Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 13: Σύστημα δύο ενεργειακών επιπέδων. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Σχετικά έγγραφα
Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 17: Εφαρμογή στην αναπαράσταση τελεστών με μήτρα και εισαγωγή στον συμβολισμό Dirac

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 9: Χρονοεξαρτώμενη εξίσωση Schro dinger. Τερζής Ανδρέας Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 16: Αναπαράσταση τελεστών με μήτρες. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 18: Εφαρμογή στον συμβολισμό Dirac. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 15: Η έννοια του κυματοπακέτου στην Kβαντομηχανική. Τερζής Ανδρέας Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 26: Ολοκλήρωση της αλγεβρικής μεθόδου για την μελέτη του αρμονικού ταλαντωτή

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 12: Ασκήσεις. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 12: Θεωρήματα Ehrenfest-Parity- -Μέση τιμή τελεστή. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 22: Η έννοια της σκέδασης και η εξίσωση συνέχειας στην Κβαντομηχανική. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων διαχείρισης έργου υπό συνθήκες αβεβαιότητας

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 7: Διερεύνηση εξίσωσης Schro dinger και απειρόβαθο πηγάδι δυναμικού. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 33: Εφαρμογές στο άτομο του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

1 η Διάλεξη. Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 19: Εισαγωγή στα τετραγωνικά δυναμικά. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 23: Ασκήσεις. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 4: Εξίσωση Schro dinger. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 31: Εφαρμογές και η ακτινική εξίσωση του ατόμου του υδρογόνου. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 8: Ολοκλήρωση μελέτης απειρόβαθου πηγαδιού. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 10: Ερμιτιανοί τελεστές και εισαγωγή στους μεταθέτες. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 25: Μαθηματική μελέτη του κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 21: Δέλτα πηγάδι δυναμικού. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 11: Μεταθέτες και ιδιότητες. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 27: Γενική μελέτη κβαντικών συστημάτων δύο και τριών διαστάσεων. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Θερμοδυναμική. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Πίνακες Νερού σε κατάσταση Κορεσμού. Γεώργιος Κ. Χατζηκωνσταντής Επίκουρος Καθηγητής

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 5: Κυματομηχανική. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Διοικητική Λογιστική

Κλασική Hλεκτροδυναμική

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας. Βιοστατιστική (Ε) Ενότητα 3: Έλεγχοι στατιστικών υποθέσεων

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας. Βιοστατιστική (Ε) Ενότητα 1: Καταχώρηση δεδομένων

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας. Βιοστατιστική (Ε) Ενότητα 2: Περιγραφική στατιστική

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Βέλτιστος Έλεγχος Συστημάτων

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

Λογιστική Κόστους Ενότητα 12: Λογισμός Κόστους (2)

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 2: Σύστημα δύο σωματιδίων-αρχή της αντιστοιχίας. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 23: Σκέδαση σε τετραγωνικά δυναμικά. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Εκπαιδευτική Διαδικασία και Μάθηση στο Νηπιαγωγείο Ενότητα 1: Εισαγωγή

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων διαγραμμάτων περίπτωσης χρήσης (1ο Μέρος)

Μάρκετινγκ Αγροτικών Προϊόντων

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Διαφήμιση και Δημόσιες Σχέσεις Ενότητα 9: Σχέσεις διαφημιστή-διαφημιζόμενου

Αερισμός. Ενότητα 1: Αερισμός και αιμάτωση. Κωνσταντίνος Σπυρόπουλος, Καθηγητής Σχολή Επιστημών Υγείας Τμήμα Ιατρικής

Προσχολική Παιδαγωγική Ενότητα 2: Οργάνωση χρόνου και χώρου στα νηπιαγωγεία

Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης Ενότητα 10: Διαχείριση Έργων (2ο Μέρος)

Εισαγωγή στους Η/Υ. Ενότητα 2β: Αντίστροφο Πρόβλημα. Δημήτρης Σαραβάνος, Καθηγητής Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών

Μυελού των Οστών Ενότητα #1: Ερωτήσεις κατανόησης και αυτόαξιολόγησης

Λογιστική Κόστους Ενότητα 8: Κοστολογική διάρθρωση Κύρια / Βοηθητικά Κέντρα Κόστους.

