これからの季節に親子でハイキング! >>

例えば調和振動子
E = p^2/2m + kx^2/2
の最低エネルギーを不確定性関係で見積もったりする問題で
不確定性関係を用いるため
x→Δx
p→Δp
と書いて解いてますが左辺がEのままでこういう風に置いてもいい理由がよくわかりません。

調和振動子に限らずこういう風にして解く問題が他にもあるんですが(例えば水素原子の最低エネルギーを不確定性関係を使って求める問題など)どういう時にxやpをΔxやΔpと置いても問題ないのでしょうか。

質問の意味が分かりにくかったらすみません。
よろしくお願いします。

A 回答 (1件)

まず、固有状態に対しては エネルギー固有値=エネルギー期待値 なので、


H = p^2/2m + kx^2/2
の両辺の期待値をとって、
E = <p^2>/2m + k<x^2>/2
が成り立ちます(左辺は基底状態のエネルギー、右辺の期待値は基底状態に関する期待値)

さらに、
<x^2> = (Δx)^2 + (<x>)^2
という関係があります。
調和振動子は左右対称なので、その基底状態では<x>=0が予想されます。
よって、基底状態において <x^2> = (Δx)^2 が成り立ちます。
pについても同様です。

これを使えば、
E = (Δp)^2/2m + k(Δx)^2/2
となることが分かります。
    • good
    • 1
この回答へのお礼

すごく納得いきました。
返答ありがとうございました!

お礼日時:2013/03/14 12:14

お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!

このQ&Aを見た人が検索しているワード

このQ&Aと関連する良く見られている質問

Q調和振動子の最小エネルギーについて

不確定性関係ΔxΔp=h/4πのとき
調和振動子のエネルギーEが
E=(Δp^2)/(2m)+(mω^2Δx^2)/2 

で定義されているとき、Eの最小値を計算したいのですが
ラグランジェの未定数法乗を使わずに
計算しようとして不確定性関係からΔpを消去して
E(Δx)=h^2/(32π^2mΔx)+(mω^2Δx^2)/2 
に変形しました。
次にdE/dΔx=0 になるΔx が計算できずに困っています。
そして計算で求まった最小エネルギーの物理的意味
も併せてわかる方がいたら教えてください。

Aベストアンサー

Δpを消去した式は正しくは
E(Δx)= A/Δx^2 + BΔx^2,
ここに
A= h^2/(32π^2, B = mω^2/2
です。

dE/dΔx = -2A/Δx^3+2BΔx = 0
これより
Δx^2 = √A/B
これをE(Δx)の式に代入すると
E(Δx)= 2√AB = hω/4π

この式の意味するところは、調和振動子の持つ最低エネルギは
不確定性原理の条件下ではhω/4πである(ゼロではない)
ということです。

量子力学の調和振動子の計算からはエネルギは
E = hω(n + 1/2)/2π
で与えられます。ここでn = 0 と置いてEを求めると、
E = hω/4π
となります。
http://homepage2.nifty.com/eman/quantum/oscillator.html

調和振動子は、量子力学的なゆらぎのために振動を止める事が決してできず、
残ってしまうこの振動は「零点振動」、この時のエネルギは「零点エネルギ」と
呼ばれます。絶対零度でも観測される振動です

Qデルタ関数のポテンシャル

シュレーディンガーの式
[-(h^2/2m)(d^2/dx^2)+Vδ(x)]ψ(x)=Eψ(x)・・・★
の解のx=0での接続条件はどのように求めたらよいのでしょうか?

★の両辺を-εからεまで積分し、ε→0とすれば・・・、のような事をやれば、
ψ(+0)=ψ(-0)
ψ'(+0)-ψ'(-0)=αψ(0)
という感じになったと思うのですが、どうも上手くいきません。


1.∫[-ε→ε]d^2ψ/dx^2 dx =ψ'(+0)-ψ'(-0)となる理由
(結論を見る限り、d^2ψ/dx^2はx=0で(δ関数的に?)発散していますが、この場合にも微積分学の基本定理は成り立つのでしょうか?)

