8.2. Der harmonische Oszillator, quantenmechanisch

Ähnliche Dokumente
Übungen Quantenphysik

6 Der Harmonische Oszillator

WKB-Methode. Jan Kirschbaum

Theoretical Biophysics - Quantum Theory and Molecular Dynamics. 3. Vorlesung. Pawel Romanczuk WS 2017/18

Potentialtöpfe und Potentialbarrieren

Die Schrödinger Gleichung

Theoretical Biophysics - Quantum Theory and Molecular Dynamics. 4. Vorlesung. Pawel Romanczuk WS 2016/17

Der harmonische Oszillator anhand eines Potentials

mit n =1, 2, 3,... (27) Die gesuchten Wellenfunktionen sind Sinuswellen, deren Wellenlänge λ die Bedingung L = n λ 2

Festkörperelektronik 3. Übung

Die Schrödingergleichung

r r : Abstand der Kerne

Ferienkurs Theoretische Mechanik 2009 Hamilton Formalismus und gekoppelte Systeme

Wigner-Funktion und kohärente Zustände

Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie. Kohärente Zustände des harmonischen Oszillators. Thomas Biekötter

I. Grundlagen der Quantenphysik I.1 Einleitung I.2 Historisches I.3 Die Schrödinger-Gleichung I.4 Die Wellenfunktion I.5 Das freie quantenmechanische

Das Unschärfeprodukt x p in der klassischen Mechanik Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie. Jonas Lübke

ν und λ ausgedrückt in Energie E und Impuls p

Theoretische Physik II Quantenmechanik

Physik 1 für Ingenieure

Probeklausur zu Physikalische Chemie II für Lehramt

Cusanus-Gymnasium Wittlich. Physik Schwingungen. Fachlehrer : W.Zimmer. Definition

k m = 2 f (Frequenz) k = 2 m gilt näherungsweise für alle Schwingungen, falls die Auslenkungen klein genug sind (ähnliches Potential ähnliche Kraft)

Eindimensionale Potentialprobleme

4.9 Der Harmonische Oszillator

6.7 Delta-Funktion Potentialbarriere

1 Die Schrödinger Gleichung

5 Schwingungen und Wellen

Ferienkurs Quantenmechanik

Quasi-exakt lösbare quantenmechanische Potentiale

Exakte Lösungen der stationären Schrödingergleichung

Störungstheorie. Kapitel Motivation. 8.2 Zeitunabhängige Störungstheorie (Rayleigh-Schrödinger) nicht-entartete Störungstheorie

Ferienkurs Quantenmechanik I WKB-Näherung und Störungstheorie

Numerische Methoden der Physik. 5 Gewöhnliche Differentialgleichungen, Randwertprobleme

v(t) = r(t) v(t) = a(t) = Die Kraft welche das Teilchen auf der Bahn hält muss entgegen dessen Trägheit wirken F = m a(t) E kin = m 2 v(t) 2

Ferienkurs Quantenmechanik. Schrödingergleichung und Potentialprobleme

VL6. Elemente der Quantenmechanik I 6.1. Schrödingergleichung als Wellengleichung der Materie 6.2. Messungen in der Quantenmechanik

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Übungen zu: Theoretische Physik I klassische Mechanik W 2213 Tobias Spranger - Prof. Tom Kirchner WS 2005/06

Theoretische Physik II: Quantenmechanik

Der quantenmechanische harmonische Oszillator

Eindimensionale Potentialprobleme

Vertiefende Theoretische Chemie Übungen

9.3.3 Lösungsansatz für die Schrödinger-Gleichung des harmonischen Oszillators. Schrödinger-Gl.:

(a) Transformation auf die generalisierten Koordinaten (= Kugelkoordinaten): ẏ = l cos(θ) θ sin(ϕ) + l sin(θ) cos(ϕ) ϕ.