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Πληροφοριακά Συστήματα Διοίκησης (ΜΒΑ) Ενότητα 5: Διαχείριση Έργων υπό συνθήκες αβεβαιότητας

2 η Διάλεξη. Ενδεικτικές λύσεις ασκήσεων

Κβαντική Επεξεργασία Πληροφορίας

Θερμοδυναμική. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Πίνακες Νερού Υπέρθερμου Ατμού. Γεώργιος Κ. Χατζηκωνσταντής Επίκουρος Καθηγητής

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Ι. Ενότητα 2: Θερμοδυναμικές συναρτήσεις. Σογομών Μπογοσιάν Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Τίτλος Μαθήματος: Εργαστήριο Φυσικής Ι

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 12: Κριτήρια Σύγκλισης Σειρών. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Διοίκηση Ολικής Ποιότητας & Επιχειρηματική Αριστεία Ενότητα 1.3.3: Μεθοδολογία εφαρμογής προγράμματος Ολικής Ποιότητας

ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΗΘΙΚΗ. Ενότητα 9: Σχέση Ηθικής και Δικαιοσύνης. Παρούσης Μιχαήλ. Τμήμα Φιλοσοφίας

Διαχείριση Έργων. Ενότητα 10: Χρονοπρογραμματισμός έργων (υπό συνθήκες αβεβαιότητας)

Διεθνείς Οικονομικές Σχέσεις και Ανάπτυξη

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Εισαγωγή στην Διοίκηση Επιχειρήσεων

Έλεγχος και Διασφάλιση Ποιότητας Ενότητα 4: Μελέτη ISO Κουππάρης Μιχαήλ Τμήμα Χημείας Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας

Επιχειρησιακή Έρευνα

Ενότητα. Εισαγωγή στις βάσεις δεδομένων

Εφαρμογές των Τεχνολογιών της Πληροφορίας και των Επικοινωνιών στη διδασκαλία και τη μάθηση

Φυσική ΙΙΙ. Ενότητα 4: Ηλεκτρικά Κυκλώματα. Γεώργιος Βούλγαρης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Κλασική Ηλεκτροδυναμική

Διοίκηση Επιχειρήσεων

Βέλτιστος Έλεγχος Συστημάτων

Διοίκηση Ολικής Ποιότητας & Επιχειρηματική Αριστεία Ενότητα 1.3.2: Παραδοσιακή VS νέα προσέγγιση της ΔΟΠ

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Οικονομικά για Μη Οικονομολόγους Ενότητα 0: Εισαγωγικά Στοιχεία

Δυναμική και Έλεγχος E-L Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων

Ηλεκτροτεχνία Ηλ. Μηχανές & Εγκαταστάσεις πλοίου (Θ)

Διοικητική Λογιστική

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Β. Διαφορικός Λογισμός

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Εισαγωγή στην Διοίκηση Επιχειρήσεων

Μηχανολογικό Σχέδιο Ι

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Πρακτική Άσκηση σε σχολεία της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Θεωρία Λήψης Αποφάσεων

Transcript:

Κβαντική Φυσική Ι Ενότητα 13: Σύστημα δύο ενεργειακών επιπέδων Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Σκοποί ενότητας Σκοπός της ενότητας είναι να μελετηθεί μια εφαρμογή σχετικά με τις βασικές αρχές της κβαντομηχανικής που έχουμε μάθει μέχρι τώρα. Επίσης θα δοθεί μια ανάπτυξη που αφορά συστήματα δύο ενεργειακών επιπέδων.

