5 PŘEDNÁŠKA 5: Jednorozměrný a třírozměrný harmonický oscilátor.

Podobné dokumenty
Kinetická teorie plynů - tlak F S F S F S. 2n V. tlak plynu. práce vykonaná při stlačení plynu o dx: celková práce vykonaná při stlačení plynu:

8.2.1 Aritmetická posloupnost I

8.2.1 Aritmetická posloupnost

3. Lineární diferenciální rovnice úvod do teorie

Budeme pokračovat v nahrazování funkce f(x) v okolí bodu a polynomy, tj. hledat vhodné konstanty c n tak, aby bylo pro malá x a. = f (a), f(x) f(a)

FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ PRVNÍ DIFERENCIÁL

Kapitola 4 Euklidovské prostory

1.3. POLYNOMY. V této kapitole se dozvíte:

1.1. Definice Reálným vektorovým prostorem nazýváme množinu V, pro jejíž prvky jsou definovány operace sčítání + :V V V a násobení skalárem : R V V

6. Posloupnosti a jejich limity, řady

23. Mechanické vlnění

Abstrakt. Co jsou to komplexní čísla? K čemu se používají? Dá se s nimi dělat

P. Girg. 23. listopadu 2012

Spojitost a limita funkcí jedné reálné proměnné

Přednáška 7, 14. listopadu 2014

1. ZÁKLADY VEKTOROVÉ ALGEBRY 1.1. VEKTOROVÝ PROSTOR A JEHO BÁZE

jsou reálná a m, n jsou čísla přirozená.

8.1.3 Rekurentní zadání posloupnosti I

Zimní semestr akademického roku 2015/ listopadu 2015

DERIVACE FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROM

Matematika I, část II

3. cvičení - LS 2017

Kapitola 5 - Matice (nad tělesem)

3. cvičení - LS 2017

1 Základy Z-transformace. pro aplikace v oblasti

Úloha 1(10 bodů) Mějme dvourozměrný kvantový lineární harmonický oscilátor s hamiltoniánem

L A B O R A T O R N Í C V I Č E N Í Z F Y Z I K Y

n=1 ( Re an ) 2 + ( Im a n ) 2 = 0 Im a n = Im a a n definujeme předpisem: n=1 N a n = a 1 + a a N. n=1

Pravděpodobnost a aplikovaná statistika

1 Uzavřená Gaussova rovina a její topologie

Kapitola 5. Schrödingerova rovnice

STUDIUM MAXWELLOVA ZÁKONA ROZDĚLENÍ RYCHLSOTÍ MOLEKUL POMOCÍ DERIVE 6

Petr Šedivý Šedivá matematika

Pro statistické šetření si zvolte si statistický soubor např. všichni žáci třídy (několika tříd, školy apod.).

I. Exponenciální funkce Definice: Pro komplexní hodnoty z definujeme exponenciální funkci předpisem. z k k!. ( ) e z = k=0

množina všech reálných čísel

Matematika 1. Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D / 13. Posloupnosti

1 Základní pojmy a vlastnosti

P2: Statistické zpracování dat

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

Obsah. 1 Mocninné řady Definice a vlastnosti mocninných řad Rozvoj funkce do mocninné řady Aplikace mocninných řad...

ŘADY Jiří Bouchala a Petr Vodstrčil

Přijímací řízení akademický rok 2013/2014 Bc. studium Kompletní znění testových otázek matematika

Přijímací řízení akademický rok 2012/2013 Kompletní znění testových otázek matematické myšlení

Lineární a adaptivní zpracování dat. 8. Modely časových řad I.

MATICOVÉ HRY MATICOVÝCH HER

Odhady parametrů polohy a rozptýlení pro často se vyskytující rozdělení dat v laboratoři se vyčíslují podle následujících vztahů:

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

5. Posloupnosti a řady

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

7. Analytická geometrie

Iterační výpočty projekt č. 2

12. N á h o d n ý v ý b ě r

8.2.7 Geometrická posloupnost

11. přednáška 16. prosince Úvod do komplexní analýzy.