2.∫[-ε→ε]Eψ(x)dx=0となる理由
(要するに、ψがx=0で有限である理由です。ポテンシャルがδ関数で発散しているので、ψもx=0でおかしなことになっていない保証はない気がするので)

3.ψ(+0)=ψ(-0)となる理由
(もう一度何かを積分すれば導けた記憶はあるのですが)

の3つが分かれば、問題ないと思います。

シュレーディンガーの式
[-(h^2/2m)(d^2/dx^2)+Vδ(x)]ψ(x)=Eψ(x)・・・★
の解のx=0での接続条件はどのように求めたらよいのでしょうか?

★の両辺を-εからεまで積分し、ε→0とすれば・・・、のような事をやれば、
ψ(+0)=ψ(-0)
ψ'(+0)-ψ'(-0)=αψ(0)
という感じになったと思うのですが、どうも上手くいきません。


1.∫[-ε→ε]d^2ψ/dx^2 dx =ψ'(+0)-ψ'(-0)となる理由
(結論を見る限り、d^2ψ/dx^2はx=0で(δ関数的に?)発散していますが、この場合にも微積分学の基本定理は成り立つのでしょうか?)

2...続きを読む

Aベストアンサー

確かにeaternさんの疑問は誰もが感じる(べき)正しい疑問だと思います。つまりこういった異常なポテンシャルを持つ問題は取り扱いが難しいことが知られています。
私が学部でポテンシャルによる散乱問題を習った時には、問題を解く時の理論的なよりどころは連続の方程式だと習ったと覚えています。そのことは確かシッフの教科書にも議論があったと思います。(卒業の時に後輩にあげたので量子力学の教科書が手元にありませんので確認できませんが)

よって波動関数が連続である必要はまったく無いと思います。しかし大抵の教科書では簡単化のためといって、波動関数の連続性を”仮定”します。一般にはこういった異常なポテンシャル問題は量子力学的意味のある系かどうか自明でありませんから、取り合えず意味のある答えがあるかどうか計算してみようよというくらいの態度だと私は考えています。取り合えずその仮定を受け入れたします。

(1)φ(+0)=φ(-0)を仮定として受け入れる。

すると以下の事が導けます。

(2)∫dx d/dx(dφ/dx)=∫d(dφ/dx)=[dφ/dx]_{-0→+0}
=dφ(+0)/dx-dφ(-0)/dx


(3)一方でd/dx(dφ/dx)=(αδ(x)-E)φですから、0を含む微小領域[-ε,+ε]で積分してεをゼロにすると

∫dx(αδ(x)-E)φ=αφ(0) -Eφ(0)*2ε=αφ(0)

なので

dφ(+0)/dx-dφ(-0)/dx=αφ(0)

が導けます(Eも定数としましたが、これも必要ないかもしれません)。

(3)を際に波動関数が[-ε,+ε]で連続だという事を仮定したのでエネルギーに比例した項の積分は積分領域の幅×原点での波動関数で近似しましたが、結局積分領域がゼロの極限をとるとゼロです。波動関数が連続であれば微分が飛んでいても積分に何の問題もありません。
これは積分領域をx<0, x>0に分けて考えれば直感的にも納得いくでしょう。関数が滑らかでないところで積分領域を分けて考えると積分は二つの領域の和です。

最終的には量子力学で使う積分、ひいては物理で使う積分はるベールグ積分の意味で定義されていると見なすべきでしょう。私は難しい事は知りませんが、とりあえずは関数が折れ線や、さらには飛びがあっても、それが一点で起こっている限り積分測度はゼロなので大丈夫だと思います。
一点の効果は積分に利きません。もしも一点から有限の値があるいう風に積分が定義されているなら、任意の線分に実数は無限に存在するので積分は全て発散してしまいます。

(2)を導く際に、dφ/dxが連続でないと言っておきながら、更にその微分を積分するのはOKかという疑問があるでしょう。一階微分の飛びは原点の一点に限られますから、その二回微分も原点では定義されていません。しかし二回微分の値など知らなくても、やはり積分領域をx<0、x>0の二つにわけて積分すれば問題ないことが理解されると思います。なぜならやはり積分測度がゼロだからです。

