there will be written exam and 30% of points are for...

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Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/ Introduction   Anna Lipniacka,  room 303, 82803, www.ift.uib.no/~lipniack/                                                           Your teacher for for “Kvantemekanikk”                                                              I am a particle physicist with mostly CERN activities.                                                            For this and other courses I am/was teaching look                                                            at my web page.                                                                                                                      There will be written exam and 30% of                                                             points are for homeworks problems                                                                                                                     Lectures                                                             Thursday 9:15- 12:00  room 368                                                           Tutorials ( exercises):                                                             Tuesday  12:15-14:00    room 368                                                                                  Consultations:                                                            I am happy to fix the time if you                                                            need it. For example Wednesday                                                            15:00-16:00   

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Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction  

Anna Lipniacka,  room 303, 82803, www.ift.uib.no/~lipniack/                                                          Your teacher for for “Kvantemekanikk”                                                             I am a particle physicist with mostly CERN activities.                                                           For this and other courses I am/was teaching look                                                           at my web page.                                                                                                                     There will be written exam and 30% of                                                            points are for homeworks problems

                                                                                                                    Lectures                                                             Thursday 9:15­ 12:00  room 368                                                           Tutorials ( exercises):                                                            Tuesday  12:15­14:00    room 368                                                                                  Consultations:                                                           I am happy to fix the time if you                                                           need it. For example Wednesday                                                           15:00­16:00   

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Technical details about the Course:

­web page www.ift.uib.no/~lipniack/phys201_v10/  course notes and exercises are published on the web page­ exercises are very important. The exercise problems will be  published on the WEB on Sunday the week  before so you have time to think about them.­Course book:

P.C.Hemmer: Kvantemekanikk, 2. utgave (Tapir 2000)Kap. 1 er kursorisk. Bør leses som en oppfrisking og utdyping av PHYS 115Final Curriculum:-----------------------------------------------------Kap 2.1-2.3,2.4, 2.5, 2.6.1, 3.1, 3.4, 3.5, 4.1-4.6, 5.4, 5.6-5.9, 6.1-6.5,(7.1 without 7.1.3), 7.2, 7.3, 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 11, 13.1, 13.2,13.3, 13.4, (13.5 without 13.5.5-13.5.6)----------------------------------------------------

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Quantum physics in this room

1) the existence of atoms2) chemical reactions.3) light spectrum from the SUN and other “hot bodies”.­if atoms in hot bodies were classical oscillators (electrons on a spring) most of energy emitted due to thermal atomic oscillations would be at very high frequency­ the radiation would simply kill us.

I , T =2

2

c2kT J T =∫

0

I , T d =∞

I ,T =22

c2

he h/ kT−1

Planck formula

note E=h , I ,T =2

2

c2

E

eE/ kT−1

≃2

2

c2 E e−E /kT

for E ∞

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Most striking facts about quantum world­ we can predict only probabilities of certain events happening­ certain variables can have only discrete values and change only by   a discrete amount. Angular momentum and spin are    variables which are  always quantized : it can only be :

­  as angular momentum (or spin) is a variable of dimension:  momentum*distance, it strikes us that there must be a limit on    “granularity”

­ all physical states behave like waves and particles­ at the same time:  waves: like for waves their “position” is described by a probability  amplitudes which can interfere in some situations  particles: certain variables in certain situations appear in “quanta”

0,12ℏ ,ℏ ,

32ℏ ,2ℏ ...

And so on.

p x≥12ℏ E t≥

12ℏ

Most striking: everything which is not forbidden by conservationlaws can happen !  Vacuum is the world most complicated structure!

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Light as particles and wavesInterference : wave property of lightphotoelectric effect: particle property of light

Number of photonsregistered proportionalto intensity of lightgiven by wave interferenceand diffraction pattern

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

This Course: Deals with “formal”  non­relativistic quantum mechanicswe will be dealing mostly with “tool box”= formalism,we will not discuss very many applications, only simpleones.