Atome im elektrischen Feld

4.2 Der Harmonische Oszillator

10. Das Wasserstoff-Atom Das Spektrum des Wasserstoff-Atoms. im Bohr-Modell:

Physik III im Studiengang Elektrotechnik

ẋ = v 0 (t t 1 ). x(t) = x 1 + v 0 (t t 1 ). t 1 t 2 (x 2 x 1 ) 2 (t 2 t 1 ) 2. m (x 2 x 1 ) 2. dtl = = m x 2 x 1

Was sind Quantenobjekte?

7 Zwei- und Dreidimensionale Probleme in kartesischen Koordinaten

Beispiele: Harmonischer Oszillator und Kastenpotential

Quantenchemie WS 2008/2009 Zusammenfassung 1. Teil

Musterlösung 01/09/2014

Einführung in die Physik

Ferienkurs Theoretische Quantenmechanik 2010

Ferienkurs Quantenmechanik. Zeitabhängige Schrödingergleichung und der harmonische Oszillator

8 Das Bohrsche Atommodell

Seminar zur Theorie der Atome, Kerne und kondensierten Materie

F R. = Dx. M a = Dx. Ungedämpfte freie Schwingungen Beispiel Federpendel (a) in Ruhe (b) gespannt: Auslenkung x Rückstellkraft der Feder

Probestudium der Physik 2011/12

Technische Schwingungslehre Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Hanss. Aufgabensammlung mit Kurzlösungen

Schrödingergleichung und Potentialprobleme. 1 Zeitentwicklung und Schrödingergleichung

Das Bohrsche Atommodell

Experimentalphysik E1

Aufgabe1 EStrich ist Lennard Jones Potential mit Exponentialfunktion

Klausur zur T1 (Klassische Mechanik)

Die Lösungen einer autonomen Differentialgleichung zweiter Ordnung,

VL6. Elemente der Quantenmechanik I 6.1. Schrödingergleichung als Wellengleichung der Materie 6.2. Messungen in der Quantenmechanik

5. Fourier-Transformation

Klassische Theoretische Physik II (Theorie B) Sommersemester 2016

Harmonischer Oszillator und 3d-Schrödingergleichung

Elektronen in Metallen. Seminar: Nanostrukturphysik 1 Fakultät: 7 Dozent: Dr. M. Kobliscka Referent: Daniel Gillo Datum:

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 22. Dezember 2016 HSD. Physik. Schwingungen

9. Periodische Bewegungen

Übungen zur Theoretischen Physik 1. Übungsblatt

T2 Quantenmechanik Lösungen 2

Kerne und Teilchen. Kernkraft. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 16.

ψ(x,t) = Ae i(kx ωt) (4.5) (analog zu (2.2)) k = 2π λ e

Vorlesung Physik für Pharmazeuten und Biologen

9 Periodische Bewegungen

Kapitel 10. Potentiale Elektronen im Potentialtopf

Physik III im Studiengang Elektrotechnik

9. Vorlesung Wintersemester

Moderne Theoretische Physik II. V: Prof. Dr. D. Zeppenfeld, Ü: Dr. M. Rauch. Klausur 2 Lösung. 04. April 2017, 11:00-13:00 Uhr

4.6.1 Übergangswahrscheinlichkeit für ein Teilchen in einem Potentialtopf

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 05. Januar 2017 HSD. Physik. Schwingungen II

Heute: Wellen, Überlagerung von Wellen, Dispersion, Fourier-Synthese, Huygenssche Prinzip, Kohärenz, Interferenz

Programmierung und Angewandte Mathematik

Übungen zur Theoretischen Physik 2 Lösungen zu Blatt 13

Leistungskurs Physik (Bayern): Abiturprüfung 2000 Aufgabe III Atomphysik

Experimentalphysik E1

PN 2 Einführung in die Experimentalphysik für Chemiker

Lineare Systeme mit einem Freiheitsgrad

Die Schrödingergleichung

5. Eigenschwingungen

Kleine Schwingungen vieler Freiheitsgrade

Transkript:

