物性物理学の本を読んでいて、質問があります。 本では， 量子力学による1電子原子の電子状態の記述について 添付のように述べていて， (1.12)式までは良いのですが， 赤枠で囲ったところの式(1.13)の導出過程が知りたいです。 よろしくお願いいたします。

$1.2 1電子原子の電子状態 1 p° = 2me 2 a 1 V= 2m。 2m。(r+ r dr 原子においては,原子核を中心としてそのまわりの半径10-10m程度の領 の形となる。ここでAは次のような角度に関する微分演算子である。* 域を電子が運動している。原子の構造を理解するためには,この電子の振舞 1 sin 0 d0 1 を調べなくてはならない。まず最も単純な場合として,Ze の正電荷をもった A= - (sin 0 sin' 0 核のまわりを,1個の電子が運動している場合を考える。Z=1であればこ 1電子原子のハミルトニアンがこのように具体的に与えられた.このハミル れは水素原子そのものであり,Z =2であれば He* イオンということにな トニアンに対するシュレーディンガー方程式(1.9) は2階の微分方程式の形 る。 をしている。これを満たす解として波動関数T(r, 0, φ) が求まれば,1電 原子の質量のほとんどは核に集中しているので、そこを重心として座標の 子原子における電子の分布の様子がわかる。ところで,原子に属する電子の 原点にとってさしつかえなかろう。電子は -e の電荷をもち,核の正電荷 波動関数は,核から十分遠方(r→0)ではゼロに収束するはずである。こ Ze とクーロン相互作用をもつ。そのポテンシャルエネルギーは電子と核の のような境界条件の下で(1.9)式を考えると,電子のエネルギー固有値 E が 間の距離rに反比例し, 離散的な特定の値をとるときのみ解が存在する。これは量子力学系の顕著な Ze? V(r) = - 特徴である。 4TE0ア 最も低いエネルギー固有値を与える解は球対称で、次の形をしている。 である。* これは万有引力と同じ形をもつので,古典的に考えれば,地球が 17Z/2 ( exp(-) 太陽のまわりを回るように電子は核のまわりを楕円軌道を描いて回ると考え 『(r) = たくなる。しかしながら,このような極微の世界まで古典ニュートン力学が ただし,ここで そのまま成立するわけではない,電子の振舞を正しく理解することは,今世 4TEh An = mee? =0.529 A 紀初頭登場した量子力学をもってはじめて可能となった。量子力学によると, 電子の存在確率は波動関数 『(r)の絶対値の2乗に比例する。定常状態では 『(r)は次のシュレーディンガー方程式を満たすというのが量子力学の骨子 はボーア半径とよばれる。 である。 H V (r) = ET (r) ここで はハミルトニアンで,電子の運動エネルギーとポテンシャルエネ ルギーの和であり, 1 p°+ V(r) 2m。 H = の形をもつ。** 第2項のポテンシャル項は方向によらず,核からの距離のみ に依存するので,全体を極座標を用いて表した方が都合がよい。このとき, 第1項の運動エネルギーの部分は Eo = 8.8542 × 10-12 F/m は真空の誘電率。 m。は電子の質量,p= - iAVは運動量オペレータである。ただし,▽はナプラと読 み,直交座標系では 定,立,えを直交する単位ペクトルとして、V= -+ の形をもつ微分演算子である。カ = h= 6.626× 10-4JSはプランク定数。

イおしえてください

やや難 12分 チェック問題(2 鉛直ばね振り子 ばね定数k,自然長1の軽いばねの両端 に,ともに質量mの小球A, Bがつけられ ており, Bは天井からつるした軽い糸の先 についている。 北軸は, Bの位置を原点に して、鉛直下向き正にとる。 (1) Aをつり合いの位置で静止させたとき, (ア) 糸の張力 Tを求めよ。 O Aの座標 2jを求めよ。 (2) (1)の状態からばねの自然長の位置ま で, Aを持ち上げ, 静かに放した。 (ア) Aを持ち上げた外力のした仕事Wを求めよ。 (イ) Aが(1)のつり合いの位置を通過するときの速さを求めよ。 (ウ) 糸は張力が2.5mgになると切れる。糸が切れる直前の ばねの伸びdを求めよ。 (エ) 運動中に糸が切れるかどうか判定せよ。 B 0- A m 北軸 he000000 ミ

