MONIKA MUSIAŁ POSTULATY

Podobne dokumenty
MOMENT PĘDU, ROTATOR SZTYWNY. c.us.edu.pl/ mm

Normalizacja funkcji falowej

1 Postulaty mechaniki kwantowej

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Chemia teoretyczna. Postulaty mechaniki kwantowej. Katarzyna Kowalska-Szojda

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

1. Matematyka Fizyki Kwantowej: Cześć Trzecia

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

w jednowymiarowym pudle potencja lu

Postulaty mechaniki kwantowej

Mechanika kwantowa Schrödingera

Chemia kwantowa. Pytania egzaminacyjne. 2010/2011: 1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

Mechanika klasyczna zasada zachowania energii. W obszarze I cząstka biegnie z prędkością v I, Cząstka przechodzi z obszaru I do II.

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Równanie Schrödingera

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Postulaty mechaniki kwantowej

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Równanie Schrödingera

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Wstęp do chemii kwantowej - laboratorium. Zadania

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

gęstością prawdopodobieństwa

Reprezentacje położeniowa i pędowa

Rozkłady wielu zmiennych

Mechanika kwantowa ćwiczenia, 2007/2008, Zestaw II

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

1. Przesłanki doświadczalne mechaniki kwantowej.

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Całka nieoznaczona wykład 7 ( ) Motywacja

Wstęp do Modelu Standardowego

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

(U.14) Oddziaływanie z polem elektromagnetycznym

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

15 Potencjały sferycznie symetryczne

5 Reprezentacje połozeniowa i pedowa

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ. 1. Ciała

Chemia kwantowa - proste modele

Zadania z algebry liniowej Iloczyn skalarny, przestrzenie euklidesowe

21 Symetrie Grupy symetrii Grupa translacji

Wstęp do Modelu Standardowego

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

(U.11) Obroty i moment pędu

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

Zestaw IV Wstęp do matematyki wyższej (cz. 1)

Logarytmiczne równanie Schrödingera w obracajacej się pułapce harmonicznej

Wielomiany Legendre a

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2, lato 2016/17

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Funkcje. Część pierwsza. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

1 Układy równań liniowych

Stara i nowa teoria kwantowa

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Funkcje dwóch zmiennych

Wykład I.2 1 Kłopoty z mechaniką klasyczną. 2 Postulaty mechaniki kwantowej 1. Stan układu funkcja falowa ψ(x), ψ(x) 2 interpretacja

Wykład Budowa atomu 3

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

f x f x(x, y) (1.1) f(x, y, z) = xyz (1.5)

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

3 Ewolucja układu w czasie, trajektorie kwantowe

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Mechanika kwantowa - zadania 1 (2007/2008)

Wykład 10: Całka nieoznaczona

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

Zadania egzaminacyjne

GAL 80 zadań z liczb zespolonych

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Część całkowita i ułamkowa, funkcje trygonometryczne, podstawowe własności funkcji

Całka podwójna po prostokącie

Kinematyka: opis ruchu

Matematyczne Metody Chemii I Zadania

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

1. Matematyka Fizyki Kwantowej: Cześć Druga

Transkrypt:

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIAŁ POSTULATY Ćwiczenia

Literatura Lucjan Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa 2003. Włodzimierz Kołos, Chemia kwantowa, PWN, Warszawa 1978. Alojzy Gołębiewski, Elementy mechaniki i chemii kwantowej, PWN, Warszawa 1982.