と大体数学的にはかなりいい加減説明ですが、物理をやる上ではこれくらいの理解で良いのではないでしょうか。気になる場合にはるベールグ積分を勉強することになるんでしょう(数学を勉強したからといって物理の全てを厳密な方法で理解できるかどうかは疑問です)。


最後に(1)の仮定ですが、これは必ずしも必要ではありません。なぜなら量子力学の要請は確立密度

j=-i(φ*∂φ-φ∂φ*)     (∂=d/dx)

が連続であればよいことだけですから。異常なポテンシャルを解析する方法にはいくつかあるでしょうが、最も物理的なのは有限なポテンシャルの極限としてそれらを理解する事です。δ(x)ポテンシャルの場合ならそれは[-ε/2,+ε/2
で高さεを持つ階段型ポテンシャルのε→0極限として理解するとか。こういう理解では通常波動関数は連続で微分が飛びます。

確かにeaternさんの疑問は誰もが感じる(べき)正しい疑問だと思います。つまりこういった異常なポテンシャルを持つ問題は取り扱いが難しいことが知られています。
私が学部でポテンシャルによる散乱問題を習った時には、問題を解く時の理論的なよりどころは連続の方程式だと習ったと覚えています。そのことは確かシッフの教科書にも議論があったと思います。(卒業の時に後輩にあげたので量子力学の教科書が手元にありませんので確認できませんが)

よって波動関数が連続である必要はまったく無いと思います...続きを読む

Q水素原子の期待値の計算

水素原子1S軌道に関して運動量pの期待値〈p^2〉を求め、最終的には運動エネルギーの期待値を得たいのですが、

水素原子の1S軌道の波動関数をΨ、その複素共役をΨ*とします。
Ψ=(1/π)^(1/2)・(1/a)^(3/2)・exp(‐r/a)です。aはボーア半径です。
このとき
〈p^2〉=∫Ψ*p^2Ψdτ
    =∫(0~2π)dφ∫(0~π)sinθdθ∫r^2drΨ* p^2Ψ
ここでp^2=(-(h/2π)^2)d^2/dx^2なので上の式に代入して
    =∫(0~2π)dφ∫(0~π)sinθdθ∫r^2drΨ*(-(h/2π)^2)d^2/dx^2Ψ
さらに
Ψ=(1/π)^(1/2)・(1/a)^(3/2)・exp(‐r/a)であるので(aはボーア半径)、上の式に代入して整理すると
    =(2π)×(2)×(1/π) ・(1/a^3)・(-(h/2π)^2)∫r^2・exp(‐2r/a)・(d^2/dx^2)dr
xの2階微分の処理方法を含め、ここからどのように計算したらよいか分からずにいます。
最終的には水素原子1S軌道に関しての運動エネルギーの期待値を得たいのです。
しかもポテンシャルエネルギーの期待値との関係から〈K〉=-(1/2) 〈U〉= e^2/(8πεa)になるはずなのですが真空の誘電率εや電荷eが出てくる気配もなく困っています。
どうかご教示いただけないでしょうか。
そもそも計算方法が間違っているのでしょうか。
よろしくお願いいたします。

水素原子1S軌道に関して運動量pの期待値〈p^2〉を求め、最終的には運動エネルギーの期待値を得たいのですが、

水素原子の1S軌道の波動関数をΨ、その複素共役をΨ*とします。
Ψ=(1/π)^(1/2)・(1/a)^(3/2)・exp(‐r/a)です。aはボーア半径です。
このとき
〈p^2〉=∫Ψ*p^2Ψdτ
    =∫(0~2π)dφ∫(0~π)sinθdθ∫r^2drΨ* p^2Ψ
ここでp^2=(-(h/2π)^2)d^2/dx^2なので上の式に代入して
    =∫(0~2π)dφ∫(0~π)sinθdθ∫r^2drΨ*(-(h/2π)^2)d^2/dx^2Ψ
さらに
Ψ=(1/π)^(1/2)・(1/a)^(3/2)・exp(‐r/a)であるので(a...続きを読む

Aベストアンサー

p^2 = (-(h/2π)^2) d^2/dx^2 となるのは、一次元のときです。水素原子のように三次元のときには

 p^2 = (-(h/2π)^2) (∂^2/∂x^2 + ∂^2/∂y^2 + ∂^2/∂z^2)

