Compito Scritto Meccanica Quantistica, 01/02/2017

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1 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 01/0/017 Esercizio 1. Si consideri una particella di massa m espin1,chesimuoveinunospaziolimitatoda due superfici piane poste in z = a/ ez = a/, per cui la sua coordinata z soddisfa la condizione a/ z a/. L Hamiltoniana del sistema è H = p m + 1 mω (x + y )+α(l z +S z ), (1) dove L è i l m o m e n t o a n g o l a r e. V a l e l a r e l a z i o n e h /(ma ) hω hα > Si determinino gli autostati di H con energie E<E max, E max = π h /(ma 5 )+ hω. Si riportino i valori delle rispettive energie e le degenerazioni dei livelli;. Si determini lo stato più generale ψ tale che: (a) una misura dell energia dà con certezza E<E max ;(b)unamisuradij z (J = L + S) dàconcertezza h; (c)laprobabilitàdimisurare S z = h è 1 ;(d)valelacondizione ψ r S ψ =0; 3. Se ψ(t) è l evoluto di temporale di ψ (ψ(t = 0) = ψ), si calcoli ψ(t) H ψ(t). Funzioni d onda per l oscillatore armonico unidimensionale: ( λ ψ 0 (x) = π ) 1/4 e λ x /, ψ 1 (x) = 1 λxψ 0 (x) λ = mω h. Esercizio. Si considerino due particelle identiche di spin 1/ nelsistemadiriferimentodelcentro di massa. In tale riferimento l Hamiltoniana è data da H = p 1 m + p m mω (r 1 r ) γl z, con 0 <γ< 1 6 ω; L è i l m o m e n t o a n g o l a r e o r b i t a l e t o t a l e d e l s i s t e m a. 1. Determinare gli autovalori E, conlerispettivedegenerazioni,dell Hamiltonianachesoddis- fano a E<4 hω.. Il sistema si trova in uno stato ψ tale che una misura dell energia E può dare solo E 3 hω; valgono L ψ = h ψ e J ψ =0,conJ = L + S 1 + S.Determinare ψ. 3. Quali valori può dare una misura della componente z dello spin di una particella nello stato ψ?conqualeprobabilità? 4. Si supponga che il sistema sia nello stato ψ al tempo t =0. QualivaloridiJ e J z possono essere ottenuti da una misura del momento angolare totale all istante t generico e con quale probabilità? 1

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9 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 01/0/017 Esercizio 1. Si consideri una particella di massa m espin1,chesimuoveinunospaziolimitato da due superfici piane poste in z = a/ ez = a/, per cui la sua coordinata z soddisfa la condizione a/ apple z apple a/. L Hamiltoniana del sistema è H = p m + 1 m! (x + y )+ (L z +S z ), dove L è i l m o m e n t o a n g o l a r e. V a l e l a r e l a z i o n e ~ /(ma ) ~! ~ >0. 1. Si determinino gli autostati di H con energie E<E max, E max = ~ /(ma )+ 5 ~!. Si riportino i valori delle rispettive energie e le degenerazioni dei livelli;. Si determini lo stato più generale tale che: (a) una misura dell energia dà con certezza E<E max ; (b) una misura di J z (J = L + S) dàconcertezza~; (c)laprobabilitàdi misurare S z = ~ è 1 ;(d)valelacondizioneh r S i =0; 3. Se (t) èl evolutoditemporaledi ( (t =0)= ), si calcoli h (t) H (t)i. Funzioni d onda per l oscillatore armonico unidimensionale: 1/4 0(x) = e x /, 1 (x) = p 1 r m! x 0 (x) = ~. Esercizio. Si considerino due particelle identiche di spin 1/ nelsistemadiriferimentodel centro di massa. In tale riferimento l Hamiltoniana è data da H = p 1 m + p m m! (r 1 r ) L z, con 0 < < 1!; L è il momento angolare orbitale totale del sistema Determinare gli autovalori E, con le rispettive degenerazioni, dell Hamiltoniana che soddisfano a E<4~!.. Il sistema si trova in uno stato i tale che una misura dell energia E può dare solo E apple 3~!; valgonol i =~ i e J i =0,conJ = L + S 1 + S.Determinare i. 3. Quali valori può dare una misura della componente z dello spin di una particella nello stato i?conqualeprobabilità? 4. Si supponga che il sistema sia nello stato i al tempo t =0. QualivaloridiJ e J z possono essere ottenuti da una misura del momento angolare totale all istante t generico econqualeprobabilità?

