Exercices Mécanique Quantique - Master Physique Matrices, rotations

Documents pareils
Cours de Mécanique du point matériel

C algèbre d un certain groupe de Lie nilpotent.

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

1S Modèles de rédaction Enoncés

Chapitre. Chapitre 12. Fonctions de plusieurs variables. 1. Fonctions à valeurs réelles. 1.1 Définition. 1.2 Calcul de dérivées partielles

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Représentation géométrique d un nombre complexe

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

Angles orientés et trigonométrie

Intégrales doubles et triples - M

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Géométrie dans l espace Produit scalaire et équations

Simulation Matlab/Simulink d une machine à induction triphasée. Constitution d un référentiel

LE PRODUIT SCALAIRE ( En première S )

Introduction. Mathématiques Quantiques Discrètes

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

COMPTE-RENDU «MATHS EN JEANS» LYCEE OZENNE Groupe 1 : Comment faire une carte juste de la Terre?

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

= 1 si n = m& où n et m sont souvent des indices entiers, par exemple, n, m = 0, 1, 2, 3, 4... En fait,! n m

Michel Henry Nicolas Delorme

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

Equations de Dirac et fermions fondamentaux ( Première partie )

1 Complément sur la projection du nuage des individus

SSNV143 - Traction biaxiale avec la loi de comportement BETON_DOUBLE_DP

Repérage d un point - Vitesse et

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

Propriétés électriques de la matière

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

Deux disques dans un carré

Chapitre 2 : Vecteurs

TD1 Signaux, énergie et puissance, signaux aléatoires

Dérivées et intégrales non entières

Les deux points les plus proches

Mesure d angles et trigonométrie

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Equations cartésiennes d une droite

Mécanique. 1 Forces. 1.1 Rappel. 1.2 Mesurer des forces. 3BC - AL Mécanique 1

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

CHAPITRE 10. Jacobien, changement de coordonnées.

TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE I. Les quanta s invitent

I. Polynômes de Tchebychev

Physique quantique et physique statistique

Contenu pédagogique des unités d enseignement Semestre 1(1 ère année) Domaine : Sciences et techniques et Sciences de la matière

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

CNAM UE MVA 210 Ph. Durand Algèbre et analyse tensorielle Cours 4: Calcul dierentiel 2

C est un mouvement plan dont la trajectoire est un cercle ou une portion de cercle. Le module du vecteur position OM est constant et il est égal au

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Limites finies en un point

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

Chapitre 2. Matrices

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Mesures et Intégration

NOTICE DOUBLE DIPLÔME

Analyse en Composantes Principales

PROBLEME(12) Première partie : Peinture des murs et du plafond.

CONCOURS COMMUN 2010 PHYSIQUE

CONSTANTES DIELECTRIQUES

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés

Fonctions de plusieurs variables

3. Conditionnement P (B)

Quelques contrôle de Première S

REPRESENTER LA TERRE Cartographie et navigation

6 Equations du première ordre

Hydrodynamique des lits fluidisés en régime de bullage

Séquence 10. Géométrie dans l espace. Sommaire

NOMBRES COMPLEXES. Exercice 1 :

Cours d analyse numérique SMI-S4

La fonction d onde et l équation de Schrödinger

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Calcul différentiel sur R n Première partie

Théorie des graphes et optimisation dans les graphes

Langage SQL : créer et interroger une base

Chapitre VI Contraintes holonomiques

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Correction de l examen de la première session

aux différences est appelé équation aux différences d ordre n en forme normale.

Structures algébriques

TS Physique Satellite à la recherche de sa planète Exercice résolu

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Fonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux

Modélisation d une section de poutre fissurée en flexion

[ édité le 30 avril 2015 Enoncés 1

Chapitre 7. Statistique des échantillons gaussiens. 7.1 Projection de vecteurs gaussiens

GMEC1311 Dessin d ingénierie. Chapitre 1: Introduction

3 ème 2 DÉVELOPPEMENT FACTORISATIONS ET IDENTITÉS REMARQUABLES 1/5 1 - Développements

IMPLEMENTATION D UN SYSTEME D INFORMATION DECISIONNEL

Seconde Généralités sur les fonctions Exercices. Notion de fonction.

Techniques de Lyapunov en contrôle quantique pour le couplage dipolaire et polarisabilité

VOYAGE DANS LE NON COMMUTATIF THIERRY PAUL

CORRIGE LES NOMBRES DECIMAUX RELATIFS. «Réfléchir avant d agir!»

