Commutatie-relaties voor impulsmoment

Vergelijkbare documenten
Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 3: 6 oktober 2016

Aanvullingen van de Wiskunde

Hoofdstuk 10: Partiële differentiaalvergelijkingen en Fourierreeksen

-- I HOOFDSTUK I INLEIDING TOT ENKELE QUANTUMMECHANISCHE BEGRIPPEN

-- V HOOFDSTUK V STORINGSREKENING

-- III De variatiemethode berust voor de grondtoestand op het volgende theorema:

Verstrooiing aan potentialen

Kies voor i een willekeurige index tussen 1 en r. Neem het inproduct van v i met de relatie. We krijgen

Impulsmoment en spin: een kort resumé

Tentamen. Kwantumchemie & Fysica (4051QCHFY-1314FWN) Datum: 10 April Tijd/tijdsduur: 3 uur

Vlakke meetkunde. Module Geijkte rechte Afstand tussen twee punten Midden van een lijnstuk

Vincent van der Noort Scoop vult de gaten in onze kennis... Het gevoel van eigenwaarden van David J. Griffith

Quantum Tunneling. Rob Hesselink. Maart Introductie 2. 2 De Schrödingervergelijking 2. 3 Eigentoestanden van de barrière 3

Tentamen Quantum Mechanica 2

LIEGROEPEN OPGAVEN. Gerard t Hooft

Uitwerking Tentamen Klassieke Mechanica I Dinsdag 10 juni 2003

Inwendig product, lengte en orthogonaliteit

Inwendig product, lengte en orthogonaliteit in R n

11.3. Inhomogene randwaardeproblemen. We beschouwen eerst inhomogene Sturm- Liouville randwaardeproblemen van de vorm :

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (3D020)

Vectorruimten met inproduct

5.8. De Bessel differentiaalvergelijking. Een differentiaalvergelijking van de vorm

Qubits Een andere invalshoek voor kwantummechanica in het secundair onderwijs

Tentamen Inleiding Quantumchemie (MST1171)

Combinatoriek groep 2

Hoofdstuk 11: Randwaardeproblemen en Sturm-Liouville theorie

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 4: 13 oktober 2016

Relativistische quantummechanica

1 OPGAVE. 1. Stel dat we kansdichtheid ρ van het Klein-Gordon veld φ zouden definieren op de Schödingermanier

-- IX (q)e - ie 2 t/h

Unitaire en Hermitese transformaties

Stelsels Vergelijkingen

Combinatoriek groep 1

Deeltjes en velden. HOVO Cursus. Jo van den Brand 10 oktober

Buiging van een belaste balk

Tweede huiswerkopdracht Lineaire algebra 1 Uitwerking en opmerkingen

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

(10 pnt) Bepaal alle punten waar deze functie een relatief extreem of een zadelpunt heeft. Opgave 3. Zij D het gebied gegeven door

Opgaven Hilbert-ruimten en kwantummechanica (2006)

Je hebt twee uur de tijd voor het oplossen van de vraagstukken. µkw uitwerkingen. 12 juni 2015

Combinatoriek groep 1 & 2: Recursie

Lineaire Afbeelding Stelsels differentiaalvergelijkingen. 6 juni 2006

V.2 Limieten van functies

4 Positieve en niet-negatieve lineaire algebra

Kleine Mechanica van de Schaatsslag

EXAMEN LINEAIRE ALGEBRA EN MEETKUNDE I

III.2 De ordening op R en ongelijkheden

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Tentamen TCl l8 januari 2008' 9-12uur, zaal Cl (Gorlaeus).

3 QUANTUMMECHANICA 70

Symmetrische matrices

Quantum Chemie II 2e/3e jaar

Lineaire algebra I (wiskundigen)

6. Lineaire operatoren

Voorbeeld Tentamen Quantumchemie II

Het Zeemaneffect. Folkert Nobels 1 *, Bas Roelenga Theorie. Contents. Inleiding

HERTENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Algebra groep 2 & 3: Standaardtechnieken kwadratische functies

Voorbeeld 1: Oneindig diepe potentiaalput

De wortel uit min één. Jaap Top

Vectormeetkunde in R 3

a) Bepaal punten a l en b m zó dat de lijn door a en b parallel is met n.

Uitwerkingen tentamen lineaire algebra 2 13 januari 2017, 10:00 13:00

Lineaire algebra 1 najaar Complexe getallen

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

QUANTUM FYSICA 1 3NB50. donderdag 28 oktober uur. Dit tentamen omvat 2 opgaven.

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

V Kegelsneden en Kwadratische Vormen in R. IV.0 Inleiding

Mathematical Modelling

Uit: Niks relatief. Vincent Icke Contact, 2005

Antwoorden op de theoretische vragen in de examen voorbereiding

MOLECULAIRE QUANTUMMECHANICA

wordt de stelling van Pythagoras toegepast, in dit geval twee keer: eerst in de x y-vlakte en vervolgens in de vlakte loodrecht op de vector y.

