contoh soal fisika kuantum 130703193508 phpapp02

2
2
2

∂ r 2 ∂ + L^ − Ze
^
H ( r )=−
2
∂ r 2 m e r 2 4 πε 0 r
2 me r ∂ r

(

1. Buktikan bahwa Buktikan bahwa

)

Penyelesaian:
2
2 1
∂ sinθ ∂ + 1

∂2
L^ =−ℏ
sin θ ∂θ
∂ θ sin2 θ ∂ φ2
L^ 2
1
∂ sin θ ∂ + 1
∂2
=−
sin θ ∂θ
∂θ sin2 θ ∂φ2
ℏ2

(

(

(

)


(

)

)

)

Persamaan Laplacian pada koordinat spheric dapat dituliskan menjadi:

1 ∂
1
2∂
∂ sinθ ∂ + 1
∂2
r
+
∂ θ r 2 sin 2 θ ∂ φ2
r 2 ∂ r ∂ r r 2 sin θ ∂θ

1 1
2 1
2
∂ sin θ ∂ + 1
∂2
∇ = 2∂ r ∂ + 2
∂ θ sin2 θ ∂ φ2
r ∂ r ∂ r r sinθ ∂θ
1
1
L^ 2
∇ 2= 2 ∂ r 2 ∂ + 2 − 2
r ∂r ∂r r


(
(

∇ 2=


)
)

(

(

(

( ) (
1
L^
∇ = ∂ ( r ∂ )−
r ∂r ∂r ℏ r
2

)

)


)

)

2

2

2

2 2

Operator Hamiltonian :
2

2
^ ( r )=−ℏ ∇ 2 − Ze
H
2 me
4 πε 0 r


ℏ2 1 ∂
L^ 2
Ze 2
2∂
r


2 me r 2 ∂ r
∂r ℏ 2 r 2 4 πε 0 r
2
^2 2
Ze 2
^H ( r )=−ℏ 1 ∂ r 2 ∂ + L ℏ

2 me r 2 ∂r
∂r 2 me ℏ2 r 2 4 πε 0 r
2
2
Ze 2

∂ r 2 ∂ + L^
^ ( r )=−ℏ
H

2
∂r 2 me r 2 4 πε 0 r
2 me r ∂r

(

^ ( r )=−
H

(

)

(

)


(

)

)



2. Sebuah atom mempunyai fungsi gelombang radial sebagai berikut
a. Normalisasikan fungsi tersebut
b. Cari energinya
Penyelesaian :


R(r )= Ae

Zr
a0


R ( r )= Ae

Zr
a0

.



∫ dr (r 2 R 2 ( r ) )=1
a)

0

(

∫ dr r2( Ae





Zr 2
a0

) ) =1

0



A 2∫ r2 e

−2

Zr
a0

dr =1
… (1)


0

−2

Misal n =

Z
a0

, maka :

1

∫ e nr dr= n e nr

∫ ∂n∂ (e nr )dr = dnd ( 1n e nr)
∫ ∂n∂ (e nr )dr = dnd ( 1n e nr)
∫ re nr dr =

nr

nr

nr

e rn−e
e
= 2 ( rn−1 )
2
n
n

∫ ∂n∂ ( renr ) dr= dnd
∫ r 2 enr dr =

∫ r2 enr dr =

(

e nr
( rn−1 )
n2

)

n2 enr r ( rn−1 )+ n2 e nr−2 ne nr ( rn−1 )
n4

e nr r 2 2 e nr 2 enr r
+ 3 − 2
n
n
n

Subsitusi ke persamaan (1)

A

2



∫r

2

−2

e

Zr
a0

dr =1

0

2

[

−2

A e

Zr
a0

(

)]

r 2 a 0 2 ra 0 2 a0 ∞
+
+
| =1
−2 z 4 z2 −8 z 3 0
2

3

[
[(
[ ( )]
(

A 2 0 0−

A 2 0+

a

a

0

3

4z

3

3
0
3

4z

z
A=2
a0

a

) (
) ( )]

A 2 e−∞ ∞−∞−

3
0
3

4z

−e 0 0−0−

a

−1 −

0

3

4 z3

a

0

3

4 z3

)]

=1

=1

=1

3

()

2

… (2)

Dari persamaan (2) diperoleh

z
R(r )=2
a0

3

( )

z
R10 (r )=2
a0

2e

−Zr
a0

(merupakan R(r) saat n=1 dan l=0)
3

( )

2e

−Zr
a0

2

b)

En =

−Z
2 n2

E1 =

−Z −Z
=
2
2 . 12

2

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

[]

−¿= 0
1
χ¿

Memenuhi persamaan Schrodinger iℏ


χ =^
H s χ (t) … (1)
∂ x (t )

^
H s adalah Hamiltonian gerak spinor, dapat ditulis :

^
H s=M . B=−μ B σ . B=−μB σ y B … (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)
iℏ

[ ]

[ ]

∂ a( t)
a(t)
=−μ B σ y B
∂ x b( t)
b (t)

[

, dengan σ y = 0 −i
i 0

]

∂ a(t ) −μ B B 0 −i a(t )
=
∂ x b(t )
i ℏ i 0 b (t )

[ ]

Maka, jika ω=

[

][ ]

μB B


da(t) −μ B B
=
b ( t )=−ωb ( t )
dt

db(t) μB B
=
a ( t )=ωa ( t )
dt

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 )
c cos ω t+ c2 sin ω t
= 1
b(t ) c 1 sin ω t−c 2 cos ω t

karena χ(t) = χ-

]

… (3)