10 Soluzione dell esercizio 1. Riscriviamo l hamiltoniana nella forma H = p z m + apple p x + p y m + m! x + y + (L z +S z ), in cui riconosciamo che il primo termine p z/(m) descriveladinamicadiunaparticellanel segmento a pareti infinite in ±a/ e il termine in parentesi quadra descrive la dinamica di un oscillatore armonico bidimensionale sul piano x, y. GliautovaloriE(k, n, `z,s z )delsistemasono dati pertanto dalla somma E(n z,n,`z,s z )= ~ n z ma + ~! (n +1)+~ (`z +s z ) eleautofunzionisonodatedalprodottotensoriale i = n z i n,`zi s, s z i,doveiket n,`zi denotano gli autostati simultanei dell hamiltoniana dell oscillatore armonico bidimensionale e dell operatore L z.poichépern z =,n=0(dacuisegue`z =0)es z = 1siha ~ ~ ~ + ~! ~ ma Emax = + ~! ~ ma ma + 5 ~! = = 3~ 3 ma ~! ~ = 3 ~ ~! ma 4 3 ~ > 0, in quanto ~ /(ma ) ~! ~ >0, segue che gli autostati di H richiesti hanno numero quantico n z =1relativamenteall hamiltonianadellaparticellanelsegmentoconparetiinfinite. 1. In ordine di energie crescenti, gli autostati di H con energia E<Emax sono 0i = 1i 0,0 i 1, 1i, di energia E 0 = ~ 1i = 1i 0,0 i 1, 0i, di energia E 1 = ~ i = 1i 0,0 i 1, 1i, di energia E = ~ + ~! ~ enondegenere; ma ma + ~! 3i = 1i 1, 1 i 1, 1i, di energia E 3 = ~ (a) 4 i = 1i 1, 1 i 1, 0i, di energia E 4 = ~ (a) 5 i = 1i 1, 1 i 1, 1i, di energia E 5 = ~ (b) 4 i = 1i 1,1 i 1, 1i, + ~! +~ ma enondegenere; enondegenere; +~! 3~ enondegenere; ma +~! ~ econdegenerazione; ma (b) 5 i = 1i 1,1 i 1, 0i, +~! + ~ ma econdegenerazione; 6i = 1i 1,1 i 1, 1i, di energia E 6 = ~ +~! +3~ ma enondegenere. Osserviamo infine che risulta E 3 >E perché per la condizione ~! ~ >0valela disuguaglianza ~ ~ E 3 E = +~! 3~ + ~! +~ = ~! 5~ >0. ma ma