Dygresja układy współrzędnych w dwóch wymiarach: biegunowy x=rcosϕ y=rsinϕ 0 r 0 ϕ 2π r= x x 2 +y 2 ϕ=arccos x2 +y2 w trzech wymiarach: sferyczny x=rsinϑcosϕ y=rsinϑsinϕ z=rcosϑ r= z x 2 +y 2 +z 2 ϑ=arccos ϕ=arctg y x2 +y 2 +z 2 x

Dygresja zamiana zmiennych Zamiana zmiennych przy całkowaniu: f(x,y)dxdy= 2π 0 ( 0 g(r, ϕ)rdr)dϕ f(x,y,z)dxdydz= 0 π 0 2π 0 g(r,ϑ,ϕ)r 2 sinϑdrdϑdϕ

Dygresja całkiipochodne dx=x sinxdx= cosx cosxdx=sinx (x a ) =ax a 1 (sinx) =cosx (cosx) = sinx (e x ) =e x ( f(x)g(x) ) =f (x)g(x)+f(x)g (x) ( f(x) ) f (x)g(x) f(x)g (x) = g(x) g(x) 2

Dygresja użyteczne całki + 0 + 0 e ax dx= 1 a x n e ax dx= n! a n+1 + e ax2 dx= π a + x 2 e ax2dx= 1 2 π a 3

Dygresja wartości funkcji trygonometrycznych α 0 30 45 60 90 180 1 sinα 0 2 3 2 2 2 1 0 cosα 1 3 2 1 0-1 2 2 2 tgα 0 3 1 3 3-0 ctgα - 3 1 3 0-3

Aksjomatyczna konstrukcja mechaniki kwantowej: pięć aksjomatów zwanych postulatami

Postulaty Postulat pierwszy: Stan układu kwantowomechanicznego opisuje funkcjafalowaψ(r 1,r 2,...,r N,t)zwanatakżefunkcj astanutaka,że kwadratjejmodułu: Ψ 2 =Ψ Ψpomnożonyprzezelementobjętości dτ określa prawdopodobieństwo, że w chwili t cząstka znajduje się w elemencie objętości dτ. gdzie: dw(r 1,r 2,...;t)= Ψ(r 1,r 2,...;t) 2 dτ=ρ(r 1,r 2,...;t)dτ ρoznaczagęstośćprawdopodobieństwaρ= dw dτ r i -współrzędne(x,y,z)i-tejcząstki dτ=dv 1 dv 2 dv N

Postulaty Postulat drugi: Każdej wielkości mechanicznej zapisanej jako funkcjafwspółrzędnychipędów,f(r 1,r 2,...,p 1,p 2,...)przypisujemyoperatorkwantowomechanicznyˆFzgodnieznastępującymiregułami(Jordan): p xi i h x i, p yi i h y i, p zi i h z i x i x i, y i y i, z i z i Postulat trzeci: równanie Schrödingera zawierające czas: ĤΨ=i h Ψ t określa zmianę funkcji falowej Ψ w czasie

Postulaty Postulat czwarty: Równanie stanu charakterystycznego wielkości F(zagadnieniewłasneoperatoraˆF):jeżelispełnionejestrównanie f i wartośćwłasna Φ i funkcjawłasna. ˆFΦ i =f i Φ i Wynikiem pomiaru wielkości F może być tylko jedna z wartości własnychoperatora ˆF.JeżeliΦ i jestfunkcjąstanuukładutozmiennaf mawtymstaniedokładniewartośćf i. Postulatpiąty:owartościśredniej.Wartośćspodziewana fwielkościmechanicznejf,którejodpowiadaoperatorˆfdanajestwyrażeniem: f= Ψ ˆFΨdτ Zakładamy, że funkcja falowa jest unormowana.

Postulat I Funkcja porządna: skończona, ciągła, jednoznaczna. jednoznaczność, np.: ϕ zmienna w układzie biegunowym f(ϕ)=f(ϕ+2π) f(ϕ)=sinaϕ jednoznacznatylkodlaa=0,±1,±2,... Funkcje klasy Q- całkowalne z kwadratem modułu.