になります。これを極座標で表すと

 p^2 = (-(h/2π)^2) ((1/r^2)∂/∂r(r^2∂/∂r) + (1/(r^2sinθ))∂/∂θ(sinθ∂/∂θ) + (1/(rsinθ)^2)∂^2/∂φ^2)

のようにかなり複雑な形になりますけど、水素原子の1s軌道の波動関数Ψがθとφに依存しない(∂Ψ/∂θ=∂Ψ/∂φ=0)ので、p^2をΨに作用させると

 p^2 Ψ = (-(h/2π)^2) ((2/r)∂Ψ/∂r + (∂^2Ψ/∂r^2))
 
のような簡単な形になります。

 ∂(exp(-r/a))/∂r = -exp(-r/a)/a
 ∂^2(exp(-r/a))/∂r^2 = exp(-r/a)/a^2

ですので

 Ψ* p^2 Ψ = 1/(πa^3) (-(h/2π)^2) exp(-2r/a) (-2/(ra)+1/a^2)

となって運動エネルギーの期待値〈K〉は

〈K〉= ∫∫∫dφdθdr{r^2 sinθ Ψ* p^2 Ψ/2m}
   = 4π∫dr{r^2 Ψ* p^2 Ψ/2m}
   = 4π/(πa^3) (-(h/2π)^2/2m)∫{exp(-2r/a)(-2r/a+(2r/a)^2/4)}dr
   = 2π/(πa^2) (-(h/2π)^2/2m) ∫{exp(-t)(-t+t^2/4)}dt
   = 2π/(πa^2) (-(h/2π)^2/2m) (-1+1/2)
   = (h/2π)^2/(2m a^2)

のように計算できます(途中で2r/a=tとおきました)。

真空の誘電率εや電荷eで〈K〉を表すにはボーア半径の定義

 a= 4πε(h/2π)^2/(me^2)

を使います。この式を変形すると

 (h/2π)^2/m = a e^2 /(4πε)

のように書けるので、これを上で求めた〈K〉に代入すると

〈K〉= e^2 /(8πεa)

となります。

式が多いので間違っているところがあるかもしれません。あやしげなところや納得のいかないところがありましたら、お知らせください。

p^2 = (-(h/2π)^2) d^2/dx^2 となるのは、一次元のときです。水素原子のように三次元のときには

 p^2 = (-(h/2π)^2) (∂^2/∂x^2 + ∂^2/∂y^2 + ∂^2/∂z^2)

になります。これを極座標で表すと

 p^2 = (-(h/2π)^2) ((1/r^2)∂/∂r(r^2∂/∂r) + (1/(r^2sinθ))∂/∂θ(sinθ∂/∂θ) + (1/(rsinθ)^2)∂^2/∂φ^2)

のようにかなり複雑な形になりますけど、水素原子の1s軌道の波動関数Ψがθとφに依存しない(∂Ψ/∂θ=∂Ψ/∂φ=0)ので、p^2をΨに作用させると

 p^2 Ψ = (-(h/2π)^2) ((2/r)∂Ψ/∂r + (∂^2Ψ/∂r^2))
 
のよ...続きを読む

Q量子力学 井戸型ポテンシャルの最低エネルギーについて

現在,院試の勉強をしている者です.

"0<x<aの範囲でポテンシャルが0で他の範囲では∞"
というような無限の井戸型ポテンシャルの最低エネルギーと,
"0<x<aの範囲でポテンシャルが0で他の範囲ではV"
というような有限の時の最低エネルギーを比べると,後者の最低エネルギーの方が低くなることを簡潔に説明せよ,という問題で困っています.

有限のときにはx<0,a<xのような範囲でも粒子の存在する確立があるのでその辺りのことと関係があるのではないかなと思ってはいるのですが,残念ながら明確な答えがまったくわかりません.
もしよろしければご教授お願いいたします.