[ ][]
a(t) 0
=
b(t) 1

[

][]

c 1 cos ω t+ c2 sin ω t
=0
1
c1 sin ω t−c 2 cos ω t

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 )=

[

][

][

c 1 cos ω t+ c 2 sin ω t
0+(−1)sin ω t
=
= −sin ω t
cos ω t
c 1 sin ω t−c2 cos ω t
0−(−1)cos ω t

]

Jadi, spinor pada :

[

][

][]

t 1 =0, χ (t )= −sin ω t = −sin 0 = 0
cos ω t
cos 0
1

t2 =

“spin down”

[ ][ ]

π
π
−sin
(
)

−sin ω t
2
−1
=[
=
=
=[ ]
]
cos ω t
π
0
π
cos
cos ω (
)
2


π

2 ω (t )

−sin ω

“spin up”

t3 =

π

ω (t)

[ ]

π
(
) = −sin π = 0
ω
=[ −sin ω t ]=
[ cos π ] [ 1]
cos ω t
π
cos ω ( )
ω
−sin ω

“spin down”

Mencari Δt, t2 – t1 atau t3 – t2
Δ t=t 2−t 1=

π
π
−0=



π
π 2 π −π
π
Δ t=t 3−t 2= −
=
=
ω 2ω


Jadi,

Δ t=

π


Mencari periode getar (T)
T =2 Δt=

2π π
=
2ω ω

Karena ω=

μB B


Maka
π πℏ
T= =
ω μB B

4. Buktikan persamaan Schwarz’s

|⟨⃗a|⃗b⟩|≤||⃗a||⃗b||

(1)Schwarz'sinequality
⟨a|b⟩≤‖a‖b ⇒the qualityhold,when {a=λb, λisa cal r

Penyelesaian :

2 22

⟨a|b⟩ 2 (4⟨a|b⟩ −4‖a ‖b ) 2 2 2
¿Pro f:¿ ‖a+λb‖=⟨a+λb|a+λb⟩=⟨a| ⟩+λ⟨a|b⟩+λ⟨b|a⟩+λ ⟨b| ⟩¿ if⟨a|b⟩=⟨a|b⟩e ⇒‖a+λb‖=‖a +|λ ‖b +λ⟨a|b⟩e +λ ⟨a|b⟩e ¿ for‖a+λb‖≥0foral λ,cho se λ=re ¿ ⇒0≤‖a+λb‖=‖a +r‖b +2r ⟨a|b⟩ ¿ ⇒(r+ 2 )− 2 ≥0¿ ⇒⟨a|b⟩ ≤‖a ‖b ¿
‖b 4‖b
2

¿ ¿

iα 2 2 2 2 iα ¿ −iα 2

−iα 2 2 2 2

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

(

1 1
0
A= 1 1 −3
0 −3 −3

)

Penyelesaian :
Diketahui bahwa det (A – λI) = 0

(

) ( )

(

)( )

1 1
0
1 0 0
A – λ I = 1 1 −3 −λ 0 1 0
0 −3 −3
0 0 1
1 1
0
λ 0 0
A – λ I = 1 1 −3 − 0 λ 0
0 −3 −3
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− λ
1
1
1− λ
−3
1
1−λ=0
0
−3 −3−λ 0
−3

(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
-λ3 - λ2 + 15λ - 9 = 0

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 ± √ b2−4 ac
2a

λ2,3 =

−4 ± √ 42−4 ( 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 1,29
=
=0 ,645
2
2

λ3 =

−4−5,29 −9,29
=
=−4 ,645
2
2

Mencari fungsi eigen untuk λ1 = 3
Ax1 = λ1x1
x1
1
x
=
x2
misal
x3

()

)( ) ( )

x1
1 1
0 x1
maka, 1 1 −3 x 2 =3 x 2
0 −3 −3 x 3
x3
(1) x1 + x2 = 3x1
-2x1 + x2 = 0
(2) x1 + x2 – 3x3 = 3x2
x1 – 2x2 – 3x3 = 0

(

(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
1
k=
6
Fungsi eigen ternormalisasi pada λ1 = 3 adalah
x1
k
1
1
1
1
x = x 2 = 2 k =k 2 =
2
6
−k
−1
−1
x3
Mencari fungsi eigen untuk λ2 = 0,645
Ax2 = λ2x2
x1
2
misal x = x 2
x3



()( ) ( )√( )



()

)( ) ( )

x1
1 1
0 x1
=0,645
x2
maka, 1 1 −3 x 2
0 −3 −3 x 3
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
pada persamaan (3)
-3x2 – 3,645x3 = 0

(

-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
1
k=
9,612818
Fungsi eigen ternormalisasi pada λ2 = 0,645 adalah
x1
−2,817 k
−2,817
−2,817
1
2
x = x2 =
=k
=
k
1
1
9,612818
−0,8230
k
−0,8230
−0,8230
x3
Mencari fungsi eigen untuk λ3 = -4,645
Ax3 = λ3x3
x1
3
misal x = x2
x3



()(



) (

)√

)( )

()

()

x1
1 1
0 x1
=−4,645
x2
maka, 1 1 −3 x 2
0 −3 −3 x 3
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
k2 + (-5,645k)2 + (-10,2948k)2 = 1
k2 + 31,866025k2 + 105,98291k2 = 1
138,84894k2 = 1

(

(

)



1
138,84894
Fungsi eigen ternormalisasi pada λ3 = -4,645 adalah
x1
k
1
1
1
3
x = x2 = −5,645 k =k −5,645 =
−5,645
138,84894
−10,2948 k
−10,2948
−10,2948
x3
k=

()(

) (

)√

(

)