(a) [1 Punkt] Zeigen Sie, dassa+unda−die Vertauschungsrelationen [ai, a†j] =δij erf¨ullen

Karlsruher Institut f¨ur Technologie Institut f¨ur Theoretische Festk¨orperphysik Ubungen zur Modernen Theoretischen Physik I¨ SS 14

Prof. Dr. Gerd Sch¨on Blatt 9

Andreas Heimes, Dr. Andreas Poenicke Besprechung 02.07.2014

1. Harmonischer Oszillator und Drehimpuls (4 Punkte) Wir betrachten den zweidimensionalen harmonischen Oszillator

H = X

j=x,y

P_j² 2m+1

2mω²X_j². Es seienb^†_j=pmω

2~Xj−^{√ i}

2m~ωPjundbj =pmω

2~Xj+^{√ i}

2m~ωPjdie entsprechenden Auf- und Absteigeoperatoren, welche die Vertauschungsrelationen [b_i, b^†_j] =δ_ij erf¨ullen. Im Folgenden f¨uhren wir die Operatorena₊= (b_x+ib_y)/√

2 unda₋ = (b_x−ib_y)/√ 2 ein.

(a) [1 Punkt] Zeigen Sie, dassa+unda−die Vertauschungsrelationen [ai, a^†_j] =δij erf¨ullen.

Zeigen Sie weiterhin, dass das Tensorprodukt|n+, n−i=|n+i ⊗ |n−ider Eigenzust¨ande vonN₊=a^†₊a₊ undN₋=a^†₋a₋Eigenzust¨ande zuH sind. Bestimmen Sie die Energie- Eigenwerte und deren Entartung.

(b) [1 Punkt] Zeigen Sie, dass die drei Operatoren

J+=~a^†₊a−, J−=~a^†₋a+, Jz= ~

2(a^†₊a+−a^†₋a−).

der Drehimpuls-Algebra [J₊, J₋] = 2~J_z, [J_z, J_±] = ±~J_± gen¨ugen (siehe Blatt 8 Aufgabe 3).

(c) [1 Punkt] Zeigen Sie, dass [J², H] = 0 und [J_z, H] = 0 und dass die Eigenzust¨ande

|n₊n₋idarstellbar sind durch die Quantenzahlen j undmder Drehimpuls-Operatoren J² undJ_z, d.h.

|j, mi= (a^†₊)^j+m p(j+m)!

(a^†₋)^j−m

p(j−m)!|0i. (1) [Hinweis: Zeigen Sie zun¨achst, dass J² = ~^2N2(^N₂ + 1) mit N = N++N₋ und Jz =

~(N+−N₋)/2.]

(d) [1 Punkt] Zeigen Sie, dass f¨urm < j J+|j, mi=~p

j(j+ 1)−m(m+ 1)|j, m+ 1i,

indem Sie J+ auf Gl. (1) anwenden und dabei die Vertauschungsrelationen f¨ur a± und a^†_± benutzen. Zeigen Sie außerdem, dass

K₊|j, mi=~p

(j+m+ 1)(j−m+ 1)|j+ 1, mi, wobeiK+=~a^†₊a^†₋.

[Hinweis: Zeigen sie zun¨achst, dassa±(a^†_±)^p= (a^†_±)^pa±+p(a^†_±)^p−1 mitp∈N.]

2. Fock-Darwin-Spektrum (2 Punkte) Wir betrachten den zweidimensionalen Harmonischen Oszillator im Magnetfeld, d.h.

H = (Px+^qB₂ Xy)²

2m +(Py−^qB₂ Xx)²

2m +1

2mω²(X_x²+X_y²). (2) wobei wir die EichungA=B/2(−Xy, Xx,0) f¨ur das Vektorpotenzial genutzt haben. Schrei- ben Sie Gl. (2) ausgedr¨uckt durch die in Aufgabe 1 definierten Auf- und Absteigeoperatoren a^†_± unda_±. Bestimmen und Skizzieren Sie das Energiespektrum als Funktion des Magnet- feldes.

3. Radialfunktionen des Wasserstoffatoms (4 Punkte) Ausgehend von der Radialgleichung

−~² 2m

d²

dr² +~²l(l+ 1) 2mr² −e²

r

u_k,l(r) =E_k,lu_k,l(r), (3) welche in der Vorlesung hergeleitet wurde, wollen wir im Folgenden die Radiall¨osungenuk,l(r) herleiten.

(a) [0.5 Punkte] Schreiben Sie Gl. (3) mit der dimensionslosen Variablenρ= 2κr und dem dimensionslosen Parameter _λ¹

k,l = _κa¹

0, wobei κ=

q−2mEk,l

~² unda0= _me^~22.

(b) [0.5 Punkte] Zeigen Sie, dass im Limesρ→ ∞die physikalisch relevante L¨osung n¨ahe- rungsweise gegeben ist durchuk,l(ρ) = exp(−ρ/2).

(c) [1 Punkt] Machen Sie den Ansatzu_k,l(ρ) =ρ^l+1e^−ρ/2v_k,l(ρ) und zeigen sie, dassv_k,ldie Differentialgleichung

ρd²

dρ² + (2l+ 2−ρ) d dρ−

l+ 1− 1 λ_k,l

vk,l(ρ) = 0 erf¨ullt.

(d) [1 Punkt] Machen Sie einen Potenzreihenansatzv_k,l(ρ) =P∞

p=0b_pρ^pund zeigen Sie, dass die Koeffizientenb_p die Rekursionsgleichung

p(2l+ 1 +p)bp=

l+p− 1 λk,l

bp−1

erf¨ullen, wobeib0= 1.

(e) [1 Punkt] Damituk,l(ρ) eine physikalisch sinnvolle L¨osung darstellt, muss die Potenzreihe in (d) f¨ur einen bestimmten Wertp=k mit k= 1,2, ...abbrechen. Welche Bedingung muss daher λk,l erf¨ullen, damit dann bk = 0 gilt. Bestimmen Sie mit diesem Hinweis die Eigenenergien Ek,l. Geben Sie uk,l(r) f¨ur {k = 1, l = 0}, {k = 2, l = 0} und {k= 1, l= 1}an und skizzieren Sie die Funktionen ^uk,l_r^(r).