11 . Lo stato più generale i che verifichi la condizione (a) è una combinazione lineare degli autostati di H di cui al punto precedente; dalla condizione (b) segue che lo stato i è (b) combinazione lineare dei soli due autostati i e 5 i; dallacondizione(c)seguechelo stato i è d a t o d a apple 1 i = 1i p 0,0 i 1, 1i + p ei 1,1 i 1, 0i. (1) Per imporre la condizione (d) scriviamo gli autostati dell hamiltoniana H O dell oscillatore armonico bidimensionale nella forma n x,n y i e abbiamo l uguaglianza 0,0 = 0, 0i. Poiché gli autostati 1,±1 i simultanei degli operatori H O,L z sono combinazione lineare degli autostati 1, 0i = Cxe m!(x +y )/(~) e 0, 1i = Cye m!(x +y )/(~),calcoliamo L z 1, 0i = i~ h i Cxe m!(x +y )/(~) = i~ Cye m!(x +y )/(~) = i~ L z 0, 1i = @y h i Cye m!(x +y )/(~) = i~ Cxe m!(x +y )/(~) = i~ 1, 0i, da cui seguono la rappresentazione matriciale di L z nella base { 1, 0i, 0, 1i} 0 i L z = ~ i 0 eisuoiautovettori 1,±1 i =(i 1, 0i 0, 1i)/ p, relativi agli autovalori `z = ±~. Ricaviamo ora la fase ipotizzando che eche 1, 0i = Cxe 1,±1 i =(i 1, 0i 0, 1i)/ p (x +y )/, 0, 1i = Cye (x +y )/, con C costante reale. La fase che troveremo dipende strettamente da questa scelta. Poiché risulta h 0,0 x 1,1 i = p 1 r r ~ ~ h0, 0 x (i 1, 0i 0, 1i) =i h0 (a + a ) 4m! x x 1i x = i 4m!, segue h1, 1 S x 1, 0i = 1 h1, 1 (S + + S ) 1, 0i = ~ p h1, 1 ( 1, 1i + 1, 1i) = ~ p, h xs x i = 1 h i h i h1, 1 h 0,0 + e i h1, 0 h 1,1 xs x 0,0 i 1, 1i + e i 1,1 i 1, 0i = = 1 h i e i h 0,0 x 1,1 ih1, 1 S x 1, 0i + e i h 1,1 x 0,0 ih1, 0 S x 1, 1i = e dalle relazioni r ~ 3 8m! sin h zs z i = Ah1 z 1i = A Z a/ a/ z cos kz dz =0 e h xs x i = h ys y i,

12 otteniamo infine h (r S) i =0per =0,.Pertantolostato i assume le due forme possibili, indicate con (±) i,compatibiliconlecondizioniassegnate apple 1 (±) i = 1i p 0,0 i 1, 1i± p 1 1,1 i 1, 0i. Per comprendere come il risultato dipenda dalla scelte delle funzioni d onda che appaioni nell equazione (??) supponiamo di definire 1,±1 i = C(x ± iy)e (x +y )/, con C costante reale. Le funzioni 1,±1 i ora definite di eriscono per un fattore i dalle precedente per cui il risultato si scrive come apple 1 (±) i = 1i p 0,0 i 1, 1i±ip 1 1,1 i 1, 0i. 3. Poiché il valor medio dell hamiltoniana su un qualsiasi stato risulta indipendente dal tempo, segue h (t) H (t)i = h H i, dacuiotteniamo(perentrambiglistati (±) i) h (t) H (t)i = h H i = 1 ~ + ~! +~ + 1 ~ +~! + ~ = ma ma = ~ ma + 3 ~! + 3 ~.