Aベストアンサー

不確定性原理です。
仰るように、有限のポテンシャル壁の場合は
波動関数が染み出します。つまり、存在確率が
それだけ広がります。ということは、不確定性原理
ΔxΔp≧h/4πにより、Δpが無限壁の場合より小さくなります。無限壁の場合、波動関数は全く染み出さないからΔxも有限壁より小さいのです。

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Qミラー指数:面間隔bを求める公式について

隣接する2つの原子面の面間隔dは、ミラー指数hklと格子定数の関数である。立方晶の対称性をもつ結晶では

d=a/√(h^2 + k^2 + l^2) ・・・(1)

となる。

質問:「(1)式を証明せよ」と言われたのですが、どうすれば言いかわかりません。やり方を教えてもらえませんか_| ̄|○

Aベストアンサー

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベクトルと全く同じになります。すなわち立方晶の(111)面の法線ベクトルは(1,1,1)ですし、(100)面の法線ベクトルは(1,0,0)です。法線ベクトルなら「ミラー指数」よりずっと親しみがあり解けそうな気分になると思います。

さて(hkl)面に相当する平面の方程式を一つ考えてみましょう。一番簡単なものとして
hx + ky + lz=0  (1)
があります。(0,0,0)を通る平面で法線ベクトルは(h,k,l)です。
これに平行な、隣の平面の式はどうでしょうか。
hx + ky + lz = a  (2a)
hx + ky + lz = -a  (2b)
のいずれかです。これがすぐ隣の平面である理由(そのまた間に他の平面が存在しない理由)は脚注*2に補足しておきました。
点と直線の距離の公式を使えば、題意の面間隔dは原点(0,0,0)と平面(2a)の間隔としてすぐに
d=a/√(h^2+k^2+l^2)  (3)
と求められます。

点と直線の距離の公式を使わなくとも、次のようにすれば求められます。
原点Oから法線ベクトル(h,k,l)の方向に進み、平面(2a)とぶつかった点をA(p,q,r)とします。
OAは法線ベクトルに平行ですから、新たなパラメータtを用いて
p=ht, q=kt, r=lt  (4)
の関係があります。
Aは平面(2a)上の点でもありますから、(4)を(2a)に代入すると
t(h^2+k^2+l^2)=a
t=a/(h^2+k^2+l^2)  (5)
を得ます。
ここにOAの長さは√(p^2+q^2+r^2)=|t|√(h^2+k^2+l^2)なので、これを(5)に代入して
|a|/√(h^2+k^2+l^2)  (6)
を得ます。OAの長さは面間隔dにほかならないので、(3)式が得られたことになります。

bokoboko777さん、これでいかがでしょうか。

*1 (h, k, l)の組が共通因数を持つ場合には、共通因数で割り互いに素になるようにします。例えば(111)面とは言いますが(222)面なる表現は使いません。
*2 左辺はhx+ky+lzでよいとして、なぜ右辺がaまたは-aと決まるのか(0.37aや5aにならないのは何故か)は以下のように説明されます。
平面をhx+ky+lz = C (Cはある定数)と置きます。この平面は少なくとも一つの格子点を通過する必要があります。その点を(x0,y0,z0)とします。
h,k,lはミラー指数の定義から整数です。またx0,y0,z0はいずれもaの整数倍である必要があります(∵格子点だから)。すると右辺のCも少なくともaの整数倍でなければなりません。
次に右辺の最小値ですが、最小の正整数は1ですから平面hx + ky + lz = aが格子点を通るかどうかを調べ、これが通るなら隣の平面はhx + ky + lz = aであると言えます。このことは次の命題と等価です。
<命題>p,qが互いに素な整数である場合、pm+qn=1を満たす整数の組(m,n)が少なくとも一つ存在する
<証明>p,qは正かつp>qと仮定して一般性を失わない。
p, 2p, 3p,...,(q-1)pをqで順に割った際の余りを考えてみる。
pをqで割った際の余りをr[1](整数)とする。同様に2pで割った際の余りをr[2]・・・とする。
これらの余りの集合{r[n]}(1≦n≦(q-1))からは、どの二つを選んで差をとってもそれはqの倍数とは成り得ない(もし倍数となるのならpとqが互いに素である条件に反する)。よって{r[n]}の要素はすべて異なる数である。ところで{r[n]}は互いに異なる(q-1)個の要素から成りかつ要素は(q-1)以下の正整数という条件があるので、その中に必ず1が含まれる。よって命題は成り立つ。