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H o回 問題G 単振動 バネ定数kのバネがあり、水平に置かれている.片端は壁に固定されている.もう片端には質量mの 小球が取り付けられている. バネを伸びる方向にx軸をとり, バネが自然長であるときに小球の位置を 原点とする。小球を手で距離Lだけ引っ張りバネを伸ばした状態からゆっくり手を離すと、小球は単振 動をする。摩擦や空気抵抗は無いものとして, 以下の間に答えなさい。 (1) バネにつながれた小球が位置xにあるとき、 小球にはたらくカFを,符号を含めて表しなさい.) (2) 小球の運動方程式を書きなさい。 (3) 小球の振動の周期 T、振動数,, 角振動数 のを書きなさい。 (4) 小球の振動の振幅を 4, 初期位相を po として, 時刻 tにおける小球の位置xを,三角関数(cos) を 用いて表しなさい.角振動数はのをつかいなさい。 (5)(4)の結果を用いて、時刻 tにおける小球の速度ひを求めなさい。 (6) 時刻た0 でx=0 であったとする. この時の小球の速度の大きさ voを力学的エネルギー保存則から求 めなさい。 (7)(6)で得られた結果から初期条件(t=0 でx=0, ひ = vo) を用いて, 振幅Aと初期位相 po を求めなさ い。ただし,voには(6)で求めた値を使うこと.

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問題I 坂を転がる球 質量 M, 半径R,慣性モーメント Iの球があり,水平面に対して傾斜角0の坂を転がり降りる. 球には図のように重力 Mg, 垂直抗力 N、摩擦力Fが働いている。 (gは重力加速度の大きさ) (1) この球の重心の運動に関して、x方向の運動方程式 を書きなさい。 (2) y方向の運動方程式(力のつり合いの式)を書きなさい。 (3) 球の回転の運動方程式を書きなさい.ただし, 回転角をpは円板が回転する向きを正に取る。 球が高さhの坂を下った.このとき重心の速さひとする。 (4)重心の運動エネルギーを M, vを用いて表しなさい。 (5) 回転の角速度o(>0)として回転エネルギーを 1,0 を用いて表しなさい。 (6) 力学的エネルギー保存則の式を書きなさい。 (7) 回転の角速度oと重心の速さっとの関係を使って、 (6)の式から重心の速さを求めなさい。 N M R F Mg Q M o R h 0

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問題D 衝突、運動量保存則、カ学的エネルギー保存則、弾性衝突、非弾性衝突 静止している質量 Mの球に,速度ひ0で飛んできた質量mの球が衝突して, 静止している球を突き飛 ばした.速度v 心は常に同一直線上にあるとする。 oで飛んできた球の衝突後の速度をひ、静止していた球の速度を1Vとする. 2つの球の中 この衝突が弾性衝突であるとした場合、以下の問(1)~(3)に答えなさい。 (1)衝突の前後での運動量保存則を書きなさい。 (2) 衝突の前後での力学的エネルギー保存則を書きなさい. (3)衝突後の球の速度u とVをM、 m、ひoを用いて表しなさい。 衝突後に2つの球が同じ速度ひ」で運動したとする. (4)衝突の前後での運動量保存則を書きなさい。 (5)衝突の前後の力学的エネルギーを計算し、この衝突が弾性衝突かどうか(カ学的エネルギー保存則が 成り立つかどうか)答えなさい。