13 Soluzione dell esercizio. Nel sistema di riferimento del centro di massa delle due particelle, l hamiltoniana del moto relativo delle due particelle assume la forma H = p µ + µ! r L z, avente autovalori E(n, `z) =~! n + 3 ~ `z, in cui è stato trascurato il termine di hamiltoniana di particella libera relativo al baricentro. Poiché nel sistema di riferimento del centro di massa l operatore di scambio delle due particelle coincide con l operatore parità spaziale, segue che gli autostati del sistema sono dati dal prodotto delle autofunzioni dell oscillatore armonico con numero quantico ` pari per il singoletto di spin, oppure dal prodotto delle autofunzioni dell oscillatore armonico con numero quantico ` dispari per uno stato di tripletto di spin. 1. In ordine crescente di energia e indicando con n,`,`zi gli autostati dell oscillatore armonico, gli autostati di H sono 0i = 0,0,0 i 0, 0; 1, 1, di energia E 0 = 3 ~! enondegenere; 1i = 1,1,1 i 1,s z ; 1, 1, di energia E 1 = 5 ~! ~ econdegenerazione3; i = 1,1,0 i 1,s z ; 1, 1, di energia E = 5 ~! e con degenerazione 3; 3i = 1,1, 1 i 1,s z ; 1, 1, di energia E 3 = 5 ~! + ~ econdegenerazione3; 4i =,, i 0, 0; 1, 1, di energia E 4 = 7 ~! ~ enondegenere; 5i =,,1 i 0, 0; 1, 1, di energia E 5 = 7 ~! ~ enondegenere; (a) 6 i =,,0 i 0, 0; 1, 1, (b) 6 i =,0,0 i 0, 0; 1, 1, di energia E 6 = 7 ~! econdegenerazione; 7i =,, 1 i 0, 0; 1, 1, di energia E 7 = 7 ~! + ~ enondegenere; 8i =,, i 0, 0; 1, 1, di energia E 8 = 7 ~! +~ enondegenere. Dalla condizione 0 < <!/6siricavanolerelazioniE 1 >E 0 e E 4 >E 3.. Per scrivere lo stato i, utilizziamolabase{ n; j, j z ; `, si} degli autostati simultanei degli operatori H, J,J z, L, S.Invirtùdellacondizione0< <!/6, uno stato di energia E apple 3~! può essere combinazione lineare degli autostati dell hamiltoniana aventi numero quantico n =0on =1. Poiché` =1ej =0,seguen = s =1e j z =0equindilostato i è d a t o d a i = 1; 0, 0; 1, 1i.

14 3. Nella base { n,`,`zi s, s z i} degli autostati simultanei degli operatori H, L,L z, S,S z,lo stato i assume la forma i = 1; 0, 0; 1, 1i = 1 p 3 1,1,1 i 1, 1i S 1 p3 1,1,0 i 1, 0i S + 1 p 3 1,1, 1 i 1, 1i S, dove S, S z i S sono gli autostati dello spin totale. Riscriviamo ora gli autostati dello spin totale in termini degli autostati simultanei di S1,S 1z, S,S z. Abbiamo i = 1 p 3 1,1,1 i 1, 1 1 1, p 3 1,1, 1 i 1, p 1,1,0 i 6, 1,, 1 1 1, 1 + 1, 1 1 1, 1 da cui ricaviamo che la misura della componente z dello spin di una qualsiasi delle due particelle fornisce i valori ±~/ conprobabilità1/. 4. All istante t =0lostato i scritto nella forma i =, 0i = 1 p 3 1,1,1 i 1, 1i S 1 p3 1,1,0 i 1, 0i S + 1 p 3 1,1, 1 i 1, 1i S è combinazione lineare di autostati dell hamiltoniana H, vedipunto1dellasoluzione: 5 H 1,1,1 i 1, 1i S = ~! ~ 1,1,1 i 1, 1i S H 1,1,0 i 1, 0i S = 5 ~! 1,1,1i 1, 1i S 5 H 1,1, 1 i 1, 1i S = ~! + ~ 1,1,1 i 1, 1i S. Ricaviamo lo stato al generico istante di tempo t>0(avendoeliminatounafasecomune):, ti = ei t p 3 1,1,1 i 1, 1i S 1 p3 1,1,0 i 1, 0i S + e i t p 3 1,1, che nella base { n; j, j z ; `, si} assume la forma, ti= cos p t p! i sin t cos t 1;, 0; 1, 1i + p 1; 1, 0; 1, 1i i 1, 1i S ; 0, 0; 1, 1i. Segue quindi che una misura di J z può solo dare il valore J z = 0 con probabilità 1 ad ogni istante t; mentreunamisuradij può dare i valori J =6~, ~, 0conprobabilità P(6~ )= cos t p 18 p 3 = 9 cos t 4 9 cos t + 9, P(~ )= i sin t p 6 = 3 sin t, P(0) = cos t = 4 9 cos t cos t Può essere istruttivo concludere con una verifica di consistenza che le probabilità ottenute dànno somma 1 e che all istante t = 0 risulta e ettivamente P(0) = 1 con P(6~ ) = P(~ ) = 0 perché lo stato iniziale, 0i = i = 1; 0, 0; 1, 1i contiene il solo numero quantico j =0.