Περιεχόμενα ενότητας Εφαρμογή με τις βασικές αρχές της κβαντομηχανικής Σύστημα δύο ενεργειακών καταστάσεων 3

Εφαρμογή-Εκφώνηση Έστω ένα κβαντικό σύστημα το οποίο περιγράφεται από τρεις ενεργειακές καταστάσεις (ιδιοτιμές ενέργειας του προβλήματος ιδιοτιμών Ηψ n x = E n ψ n x ), E 1, E, E 3. Αν γνωρίζουμε ότι η κυματοσυνάρτηση του συστήματος την χρονική στιγμή t = 0, είναι να βρεθούν a) η μέση ενέργεια του συστήματος. b) η αβεβαιότητα της ενέργειας. ψ x, t = 0 = 1 ψ 1 x + 1 ψ 3 x c) η κυματοσυνάρτηση του συστήματος. d) Η μέση ενέργεια του συστήματος κάθε χρονική στιγμή. e) Η αβεβαιότητα της ενέργειας κάθε χρονική στιγμή. 4

Ερώτημα a a. Γνωρίζουμε ότι η κυματοσυνάρτηση δίνεται γενικά από την έκφραση ψ = n=1 c n ψ n x e ient/ħ. Στην προκειμένη περίπτωση, που έχουμε τρεις ιδιοκαταστάσεις και για t = 0 έχουμε ψ x, t = 0 = c 1 ψ 1 x + c ψ x + c 3 ψ 3 x. Συγκρίνουμε με την κυματοσυνάρτηση της εκφώνησης και καταλαβαίνουμε ότι c 1 = 1, c = 0, c 3 = 1. Πριν συνεχίσουμε θα παραθέσουμε κι έναν εναλλακτικό τρόπο εύρεσης των συντελεστών. 5

Εναλλακτικός τρόπος προσδιορισμού συντελεστών Οι συντελεστές μπορούν να εκτιμηθούν και από την σχέση c n = ψ n x ψ x, t = 0 dx Απόδειξη: = 1 c n = ψ n x ψ 1 + ψ 3 dx = ψ n ψ 1 + ψ n ψ 3 dx = δ n1 + δ n3 ψ m x ψ x, t = 0 dx = ψ m (x) c n ψ n x dx n=1 = c n ψ m x ψ n x dx = c n δ nm = c m n=1 n=1 6

Συνέχεια ερωτήματος a Εφ όσον προσδιορίσαμε τους συντελεστές της κυματοσυνάρτησης έχουμε για τις πιθανότητες: p 1 = c 1 e ie 1t/ħ = 1 p = c e ie t/ħ = 0 = 1 p 3 = c 3 e ie 3t/ħ = 1 = 1 Άρα Ε = p n E n = E 1+E 3 n Το ίδιο αποτέλσμα θα βρίσκαμε και από την σχέση: όπου H nm = Ε = n,m c n c m e i E n E m t/ħ H nm ψ n x Hψ m x dx = E n δ nm 7

Eρώτημα b Έχουμε Ε = p 1 E 1 + p E 3 = E 1 +E 3 Άρα η αβεβαιότητα της ενέργειας είναι ΔΕ = Ε Ε 1 = E 1 + E 3 E 1 + E 3 = Ε 1 Ε 3 = 8

Eρωτήματα c,d,e Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η κυματοσυνάρτηση είναι: ψ x, t = 1 ψ 1 x e ie 1t/ħ + 1 ψ 3 x e ie 3t/ħ Είδαμε ότι οι πιθανότητες είναι χρονοανεξάρτητες,δηλαδή το κβαντικό σύστημα είναι απομονωμένο και προφανώς Ε t = Ε t=0 = E 1+E 3 Η αβεβαιότητα της ενέργειας συνεπώς, θα είναι και αυτή χρονοανεξάρτητη και ίση με αυτή που βρήκαμε στο ερώτημα b. 9

