• Tidak ada hasil yang ditemukan

contoh soal fisika kuantum 130703193508 phpapp02

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Membagikan "contoh soal fisika kuantum 130703193508 phpapp02"

Copied!
11
0
0

Teks penuh

(1)

1. Buktikan bahwa Buktikan bahwa ^

H(r)=− ℏ

2

2mer2 ∂ ∂r

(

r

2 ∂

r

)

+ ^ L2

2mer2− Ze2 4πε0r

Penyelesaian:

^

L

2

=−ℏ

2

(

1

sin

θ

θ

(

sin

θ

θ

)

+

1

sin

2

θ

2

φ

2

)

^

L

2

2

=−

(

1

sin

θ

θ

(

sin

θ

θ

)

+

1

sin

2

θ

2

φ

2

)

Persamaan Laplacian pada koordinat spheric dapat dituliskan menjadi:

2

=

1

r

2

r

(

r

2

r

)

+

1

r

2

sin

θ

θ

(

sin

θ

θ

)

+

1

r

2

sin

2

θ

2

φ

2

2

=

1

r

2

r

(

r

2

r

)

+

1

r

2

(

1

sin

θ

θ

(

sin

θ

θ

)

+

1

sin

2

θ

2

φ

2

)

2

=

1

r

2

r

(

r

2

r

)

+

1

r

2

(

^

L

2

2

)

2

=

1

r

2

r

(

r

2

r

)

^

L

2

2

r

2

Operator Hamiltonian :

^

H(r)=−ℏ

2

2me

2Ze2

4πε0r

^

H(r)=−ℏ

2

2me

(

1

r2

∂ ∂r

(

r

2∂

r

)

^

L2

ℏ2r2

)

Ze2

4πε0r

^

H(r)=−ℏ

2

2me

1

r2

∂ ∂r

(

r

2∂

r

)

+

^

L22

2meℏ2r2− Ze2

4πε0r

^

H(r)=−ℏ

2

2mer2

∂ ∂r

(

r

2∂

r

)

+

^

L2

2mer2− Ze2

4πε0r

2. Sebuah atom mempunyai fungsi gelombang radial sebagai berikut R(r)=AeZr

a0 . a. Normalisasikan fungsi tersebut

b. Cari energinya

Penyelesaian :

R(r)=AeZr

(2)

a)

0

dr

(

r

2

R

2

(

r

)

)

=

1

0

dr

(

r

2

(

Ae

Zr

a0

)

2

)

=

1

A2

0

r2e −2Zr

a0 dr=1

… (1) Misal n = −2

Z

a0 , maka :

enrdr=1

ne

nr

n(e

nr)dr= d

dn

(

1

ne

nr

)

n(enr)dr= d

dn

(

1

ne

nr

)

renrdr=e

nrrn−enr

n2 =

enr

n2 (rn−1)

n

(

renr

)

dr= d

dn

(

enr

n2(rn−1)

)

r2enrdr=n

2enrr(rn−1)+n2enr−2nenr(rn−1)

n4

r2enrdr=e nrr2

n + 2enr

n3 − 2enrr

n2

Subsitusi ke persamaan (1)

A2

0

r2e −2Zr

a0 dr=1

A

2

[

e

−2Zr a0

(

r

2

a

0

−2

z

+

2

ra

02

4

z

2

+

2

a

03

−8

z

3

)

]

|

0
(3)

A2

[

e−∞

(

∞−∞− a03

4z3

)

e

0

(

00a03

4z3

)

]

=1

A2

[

0

(

0a03

4z3

)

−1

(

a

03

4z3

)

]

=1 A2

[

0+

(

a

03

4z3

)

]

=1

A

=

2

(

z

a

0

)

3 2

… (2) Dari persamaan (2) diperoleh

R(r)=2

(

z a0

)

3 2e

Zr a0

(merupakan R(r) saat n=1 dan l=0)

R10(r)=2

(

z a0

)

3 2e

Zr a0

b) En= −Z2

2n2 E1=−Z

2

2 . 12=

−Z2 2

3. Sebuah elektron berada dalam medan magnet B (0,B,0) pada waktu t = 0, elektron dalam keadaan spin down. Cari spinor pada t > 0. Hitung periode getarnya!

Penyelesaian :

Fungsi gelombang spin down adalah −¿=

[

01

]

χ¿

Memenuhi persamaan Schrodinger i

∂ x χ(t)=^Hsχ(t) … (1)

^

(4)

^

Hs=M . B=−μBσ . B=−μBσyB … (2)

μB adalah Magneton Bohr dan B adalah medan magnetik magnitude

Pada waktu t, misal fungsi spinor electron adalah sbb :

χ(t)=

[

a(t)

b(t)

]

maka, disubstitusikan ke persamaan (1) dan (2)

i

∂ x

[

a(t)

b(t)

]

=−μBσyB

[

a(t)

b(t)

]

, dengan σy=

[

0 −i

i 0

]

∂ x

[

a(t)

b(t)

]

=

μBB

i

[

0

i

i 0

]

[

a(t)

b(t)

]