8.. Der harmonische Oszillator, quantenmechanisch Quantenmechanische Behandlung Klassisch: Rückstellkraft für ein Teilchen der Masse m sei zur Auslenkung : 0.5 0.0 0.5 D m Bewegungsgleichung: m D F -D Potentielle Energie: ( D ~ ) d ~ D V( D/* Kinetische Energie: 0 m p m V( 0.0 Lösungsansatz: (t) 0 cos(ωt) 0.05 0.00-0.6-0.4-0. 0.0 0. 0.4 0.6 harmonicpotential.opj -m ω 0 cos(ωt) -D 0 cos(ωt) Dies ist die klassische Schwingungs-Kreisfrequenz. Potentielle Energie am Punkt ± 0 : V ± ) ( D 0 0 ω D m 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator

Kinetische Energie: v( t) ( t) ω 0 sin( ωt) Die höchste kinetische Energie ist bei 0, v ma 0 ma m ω 0 Ekin ω Nun ist ω ma D/m E kin D0 V ( ± 0) Gesamtenergie: E m ω 0 sin ( ωt) + D m D 0 sin ( ωt) + D0 cos ( ωt) m D (sin ( ωt) + cos ( ωt)) D0 Die Gesamtenergie E mω ist also eine Konstante der Bewegung! 0 Jede Gesamtenergie E, d.h. jeder Wert von 0 ist erlaubt! 0 Quantenmechanisch: Schrödinger-Gleichung: + V ( ( E ψ( d d m ψ 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator

d d m ψ( V ( D [ E V ( ] ψ( d d ψ( Versuch einer numerischen Lösung auf dem Computer: m D E ψ( ) V( 0.5 0.0 0.5 0.0 Gesamtenergie E D E ψ d d ψ ( m ( ψ ) D dψ( d E ψ( 0.05 0.00 0.0 0. 0.4 0.6 ψ( + d ψ ( + d ψ( + ψ ( d ψ ( + ψ ( d harmonicpot0.opj V( ψ( +d ψ ( ψ ( m D E ψ( harmonicpot03.opj 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 3

Rechenvorschrift: i) Man hat ψ( und ψ ( an der Stelle ii) Man berechnet : ( ) m ψ D E ψ( iii) Man berechnet: iv) Man berechnet: ψ ( + ψ ( + ψ ( ψ ( + ψ( + ψ ( Jetzt hat man die Werte ψ(+ und ψ (+ und wiederholt die Vorschrift. Ausgehend von ψ(0), ψ (0) kann man also in diskreten Schritten die gesamte Wellenfunktion berechnen. Es gibt zwei Arten von Lösungen unterschiedlicher Symmetrie: ) Symmetrische Lösungen: ψ g (- ψ g ( ) Antisymmetrische Lösungen: ψ u (- -ψ u ( Für die Ableitungen gilt: ) ψ g (- -ψ g ( ψ g (0) 0 ) ψ u (- ψ u ( ψ u (0) 0 ψ u (0) 0 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 4

Man startet also mit z.b.: ) ψ g (0), ψ g (0) 0 und errechnet die Wellenfunktion für alle 0 für beliebige Energie E ) ψ u (0) 0, ψ u (0) / Für beliebig gewählte Werte von E steigt ψ( für ± eponentiell an! Diese Lösungen sind nicht normierbar! Und damit für gebundene Teilchen nicht akzeptabel! Nur für bestimmte Werte von E gehen die Lösungen ψ( 0 für ±. Diese speziellen Lösungen lassen sich normieren, ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist endlich. Nur diese Lösungen sind akzeptable Lösungen für das quantenmechanische Problem. Im Hinblick auf die Anwendungen in der Atomphysik interessieren uns hier vor allem die Lösungen für E < 0, also für gebundene Teilchen. 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 5

ω e.337 ev n E ω ( n+ ) n 0,,,3,..., Grundzustand n 0 E 0 0.669 ev 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 6