Lineární programování

Analýza a zpracování signálů. 4. Diskrétní systémy,výpočet impulsní odezvy, konvoluce, korelace

1.7.4 Těžiště, rovnovážná poloha

Posloupnosti a číselné řady. n + 1. n n n n. n n n. = lim. n2 sin n! lim. = 0, je lim. lim. lim. 1 + b + b b n) = 1 b

( + ) ( ) ( ) ( ) ( ) Derivace elementárních funkcí II. Předpoklady: Př. 1: Urči derivaci funkce y = x ; n N.

5 Křivkové a plošné integrály

Užitečné zdroje příkladů jsou: Materiály ke cvičením z Kalkulu 3 od Kristýny Kuncové:

Číselné řady. 1 m 1. 1 n a. m=2. n=1

a logaritmickou funkci a goniometrické funkce. 6.1 Násobení řad. Podívejme se neprve na násobení mnohočlenů x = x x n a y = y y n.

ZÁKLADNÍ STATISTICKÉ VÝPOČTY (S VYUŽITÍM EXCELU)

6. FUNKCE A POSLOUPNOSTI

Sekvenční logické obvody(lso)

FYZIKÁLNÍ SEKCE. Vzorové řešení první série úloh

Komplexní čísla. Definice komplexních čísel

definované pro jednotlivé řády takto: ) řádu n nazýváme číslo A = det( A) a a a11 a12

procesy II Zuzana 1 Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky Univerzita Karlova v Praze

Přijímací řízení akademický rok 2013/2014 NavMg. studium Kompletní znění testových otázek matematika a statistika

1.2. NORMA A SKALÁRNÍ SOUČIN

OKRUŽNÍ A ROZVOZNÍ ÚLOHY: OBCHODNÍ CESTUJÍCÍ. FORMULACE PŘI RESPEKTOVÁNÍ ČASOVÝCH OKEN

6 Intervalové odhady. spočteme aritmetický průměr, pak tyto průměry se budou chovat jako by pocházely z normálního. nekonečna.

MATEMATICKÁ INDUKCE. 1. Princip matematické indukce

2. Definice plazmatu, základní charakteristiky plazmatu

Cvičení 6.: Bodové a intervalové odhady střední hodnoty, rozptylu a koeficientu korelace, test hypotézy o střední hodnotě při známém rozptylu

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Užití binomické věty

3. ELEMENTÁRNÍ FUNKCE A POSLOUPNOSTI. 3.1 Základní elementární funkce. Nejprve uvedeme základní elementární funkce: KONSTANTNÍ FUNKCE

Laboratorní práce č. 10 Úloha č. 9. Polarizace světla a Brownův pohyb:

IAJCE Přednáška č. 12

5. Lineární diferenciální rovnice n-tého řádu

základním prvkem teorie křivek v počítačové grafice křivky polynomiální n

Analýza a zpracování signálů. 3. Číselné řady, jejich vlastnosti a základní operace, náhodné signály

Definice obecné mocniny

Funkce. RNDr. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

8.1.2 Vzorec pro n-tý člen

n=0 a n, n=0 a n = ±. n=0 n=0 a n diverguje k ±, a píšeme n=0 n=0 b n = t. Pak je konvergentní i řada n=0 (a n + b n ) = s + t. n=0 k a n a platí n=0

Aritmetická posloupnost, posloupnost rostoucí a klesající Posloupnosti

1. Číselné obory, dělitelnost, výrazy

Deskriptivní statistika 1

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY (ČASOVÉ ŘADY)

8.1.2 Vzorec pro n-tý člen

Matematika NÁRODNÍ SROVNÁVACÍ ZKOUŠKY BŘEZNA 2018

Matematika 1. Ivana Pultarová Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D Posloupnosti

Vlastnosti posloupností

Cvičení 6.: Výpočet střední hodnoty a rozptylu, bodové a intervalové odhady střední hodnoty a rozptylu

Téma: 11) Dynamika stavebních konstrukcí

Transkript:

5 PŘEDNÁŠKA 5: Jedorozměrý a třírozměrý harmoický oscilátor. Půjde o spektrum harmoického oscilátoru emá to ic společého se spektrem atomu ebo se spektrálími čarami atomu. Liší se to právě poteciálem! Nakreslete si jak oba poteciály vypadá harmoický poteciál a Coulombovský poteciál. To jsou v přírodě dva velmi důležité případy yí se budeme věovat prvímu. Ukážeme že přiřazeí (() a (5)) a pricip korespodece vysvětlují Plackův předpoklad o diskrétosti spektra eergie harmoického oscilátoru což byl vedle výpočtu spektra vodíku (viz..5) jede z hlavích argumetů pro správost takto budovaé teorie. Operátor eergie Hamiltoiá kvatové částice pohybující se v silovém poli harmoického oscilátoru je podle pricipu korespodece (5) m H = V x = x m m (odvodit pro harm. oscilátor) Dosadili jsme zde kokrétí tvar za poteciál V x. Vycházíme z rovice (5) kterou jsme odvodili ze Schrödigerovy rovice pro časově ezávislý poteciál. Ukážeme že (omezíme-li defiičí obor operátoru a kvadraticky itegrovatelé fukce) je možia vlastích hodot tj. čísel λ pro která existuje fukce ψ x splňující H = (55) je diskrétí a odpovídá Plackově hypotéze. Operátor (5) je součtem tří operátorů H = H H H (56) d m H j= xj m dx j (57) a můžeme se pokusit hledat vlastí fukce operátoru (5) ve faktorizovaém tvaru x = x x x Rovice (55) pak přejde a tvar (58)

H H H = Nalezeme-li vlastí čísla λ j fukce (formálě stejých) operátorů H j j = j j (59) H j (60) pak získáme i vlastí čísla operátoru (5) : = (6) Jedorozměrý harmoický oscilátor. Zkoumejme tedy apřed jedorozměrý případ tedy operátor d m H = x m dx (6) Teto operátor lze považovat za operátor eergie jedorozměrého harmoického oscilátoru tj. kvatové částice pohybující se pouze v jedom rozměru (a přímce). [T] Možia vlastích čísel operátoru (6) působícího v prostoru kvadraticky itegrabilích fukcí jedé proměé je tvořea reálými čísly ℏ kde Z +. Pro každé existuje (až a multiplikativí kostatu) právě jeda vlastí fukce x = A e kde = / H x a H jsou Hermitovy polyomy ℏ [ /] k k H z := z! k! k! (6) (6) k =0 kde [r ] je celá část reálého čísla r. Kostatu A ormalizující fukci je možo vyjádřit (65) A=! ℏ Důsledkem tvrzeí [T] je že eergie kvatového jedorozměrého harmoického oscilátoru s m V x = x může abývat pouze hodot z diskrétí možiy poteciálem {ħω Z + }. Teto závěr je ve shodě s Plackovou hypotézou použitou pro odvozeí spektrálí závislosti itezity zářeí absolutě čerého tělesa. ħω Nejižší možá eergie eí ulová! Čle představuje tzv. ulové kmity.

Několik prvích Hermitovských polyomů: H 0 x = H x =x H x =x H x =8x x H x =6x 8x H 5 x =x 5 60x 0x H 6 x =6x 6 80x 70x 0 H 7 x =8x 7 x5 60x 680x 8 6 H 8 x =56x 58x 0x 0x 680 [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/] (66) [wikipedia: quatum harmoic oscillator] [wikipedia: hermitia polyomials] I když Hermitovské polyomy utíkají do ekoeča vlastí fukce Hamiltoiáu jdou k ule díky expoeciálímu prefaktoru. Připomeňme si jak vypadala pravděpodobost alezeí klasického harmoického oscilátoru. Cvičeí: x = A x Třírozměrý harmoický oscilátor. Nyí se můžeme vrátit k původímu problému vlastích hodot operátoru (5) pro třírozměrý harmoický oscilátor. Z rozkladu (59) je zřejmé že fukce x x x = x x x kde x (67) jsou dáy vzorcem (6) jsou vlastími fukcemi operátoru (5) s vlastími čísly