Funkcja unormowana gdy: Normalizacja funkcji falowej Ψ(r1,r 2,...,t) 2 dτ=1 Jeżeli: Ψ(r1,r 2,...,t) 2 dτ=n to Ψ= 1 N Ψ

Unormowaćfunkcjȩfalow aψ(ϕ)=ne imϕ określon awprzedziale [0,2π] przy czym m jest liczb a całkowit a: N 22π czyli N= 1 2π 0 e imϕ e imϕ dϕ=n 22π Postaćfunkcjiunormowanej:Ψ(ϕ)= 1 2π e imϕ 0 dϕ=n 2 2π=1 Unormowaćfunkcjȩfalow aψ(r,ϑ,ϕ)=ne ar określon awcałej przestrzeni(wskazówka:skorzystajzwyniku 0 rn e ar dr= n! a n+1 ): N 2 ( czyli N=( a3 π )1 2 0 e 2ar r 2 dr π 0 sinϑdϑ 2π 0 dϕ)=n 2π a 3=1 Postaćfunkcjiunormowanej:Ψ(r,ϑ,ϕ)=( a3 π )1 2e ar

Postulat II funkcja: x y operator: f(x) g(x) Przykłady operatorów: -energiakinetycznaelektronu(t= p2 2m (p2 x+p 2 y+p 2 z)): ˆT= ˆp2 = h2 2m 2m ( 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2 )= h2 2m 2m = 1 -energiaoddziaływaniaelektronuzj adrem(v= Ze2 Ze2 r ):ˆV= r -energiacałkowita(hamiltonian):ĥ=ˆt+ˆv -składowaxmomentupȩdu(m x =yp z zp y ):(ˆM x = i h(y z z y ) -etc.

Operatory liniowe: ˆF(Ψ 1 +Ψ 2 )= ˆFΨ 1 +ˆFΨ 2 ˆF(cΨ)=cˆFΨ ˆF(c 1 Ψ 1 +c 2 Ψ 2 )=c 1ˆFΨ1 +c 2ˆFΨ2 gdziec 1,c 2 s astałymi(równieżzespolonymi) Np. operatory różniczkowania, całkowania s a operatorami liniowymi a np. operatory potȩgowania, sprzȩżenia nie.

Operatory hermitowskie dla funkcji klasy Q: Ψ 1ˆFΨ2 dτ= Ψ 2 (ˆFΨ 1 ) dτ Sprawdzić czy operator ˆF = 2i jest operatorem hermitowskim Ψ 1 2iΨ 2 dτ= Ψ 2 (2iΨ 1 ) dτ OperatorˆF=2iniejestoperatoremhermitowskim. SprawdzićczyoperatorˆF=8jestoperatoremhermitowskim Ψ 1 8Ψ 2 dτ= Ψ 2 (8Ψ 1 ) dτ Operator ˆF = 8 jest operatorem hermitowskim.

SprawdzićczyoperatorˆF= d dx jestoperatoremhermitowskim wskazówka: skorzystać z całkowania przez czȩści u(x)v (x)dx=u(x)v(x) v(x)u (x)dx + Ψ 1 d dx Ψ 2dx=Ψ 1Ψ 2 + }{{} 0 + = + Ψ 2 d dx Ψ 1dx= Ψ 2 ( d dx Ψ 1) dx OperatorˆF= d dx niejestoperatoremhermitowskim.

SprawdzićczyoperatorˆF=i d dx jestoperatoremhermitowskim wskazówka: skorzystać z całkowania przez czȩści u(x)v (x)dx=u(x)v(x) v(x)u (x)dx + }{{} Ψ 1i d dx Ψ 2dx=iΨ 1Ψ 2 0 + i + = + Ψ 2 d dx Ψ 1dx= Ψ 2 (i d dx Ψ 1) dx OperatorˆF=i d dx jestoperatoremhermitowskim.

Działania na operatorach: suma:(ˆf+ĝ)ψ=ˆfψ+ĝψ iloczyn:(ˆfĝ)ψ=ˆf(ĝψ) potęga:ˆf 2 Ψ=ˆF(ˆFΨ) Komutator KomutatoremoperatorówˆFiĜnazywamyoperator: ˆK=[ˆF,Ĝ]df =ˆFĜ ĜˆF Gdy komutator sprowadza siȩ do mnożenia przez 0, wówczas mówimy, że operatory ˆF i Ĝ s a przemienne, czyli komutuj a.