Les 1 : Vectoren. Hoofdstuk 6 Vectormeetkunde (H4 Wiskunde D) Pagina 1 van 14. Definities Vector x = ( a ) wil zeggen a naar rechts en b omhoog.

Tentamen Lineaire Algebra UITWERKINGEN

Complexe functies 2019

De Dirac vergelijking

De n-dimensionale ruimte Arjen Stolk

Matrices en Stelsel Lineaire Vergelijkingen

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 4

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 2

Tentamen Quantum Mechanica 2

Hoofdstuk 6 : Vectormeetkunde

Vertaling van propositie 11 van boek 13 van de Elementen van Euclides

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 1

Solid Mechanics (4MB00): Tussentoets 1 3

Opgaven bij het college Kwantummechanica 3 Week 14

Opgaven voor Tensoren en Toepassingen. 1 Metrieken en transformatiegedrag

Voor afmetingen waarvoor geen bewerkingsprijs staat vermeld gelden de prijzen op aanvraag

Tentamen Biostatistiek 3 / Biomedische wiskunde

Tentamen Lineaire Algebra B

TENTAMEN LINEAIRE ALGEBRA 1 donderdag 23 december 2004,

Eigenwaarden en Diagonaliseerbaarheid

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 5: 3 november 2016

3 Wat is een stelsel lineaire vergelijkingen?

Uitwerking 1 Uitwerkingen eerste deeltentamen Lineaire Algebra (WISB121) 3 november 2009

Geadjungeerde en normaliteit

UITWERKINGEN d. Eliminatie van a geeft d. Eliminatie van b,

Lineaire Algebra voor W 2Y650

Analyse: vraagstuk van Kepler

Transcriptie:

Commutatie-relaties voor impulsmoment Inleiding De operatoren voor impulsmoment in de quantum-mechanica zijn gedefiniëerd door de volgende commutatierelaties: i, j = i hε ijk k, 1) met ε ijk het evi-civita symbool. Uit deze vergelijking kunnen we andere commutatie-relaties afleiden, die gegeven zijn in de volgende vergelijkingen., = 0 a) z, ± = ± h ± b), ± = 0 c), = h z d) We willen nu deze vergelijkingen één voor één afleiden. Voor verg. a) definiëren we het impulsmoment = x, y, z ) en daarmee = x y z. Daarmee hebben we, x = x, x y, x z, x = y y, x y, x y z z, x z, x z = y i h z ) i h z ) y z i h y ) i h y ) z = 0. 3) Hiermee hebben we verg. a) bepaalt. Voor verg. b) definiëren we de ladder-operatoren ± als Dan hebben we z, ± = z, x ± i z, y ± x ± i y. 4) = i h y ± i i h x ) = ± h x ± i y ) = ± h ±. 5) Verder zien we meteen dat verg. c) geldt, omdat met zowel x en y commuteert. Voor verg. d) volgt Hiermee hebben de relaties afgeleid., = x i y, x i y = i y, x i x, y = h z. 6) Gemeenschappelijke eigenfuncties We willen laten zien, dat als ψ een eigenfunctie is van en z, dat de golffunctie Λ ± ψ ook een eigenfunctie is. We schrijven hiervoor: ψ = λψ en z ψ = µψ. 7) We willen niet alleen bewijzen dat ± ψ een eigenfunctie van en z is, maar ook de waarde van λ en µ bepalen.

Commutatie-relaties voor impulsmoment Voor is dat makkelijk door gebruik te maken van verg. c): ± ψ) = ± ψ ) = ± λψ) = λ ± ψ), 8) waarmee niet alleen bewezen is dat ± ψ een eigenfunctie is van, maar ook dat de eigenwaarde λ is, evenals de eigenwaarde van ψ. Voor ± gebruiken we verg. b). We schrijven dan z ± ψ) = z ± ± z ) ψ ± z ψ) = ± h ± ψ ± µψ) = µ ± h) ± ψ, 9) waaruit blijkt dat ± ψ niet alleen een eigenfunctie is van z, maar dat de eigenwaarde ten opzichte van de eigenwaarde van ψ verandert met ± h. Dat definiëert voor één waarde van λ een ladder, waarbij de werking van ± de eigenwaarde van z verandert met ± h. ψ t 4 ψ 3 ψ ψ ψ ψ ψ ψ ψ b m t h μ 4 h μ 3 h μ h μ h μ μ h μ h m b h De ladder voor de impuls-operator voor één waarde van λ. Door toepassen van = x i y op de eigenfunctie ψ krijgen we wederom een eigenfunctie van z, waarbij de eigenwaarde met h is veranderd. Toepassen van = x i y verandert de eigenwaarde met h. Omdat de lengte van de vector beperkt is, kan de absolute waarde van de z-component niet groter zijn dan de lengte van. Daarom is de ladder naar onder en naar boven begrenst door de waarden m b h en m t h. Eigenwaarden Voor de verwachtingswaarde van het kwadraat van het impulsmoment hebben we = x y z. 10) Merk op, dat de verwachtingswaarde van het kwadraat van een operator de norm is van de golffunctie Qψ: Q = ψ Q ψ = Qψ Qψ = Qψ, 11) en daarmee dat alle termen in verg. 10) positief zijn. Voor één eigenwaarde λ van moet daarmee de absolute waarde van de eigenwaarde van z begrensd zijn, namelijk µ λ. We noemen de minimale waarde van µ daarom m b h en de maximale waarde m t h. Dan hebben we We willen nu m b en m t bepalen. We schrijven hiervoor = x y z m b h z m t h. 1) ) 1 4 ) z = 1 4 ) 1 4 ) z = 1 ) z = 1, ) z = h z z, 13)

