• Keine Ergebnisse gefunden

Theoretische Physik III: Quantenmechanik

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Aktie "Theoretische Physik III: Quantenmechanik"

Copied!
3
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

Theoretische Physik III: Quantenmechanik

Prof. F.Wegner, Universit¨at Heidelberg, SS04

4. L¨osungsblatt, Pr¨asenz¨ubung 21.05, Hausaufgaben Abgabetermin: 17.05.04

P4. 3 dim. harmonischer Oszillator i) Seien φNi, i = 1,2,3 die Eigenfunktion zum entsprechenden 1 dim. harmonischen Oszillator und N= (N1, N2, N3).

P4. 3–d harmonic Oscillator

i) Denote φNi, i = 1,2,3 the eigenfunc- tions for the corresponding 1–d harmonic oscillator and N= (N1, N2, N3).

eigenfunctions : φN(x) = φN1(x1N2(x2N3(x3) eigenvalues : EN = ¯h

ω·N+3 2

, N1, N2, N3 ∈N

Wenn eine Frequenz ω1 viel kleiner ist als die beiden anderen ist das Niedrigen- ergiespektum das f¨ur einen 1-dim har- monischen Oszillator. Entsprechendes gilt f¨urω1, ω2 ω3 und den zwei dim. Oszil- lator.

ii) Beim isotropen Oszillator sind die Eigenwerte allgemein EN = ¯hω(N+ 3/2), N ≥0. Die drei niedrigsten sind also 3/2, 5/2, 7/2 mit den Entartungsgraden 1, 3, 6.

Der allgemeine Entartungsgrad berechnet sich aus

If one frequencyω1is much small than the others the low energy spectrum is identical to the corresponding 1–d oscillator. The same holds for ω1, ω2 ω3 and the 2–d oscillator.

ii) In general the eigenvalues of the isotropic oscillator areEN = ¯hω(N+3/2), N ≥0. The three lowest values are there- fore 3/2, 5/2, 7/2 with the degrees of de- generacy 1, 3, 6. The degree of degeneracy for an arbitrary eigenvalue is obtain as fol- lows

X

N1,N2,N3=0

δ(N1+N2+N3)N = X

N1+N2≤N

=

N

X

N1=0 N−N1

X

N2=0

=

N

X

N1=0

(N −N1+ 1)

= (N+ 1)2− (N + 1)N 2

= (N + 1)(N + 2) 2

H10. Potential mit einem gebunde- nen Zustand

i) Integrieren von − nach liefert

H10. Potential with one bound state i) Integrating from − to yields

ψ0()−ψ0(−) +aψ(0) = −k2(ψ()−ψ(−)).

(2)

Die rechte Seite verschwindet f¨ur stetiges ψ(x). Wir finden also die Unstetigkeit in der Ableitung

The right hand side vanishes for continu- ous ψ(x). We find the discontinuity in the first derivative

ψ0()−ψ0(−) = −aψ(0) . Um den gebundenen Zustand zu finden,

setzen wir an

In order to find the bound state we use

ψ(x) = Cexp(−q|x|), mit reellem q und setzen in die

Schr¨odingergl. ein. Wir finden

with real q and plug into the Schr¨odinger equation. We find

h(q sgn(x))2−2δ(x)q+aδ(x) +k2iψ(x) = 0

⇓ q = a

2 k = iq = ia

2 ⇒ E = −¯h2a2 8m . Die Normierung ergibt C =qa/2.

ii) Stetigkeit in x = 0 ergibt f = f+ = T. Ableiten ergibt die Unstetigkeitsbedin- gung

The Normalization is C =qa/2.

ii) Continuity in x = 0 yields f = f+ = T. Taking the derivative yields the condi- tion

g+−g = −T a k .

Die allgemeine Loesung ist also The general solution is ψ(x) = ψ(x)−θ(x)T a

k sin(kx). Es ist instruktiv, den Transmissionskoef-

fizienten bzw. den Reflektionskoeffizienten zu bestimmen. Mit dem Ansatz

It is also instructive to determine the transmission coefficient and the reflexion coefficient. Using the ansatz

ψ(x) = eikx+Re−ikx ψ+(x) = T eikx

erh¨alt man die beiden Gleichungen one obtains the two equations R+ 1 = T

ik(T +R−1) = −aT

T = 2ik 2ik+a R = −a

2ik+a

(3)

Der Transmissionskoeffizient hat also genau eine Polstelle bei k = ia/2.

F¨ur eindimensionale Systeme kann man allgemein zeigen, daß die (imagin¨aren) Polstellen des Transmissionskoeffizienten T(k) den gebundenen Zust¨anden des Sys- tems entsprechen.

Thus the transmission coefficient has ex- actly one pole at k= ia/2. In general one can show for one dimensional systems that the (imaginary) poles of the transmission coefficient T(k) correspond to the bound states of the system.

H11. Harmonischer Oszillator

i) Da beim harmonischen Oszillator ωn = nω, finden wir

H11. Harmonic Oscillator

i) For the harmonic oscillator we have ωn =nω. We find

exp (−iωnT /2) = exp (−inπ)

= (−1)n . Wir nutzen die Beziehung f¨ur Hermite

Polynome (und damit auch f¨ur die Oszil- latorwellenfunktionen)

We use the relation for Hermite polynomi- als (and therefore also for oscillator wave functions)

(−1)nHn(x) =Hn(−x) ⇒ (−1)nφn(x) =φn(−x)

ψ(x, T /2) = ψ0(−x). ii) Einsetzen von ψ(x) in die linke Seite

liefert

ii) Plugging in into the left hand side yields

¯ hω

2 −x20 d2 dx2 + x2

x20

!

ψ(x) = −¯hω 2 ψ(x) ψ(x) ist also eine Eigenfunktion zum

Eigenwert −¯hω/2. Sie ist zu verwerfen, da sie offensichtlich nicht quadratintegra- bel ist. Allerdings gilt f¨ur sie

Therefore ψ(x) is an eigenfunction to the eigenvalue −¯hω/2. It has to be discarded since it is not square integrable. However we have

aψ(x) = 0

Hanψ(x) = −n¯hω−1 2 die Rollen von a und a sind also gerade

vertauscht. Aus der Schr¨odingergleichung erkennt man leicht, wenn φn(x) eine L¨osung der zum Eigenwert En ist, so ist φ−n(ix) eine L¨osung zum Eigenwert−En.

The roles of a and a are switched. From the Schr¨odinger equation one finds easily that ifφn(x) is a solution to the eigenvalue En−n(ix) is a eigenfunction to −En.

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

Teilchen im Gravitationsfeld Ein Teilchen unter dem Einfluß einer konstanten Kraft (z. eines Gravita- tionsfeldes) wird beschrieben durch die Schr¨ odinger Gleichung

Betrachtet man die Analogie zwischen Materiewellen und Wellenoptik, so kann man fragen, ob es m¨ oglich ist, den Begriff materieller Teilchen einfach zu verwerfen, und die

die Grundlagen des bei klassi- schen Computern gegenw¨artig empfohlenen ’PGP’-Verschl¨usselungprinzips (’PGP’ ˆ = ’pretty good privacy’). Danach hat jeder Benutzer

(d) Auf ganz H ist der Impuloperator sicherlich nicht beschr¨ ankt (Beweis?), nach einem Satz der Funktionalanalyis daher auch nicht stetig, und das sogar nirgends.. Klingt