F5030 Introduction to Quantum Mechanics

Faculty of Science
Autumn 2007
Extent and Intensity
2/2/0. 4 credit(s) (fasci plus compl plus > 4). Type of Completion: zk (examination).
Teacher(s)
prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. (lecturer)
doc. Franz Hinterleitner, Ph.D. (seminar tutor)
Mgr. Ondřej Přibyla (seminar tutor)
Guaranteed by
prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D.
Department of Theoretical Physics and Astrophysics – Physics Section – Faculty of Science
Contact Person: prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D.
Timetable
Mon 14:00–15:50 F4,03017
  • Timetable of Seminar Groups:
F5030/01: Mon 16:00–17:50 F4,03017
F5030/02: Tue 9:00–10:50 F2 6/2012
Prerequisites (in Czech)
( F4120 Theoretical mechanics )
Absolvování základního kurzu fyziky.
Course Enrolment Limitations
The course is only offered to the students of the study fields the course is directly associated with.
fields of study / plans the course is directly associated with
Course objectives
Basic course in nonrelativistic quantum mechanics. The probability amplitude and wavefuction. Formalism of quantum mechanics: mathematical tools, postulates, Schrödinger equation. One-dimensional problems - potential steps and barriers, tunneling. Quantization of a harmonic oscillator, angular momentum and of the hydrogen atom. Spin 1/2, Pauli matrices. Systems of identical particles. Approximative methods - time independent and dependent perturbation theory, Fermi golden rule, variational method. Density matrix, entangled states, Bell inequalities, Greenberger-Horne-Zeilinger states. Note on quantum cryptography, teleportation, cloning, and quantum computers.
Syllabus (in Czech)
  • 1. Motivace pro kvantovou mechaniku - neobvyklé chování kvantových objektů - úspěšnost kvantové fyziky při vysvětlení jevů týkajících se malých objektů - nezbytnost kvantové mechaniky pro pochopení i těch nejzákladnějších vlastností hmoty - aplikace v technologiích (počítače, mobilní telefony, nové materiály atd.) - chemická vazba - nelze porozumět bez kvantové mechaniky, podobně procesy v živé přírodě 2. Analogie geometrická vs. vlnová optika -- klasická vs. kvantová mechanika - trajektorie světelného paprsku daná Fermatovým principem - šíření světla po všech možných trajektoriích podle Huygensova-Fresnelova principu - trajektorie hmotného bodu daná Hamiltonovým principem - šíření hmotného po všech možných trajektoriích ve shodě s Feynmanovou formulací kvantové mechaniky 3. Pojem amplitudy pravděpodobnosti a vlnové funkce - událost a její amplituda pravděpodobnosti - princip superpozice pro amplitudy pravděpodobnosti, příklady - skládání pravděpodobností v klasické a kvantové mechanice - vlnová funkce - amplituda nalezení částice v daném místě prostoru - normování vlnové funkce 4. Kvantové stavy a operátory - Hilbertův prostor - fyzikální význam skalárního součinu - fyzikální veličiny a hermitovské operátory - možné výsledky měření fyzikální veličiny, spektrum operátoru - ortogonalita vlastních stavů, její fyzikální význam - rozklad jednotkového operátoru - střední hodnota operátoru 5. Souřadnicová reprezentace - stavy částice na přímce, vlnová funkce - operátor souřadnice a jeho vlastní stavy, Diracova delta funkce - operátor hybnosti jako generátor translace, vlastní stavy - komutační relace pro operátor souřadnice a hybnosti - přechod od souřadnicové k impulzové reprezentaci a zpět 6. Obecné relace neurčitosti - odvození relací neurčitosti v obecném tvaru - příklady: operátory souřadnice a hybnosti, složky momentu hybnosti - vlnová klubka, vlastní stavy momentu hybnosti 7. Schrödingerova rovnice - linearita časového vývoje, rovnice prvního řádu - Hamiltonův operátor - stacionární stavy, jejich časový vývoj - časový vývoj pravděpodobností a středních hodnot ve stacionárním stavu - časový vývoj obecného stavu vyjádřeného v bázi stacionárních stavů - hustota toku pravděpodobnosti 8. Jednorozměrné problémy - řešení Schrödingerovy rovnice pro pravoúhlé potenciálové bariéry - diskrétní a spojité spektrum energií v jámě - odraz od bariéry, jámy a schodu - tunelování - příklady (hrot v elektronovém mikroskopu, alfa-rozpad, Josephsonův jev) 9. Harmonický oscilátor - zavedení kreačního a anihilačního operátoru, jejich komutátor - generování nových vlastních stavů hamiltoniánu - omezení energie zdola, spektrum možných hodnot energie - aplikace: fotony, fonony, Planckův vyzařovací zákon 10. Kvantování momentu hybnosti - vlastnosti trojrozměrných rotací, komutační relace pro složky momentu hybnosti - výběr vhodného systému komutujících veličin - žebříčkové operátory, tvoření nových vlastních stavů - celočíselný a poločíselný moment hybnosti, spinový stupeň volnosti - dalekosáhlé důsledky: rotační spektra molekul, stavy elektronů v atomu, výběrová pravidla pro přechod mezi stavy 11. Atom vodíku - přechod do těžišťové soustavy a ke sférickým souřadnicím - rozpad problému na úhlovou a radiální část - úhlová část - převedení na moment hybnosti - řešení radiální části, vlastní hodnoty energie, degenerace hladin 12. Přibližné metody - stacionární poruchová teorie, opravy k energii a koeficienty nových stacionárních stavů - degenerovaný případ, sekulární rovnice - časově proměnné poruchy, pravděpodobnost přechodu, Fermiho zlaté pravidlo - variační metoda a její aplikace v chemii 13. Identické částice - změna stavu při záměně částic - bosony a fermiony - fermiony - Slaterův determinant, Pauliho pincip, Fermiho energie - bosony - bunching, Cooperovy páry 14. Modernejší partie - provázanost (entanglement), Bellovy a GHZ stavy - popis podsystému pomocí matice hustoty - měření a kolaps stavu - Bellovy nerovnosti - zmínka o kvantové kryptografii, teleportaci, klonování a kvantových počítačích.
Literature
  • CELÝ, Jan. Základy kvantové mechaniky pro chemiky. I, Principy [Celý, 1986]. 1. vyd. Brno: Rektorát UJEP, 1986, 176 s. info
  • CELÝ, Jan. Základy kvantové mechaniky pro chemiky. Vyd. 1. Brno: Rektorát UJEP, 1983, 161 s. info
  • LIBOFF, Richard L. Introductory quantum mechanics. 2nd ed. Reading: Addison-Wesley Publishing Company, 1993, vii, 782 s. ISBN 0-201-54715-5. info
  • MATTHEWS, Paul T. Základy kvantové mechaniky. Vyd. 1. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1976, 256 s. URL info
  • GRIFFITHS, David Jeffrey. Introduction to quantum mechanics. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1995, 9, 394 s. ISBN 0-13-124405-1. info
  • LANDAU, Lev Davidovič and Jevgenij Michajlovič LIFŠIC. Úvod do teoretickej fyziky. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1982, 357 s. info
  • MARX, György. Úvod do kvantové mechaniky. Translated by Luděk Bednář - Zdeněk Urbánek. Vyd. 1. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1965, 294 s. URL info
  • BLOCHINCEV, Dimitrij Ivanovič. Základy kvantové mechaniky. Translated by Jan Cejpek. 1. vyd. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd, 1956, 545 s. URL info
  • DAVYDOV, Aleksandr Sergejevič. Kvantová mechanika. Vyd. 1. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1978, 685 s. URL info
Assessment methods (in Czech)
Přednáška, cvičení
Language of instruction
Czech
Follow-Up Courses
Further Comments
The course can also be completed outside the examination period.
The course is taught annually.
The course is also listed under the following terms Autumn 2007 - for the purpose of the accreditation, Autumn 1999, Autumn 2010 - only for the accreditation, Autumn 2000, Autumn 2001, Autumn 2002, Autumn 2003, Autumn 2004, Autumn 2005, Autumn 2006, Autumn 2008, Autumn 2009, Autumn 2010, Autumn 2011, Autumn 2011 - acreditation, spring 2012 - acreditation, Autumn 2012, Autumn 2013, Autumn 2014, Autumn 2015, Autumn 2016, autumn 2017, Autumn 2018, Autumn 2019, Autumn 2020, autumn 2021, Autumn 2022, Autumn 2023, Autumn 2024.
  • Enrolment Statistics (Autumn 2007, recent)
  • Permalink: https://is.muni.cz/course/sci/autumn2007/F5030