15 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 0/0/017 Esercizio 1. Si considerino due particelle identiche A e B di spin 1/, vincolate a muoversi su una sfera di raggio R. L Hamiltoniana del sistema è H = J + L A + L B, con >0, J = L tot + S tot, L tot = L A + L B e S tot = S A + S B. 1. Si determini lo stato fondamentale 0 del sistema. Se ne calcoli l energia e si esprima 0 come combinazione lineare di `Am A i `Bm B i sz s,dove `Am A i sono le autofunzioni di L A ed L Az, `Bm B i le analoghe autofunzioni per la particella B e sono gli spinori per lo spin totale S tot.. Si calcoli l elemento di matrice h 0 A 0 i con A = z A z B S AxS Bx /R Si determini il primo stato eccitato 1 del sistema. Se ne calcoli l energia e si esprima 1 in termini delle stesse funzioni considerate al punto Viene e ettuata una misura della componente x dello spin di una della due particelle sugli stati 0 e 1. Quali sono i possibili risultati della misura? Con quali probabilità? s z s Esercizio. In un sistema quantistico a tre stati sono dati i seguenti operatori:  = 0 1 0C A ; ˆB = C A ; Ĉ = C A L Hamiltoniana del sistema è data da H = h! ˆB. All istante t =0ilsistemasitrovainun autostato dell operatore  tale che  0i = Si determini 0 ed il suo evoluto temporale (t).. Se si misura all istante t generico l osservabile Â, quali valori si possono ottenere e con quale probabilità? Si calcoli inoltre A(t) =h (t)  (t)i/h (t) (t)i. 3. Se si misura all istante t generico l osservabile Ĉ, quali valori si possono ottenere e con quale probabilità? Si calcoli inoltre C(t) =h di erente dipendenza temporale di A(t) e C(t). 4. Si aggiunge all Hamiltoniana una perturbazione ˆV = " h!  + Ĉ. (t) Ĉ (t)i/h (t) (t)i. Si spieghi l origine della Si calcoli al primo ordine perturbativo in " l energia dello stato fondamentale ed il corrispondente autovettore. 1

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21 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 17/05/017 Esercizio 1. Due particelle di spin 1/, distinguibili, si trovano inizialmente nello stato ψ 0 = 1, 1 + 1, 1 dove s 1z,s z è l a u t o s t a t o d e g l i o p e r a t o r i d i s p i n S 1z e S z delle due particelle. 1) All istante t = 0 viene effettuata una misura di S 1x sul sistema trovando h/ edaltempot 0 > 0 viene effettuata una misura di S z trovando h/. Si scriva la funzione d onda normalizzata del sistema dopo la prima e la seconda misura, nella base s 1z,s z.nell intervalloditempo 0 <t<t 0 le due particelle non interagiscono. ) Immediatamente dopo la misura al tempo t 0,vieneaccesaun interazionetraledueparticelle con Hamiltoniana H = αs 1 S. Si scriva lo stato ψ(t) del sistema al tempo t>t 0. Quali sono i valori misurabili di S z al tempo t econqualeprobabilità? 3) Calcolare ψ(t) S tot,x ψ(t) dove S tot = S 1 + S. Esercizio. Un sistema a tre stati è descritto dall Hamiltoniana H = hω Si considerino due osservabili A = α 0 0 i 0 0 i 0 0 B = β , dove ω>0, α>0eβ>0. Trovare gli autostati (normalizzati) di H, A e B. Supponendo che all istante t =0unamisuradiA abbia dato come risultato α, siscrivalostato iniziale ψ 0 del sistema. 1. Calcolare il valor medio di A in funzione del tempo, ossia ψ(t) A ψ(t), dove ψ(t) è lo stato al tempo t e ψ(0) = ψ 0 ;. Dire quali sono i possibili risultati di una misura di B sullo stato ψ(t) al tempo t generico e le corrispondenti probabilità; 3. Calcolare lo spostamento in energia e la funzione d onda dello stato fondamentale al primo ordine nella teoria delle perturbazioni (si assuma β 1), se si aggiunge ad H una perturbazione V = hωb. 1