Maka, jika ω=μBB

da(t) dt =

−μBB

b(t)=−ωb(t)

db(t) dt =

μBB

a(t)=ωa(t)

Setelah menyelesaikan diferensial fungsi di atas, diperoleh : a(t) = c1 cos ωt + c2 sin ωt

b(t) = c1 sin ωt - c2 cos ωt jadi,

χ(t)=

[

a(t) b(t)

]

=

[

c1cosωt+c2sinωt

(5)

-[

a(t) b(t)

]

=

[

0 1

]

[

c1cosωt+c2sinωt c1sinωt−c2cosωt

]

=

[

0 1

]

Maka,

a(t) = c1 cos ωt + c2 sin ωt = 0 … (4) b(t) = c1 sin ωt - c2 cos ωt = 1 … (5) pada t = 0, persamaan (4) diperoleh : c1 cos 0 + c2 sin 0 = 0

c1 = 0

dan persamaan (5) diperoleh : c1 sin 0 - c2 cos 0 = 1

c2 = -1

dengan memasukkan nilai c1 = 0 dan c2 = -1 pada persamaan (3), diperoleh :

χ(t)=

[

c1cosωt+c2sinωt c1sinωtc2cosωt

]

=

[

0+(−1)sinωt 0−(−1)cosωt

]

=

[

−sinωt cosωt

]

Jadi, spinor pada :

t1=0,χ(t)=

[

−sinωt cosω t

]

=

[

−sin 0 cos 0

]

=

[

0

1

]

“spin down”

t2= π

2ω, χ(t)=

[

−sinω t

cosω t

]

=

[

−sinω

(

π

2ω

)

cosω

(

π

2ω

)

]

=

[

−sinπ

2 cosπ

2

]

=

[

−1
(6)

t3=π

ω, χ(t)=

[

−sinωt cosωt

]

=

[

−sinω

(

π ω

)

cosω

(

π ω

)

]

=

[

−sinπ cosπ

]

=

[

0

1

]

“spin down”

Mencari Δt, t2 – t1 atau t3 – t2

Δt=t2−t1= π 2ω−0=

π 2ω

Δt=t3−t2=ωπ2πω=2π−π=2πω

Jadi, Δt= π 2ω

Mencari periode getar (T)

T=2Δt=2π 2ω=

π ω

Karena ω=μBB

Maka

T=π ω=

π

μBB

4. Buktikan persamaan Schwarz’s

|⟨⃗

a

|

b

⟩|≤||⃗

a

||⃗

b

||

Penyelesaian :

(

1

)

Schwarz's inequality

|⟨

a

|

b

⟩|≤‖

a

‖‖

b

‖⇒

the equality hold, when {

a

=

λb

,

λ

is a scalar

¿

Proof:

¿

a

+

λb

2

=⟨

a

+

λb

|

a

+

λb

⟩=⟨

a

|

a

⟩+

λ

a

|

b

⟩+

λ

¿

b

|

a

⟩+

λλ

¿

b

|

b

¿

if

a

|

b

⟩=|⟨

a

|

b

⟩|

e

⇒‖

a

+

λb

2

=‖

a

2

+|

λ

|

2

b

2

+

λ

|⟨

a

|

b

⟩|

e

+

λ

¿

|⟨

a

|

b

⟩|

e

¿

for

a

+

λb

2

0 for all

λ

, choose

λ

=

re

¿

0

≤‖

a

+

λb

2

=‖

a

2

+

r

2

b

2

+

2

r

|⟨

a

|

b

⟩|

¿

⇒(

r

+

|⟨

a

|

b

⟩|

b

2

)

2

(

4

|⟨

a

|

b

⟩|

2

4

a

2

b

2

)

4

b

2

0

¿

⇒|⟨

a

|

b

⟩|

(7)

5. Cari nilai eigen dan fungsi eigen ternormalisasi dari operator :

A=

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

Penyelesaian :

Diketahui bahwa det (A – λI) = 0

A – λ I=

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

λ

(

1 0 00 1 0 0 0 1

)

A – λ I=

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

(

λ 0 0 0 λ 0 0 0 λ

)

A – λ I=

(

1−λ 1 0

1 1−λ −3

0 −3 −3−λ

)

Jadi, det (A – λI) = 0

|

1−λ 1 0

1 1−λ −3

0 −3 −3−λ

|

1−λ 1 1 1−λ

0 −3

=0

(1 – λ)(1 – λ)(-3 – λ) + (1)(-3)(0) + (0)(1)(-3) - (0)(1-λ)(0) - (-3)(-3)(1-λ) - (-3 – λ)(1)(1) = 0 -3 + 5λ - λ2 - λ3 + 0 + 0 - 0 - 9 + 9λ + 3 + λ = 0

(8)

λ3 + λ2 - 15λ + 9 = 0 (λ – 3)( λ2 + 4λ – 3) = 0 λ1 = 3

mencari λ2 dan λ3 menggunakan rumus abc dengan persamaan λ2 + 4λ – 3 = 0

λ2,3=−b ±

b 2−4ac 2a

λ2,3=−4±

4 2

−4(1) (−3) 2(1)