Intégration sur des espaces produits

Nombre dérivé et tangente

Transcription:

Matrices, rotations 1 Le moment magnétique un électron est µ e = gµ B, où µ B = e/(4m e ) est le magnéton e Bohr et g Ici m e énote la charge e l électron et e sa charge Comparer cette valeur avec celle une sphère qui porte la charge e et ont le moment cinétique intrinsèque autour e l axe z est / On suppose que la ensité e charge ρ ans la sphère est la ensité e masse sont constantes Utiliser que le vecteur u moment magnétique et le moment inertie une sphère e masse m et e rayon a sont µ = 1 3 r r (ρ v) et I s = ma /5, respectivement Où ans le plan complexe sont situées les valeurs propres une matrice unitaire? 3 Les matrices e Pauli sont onnées par ( ) ( 0 1 0 i σ x =, σ 1 0 y = i 0 (a) Montrer qu elles vérifient les relations i [σ x, σ y ] = iσ z (cycl) ) ( 1 0, σ z = 0 1 ii tr{σ k σ j } = δ kj On note que tr{a} = n i=1 A ii si A est une matrice e imensions n n et que tr{ab} = tr{ba} (B a les même imensions que A) (b) Calculer leurs valeurs et vecteurs propres 4 On onne la matrice U(n, φ) = cos(φ/)1 + i sin(φ/)(n x σ x + n y σ y + n z σ z ) où σ x,y,z sont les matrices e Pauli et n = (n x, n y, n z ) T contient les composantes un vecteur unité n par rapport à la base un espace eucliien, tel que n T n = 1 (a) Définissant N = n x σ x + n y σ y + n z σ z, montrer que i N = 1, ii N est une matrice hermitienne iii Montrer que U est unitaire et calculer et(u) (b) On onne la représentation un vecteur ans l espace es spineurs par ξ = xσ x + yσ y + zσ z Calculer ξ = U ( n, ɛ)ξu( n, ɛ), pour ɛ 1 5 On onne la matrice K = ( 0 1 1 0 (a) Montrer que K = 1 ( ) cosh(φ) sinh(φ) (b) Montrer que A(φ) = exp(φk) = sinh(φ) cosh(φ) (c) Soit la norme r e r (x, y) T (x, y R) éfinie par r = x y Montrer que r = r, où r = A(φ)r ) ) 1

Spin 1 On onne le champ magnétique où ϕ [0, π) B = B sin ϕ e x + B cos ϕ e z, (a) Donner la représentation matricielle H e l hamiltonien ans la base es états propres e l opérateur s z (Dans cette base les matrices e Pauli ont la forme habituelle introuite ans le cours) (b) Calculer les énergies possibles u spin (c) Calculer les spineurs propres e H Conseil : Construire B par rotation à partir e B 0 = B e z et utiliser la formule e rotation corresponante pour les spineurs On onne un champ magnétique constant, B = B e z, et on consière un spin 1/ ont l état pour t = 0 est écrit par le spineur χ(0) = cos φ χ + z + sin φ χ z = ( cos φ sin φ où φ R et χ + z et χ z écrivent, respectivement, une polarisation parallèle et antiparallèle à l axe z ans un repère cartésien (a) Calculer χ(t) pour le champ magnétique onné (b) Calculer les valeurs moyennes s i (t) pour les composantes i = x, y, z u spin Quelle trajectoire est écrite par la pointe u vecteur s(t)? 3 On onne les matrices 0 0 0 S x = i 0 0 1, 0 1 0 S y = i qui représentent un spin amplitue 0 0 1 0 0 0 1 0 0, ), S z = i 0 1 0 1 0 0 0 0 0 (a) Construire la matrice H qui représente l hamiltonien pour un champ magnétique B = B n, où n = n x e x + n y e y + n z e z est un vecteur unité ans une irection quelconque Montrer que H est une matrice hermitienne (b) i Calculer les valeurs propres et les vecteurs propres (normalisés) corresponants e la matrice H si B = B e z ii Soient λ +, λ 0, λ les valeurs propres, où λ + < λ 0 < λ, et soient χ +, χ 0, χ les spineurs propres associés Quelle est la signification physique e ces valeurs propres et à quelle orientation u spin par rapport au champ magnétique corresponent-elles? iii Calculer l énergie moyenne u spin pour l état représenté par χ = α + χ + + α 0 χ 0 + α χ, où α + + α 0 + α = 1