Learning the  QM “tools” is essential to understand all modern physics­and most of modern technology in “nano”, “bio” , medical etc.

nonrelativistic QM,Schroedinger equation

atomic physics

“multi body “ approximate methods

molecular physicssolid state physicsbio applicationsrelativistic, dirac

 klein­gordon equations..

statistical physics

(gases, liquids, solid, plasmas,nuclear  state, stars)

nuclear physics quantum fieldtheory particle physics, cosmology

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

“Classical and quantum” measurements and probability distributions

1) We learn about real world by making measurements (observations) andconstructing models of reality. We compare measurements with model predictionsWe compare measurements with model predictions2) Most of “everyday” measurements and observations concern  macroscopicobjects. Examples: a hour of arrival of the bus, number of people on a ferry Bergen­Hansholm who are drunk on a given day, time it takes for a tea­candleto burn to the end, the length of your shoe, the salinity of water from the tap inyour home etc etc. 

The fact of life is the following:If you measure the same* variable on the same* objectin the same* condition you are likely get different resultseach time. If the object is “classical” this is due to the factthat the same* conditions can only be reproduced with a givenaccuracy. If the object is “quantum” this is inherently due tothe quantum nature.

What to do ? The upside of the story is: the probability distribution of gettingWhat to do ? The upside of the story is: the probability distribution of gettinga given result can be measured/calculated, and the “average” of manya given result can be measured/calculated, and the “average” of manymeasurements of the same* object can be predicted/measured/calculatedmeasurements of the same* object can be predicted/measured/calculated/compared with the model./compared with the model.

(same* = as identical as you can get)

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Probability and probability density functions, averages,standard deviations, expectation values

Let (v) be some variable we can measure. Let p(v,a)  be a probability densitygiven some condition (a). For example (a=”no rain today”) This means :                                                 for continuous (v) probability that v is between                                                 v and v+dv                                                for discrete (v) probability that v takes a given                                                valuep(v,a) should be normalized to make sense :p(v,a) should be normalized to make sense :  

pv ,adv

pv ,a

∫−∞

pv , adv=1

If we make many measurements of v and take the average we should get:

=∫−∞

v pv dv

v

p(v)

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Probability and probability density functions, averages,standard deviations, expectation values

=∫−∞

v pv dv

v

p(v)

is the expectation value of v = E[v] , called  mean value

In general  we can define an expectation value of any function of v,say u(v) 

one useful expectation value is variance V, this is an expectation valueof the squared distance from the mean :

E [u v ]=∫−∞

uv pv dv

2≝V [v ]≝E [v−

2]=∫

−∞

v−2 p vdv=∫

−∞

v2−2 v

2 p v dv=E [v2

]−2

Anna Lipniacka  www.ift.uib.no/~lipniack/Introduction

Some well known probability distributions, here denoted f().

Binomial: Discrete. Let n will be a number of hits of the small target, out of N throws to the whole target. p

1­p

f n , N , p =N !

n! N−n!pn 1−pN−n

Mean =N*p, variance = N*p*(1­p)

Now, what is the limit of this function  if:

we get Poissonian distribution, which has both variance and mean equal to  xample: Lots of atoms, each of them has a small probability of decayingin a given time, we know that on average atoms decay. We get the probabilityof “n” atoms decaying from the above function.

N∞ , p 0, N∗p=const=

f n , N , p =N !

n! N−n!pn 1−pN−n f n ,=

n e−

n !

Gaussian:  f x , ,=1

2e−x−

2

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Example:Quantum statistics:entropy, temperature

Entropy of a system is DEFINED as  :  σ =  ln ( g )g is the number of states of the system (here two boxes with arrows, arrow can beup or down)

logarithm is used as a matter of convenience, as  g is typically very big  ~  1020

We see this variable has right properties. Say we want to find the   total   number of states  for a combination   of two DISCONNECTED  systems      1  and   2

1                  2

g =1                  2

gg *

=1 2Now if we CONNECT the systems 1 and 2,  the number of states can stay the same or increase so 

12≥1 2

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Fundamental Temperature

Lets consider two isolated systems, each characterized by energy (U1', U2'), and number  of particles N1, N2.

What happens if the systems are brought in contact so the ENERGY can flow  in between them (but not the particles) => THERMAL CONTACT

U1, N1        U2,N2

U1+U2=U, dU1+dU2=0

U1', N1                            U2',N2

U=U1'+U2'

g1(U1',N1) g2(U2',N2)

gN 1N2 ,U =g N ,U =∑U 1

g1N1 ,U 1g2N2 ,U−U1

What will be the final  U1 and U2 ? The energy should flow in  such a way to allow that the combined system can occupy maximal  number   of states­> more probable  state.    Assume there exist U1  maximizing g= g1*g2,  so for small changes  we should have :

dg=∂ g1

∂U 1

N1

g2dU 1∂ g2

∂U 2

N 2

g1d U 2=0, dU 1dU 2=0

1g1

∂ g1

∂U 1

N 1

=1g2

∂ g2

∂U 2

N2

∂ ln g1

∂U 1

N1

=∂ ln g2

∂U 2

N 2

∂1

∂U 1

N1

=∂ 2

∂U 2

N2

The total number of states the combined systemcan take is the sum over all possible energy shearing

