor dette intervallet blir dermed tilnærmet 31 %. Side 10 av 10 11.02.11 17:35 C:\Users\Nicolai Solheim\Desktop\Uni\FYS2140\Oblig 04\toc.m lambda = 1.0; A = sqrt(lambda/pi); x = -9:0.1:9; figure(1) for a=-5:2:5 p = A*exp(-lambda*((x-a).^2)); plot(x,p, 'k-') hold('on') end title('Endring i a') hold('off') a=0; figure(2) x = -5:0.1:5; for lambda=0:0.5:10 A = sqrt(lambda/pi); p = A*exp(-lambda*((x-a).^2)); plot(x,p, 'k-') hold('on') end title('Endring i lambda') hold('off') figure(3) a=0; x = -4:0.1:4; lambda = 1.0; A = sqrt(lambda/pi); p = A*exp(-lambda*((x-a).^2)); plot(x,p, 'k-') hold('on') plot(0,sqrt(lambda/pi),'bx') plot(0,0,'rx') legend('p(x) = A*e^{-lambda(x-a)^2}','A = sqrt(lambda/pi)','a = 0') title('Forklaring') 1 of 1 12.02.11 12:46 C:\Users\Nicolai Solheim\Desktop\Uni\FYS2140\Oblig 04\trec.m lambda = 1.0; A = sqrt(lambda); x = -5:0.1:5; p = A^2*exp(-2*lambda*abs(x)); sigma = [-1/(sqrt(2)*lambda), 1/(sqrt(2)*lambda)]; line=0:0.1:lambda; sigmaa = zeros(length(line))+sigma(1,1); sigmab = zeros(length(line))+sigma(1,2); figure(4) plot(x,p, 'k-') hold('on') plot(sigmaa, line, 'b--',sigmab, line, 'b--') title('v(x) med et standardavvik') legend('v(x)','- sigma','+ sigma') 1 of 1 Endring i a 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Endring i lambda 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Forklaring 0.7 2 p(x) = A*e-lambda(x-a) A = sqrt(lambda/pi) a=0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 v(x) med et standardavvik 1 v(x) - sigma + sigma 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5