Σύστημα δύο ενεργειακών καταστάσεων Έστω ένα κβαντικό σύστημα που περιγράφεται από δύο ενεργειακές καταστάσεις (ιδιοτιμές της ενέργειας του προβλήματος ιδιοτιμών), E 1 και Ε. Το σύστημα αυτό είναι γνωστό και ως σύστημα δύο επιπέδων. Η κυματοσυνάρτηση θα είναι της μορφής ψ x, t = c 1 e ie 1t ħ ψ 1 x + c e ie t ħ ψ (x) Έχουμε πει ότι οι συντελεστές c a και c b είναι μιγαδικοί. Γενικά ένας μιγαδικός z = a + bi γράφεται στην μορφή z = z e iφ με tanφ = b a. Αν λοιπόν γράψουμε τους συντελεστές c 1 και c σε αυτήν την μορφή, η κυματοσυνάρτηση παίρνει την μορφή ψ x, t = c 1 e iφ 1e ie 1t/ħ ψ 1 x + c e iφ e ie t/ħ ψ x Θα βρούμε μια γενική έκφραση για την μέση τιμή ενός οποιουδήποτε μεγέθους σε αυτό το σύστημα. 10

Μέση τιμή τελεστή σε σύστημα δύο ενεργειακών επιπέδων Για ένα μέγεθος W, έχουμε πει ότι ισχύει: W = c n c m e i E n E m t ħ W nm n=1 m=1 Στην δεδομένη περίπτωση οι δείκτες θα παίρνουν τις τιμές n = 1, και m = 1,. Αναπτύσσοντας το άθροισμα θα έχουμε: W = c 1 W 11 + c W + c 1 c e i E 1 E t/ħ W 1 + c c 1 e i E E 1 t/ħ W 1 = = p 1 W 11 + p W + c 1 c e i φ φ 1 e iω 1t W 1 + c 1 c e i φ φ 1 e iω1t W 1 με ω 1 = Ε Ε 1, W 1 = ψ 1, Wψ, W 1 = ψ, Wψ 1 ħ 11

Τελική σχέση Τα στοιχεία W 1 και W 1 μπορούν με την σειρά τους να γραφούν ως W 1 = W 1 e iδ 1 και W 1 = W 1 e iδ 1. Η τελευταία ισότητα ισχύει λόγω ερμιτιανότητας. Δηλαδή θα έχουμε: W 1 = Wψ, ψ 1 = ψ 1, Wψ = W1 Με βάση τα παραπάνω και σκεπτόμενοι ότι W 1 = W 1 καταλήγουμε στην έκφραση: W = p 1 W 11 + p W + c 1 c W 1 cos ω 1 t + δ 1 + φ 1, με φ 1 = φ 1 φ. 1

Παρατήρηση Παρατηρούμε ότι η τελική έκφραση περιλαμβάνει διαφορές φάσεις και όχι φάσεις μεμωνομένες(πχ φ 1, αντί για φ 1 που έχουμε). Η εξήγηση έχει ως εξής: Έχουμε την κυματοσυνάρτηση ψ x, t = c 1 e iφ 1e ie1t/ħ ψ 1 x + c e iφ e iet/ħ ψ x = = e iφ c 1 e i φ 1 φ e ie 1t ħ ψ 1 x + c e ie t ħ ψ x = e iφ ψ(x, t) Οι ψ x, t και ψ(x, t) παρόλο που διαφέρουν κατά τον παράγοντα e iφ, περιγράφουν την ίδια φυσική κατάσταση,γιατί σημασία στην κβαντομηχανική έχει η πιθανότητα. Το εν λόγω εκθετικό αφήνει την πιθανότητα αναλλοίωτη. Άρα φυσική σημασία έχουν μόνο οι διαφορές φάσης. 13

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 15

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών,Ανδρέας Τερζής,014. Ανδρέας Τερζής. «Κβαντική Φυσική Ι. Σύστημα δύο ενεργειακών επιπέδων». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/phy1957/ 16

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 17