Commutatie-relaties voor impulsmoment 3 waarbij we in de laatste stap verg. d) gebruikt hebben. Evenzo kunnen we schrijven = h z z 14) We passen deze relaties nu toe op ψ t en ψ b, dat wil zeggen de eigenfuncties behorende bij de eigenwaarden m t h en m b h van z. Voor ψ t volgt ψ t = h z z ) ψ t = 0 m t h m t h ) ψ t waarmee we bepaald hebben, dat λ = m t m t 1) h. Voor ψ b volgt = h m t m t 1)ψ t, 15) ψ b = h z z ) ψ b = 0 m b h m b h ) ψ b = h m b m b 1)ψ b, 16) en daarmee λ = m b m b 1) h. Stellen we beide waarden van λ aan elkaar gelijk, dan volgt m b = m t 1 of m b = m t. Het eerste geval kan niet kloppen, omdat we hebben m b < m t. Stellen we nu m t = m b = l, dan hebben we λ = ll 1) h. Verder is het aantal stappen N van m b tot m t gelijk aan l, waardoor l = N/. Hieruit volgt, dat l zowel heeltallig als halftallig kan zijn. De conclusie is daarmee, dat ψ = ll 1) h ψ, z ψ = m hψ en m = l, l 1,..., l 1, l, 17) waarbij l zowel heel- als halftallig kan zijn: l = 0, 1 /, 1, 3 /,, 5 / 3, 3,... 18) Vector-beeld voor We willen nu bepalen, hoe we de verwachtingswaarde van en zijn componenten moeten interpreteren. We weten voor de eigenfuncties, dat zowel en z welbepaald zijn; = ll 1) h z = m h 19) Verder kunnen we eenvoudig de verwachtingswaarde van x en y bepalen, namelijk x = 1 = 0, 0) omdat beide operatoren de eigenfunctie van z veranderen, die orthogonaal zijn. Ook voor y krijgen we dan y = 1 i = 0. 1) Daarmee resteert de verwachtingswaarde van het kwadraat van beide operatoren.

Commutatie-relaties voor impulsmoment 4 Eerst willen we laten zien, dat de verwachtingswaarde van het kwadraat van beide operatoren aan elkaar gelijk is. Namelijk x = 1 4 1 4 ) en Daaruit volgt y = 1 4 1 4 x. 3) = x y z = x z, 4) oftewel ll 1) h = x m h, 5) waaruit eenvoudig volgt x = y = h ll 1) m ). 6) Hiermee is het vector-beeld van compleet. De lengte van de vector is iets groter dan de maximale z- component. De z-component is gequantiseerd en kan alleen een heeltallig of halftallig keer h zijn. De verwachtwaarde van de x- en y-component is nul, maar de verwachtingswaarde van het kwadraat van de componenten is niet nul. Daarmee ligt de vector op een cirkel in een vlak parallel aan het xy-vlak, waarbij de straal van de cirkel afneemt naarmate de absolute waarde van de z-component toeneemt. adder-operatoren Tot slot willen we de coëfficiënten bepalen voor de ladder-operatoren. Schrijven we en gebruiken we = h z z dan volgt lm = A lm l m 1. 7) lm lm = lm lm hlm z lm lm z lm 8)

Commutatie-relaties voor impulsmoment 5 oftewel ll 1) h = A lm A lm l m 1 l m 1 m h m h, 9) waarbij we gebruik gemaakt hebben van het feit, dat de hermitische geconjugeerde van de operator is. Daarmee wordt lm = A lm ) l m 1 en kiezen we A lm reëel. Hieruit volgt Omdat we een vergelijkbare afleiding voor kunnen geven, volgt Hiermee hebben we alle benodigde relaties afgeleid. A lm) = h ll 1) mm 1)). 30) ± lm = h ll 1) mm ± 1) l m ± 1. 31)