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問題C 慣性モーメント (1)質量 M,長さ L の細い一様な棒の端を通り,棒に垂直な軸の周りの慣性モーメント 」を求めなさ い。 (2) 質量 M,長さLの細い一様な棒の中心を通り,棒に垂直な軸の周りの慣性モーメント I12を求めな さい。 (3) 質量 M,半径aの一様な薄い(かつ細い)円環 (円筒の長さを0にしたもの)の中心を通り,円環 に垂直な軸の周りの慣性モーメント I3を求めなさい。 (4)質量 M,半径aの一様な薄い円板(円柱の長さを0にしたもの)の中心を通り,円板に垂直な軸の 周りの慣性モーメント 14を求めなさい。 (5) 半径Rで質量Mの球に質量の無視できる長さ Lのピアノ線を結びつけて天井につるし, 振り子とし た。この振り子の慣性モーメント1sを求めなさい.ただし,球の慣性モーメントをIoとする。 (6)(5)で球の半径がピアノ線の長さに比べて無視できるとする.この振り子の慣性モーメント I6を求め なさい。

近日点において，地球の公転速度の速度変化が最大になる，ということは言えますか？

3次元調和振動子の問題です。(10)がわかりません。(6)〜(9)は2枚目のように考えました。

II.質量m、角振動数u(> 0) の1次元調和振動子について考える。この系の定常状態に対する シュレーディンガー方程式は以下のように与えられる: mw?2? -)(a) = Ey(z). d? 2m da? 2 この式は d d -e da 1 a= at l= V2 de mw を用いて (cla+)W) - EWe) Fwla'a と書き直せる。 (6) 基底状態のエネルギー Eと波動関数 o(x)を求めよ(規格化しなくてよい)。 (7) 第1励起状態のエネルギー Eと波動関数()を求めょ(規格化しなくてよい)。 次に3次元調和振動子を考える。この系の定常状態に対するシュレーディンガー方程式は以下 のように与えられる: (( )fャ) (2,9, 2) = E(z,y, 2). (iv) 2m 2 (8) 基底状態のエネルギーを丸,m,wのうち必要なものを用いて表せ。 (9) 第1励起状態の縮退度 Dを求めよ。 (10) 第1励起状態で L。 i ー 2 8z の固有状態であるD個の線型独立な波動関数を (vi) と書く。式(vi) の関数の具体形(規格化しなくてよい)とL。に対する固有値を求めよ。

解説お願いしたいんですけど…誰か助けてくれませんか( ˊᵕˋ ;)💦

半径a[m]の導体球Aと、半径b[m]およびc[m]の厚さの無視できる導体球殻 B、Cが図のように配置 されている(a<b<c)。導体球殻Bには電圧 Vo [V]の電源が、導体球殻Cには電圧 [V]の電源が接続 されている。ただし、これらの電圧の関係は、学籍番号の下一桁が奇数の場合は(Vo> Vi> 0)、偶数の場 合は(0< o<V)の関係である。以下の問いに答えよ。なお、計算過程と単位を明記すること。 (1) a<r<bの領域における電界分布 E(r)と電位分布 V(r)を求 めよ。 (2) b<r<cの領域における電界分布 E(r)と電位分布 V(r)を求 めよ。 (3) c<rの領域における電界分布 E(r)と電位分布 V()を求め、 全領域における電界分布と電位分布を図示せよ。 (4) 導体球Aと導体球殻Bの間の静電容量C[F/m°]を計算せ よ。ただし、導体球Aと導体球殻B、Cのそれぞれの半径 は、a=1[mm]、b=2+x [mm] (x は、学籍番号下一桁の数 字)、c= 20 [mm]とする。解答には、真空の誘電率 20の記号 を用いても良い。 V[V] Vo[V],

この問題の解き方を教えてください

地球を質量 M, 半径Rの密度一様な球とする。その直径を貫いて穴をつくり質点を落とすと きの運動を求めよ。さらに他の質点を地表すれすれに円運動させるときの周期を求めよ。 さらに、これら二つの運動を比較検討せよ。