Espace vectoriel unitaire (I) 1 Soient u et v eux vecteurs complexes normalisés, u u = 1, v v = 1, et v = c u (c C) Quelle est la forme la plus générale pour c si u et v sont es éléments un espace vectoriel réel et complexe, respectivement? Soit u un vecteur unité ans un espace vectoriel unitaire à eux imensions Combien e vecteurs normalisés et orthogonaux à u y a-t-il? La même question si l espace vectoriel est réel (Utiliser une base orthonormée pour exprimer les vecteurs ans cet espace vectoriel ) 3 Soit { a 1, a } une base orthonormée un espace vectoriel unitaire à eux imensions ( base A ) On onne une euxième base ( base B ) ans cet espace par b 1 = 1 { a 1 + i a }, b = 1 { a 1 i a } (a) Montrer que la base B est orthonormée (b) Donner la représentation matricielle e { a 1, a } et e { b 1, b } ans la base A (c) Donner la représentation matricielle e b 1 et b ans la base A () Donner la représentation matricielle e a 1 et a ans la base B (e) Construire l opérateur unitaire U qui est éfini par b j = U a j (j = 1, ) et onner sa représentation matricielle ans la base A (f) Soit χ un vecteur ont la représentation matricielle ans la base A est onnée par χ (A) = 1 ( ) 1 0 Quelle est la représentation ans la base B? (g) Soit T un opérateur qui a la représentation matricielle ans la base A est ( ) T (A) 1 0 = 0 1 Quelle est la représentation ans la base B? 4 Soit T = u u un opérateur ans un espace unitaire à n imensions (a) Est-ce que T est hermitien? (b) Quelle propriété oit posséer le vecteur u afin que T soit un projecteur? (Rappel : Un projecteur P a les propriétés P = P et P = P) (c) Montrer que les valeurs propres e P sont ou 0 ou 1 3

Espace vectoriel unitaire (II) 1 La érivée un opérateur A qui épen un paramètre λ est onnée par A λ = lim A(λ + ɛ) A(λ) ɛ 0 ɛ Montrer que (a) A (AB) = λ λ B + AB λ (b) λ A 1 1 A = A λ A 1 (c) exp(λc) = C exp(λc) = exp(λc)c, si C ne épen pas e λ λ () n λ An l 1 A = A λ An l (n 1) l=1 Avec ces résultats calculer (a) (exp(λb)a exp( λb)), λ (b) (exp(λa) exp(λb)), λ où ni A ni B ne épenent e λ F(A, B, C, ) F(A + ɛ1, B, C, ) F(A, B, C, ) On éfinit = lim A ɛ 0 ɛ Montrer que (a) An A = nan 1 (n Z, n 1) (b) exp(a) = exp(a) A 3 Montrer que pour trois opérateurs A, B, C quelconques [AB, C] = A[B, C] + [A, C]B, [A, BC] = B[A, C] + [A, B]C 4 Soient A et B eux opérateurs qui vérifient la relation [A, B] = i1 et soit F(A, B) une fonction qui est éfinie par la série F(A, B) = où f nm C sont es constantes (a) Montrer par récurrence que (b) Montrer que n,m=0 f nm A n B m, [A, B n ] = inb n 1, [B, A n ] = ina n 1 [A, F(A, B)] = i F(A, B) F(A, B), [B, F(A, B)] = i B A 4

Oscillateur harmonique 1 On onne les opérateurs échelle e l oscillateur harmonique, mω0 a = x + i p, mω0 a mω0 = x i p mω0 (a) Donner la représentation matricielle e a et e a ans la base es états propres { u n } e l hamiltonien (b) La même question pour les bases { x } et { p } (c) Résoure les équations u mouvement pour les opérateurs a et a ans l image e Heisenberg (a H (t) et a H (t)) Calculer pour l oscillateur harmonique en une imension les valeurs moyennes suivantes pour les états propres { u n } e l opérateur hamiltonien : (a) x et p (Expliquer le résultat) (b) x et p (c) x p, où x = [x x ] et p = [p p ] 3 On consière un oscillateur harmonique en une imension qui porte une charge Q et qui est exposé à un champ électrique E el constant en irection e sa cooronnée e éplacement, x (On suppose que Q est choisie tel que l énergie baisse si x augmente) (a) Quelle est la forme e l opérateur hamiltonien pour ce problème? (b) Donner les niveaux énergie e cet oscillateur et les fonctions one propres u n (x) associées Conseil : Utiliser la méthoe u complément quaratique pour écrire l opérateur hamiltonien ans une forme convenable pour cet exercice (c) Comment faut-il choisir E el pour que l énergie e l état fonamental soit nulle? 5

Moment cinétique 1 Les relations suivantes sont à vérifier en utilisant uniquement l algèbre es commutateurs (voir exercice 3 e la feuille e TD 4) (a) Montrer que [ L, V] = i r V( r), où L = L x e x + L y e y + L z e z et r = x e x + y e y + z e z (b) Avec les relations prouvées ci-essus, montrer que le moment cinétique est une quantité conservée, si V (r) = V ( r ), ie [H, L k ] = 0, k = x, y, z, si V (r) = V ( r ) On suppose que l opérateur e Hamilton a la forme (c) Montrer que H = p m + V( r) [L x, L y ] = i L z, cycl [L k, L ] = 0 () En introuisant L ± = L x ± il y, montrer que L = L+ L + L z L z = L L + + L z + L z, [L +, L z ] = L +, [L, L z ] = L, [L ±, L ] = 0 Montrer explicitement que p [T, L k ] p = 0, où T = p /(m) 6