L3-PHYSIQUE
Examen de Mécanique Quantique
Première session – Mai 2016
3 heures, documents manuscrits autorisés (cours et TD), pas de smartphone
Exercice 1 : Oscillateur harmonique
On considère un oscillateur harmonique décrit par l’Hamiltonien
ˆ
H=ˆ
P2
2m+2
2ˆ
X2(1)
Après le changement de variables ˆq=p
~ˆ
Xet ˆp=1
m~ωˆ
P, cet Hamiltonien s’écrit ˆ
H=~ω
2(ˆp2+ ˆq2). On définit
les opérateurs
ˆa=ˆq+iˆp
2,ˆ
N= ˆa+ˆa(2)
1. Rappeler les actions des opérateurs ˆ
H,ˆa+et ˆasur les états propres |nide l’opérateur ˆ
Nde valeur propre
n.
2. Trouver les deux fonctions propres φn(x) = hx|nide plus basses énergies, explicitement comme des variables
de x, grâce aux expressions de ˆa+et ˆadans l’espace réel.
Exercice 2 : Particule ferromagnétique
On considère une particule ferromagnétique décrite par l’Hamiltonien effectif
ˆ
H=aˆ
Jz+b
~ˆ
J2
z(3)
aet bsont deux constantes positives ou nulles ayant les dimensions d’une pulsation. Le système a trois états
stationnaires correspondant au moment cinétique j= 1 et formant une base {|+ 1i,|0i,|1i} constituée des trois
vecteurs propres de ˆ
Jztels que ˆ
Jz|mi=~m|miavec m= 0,±1.
1. Donner la représentation matricielle dans la base de chaque terme du Hamiltonien. Quels sont les niveaux
d’énergie du système et pour quelle valeur du rapport a
by a-t-il dégénérescence du niveau fondamental ?
2. On considère le moment magnétique ~
Massocié au moment cinétique, et γle rapport gyromagnétique
correspondant. On applique un faible champ statique ~
Bdans la direction ~u(θ, φ)les deux angles du repère
sphérique. Exprimer en fonction des composantes de ~
Jet des angles (θ, φ)l’énergie d’interaction Wdu
moment magnétique avec ~
B. Ecrire la matrice représentant Wdans la base des trois états propres. On
donne l’expression des matrices ˆ
Jxet ˆ
Jy:
ˆ
Jx=~
2
010
101
010
ˆ
Jy=~
2
0i0
i0i
0i0
(4)
3. On suppose que b=aet que la direction de ~u est parallèle à Ox. Calculer les énergies et les états propres
de Wdans le sous-espace des deux états dégénérés.
Exercice 3 : Triple puits de potentiel
On considère une particule dans un triple de puits de potentiel. On désigne par |ii(i= 1,2ou 3) l’état de la
particule lorsqu’elle se trouve dans le puits numéro iet on suppose que hi|ji=δi,j .
On introduit dans le système un processus qui permet à la particule de passer d’un puits à l’autre par effet
tunnel avec une amplitude t > 0, ce qui conduit à l’Hamiltonien :
ˆ
H=t(|1ih2|+|2ih1|+|1ih3|+|3ih1|+|2ih3|+|3ih2|)(5)
1. Démontrer que l’opérateur de permutation ˆ
Pdéfini par ˆ
P|1i=|2i,ˆ
P|2i=|3iet ˆ
P|3i=|1icommute avec
l’Hamiltonien.
1
2. Que vaut ˆ
P3? En déduire les valeurs propres de ˆ
P.
3. Déterminer les vecteurs propres associés.
4. En déduire les valeurs propres de ˆ
Het leur dégénérescence.
Exercice 4 : Evolution temporelle
On considère un système à deux niveaux dont le Hamiltonien, dans la base {|+i,|−i} s’écrit
ˆ
H=~A B
BA(6)
On donne les valeurs propres et les vecteurs propres de ˆ
H:
(E+=~A2+B2|χ+i= cos θ
2|+i+ sin θ
2|−i
E=~A2+B2|χi=sin θ
2|+i+ cos θ
2|−i (7)
avec cos θ=A
A2+B2,sin θ=B
A2+B2et tan θ=A
B.
1. Le vecteur d’état |φ(t)iau temps tpeut se décomposer sur la base {|+i,|−i},|φ(t)i=c+(t)|+i+c(t)|−i.
Ecrire le système d’équations différentielles couplées auquel obéissent les composantes c±(t).
2. En déduire que ces composantes vérifient l’équation différentielle
d2c±
dt2+ω2
4c±= 0 (8)
avec ~ωla différence d’énergie entre les deux niveaux et ω= 2A2+B2.
3. On décompose à présent |φ(t= 0)isur la base {|χ+i,|χi} comme |φ(t= 0)i=λ|χ+i+µ|χiavec
|λ|2+|µ|2= 1. Montrer que c+(t)s’écrit :
c+(t) = λeiωt
2cos θ
2µeiωt
2sin θ
2(9)
4. On suppose que c+(0) = 0. En déduire λet µà une phase près, ainsi que c+(t).
5. Montrer que la probabilité de trouver le système au temps tdans l’état |+iest
p+(t) = sin2θsin2ωt
2=B2
A2+B2sin2ωt
2.(10)
6. Montrer que si c+(0) = 1, alors
c+(t) = cos ωt
2icos θsin ωt
2.(11)
7. En déduire p+(t)et p(t)et vérifier la compatibilité du résultat avec celui de la question précédente.
Exercice 5 : Etat quantique d’un atome d’hydrogène
On considère un atome d’hydrogène formé d’un noyau fixe de charge eet d’un électron de masse met de charge
e. L’opérateur Hamiltonien de cet électron en coordonnées sphériques s’écrit :
ˆ
Hr,θ,φ =~2
2m
1
r2
r r2
r +
ˆ
L2
θ,φ
2mr2e2
r
Dans cette expression, ˆ
L2est l’opérateur associé au carré du moment cinétique orbital, et le coefficient 1/(4π0)
de l’énergie potentielle a été incorporé dans e2.
On place l’électron dans un état quantique décrit par la fonction d’onde :
Ψ(r, θ, φ, t) = A(t)eρ/2+B(t)(1 ρ/4)eρ/4
Dans cette expression, A(t)et B(t)sont des nombres complexes fonctions uniquement du temps, et la distance
radiale ra été remplacée par la variable adimensionée ρ=2me2
~2r.
1. Que vaut ˆ
L2Ψpour cet état quantique ? Quel est le nombre quantique orbital lde cet état ?
2. Ecrire l’opérateur ˆ
Hen fonction de la variable adimensionée ρ. On fera apparaître l’énergie caractéristique
R=me4
2~2.
3. Calculer ˆ
HΨpour cet état quantique. Est-ce un état stationnaire ?
4. En appliquant l’équation de Schrödinger, établir les équations différentielles temporelles sur A(t)et B(t),
puis donner leur solution.
5. Rappeler les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. A quoi correspond l’état quantique Ψ?
6. Calculer la densité de probabilité de présence |Ψ|2. A quelle fréquence oscille-t-elle ? A quoi correspond cette
fréquence ?
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