22 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 05/07/017 Esercizio 1. Due particelle identiche di spin 1/ sono vincolate a muoversi su una sfera di raggio R. Lalorofunzioned ondanormalizzataè ( Nx1 x ψ = R + 1 ) φ S1,S 8π dove φ S1,S è l a f u n z i o n e d o n d a n o r m a l i z z a t a d i s p i n e d i p e d i c i 1 e s i r iferiscono alle due particelle. a) Si esprima la φ S1,S nella base S 1z S z. b) Si calcoli la costante N in modo che ψ sia normalizzata. c) Si effettua una misura di (L 1 + L ),dovel 1 ed L sono i momenti angolari delle due particelle. Quali valori si ottengono e con quale probabilità? Esercizio. Un sistema unidimensionale è composto da due particelle identiche di spin 0 e carica elettrica q. Il sistema è descritto dall Hamiltoniana: H = 1 ( ) p 1 + p + 1 ( ) m mω x 1 + x q E (x 1 + x ), dove E è i l c a m p o e l e t t r i c o n e l l a d i r e z i o n e x. a) Si determinino gli autovalori della Hamiltoniana e, per i tre livelli più bassi, se ne specifichi la degenerazione. b) Si calcoli il valore medio dell operatore (x 1 x ) sullo stato fondamentale. c) Si consideri l Hamiltoniana H = H + V,dove V = λx 1 x ; si calcoli l energia dello stato fondamentale di H al primo ordine in λ. d) Si calcoli la funzione d onda dello stato fondamentale di H al primo ordine in λ; lasiesprima come combinazione lineare degli autostati di H. 1

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27 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 6/07/017 Esercizio 1. Si consideri un sistema a tre livelli. Sia H la Hamiltoniana e sia B = { 1,, 3 } una base ortonormale. 1) Ènotoche: (i)h ha autovalori 0, ω e4 ω; (ii)unamisuradell energiasu 1 dà con certezza 4 ω; (iii)unamisuradell energiasu( 3 )/ dàconcertezza ω. Sitrovil autostatodih con autovalore nullo. ) Si consideri l operatore C. Nella base B è rappresentato dalla matrice C = ω Si determinino tutti gli stati tali che una misura di C fornisce 8 ω con probabilità 1/ e0con probabilità 1/. 3) Tra gli stati determinati al punto ), si selezioni quello per cui è massima la probabilità di trovare 0inunamisuradell energia. Losiindichicon ψ. 4) Si calcoli l evoluto ψ(t) di ψ al tempo t = t = π/(ω) el elementodimatrice ψ( t) C ψ( t).. Esercizio. Lo stato di un elettrone di un atomo di idrogeno con momento orbitale l =1espin 1/ èdescrittodallafunzioned ondanormalizzata ψ(r, φ, θ) = R,1(r) [Y 1,0 (φ, θ) ( ) 1 + Y 0 1,1 (φ, θ) ( )] 0, 1 dove R,1 (r) èlafunzioned ondaradialeperl atomod idrogenoconn =el =1e ( ) 1 0 corrispondono agli stati di spin 1/, ±1/. e ( ) 0, 1 a) Si determinino i possibili risultati di una misura di J e J z,dovej = L + S, elerelative probabilità. b) Si calcoli l elemento di matrice ψ L S ψ. c) Si determinino i possibili risultati di una misura di L x elerelativeprobabilità. Sispieghiperché, dopo una misura di L x,lostatorimaneautostatodil esenespecifichil autovalore. 1

