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物理 大学生・専門学校生・社会人

量子力学・ハイゼンベルクの交換相互作用についての問題です。 参考書を参考に(あ)〜(え)まで解いてみたのですが、考え方はあっていますか? また、(お)以降の解説をお願いします。ブロッホの定理やフーリエ変換はどのように効いてくるのでしょうか?

III. 以下の文章のあ き の枠内に当てはまる数式や記号を答えよ。 ヘ =1として,スピン角運動量1/2をもつ三つのスピンが,互いに相互作用している系を考え る。スピン演算子を$, S,, $, とすると,系のハミルトニアンは次のように与えられる。 自=-J(S, S+ S,. S。+ $。. S.), J>0. ここでも番目(;= 1,2,3) のスピンのz,9, z 方向成分をそれぞれ好,S, S とする。スピン演算 子の間には (S, SY] = iS}, [SF, SY] = 0などの交換関係が成り立つ、自) = E\d) を満たす。 固有エネルギーEとエネルギー固有状態|)を求めたい。 全スピン角運動量 Shot = $, + $2+S。を使うとハミルトニアンは次のように書き直すことが できる。 自= - + JC, 定数C= あ 'tot このことから基底状態のエネルギー固有値は 時の固有値は S= +1/2, -1/2 のニつであり,これらに相当する1スピン状態をそれぞれ↑。 ↓と記すと,3スピン状態は,|S{ S S3) = |M1),| t)などのように表すことができる。独 立な3スピン状態は全部で 具体的にエネルギー固有状態をあらわしてみよう。 まず基底状態のうちで Sto = St+ Sz + Sg が最大の状態は |S S; Sg) ちに書き下すことができる。 つぎにエネルギー固有状態のうちで Sie = 1/2 のものを求めたい,ハミルトニアンと交換可 能な演算子はハミルトニアンと同時固有状態をもつことを利用する.このような演算子の一つ にスピンをRIS; S; S) = |S; S; S;)のように巡回置換する演算子良がある。-iとなるこ とと,周期系におけるブロッホの定理やフーリエ変換を思い出すと,Rと St。と自の同時固有 状態は適切な定数A(複素数も含む)を用いて い である。 う 種類あり,規格直交基底をなす。にれらの線形結合の形で え のように直 三 る(「4)+A|)+ ^°| +t) V3 と表せることが分かる。Aの取り得る値をすべて列挙すると 底状態となるのは A- か 以上の結果からすでに二つ基底状態が得られた。残りの基底状態を列挙すると, お となる.このうちで,基 の場合である。 き と なる。

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物理 大学生・専門学校生・社会人

(c)(d)(e)を教えて欲しいです

5. 断熱壁でできた体積一定の筒状容器の中に、断熱壁L をはさ んで気体 A と気体 B を充填した。壁L は、固定をはずすと動 くことができ、容器の壁との間の最大静止摩擦力は無視できる ほど小さいが、動摩擦力は有限であるとする。 断熱壁エ上 はほか と熱のやり取りをせず、体積変化もないため、その内部エネル ギーは変化しない。 はじめ、壁[は固定してあって、 気体 A が気体B より高圧だっ た。その後、壁L の固定をはずした。それから十分時間が経 つまでの間に、和気体 A がした仕事を I、、気体 B がした仕事 を Im、壁【 と容器の壁の間の摩擦のために発生した熱を Q、 気体 A, B の内部エネルギーの増加をそれぞれAO、, AO』 とす る。なお、摩擦熱 つ は、半分が気体 A に、残りの半分が気体 B に与えられたとする。また、摩擦で壁が削れる効果 (やその ための壁物質の内部エネルギーの増加) は無視できるとする。 以下の問いに答えよ。なお、例えばa. b. d, e.c のように順番 を変えて答えてもよい。 断熱壁でできた体積一定の容器 ee] ど! 固定をはずすと左右に動ける断熱壁L (a) PA, Is の符号をそれぞれ答えよ。 (b) AC、 を、 !、 と 0 を用いて表せ。 同様に、 AOs も求めよ。 17 (c) IWA| とTPG| は等しいか。 等しくない場合はどちらが大 きいか答えよ。理由 (または導出過程) も書くこと。ただ し、壁 が受ける動摩擦力は十分大きく、壁は一方向に しか動かなかったとする。 (d) AA + AO は、正、負、ゼロのいずれであるか、理由を つけて答えよ。 (e) ⑦ を、T、 と IT を用いて表せ。

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