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2. Wdh. Dichte-Operator f¨ ur ein Spin-

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Technische Universit¨at Prof. Dr. K. Held

Wien Dr. A. Toschi, Dr. P. Hansmann

1. ¨ Ubung zur Quantenmechanik II

Wintersemester 2010/2011

ABGABE: zu Dritt (ausnahmsweise zu 1,2 oder 4 Personen),Freitag,22.10.2010, zu Beginn der ¨Ubungstunde (Tutorium)

NOTE: 23 Klausur, 13 Ubungen¨

1. Wdh. Heisenbergbild

2 Punkte

Gegeben sei ein Spin in einem Magnetfeld inz-Richtung, d.h. folgender Hamiltonian im Schr¨odin- gerbild:

H =−g e

2mcSzB (1)

Berechnen Sie den Spin-Operator f¨ur diex- odery-Richtung im Heisenbergbild und interpretieren Sie das Ergebnis.

2. Wdh. Dichte-Operator f¨ ur ein Spin-

12

-System

1+1+1=3 Punkte Ein Spin 12 Teilchen sei in dem Anfangszustand|sx= 1/2i

a) Schreiben Sie den Dichteoperator f¨ur dieses Teilchen in der Sz basis.

Anschließend fliegt das Teilchen durch einen Stern-Gerlach Apparat, welcher den Spin in z- Richtung mißt mit dem Ergebnis +¯h2.

b) Schreiben Sie den Dichteoperator f¨ur das Teilchen nach dem Messprozess in der Sz-Basis.

c) Zeigen Sie, dass sich das Teilchen in beiden oben beschriebenen F¨allen in einem reinen Zustand befindet.

1

(2)

3. Nobelpreisaufgabe

(leider nur mit Punkten honoriert) 2+2+2=6 Punkte Die Dirac-Gleichung ohne Wechselwirkung mit Impuls p und Energie E in der Pauli-Dirac Schreibweise lautet:

0tΨ +iγj∂Ψ

∂xj −mΨ = 0 mitγ0=

1 0 0 −1

undγj =

0 σj

−σj 0

a) Zeigen Sie, dass die folgenden ebenen Wellen mit 4-er Spinoren L¨osungen dieser Dirac- Gleichung zum Impulsp sind.

Ψ1(r, t) =e−iEpt+ipr

 1 0

pz

Ep+m px+ipy

Ep+m

Ψ2(r, t) =e−iEpt+ipr

 0 1

px−ipy

Ep+m

−pz Ep+m

mitEp >0

Ψ3(r, t) =e−iEpt+ipr

pz

Ep−m px+ipy

Ep−m

1 0

Ψ4(r, t) =e−iEpt+ipr

px−ipy

Ep−m

−pz

Ep−m

0 1

mitEp <0

b) Die 4-er Spinoren kann man als Komposition von zwei 2-er Spinoren schreiben:

Ψ(r, t) = φ

χ

e−iEpt+ipr

Leiten Sie zwei DGL f¨ur (φ+χ) und (φ−χ) ab und zeigen sie, daß die Kopplung der beiden Gleichungen nur ¨uber den Masseterm erfolgt. Diese Darstellung nennt man die chirale Form (mehr dazu folgt im n¨achsten Kapitel zu Symmetrien).

c) Geben Sie die L¨osung der chiralen Form der Dirac-Gleichung f¨ur masselose Teilchen (Weyl- Gleichung) an und zeigen Sie, dass die relativistische Energie-Impuls-Beziehung folgt. Zeich- nen Sie die resultierende relativistische Energie-Impuls-Beziehung f¨ur den Fall masseloser Teilchen und vergleichen Sie mit der Energie-Impuls-Beziehung eines nicht-relativistischen freien Teilchen. Nenne Beispiele f¨ur Systeme die durch die Weyl-Gleichung beschrieben wer- den k¨onnen.

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