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32 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 18/09/017 Esercizio. Si consideri una particella di spin S = ~/. Nella base 1 0 1/, 1/i =, 1/, 1/i =, 0 1 dove S z 1/, ±1/i = ±~/, la Hamiltoniana è descritta dalla matrice H0 iµ B H =, iµ B H 0 dove H 0 è l Hamiltoniana di un oscillatore armonico tridimensionale e0<µb ~!. H 0 = p m + m! r, 1. Si determinino gli autovalori dell Hamiltoniana. In particolare, si calcolino le energie e la degenerazione dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati.. Si scrivano le funzioni d onda dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati in modo che siano combinazioni di autostati di J e J z,dovej = L + S; le si esprima come combinazioni lineari degli stati n, l, s =1/; j, j z i. 3. Si calcoli lo spostamento in energia dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati se si aggiunge ad H una perturbazione V = L S. Esercizio. Si considerino due particelle identiche di massa m e spin 1 vincolate a muoversi in due dimensioni nel dominio L/ apple x apple L/, L/ apple y apple L/ e soggette alla hamiltoniana H = 1 m (p 1 + p )+! 3~ S 1 S S 1z S z, con 0 <! ~/(ml ) (i pedici 1 e si riferiscono alle due particelle). 1) Si calcoli l energia e la degenerazione dello stato fondamentale e dei primi due stati eccitati. ) Si consideri H 0 = H + V, con V = L ~ (x 1 x ) S 1z S z, dove il parametro può essere sia positivo, sia negativo. Si calcoli l energia dello stato fondamentale di H 0 al primo ordine in. Possono essere utili gli integrali Abbiamo I n = Z / 0 x cos n xdx. I 1 = 1 4 ( 8), I = 48 ( 6), I 3 = 1 54 (9 80), I 4 = 18 ( 15) 1

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40 Compito Scritto Meccanica Quantistica, 0/11/017 Esercizio 1. Si consideri una particella di spin 1/ vincolata a muoversi su una sfera di raggio unitario. Si considerino gli stati Y 0 Ai = a py 1 Y 0 1 Bi = b py 1 1 dove a e b sono costanti di normalizzazione, Yl m (, ) indica un armonica spherica e 1 s+ è uno spinore di spin 1/ riferito all asse z. Definiamo inoltre l operatore s M = 1 ~ (J L ) dove L è il momento angolare e J = L + S. ~ (L z +S z ) 1) Si considerino i quattro operatori M, J, L e J z. Si dica di quali operatori gli stati Ai e Bi sono autostati e, nel caso in cui lo siano, se ne calcoli il rispettivo autovalore. ) Si calcolino le costanti a e b in modo che gli stati siano normalizzati. 3) Se l Hamiltoniana del sistema è H =!J /~!J z, si calcolino gli stati A(t)i e B(t)i al tempo t ed il modulo R dell elemento di matrice R = ha(t) B(t)i. 1 Esercizio. Un sistema è composto da due particelle identiche di spin 1 vincolate a muoversi in una dimensione. Il sistema è descritto dall Hamiltoniana: H = p 1 + p m + m! x 1 + x, a) Si determinino gli autovalori corrispondenti ai primi tre livelli di energia e se ne discuta la degenerazione. b) Si determini una base di autovettori corrispondenti ai tre livelli di cui al punto a) tali che siano simultaneamente autostati dell Hamiltoniana e autostati degli operatori S ed S z, con S = S 1 + S. c) Si considerino gli stati calcolati al punto b) che corrispondono al livello fondamentale e al primo livello eccitato; per ciascuno di essi si calcoli il valore medio dell operatore O = x 1 x. d) Se si aggiunge all Hamiltoniana il termine V = x 1x S 1 S, calcolare quali sono le correzioni in energia al primo ordine in all energia più bassa. degli stati corrispondenti 1

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