diff --git a/ueb5.tex b/ueb5.tex index 36e1e9f..c820442 100644 --- a/ueb5.tex +++ b/ueb5.tex @@ -4,13 +4,112 @@ \chapter{Quantenmechanik I - Übungsblatt 5} \section{Aufgabe 11: Spin-1-Teilchen im konstanten Magnetfeld} \subsection*{a)} +\begin{align} + H &= - \gamma \mtrx{B} \mtrx{\mtrx{S}} \\ + &= \gamma \hbar \mtrx{B} \mtrx{\Sigma_z} \\ + \ket{\psi(t)} &= c_+ \inlinematrix{1 \\ 0 \\ 0} \cdot e^{\i \gamma \mtrx{B} t} + c_0 \inlinematrix{0 \\ 1 \\ 0} + + c_- \inlinematrix{0 \\ 0 \\ 1} \cdot e^{-\i \gamma \mtrx{B} t} \\ + &\deq \frac{1}{2} \inlinematrix{1 \\ \sqrt{2} \\ 1} \\ + &= \inlinematrix{\frac{1}{2} \cdot e^{\i \gamma \mtrx{B} t} \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ \frac{1}{2} \cdot e^{-\i \gamma \mtrx{B} t}} \\ + \probb{\Sigma_z \cequiv 1}{\psi(t)} &= \abs{\braket{Z_1}{\psi(t)}}^2 \\ + &= \inlinematrix{1 \\ 0 \\ 0} \cdot \inlinematrix{\frac{1}{2} \cdot e^{\i \gamma \mtrx{B} t} + \\ \frac{\sqrt{2}}{2} \\ \frac{1}{2} \cdot e^{-\i \gamma \mtrx{B} t}} + &= \abs{\frac{1}{2} e^{\i \gamma \mtrx{B} t}}^2 \\ + &= \frac{1}{4} \\ + \probb{\Sigma_z \cequiv 0}{\psi(t)} &= \frac{1}{2} \\ + \probb{\Sigma_z \cequiv -1}{\psi(t)} &= \frac{1}{4} \\ + \probb{\Sigma_x \cequiv +1}{\psi(t)} &= \abs{\braket{x+}{\psi(t)}}^2 \\ + &= \abs{\frac{1}{2} \inlinematrix{1 \\ \sqrt{2} \\ 1} \cdot \inlinematrix{\frac{1}{2} \cdot e^{\i \gamma \mtrx{B} t} \\ + \frac{\sqrt{2}}{2} \\ \frac{1}{2} \cdot e^{-\i \gamma \mtrx{B} t}}}^2 \\ + &= \frac{1}{4} \sbk{1 + e^{\i \gamma \mtrx{B}} + e^{-\i \gamma \mtrx{B} t}}^2 \\ + &= \frac{1}{4} \sbk{1 + \cosb{\gamma \mtrx{B} t}}^2 \\ + &\Rightarrow + \probb{\Sigma_x \cequiv +1}{\psi(t)} &= \frac{1}{2} \sin^2\sbk{\gamma \mtrx{B} t} %da stimmt wat net + \probb{\Sigma_y \cequiv +1}{\psi(t)} &= \frac{1}{4} \sbk{1 - \cosb{\gamma \mtrx{B} t}}^2 +\end{align} + \subsection*{b)} +\begin{align} + \ssbk{\Sigma_z}_\ket{\psi(t)} &= \dirac{\psi(t)}{\Sigma_z}{\psi(t)} \\ + &= 0 \\ + \ssbk{\Sigma_x}_\ket{\psi(t)} &= \cosb{\gamma \mtrx{B} t} \\ + \ssbk{\Sigma_y}_\ket{\psi(t)} &= -\sinb{\gamma \mtrx{B} t} \\ + \diffT{t} \ssbk{\mtrx{\Sigma}} &= \gamma \ssbk{\mtrx{\Sigma}} \times \mtrx{B} \\ + \diffT{t} \inlinematrix{\cosb{\gamma \mtrx{B} t} \\ -\sinb{\gamma \mtrx{B} t} \\ 0} &= \gamma \inlinematrix{\ssbk{\Sigma_y} \mtrx{B} \\ \ssbk{\Sigma_x} \mtrx{B} \\ 0} \\ + \inlinematrix{-\gamma \mtrx{B} \sinb{\gamma \mtrx{B} t} \\ -\gamma \mtrx{B} \cosb{\gamma \mtrx{B} t} \\ 0} &= \gamma \inlinematrix{\ssbk{\Sigma_y} \mtrx{B} \\ \ssbk{\Sigma_x} \mtrx{B} \\ 0} +\end{align} + \subsection*{c)} +\begin{align} + \frac{\i}{\hbar} \ssbk{\sqbk{H, \mtrx{Sigma}}} &= -\i \gamma \ssbk{\sqbk{\mtrx{B} \cdot \mtrx{\Sigma}, \mtrx{\Sigma}}} \\ + A_i &= \i \gamma \ssbk{B_j \Sigma_j \Sigma_i - \Sigma_i \Sigma_j B_j} \\ + &= -\i \gamma B_j \ssbk{\sqbk{\Sigma_j, \Sigma_j}} \\ + &= -\i \gamma B_j \ssbk{\i \levicivita{jik} \Sigma_k} \\ + &= \gamma B_j \levicivita{jik} \ssbk{\Sigma_k} \\ + &= \gamma \sbk{\ssbk{\mtrx{\Sigma}} \times \mtrx{B}} \\ + &= \diffT{t} \ssbk{\Sigma_i} \\ + &= -\gamma \levicivita{ijk} B_j \ssbk{\Sigma_k} \\ + &= \gamma \levicivita{ikj} \ssbk{\Sigma_k} B_j \\ + &= \gamma \levicivita{ijk} \ssbk{\Sigma_j} B_k \\ + \diffT{t} l &= \left\{l,H\right\} +\end{align} \section{Aufgabe 12: Das Ethen-Molekül} +$H = \inlinematrix{a & b \\ c & d}$ +$\Rightarrow$ +\begin{align} + \inlinematrix{a \\ c} &= \inlinematrix{E_0 \\ -A} \\ + \inlinematrix{b \\ d} &= \inlinematrix{-A \\ E} \\ + H &= \inlinematrix{E_0 & -A \\ -A & E} +\end{align} +Die Eigenwerte und Eigenvektoren von $H$ sind: +\begin{align} + \lambda_1 &= E_0 + A \\ + \vec{\lambda_1} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \inlinematrix{1 \\ -1} \\ + \lambda_2 &= E_0 - A \\ + \vec{\lambda_2} &= \frac{1}{\sqrt{2}} \inlinematrix{1 \\ 1} +\end{align} +Die Gesamtenergie beträgt dann: +\equationblock{E\sbk{\ket{G}} = 2 E_0 - 2 A} +Hierbei ist A die Delokalisierungsenergie (Kopplungskoeffizienten?) \section{Aufgabe 13: Das Benzol-Molekül} \subsection*{a)} +$H \ket{\Phi_1} = \sum \ket{\Phi_n} - A \ket{\Phi_{n-1}} - A \ket{\Phi_{n+1}}$ +Kopplung besteht immer mit den benachbarten Atomen. Daher ist (1,6) bzw. (6,1) belegt (Kopplung von 6 mit 1) \subsection*{b)} +$R = \inlinematrix{1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \ddots & 0 & 0 \\ 0 & \ddots & \ddots & 0 & 0 \\ 0 & \ddots & \ddots & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 1 & 1}$ +$\sqbk{H,R} = 0$ +\begin{align} + H &= a \cdot \one + b \mtrx{R} + c \mtrx{R^\dagger} \\ + H &= E_0 \one - A \mtrx{R} - A \mtrx{R^\dagger} +\end{align} +Symmetrien bekannt: +$R^6 = \one$ +$\Rightarrow$ +$R^6 \ket{\Phi} = 1 \ket{\Phi}$ +$R \ket{\Phi} = \underbrace{e^{\i \frac{2 \pi s}{6}}}_{\text{Eigenwerte}} \ket{\Phi}$ mit $s = 0 \ldots 5$ + \subsection*{c)} -\subsection*{d)} \ No newline at end of file +\begin{align} + \ket{\chi_s} &= \frac{1}{\sqrt{6}} \sum_{n=0}^5 e^{\i n \delta_s} \ket{\Phi_n} + \detb{\mtrx{R} - \sbk{\lambda_s \one}} &\Rightarrow \\ + e^{\i \delta_s} x_1 &= -x2 \\ + e^{\i \delta_s} x2 &= -x3 \\ + \vdots \\ +\end{align} +Die Eigenvektoren lauten dann: +\equationblock{\frac{1}{\sqrt{6}} \inlinematrix{1 \\ -e^{\i \delta_s} \\ e^{2 \i \delta_s} \\ -e^{3 \i \delta_s} \\ \vdots }} + +\subsection*{d)} +\begin{align} + H \ket{\chi_s} &= E_0 \one \ket{\chi_s} - A \mtrx{R} \ket{\chi_s} - A \mtrx{R^\dagger} \ket{\chi_s} \\ + &= E_0 \ket{\chi_s} - A \lambda_s \ket{\chi_s} - A \lambda_3^\ast \ket{x_3} \\ + &= E_0 - 2 A \re{\lambda_s \ket{\chi_s}} \\ + &= E_0 - 2 A \cosb{\delta_s} \\ + &= E_s +\end{align} + +Die Gesamtenergie beträgt dann: +\equationblock{E_ges = 6 E_0 - 8 A} +$E_{Kekule} = 3 \sbk{E_{Ethen}} = 6 E_0 - 6 A$ (Pauli-Prinzip)