λ2,3=−4±

16+12 2

λ2,3=−4±

28 2

λ2,3=−4±5,29 2

λ2=−4+5,29

2 =

1,29

2 =0,645

λ3=−4−5,292 =−9,292 =−4,645

 Mencari fungsi eigen untuk λ1 = 3

Ax1 = λ 1x1 misal x1=

(

x1 x2 x3

)

maka,

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

(

x1 x2 x3

)

=3

(

x1 x2 x3

)

(1) x1 + x2 = 3x1

-2x1 + x2 = 0 (2) x1 + x2 – 3x3 = 3x2

(9)

(3) -3x2 – 3x3 = 3x3 -3x2 – 6x3 = 0 Misal x1 = k,

Pada persamaan (1) -2x1 + x2 = 0

-2k = - x2

x2 = 2k

pada persamaan (3) -3x2 – 6x3 = 0 -3(2k) = 6x3 -6k = 6x3

x3 = -k

menormalisasikan : x12 + x22 + x32 = 1 k2 + (2k)2 + (-k)2 = 1 k2 + 4k2 + k2 = 1 6k2 = 1

k=

1 6

Fungsi eigen ternormalisasi pada λ1 = 3 adalah

x1=

(

x1 x2 x3

)

=

(

k 2k −k

)

=k

(

1 2 −1

)

=

1 6

(

1 2 −1

)

 Mencari fungsi eigen untuk λ2 = 0,645

Ax2 = λ 2x2 misal x2=

(

x1 x2 x3

)

maka,

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

(

x1 x2 x3

)

=0,645

(

x1 x2 x3

)

(1) x1 + x2 = 0,645x1

0,355x1 + x2 = 0 (2) x1 + x2 – 3x3 = 0,645x2

x1 + 0.355x2 – 3x3 = 0 (3) -3x2 – 3x3 = 0,645x3

-3x2 – 3,645x3 = 0 Misal x2 = k,

Pada persamaan (1) 0,355x1 + x2 = 0 0,355x1 = - k

x1 = -2,817k

(10)

-3(k) = 3,645x3 -3k = 3,645x3

x3 = -0,8230k

menormalisasikan : x12 + x22 + x32 = 1

(-2,817k)2 + k2 + (-0,8230k)2= 1 7,935489k2 + k2 + 0,677329k2 = 1 9,612818k2 = 1

k=

1 9,612818

Fungsi eigen ternormalisasi pada λ2 = 0,645 adalah

x2 =

(

x1 x2 x3

)

=

(

−2,817k k −0,8230k

)

=k

(

−2,8171 −0,8230

)

=

1

9,612818

(

−2,817 1 −0,8230

)

 Mencari fungsi eigen untuk λ3 = -4,645

Ax3 = λ 3x3 misal x3=

(

x1 x2 x3

)

maka,

(

1 1 0

1 1 −3

0 −3 −3

)

(

x1 x2 x3

)

=−4,645

(

x1 x2 x3

)

(1) x1 + x2 = -4,645x1

5,645x1 + x2 = 0

(2) x1 + x2 – 3x3 = -4,645x2 x1 + 5,645x2 – 3x3 = 0 (3) -3x2 – 3x3 = -4,645x3

-3x2 + 1,645x3 = 0 Misal x1 = k,

Pada persamaan (1) 5,465x1 + x2 = 0 5,465k = -x2

x2 = -5,465k

pada persamaan (3) -3x2 + 1,645x3 = 0 -3(-5,465k) = -1,645x3 16,935k = -1,645x3

x3 = -10,2948k

menormalisasikan : x12 + x22 + x32 = 1

(11)

k=

1 138,84894

Fungsi eigen ternormalisasi pada λ3 = -4,645 adalah

x3=

(

x1 x2 x3

)

=

(

k −5,645k −10,2948k

)

=k

(

1 −5,645 −10,2948

)

=

1

Referensi

Dokumen terkait

Jika q adalah muatan listrik positif, v adalah gerak muatan, B medan magnet dan F adalah arah gaya magnet, maka garnbar yang tepat untuk sebuah muatan yang melintasi medan magnet

Sepotong kawat yang panjangnya1 meter bergerak di dalam medan magnet B tesla dengan kecepatan sebesar v m/s, sedemikian rupa sehingga arah gerak

Pada gambar di bawah, sebuah konduktor PQ berada di dalam pengaruh medan magnetik (B) homogen yang arahnya menembus bidang gambar menjauhi pengamat (x)..

1.Faktor­faktor   apakah  yang   mempengaruhi   besar  dan   arah  gaya   magnetik  

Keadan dengan bilangan kuantum total n terpecah menjadi beberapa sub-keadaan jika atom itu berada dalam medan magnet,dan energinya bisa sedikit lebih

 muatan listrik yang bergerak di dalam medan magnet akan mendapat gaya magnet (gaya Lorentz)  Di soal ini, muatan listriknya adalah elektron, dan medan magnetnya berasal dari

Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau foton.. Setelah beberapa saat

Jika sebuah elektron menghasilkan satu foton pada saat elektron tersebut menumbuk target, panjang gelombang minimum yang dihasilkan oleh tabung tersebut dalam nm