= = ℏ. Je třeba ještě ukázat že žádá další vlastí čísla eexistují: [T] Možia vlastích fukcí operátoru (6) x = x K e ℏ H! x K= ℏ ℏ / (68) je ortoormálí bazí v Hilbertově prostoru kvadraticky itegrovatelých fukcí a prostoru R. [T] Možia fukcí (67) kde ψ x jsou dáy vzorcem (68) je ortoormálí bází v Hilbertově prostoru kvadraticky itegrovatelých fukcí a prostoru R. Braketovou termiologii: pro fukce (68) a (67) se často používá tzv. ketové začeí = = (69) QMCA: Dirakova otace vztahy.-.5. Z tvrzeí [T] a [T] rověž plye že spektra Hamiltoiáů (6) a (5) jsou čistě bodová (SKM 7..9). Nejsou však stejá. Možia vlastích hodot hamiltoiáu operátoru eergie jedorozměrého harmoického oscilátoru se liší od spektra trojrozměrého oscilátoru. Obsahuje avíc hodotu ℏ /. Neí to však jediý rozdíl. Zatímco pro jedorozměrý oscilátor každé vlastí hodotě odpovídá právě jeda vlastí fukce až a multiplikativí kostatu pro třírozměrý oscilátor závisí dimeze podprostoru vlastích fukcí a hodotě vlastího čísla. Například podprostor vlastích fukcí operátoru (5) s vlastím číslem λ=7/ ħ je tvoře lieárím obalem fukcí (67) kde trojice abývají hodot (0 ) ( 0 ) ( 0) (0 0 ) (0 0) ( 0 0). Rozměr tohoto podprostoru je šest. Jedoduchou kombiatorickou úvahou lze zjistit že rozměr podprostoru vlastích fukcí operátoru (5) s vlastím číslem λ= / ħω je /. To je zásadí věc. Pokud jsme byli schopi změřit eergii jedorozměrého oscilátoru zali jsme okamžitě jeho stav. Pro D harmoický oscilátor odpovídá jedé hodotě eergie více ezávislých vlastích fukcí musíme tedy provést ještě další měřeí které vlastí fukci upřesí (samo měřeí eergie už estačí). Už v prví předášce jsme také viděli že měřeí v kvatové fyzice jsou ivaziví. Mohou tedy změit kvatový stav částice. Musíme tedy měřeí provádět velmi chytře aby ke změě stavu edošlo. Jak to udělat tomu se budeme dále věovat. Stav s ejižší eergií se obvykle azývá základím stavem zatímco ostatí stavy se azývají excitovaé. Závěr z předášky: Hladiy eergie jsou diskrétí. Tetokrát to eí (jako v Plackově případě) tvrzeí ad hoc ale důsledek pečlivě budovaé teorie. Existuje malá ale eulová pravděpodobost alezeí oscilátoru mimo oblast která je z klasického pohledu zakázaá. To úzce souvisí s tuelovým jevem. V limitě velkých eergií se pravděpodobost alezeí oscilátoru v určité vzdáleosti od rovovážého stavu blíží ke klasickému výsledku odvozeému a cvičeí. Pro D HO eergie jedozačě idetifikuje vlovou fukci a tudíž I stav systému. V případe D HO tomu tak eí a jedé hladiě eergie odpovídá více růzých vlových fukcí a tedy I více stavů systému. Jak je rozlišit budeme studovat v ásledujících předáškách. To co bylo odvozeo pro D HO platí pro izotropí HO. Tedy takový který má ve všech 5

směrech stejou silovou kostatu a tudíž také stejé. Stav eizotropího D HO může být urče eergií jedozačě. Viděli jsme k aší smůle že a houpačce se emůžeme houpat jak chceme máme k dispozici pouze diskrétí eergetické hladiy. Takže když vám váš syek bude prosit abyste ho pohoupali a eergetické hladiě jié ež ℏ / tak ho budete muset zklamat. Naštěstí je ale ℏ velmi malé takže ho budete moci houpat s eergií je epatrě odlišou od požadovaé a tudíž je velká šace že si toho ai evšime. Větší problém tak bude s frekvecí která je přímo defiovaá hmotostí syka a houpačce a její délkou (pro malé výchylky). Srovej kyvadlo hodi evoluta cykloidy atp. 6