W celu sprawdzenia czemu równy jest komutator, działamy nim na jak aś dowoln a funkcjȩ. Np.ˆF= d dx Ĝ=x: [ˆF,Ĝ]f(x)=[ d dx,x]f(x)= d dx (xf(x)) x(d dx f(x))= czyli [ d dx,x]=1 f(x)+x d dx f(x) xd dx f(x)=f(x)

Własności komutatorów: [Â,ˆB]= [ˆB,Â] [Â, n ]=0 n=1,2,3,... [kâ,ˆb]=[â,kˆb]=k[â,ˆb] k stała [Â,ˆB+Ĉ]=[Â,ˆB]+[Â,Ĉ] [Â+ˆB,Ĉ]=[Â,Ĉ]+[ˆB,Ĉ] [ˆB,Ĉ]=Â[ˆB,Ĉ]+[Â,Ĉ]ˆB [Â,ˆBĈ]=[Â,ˆB]Ĉ+ˆB[Â,Ĉ]

Moment pȩdu Ujęcie klasyczne: Moment pędu jest iloczynem wektorowym: wektora promienia wodzącego riwektorapędup: M=r p Moment pędu jest wektorem o składowych: M x =yp z zp y M y =zp x xp z M z =xp y yp x M 2 =M 2 x+m 2 y+m 2 z

Moment pȩdu Ujęcie kwantowe: Konstrukcja operatorów dla składowych momentu pędu: ˆM x = i h(y z z y ) ˆM y = i h(z x x z ) ˆM z = i h(x y y x )

Komutatory Własności komutacyjne operatorów momentu pędu: [ˆM x,ˆmy ]=i hˆm z [ˆM y,ˆmx ]= i hˆm z [ˆM z,ˆm x ]=i hˆm y [ˆM x,ˆm z ]= i hˆm y [ˆM y,ˆmz ]=i hˆm x [ˆM z,ˆm y ]= i hˆm x Z reguł komutacji wynika, iż: [ˆM 2,ˆM x ]=[ˆM 2,ˆM y ]=[ˆM 2,ˆM z ]=0 Równocześnie ostro mierzalne są: kwadrat momentu pędu i jedna ze składowych. Dwie dowolne składowe momentu pędu nie mogą być równocześnie dowolnie dokładnie zmierzone.

Komutatory Obliczkomutator[ˆM y,ˆmx ] (skorzystaj z własności komutatorów oraz pochodnej iloczynu funkcji (uv) =u v+uv ) [ˆM y,ˆm x ]=[ i h(z x x z ), i h(y z z y )]= h 2( (z x x z )(y z z y ) (y z z y )(z x x z )) = h 2 (zy 2 x z z2 2 x y xy 2 z 2+x y y x yz 2 z x +yx z z 2+z2 2 y x h 2 (x y y x )= i hˆm z +xz 2 z y zx 2 y z )=

Komutatory Obliczkomutator[ˆM 2,ˆMx ] (skorzystaj z własności komutatorów oraz własności komutacyjnych operatorów momentu pędu) [ˆM 2,ˆM x ]=[ˆM 2 x+ ˆM 2 y+ ˆM 2 z,ˆmx ]= [ˆM 2 x,ˆmx ]+[ˆM 2 y,ˆmx ]+[ˆM 2 z,ˆmx ]= [ˆM yˆmy,ˆmx ]+[ˆM zˆmz,ˆmx ]= ˆM y [ˆM y,ˆm x ]+[ˆM y,ˆm x ]ˆM y + ˆM z [ˆM z,ˆm x ]+[ˆM z,ˆm x ]ˆM z = ˆM y ( i hˆm z ) i hˆm zˆmy + ˆM z i hˆm y +i hˆm yˆmz = i hˆm yˆm z i hˆm zˆm y +i hˆm zˆm y +i hˆm yˆm z =0

Postulat III Stany stacjonarne: Hamiltonian nie zależy od czasu lub(równoważnie) gęstość prawdopodobieństwa nie zależy od czasu Ψ(r 1,r 2,...,t)=Ψ(r 1,r 2,...,r N )e iē h t E jest energią całkowitą układu. Po podstawieniu do równania Schrödingera: ĤΨ=EΨ Jest to równanie Schrödingera nie zawierające czasu.