ω e.337 ev n E ω ( n+ ) n 0,,,3,..., Anregungszustand n 0/07/004 3:3 E.85056 ev Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 7

ω e.337 ev n E ω ( n+ ) n 0,,,3,..., Anregungszustand n 0/07/004 3:3 E 3.084 ev Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 8

ω e.337 ev n E ω ( n+ ) n 0,,,3,..., Anregungszustand n 3 0/07/004 3:3 E 3 6.65495 ev Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 9

E ω e.337 ev n 7 n 6 n 5 n 4 n 3 n n n 0 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 0

Eperimentell ( Computational Physics ) D wurden folgende Eigenwerte bestimmt: D 3. J/m Es gilt:.8743 0 5 /s Erwartet : ( n + / ) ω E n Gerade Ungerade Theorie 0.669 0.6685.85056.85055 3.084 3.0845 4.379 4.3795 5.5556 5.5565 6.78535 6.78535 8.089 8.0905 9.575 9.575 0.486 0.4864.705.70 ω e ω m.337 ev Man hat eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den numerisch bestimmten Werten und den Werten aus der analytischen Lösung. In den meisten interessanten Fällen ist die Schrödinger-Gleichung nur numerisch lösbar. Die Vergleiche mit den analytischen Lösungen (sofern diese bekannt sind) dienen also dazu, die Genauigkeit der numerischen Lösungen abzuschätzen. Berechnet mit dem Applet harmony.java 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator

Lösung der eindimensionalen Schrödinger-Gleichung C-Programm Segment: #define NPUNKTE 000 #define NINT 00 int i,j; double,delt,anf,end,psi,dpsi;... PSI.0; DPSI 0.0; /* für gerade Lösungen */ delt (end-anf)/(double)(npunkte-)/(double)(nint-); 0.0; for(i0;i<npunkte;i++) { for(j0;j<nint;j++) { DPSI DPSI + *m/(hbar*hbar)*(v(-e)*psi*delt; /* Neue Ableitung */ PSI PSI + DPSI*delt; /* Neue Wellenfunktion */ +delt; } psiwert[i] PSI; /* Wert an der Stelle i */ } 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator

8.3 Der Potentialtopf (Quantum well) 8.3. Der Quantentopf mit unendlich hohen Wänden -L/ +L/ d ( ) ( ( )) Ψ E V m d Ψ( 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 3

Gerade Lösungen Ungerade Lösungen ψ E n g n g ( n n n u n n π kn (n + ) Enu kn π (n) m A cos( k m L ψ ( m B sin( k m L Die Energieeigenwerte steigen quadratisch mit einer ganzen Zahl n 0,,,3,... an. Im quantumwell mit unendlich hohen Wänden gibt es abzählbar unendlich viele Energieeigenzustände. Die Wellenfunktionen ψ ng ( und ψ nu ( sind reell. Es sind stehende Wellen. Der Impuls dieser Eigenzustände ist Null, d.h. das eingesperrte Teilchen bewegt sich mit keiner Vorzugsrichtung. Es ist stationär. Dynamische Zustände (mit Bewegung) ergeben sich durch die kohärente Überlagerung mehrerer dieser Energieeigenzustände (kommt später). 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 4

Quantumwell mit endlich hohen Wänden, numerische Lösung Quantumwell 0 ev tief nm breit 0 9.7696 ev 8 7.445 ev Energie (ev) 6 4 0 4.663 ev.8635 ev.6590 ev 0.9765 ev - - - 0 Abstand (nm) quantumwellneu.opj 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 5

Dreieckpotential mit endlich hohen Wänden, numerische Lösung Trianglewell 0 ev tief nm breit 0 Energie (ev) 8 6 4 8.048 ev 5.7953 ev.5585 ev 0 - - 0 Abstand (nm) trianglewell.opj 0/07/004 3:3 Teilchen & Wellen SS 004 Denninger Harmonischer Oszillator 6