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Famous Boltzmann factor­example

U

U=0

0

U  ­ε

U=ε

0

Imagine a small system, with only two states allowed, one ofenergy=0 and one of energy =ε . The system is in thermal contactwith big reservoir, and the total energy of both systems = U0

g( U­  ε  )0

g( U )0 What is the probability P(ε )  that the small system will be in the energy   

state ε ??

Fundamental assumptions,probability~~number of states:

PP 0

=g U 0−

gU 0≝

exp[ U 0−]

exp [ U 0]

number              entropy of states

U 0−≃ U0−∂

∂U 0

N

= U 0−

exp[ U 0−]≃exp[U 0]exp −

PP 0

=exp −

leading to Planck formula

energy/temperature

P 1

P 2=

exp−1

exp−2

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Curriculum & main themes:

Chap. 2 (2.1-2.3,2.4 2.5, 2.6.1)Basic principles, Operators & Functions and their propertiesThe Schroedigner equation (separation, probability currents)

Chap. 3 (3.1, 3.4, 3.5)Delta functions & The Harmonic Oscillator -I

Chap. 4 (4.1-4.5, 4.6)Commutation relations & implications, Parity, Ehrenfest & Uncertainity principle

Chap. 5 (5.4, 5.6, 5.7-5.9)Angular momentum & Central (=spherical) symmetry: The Coulomb potential & hydrogen atoms

This course :

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Chap. 6 (6.1-6.5)

Bra-Ket formalism & operators, vectors & matrix representation. Harmonic Oscillator - II

Chap. 8 (8.1 -8.4)

General Spin with Bra-Ket formalism, Representation of small spins (1/2, 1), Addition of spins, identical particles

Chap. 7 (7.1 without 7.1.3, 7.2, 7.3)

Time independent perturbation theory & Variational Method

Chap. 11

Time dependent basis solution, perturbation theory & the golden rule

Chap. 13 (13.1 - 13.5)

Classical scattering & basic concepts. Quantum mechanical time independent potential scattering problem, the scattering amplitude & the Born approximation (use it / not derive it)

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i h∂r , t

∂ t= Hr , t =[

p2

2mV r ]r , t

i h∂r , t

∂ t=[−

h2

2m∇2V r ]r , t

Schrodinger equation

inserting momentum operator

Er =[−h2

2m∇

2V r ]r

stationary solutions

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atomic physics

time­dependent Schrodinger equation,atom­radiation interactions quantum dotsnano­tech ( Dorte Madsen , Bodil Holst) 

Physics

Ladislav KocbachJan Petter Hansen

Nuclear physics

Experimental search for Quark­Gluon Plasmaat CERN and Brookhaven experimentsApparatus (detector) constructions (microelectronics)theoretical study of quark­gluon plasmatheoretical study of extreme nuclear states

Dieter RohrichJoakim Nystrand    Microelectronics     Laszlo CsernaiJan Vaagen

Particle Physics

Participation in ATLAS experiment at CERNcosmic muon detector in IFT.Study of Dark Matter detection at ATLAS,search for Higgs particletheoretical study of Higgs models,“dark matter” related theories, neutrinos

GRID computing (ATLAS, ALICE)

Bjarne Stugu,

Anna LipniackaGerald EigenPer Osland

Anna LipniackaHaavard Helstrup 

space physics solar and atmospheric physicsINTEGRAL satellite, apparatus construction(gamma rays from space)

Johan Stadnes, Kjartan OlafssonNikolai Ostgard

http://www.ift.uib.no/partikkelfysikk/

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Numerous exchanges for undergraduate and graduate studentsthe Department is involved in:

NordPlus ( Nordic Countries), Aarhus(atomic physics)

Erasmus ( Europe)Heidelberg ( Dieter Rohrich)Freiburg, Sheffield  ( Anna Lipniacka)(possibly also Durham and Udine )Graduate School ( Heidelberg­Bergen, Dieter Rohrich)CERN summer school, CERN technical master programme: many other schools

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