Postulat IV Założenie: ˆF jest operatorem hermitowskim. Teza:wartościwłasneoperatora ˆFsąrzeczywiste. ˆFΦ i =f i Φ i ˆF Φ i =fiφ i MnożącprzezΦ iiφ i : Φ i FΦ i dτ =f i Φ i Φ i dτ Φi F Φ idτ =f i Φ i Φ i dτ Lewestronysąrównewięcf i =f i

Założenie: ˆFjestoperatoremhermitowskim wartościwłasnef i if jsąróżne Teza: funkcje własne są ortogonalne: MnożącprzezΦ jiφ i : ˆFΦ i =f i Φ i ˆF Φ j =f jφ j Φ j FΦ i dτ =f i Φ j Φ i dτ Φi F Φ jdτ =f j Φi Φ jdτ Lewe strony są równe więc (f i f j) Φ i Φ jdτ=0 i Φi Φ jdτ=0

Jednoczesna mierzalność wielkości fizycznych Kiedy dwie wielkości fizyczne(obserwable), którym odpowiadają operatory ˆF i Ĝ sa równocześnie dokładnie mierzalne? Z postulatu IV wynika, że ostro można określić wartość wielkości F,gdyfunkcjastanuΨjestfunkcjąwłasnąoperatoraˆF.Zatemjeślidwie wielkościfigmająbyćrównocześnieostromierzalnetofunkcjaψwinna byćfunkcjąwłasnąobuoperatorówˆfiĝ.

Zasada superpozycji stanów:zbiórfunkcjiwłasnych{φ i }dowolnego operatora kwantowomechanicznego F tworzy tzw. zbiór zupełny. Każdą funkcję porządną Ψ możemy rozwinąć: Ψ= i c iφ i akwadratwspółczynnika c i 2 =c ic i jestprawdopodobieństwem,żestan ΨmożemiećwłasnościopisaneprzezΦ i

Postulat V Wynika pośrednio z zasady superpozycji. Jeżeli prawdopodobieństwo udziałufunkcjiφ i wfunkcjiopisującejstanukładu,czyliprawdopodobieństwowystąpieniawielkościf i wynosi c i 2 tośredniawartośćwielkości F jest zgodnie z zasadami statystyki jako: f= i c i 2 f i W oparciu o postulat V obliczymy: f= Ψ ˆFΨdτ= i,j c ic j Φ iˆfφ j dτ= i c ic i f i

Oblicz p x jeślifunkcjajestpostaciψ=e ikx p x = e ikx ( i h d dx )eikx dx e ikx e ikx dx = i h e ikxd dx dx eikx dx = hk Oblicz p 2 xjeślifunkcjajestpostaciψ=e ikx p 2 x= e ikx ( h 2d2 dx 2 )e ikx dx e ikx e ikx dx = h2 e ikxd2 dx 2 e ikx dx dx = h 2 k 2 Oblicz wartość spodziewan a energii kinetycznej energii potencjalnej energii całkowitej w przypadku oscylatora harmonicznego w stanie podstawowym, gdzie Ψ(x)=( Π a ) 1 4 e 1 2 ax2 a= mω h

Dygresja notacja Diraca Notacja Diraca: Φ iˆfφ j dτ df = Φ i F Φ j Φ i Φ j dτ= Φ iˆ1φ j dτ df = Φ i 1 Φ j = Φ i Φ j