Institut für Theoretische Physik Universität zu Köln Prof. Dr. A. Rosch J. Lux TPII (Quantenmechanik) — Übungsblatt 1 Sommersemester 2016 http://www.thp.uni-koeln.de/~lux/QMSS16/ Abgabe: bis Mittwoch, 20. April 2016, 12 Uhr 1. Gauß’sches Wellenpaket (9 Punkte) Betrachten Sie die komplexe Wellenfunktion Ψ(x, t), welche zum Zeitpunkt t = 0 gegeben ist durch Ψ(x, t = 0) = √ x2 1 ik0 x − 4σ2 e e . σ(2π)1/4 (1) Das Betragsquadrat der Wellenfunktion |Ψ(x, t = 0)|2 , also die Wahrscheinlichkeitsverteilung entlang der x-Achse zum Zeitpunkt t = 0, ist gerade ein Gauß’sche Normalverteilung, so dass R∞ dx|Ψ(x, t = 0)|2 = 1. −∞ a) Berechnen Sie dieRErwartungswerte hxit , hx2 it und hp̂it zum Zeitpunkt t = 0 mit der ∞ Definition hÔit = −∞ dxΨ∗ (x, t)ÔΨ(x, t) und p̂ → −i~∂x . R∞ b) Bestimmen Sie die Fouriertransformierte Ψk (t = 0) = −∞ dxΨ(x, t = 0)e−ikx . q R∞ (x−z)2 Hinweis: −∞ dxe−A 2 = 2π A mit Re{A} > 0 für beliebiges komplexes z. c) Die Wellenfunktion entwickelt sich in der Zeit gemäß der Schrödingergleichung i~∂t Ψ(x, t) = − ~2 2 ∂ Ψ(x, t). 2m x (2) Berechnen Sie die Wellenfunktion zum Zeitpunkt t > 0. Leiten sie hierfür aus der Schrödingergleichung eine entsprechende Gleichung für die Fouriertransformierte Ψk (t) her, und lösen Sie zunächst Berechnen Sie das Ergebnis dann mit Hilfe der RückR ∞diese. dk transformation Ψ(x, t) = −∞ 2π Ψk (t)eikx . Zeigen Sie, dass die Lösung folgendermaßen lautet: " # √ ~k0 2 2 ~k0 (x − t) 1 σ m p Ψ(x, t) = eik0 x−i 2m t exp − . (3) 4(σ 2 + i~t/(2m)) (2π)1/4 σ 2 + i~t/(2m) d) Zeigen Sie, dass das Betragsquadrat der Wellenfunktion für alle t ≥ 0 die Form einer Normalverteilung hat 2 |Ψ(x, t)|2 = (x−v0 t) 1 − √ e 2σ(t)2 . σ(t) 2π (4) Bestimmen Sie die Geschwindigkeit v0 mit der sich das Gauß’sche Wellenpaket bewegt und die Zeitabhängigkeit der Breite σ(t). Berechnen Sie die Erwartungswerte hxit , hx2 it und hp̂it für endliche t > 0. 1 2. Komplexes Potential (5 Punkte) Betrachten Sie den Operator L = H + iW = − ~2 2 ∇ + V (r) + iW (r) 2m (5) wobei V und W reell sind. Die Zeitentwicklung einer Wellenfunktion Ψ(r, t) sei gegeben durch i~ ∂t Ψ = LΨ = HΨ + iW Ψ. (6) Wie in der Vorlesung definieren wir die Wahrscheinlichkeitsdichte ρ(r, t) = |Ψ(r, t)|2 und die ~ Wahrscheinlichkeitsstromdichte j(r, t) = 2im (Ψ∗ ∇Ψ−Ψ∇Ψ∗ ). Zeigen Sie, dass die Kontinuitätsgleichung ∂t ρ + ∇ · j = 0 für die Zeitentwicklung mit W 6= 0 nicht mehr gültig ist. Leiten Sie eine erweiterte Kontinuitätsgleichung mit einem zusätzlichen Term her. Interpretieren Sie das Ergebnis. Welchen Einflussß hat das Vorzeichen von W ? 3. Kommutatoren (5 Punkte) Beim Übergang zur Quantenmechanik sind Ort und Impuls durch lineare Operatoren x̂ und p̂ zu ersetzen die der fundamentalen Vertauschungsrelation [x̂, p̂] = x̂p̂ − p̂x̂ = i~ (7) genügen. a) In der Darstellung kartesischer Koordinaten gelten die Ersetzungsregeln x̂ → x und p̂ → −i~∂x für die beiden Operatoren. Zeigen sie explizit, dass die fundamentale Vertauschungsrelation in dieser Darstellung erfüllt wird. b) Gegeben sei eine Funktion der Koordinate, f (x). Berechnen sie den Kommutator K̂ = [f (x̂), p̂]. (8) Verwenden sie hierfür die Darstellung kartesischer Koordinaten und betrachten sie die Wirkung des Operators K̂ in dieser Darstellung auf eine beliebige Wellenfunktion Ψ(x). 2