これから隣の平面はhx + ky + lz = aであると証明できます。ただここまで詳しく説明する必要はないでしょう。証明抜きで単に「隣の平面はhx + ky + lz = aである」と書くだけでよいと思います。

参考ページ:
ミラー指数を図なしで説明してしまいましたが、図が必要でしたら例えば
http://133.1.207.21/education/materdesign/
をどうぞ。「講義資料」から「テキスト 第3章」をダウンロードして読んでみてください。(pdfファイルです)

参考URL:http://133.1.207.21/education/materdesign/

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベ...続きを読む

Q波数の意味と波数ベクトル

確認したい事と質問があります。

波数kというのはある単位長さ当たりに存在する1周期分(1波長分)の波の数で合っていますでしょうか?数と言っても単純に「波が1000個もある!」という意味ではなく、「ある単位長さ中に1個の波が含まれる」という感じで個数というより割合に近い物だと解釈してるのですが大丈夫でしょうか?
一般に波数kは波長λを使って、k=2π/λ、もしくはk=1/λと表されます。用いる単位系によって違いますが、ここでは分かりやすくk=1/λを例に取ります。例えばλ1=100[m]の波の波数はk1=1/100[m]となり、これは「100m中に1個の波がある」という意味であり、λ2=2[m]の波の波数はk2=1/2[m]となり、「2m中に1個の波がある」という意味で、いずれもk<1なのはどれくらいの割合で波が1つあるのかという事を表してるのだと思っています。k2は2[m]中に1つの波があるので、仮にその波を100[m]にも渡って観察すれば、その中に50個も波が存在する。一方、k1は100[m]内に1個しか波が存在しない。よってk2の波の方が波の数が多い波である。以上が波の「数」なのに次元が長さの逆数を取る理由だと解釈してるのですが、合っているでしょうか?

また、(正否は分かりませんが)波数kを以上のように考えているのですが、波数ベクトルという概念の理解に行き詰まっています。個数であり、長さの逆数を取る量がベクトル量で向きを持つというイメージが掴めません。本にはkx、ky、kzと矢印だけはよく見かけるのですが、その矢印がどこを基準(始点)としてどこへ向いているのか(終点はどこなのか)が描かれていないので分かりません。波数ベクトルとはどういう方向を向いていて、それはどういう意味なのですか?一応、自分なりに描いてみたのですが下の図で合っているでしょうか?(1波長置きに存在するyz平面に平行な面に直交するベクトルです)

私の波数の考えが合っているか、波数ベクトルが図のようで合っているかどうか、波数ベクトルとは何かをどなたか教えて欲しいです。

確認したい事と質問があります。

波数kというのはある単位長さ当たりに存在する1周期分(1波長分)の波の数で合っていますでしょうか?数と言っても単純に「波が1000個もある!」という意味ではなく、「ある単位長さ中に1個の波が含まれる」という感じで個数というより割合に近い物だと解釈してるのですが大丈夫でしょうか?
一般に波数kは波長λを使って、k=2π/λ、もしくはk=1/λと表されます。用いる単位系によって違いますが、ここでは分かりやすくk=1/λを例に取ります。例えばλ1=100[m...続きを読む

Aベストアンサー

上の内容については私の前に書いていらっしゃる方がいるので波数ベクトルについて述べたいと思います。
あなたはどうやら波をx軸方向に進む高校で習うような波で想像しているものと思います。
しかし、現実で見かける波(たとえ水面の波紋)はz=Asin( √(kx^2+ky^2) )のようにx方向y方向に伝搬しています。このとき波は同心円状に広がるので、x方向、y方向の波数はそれぞれkという定数で表すことができます。(下のリンクを参考に)
http://www.wolframalpha.com/input/?i=sin%28sqrt%28x^2%2By^2%29%29
このとき、x方向の波数は1、y方向の波数も1、z方向に波はないので波数は0となり、波数ベクトル
K=(kx,ky,kz)=(1,1,0)
のように表すことができます。

さらに発展して考えたとき、x方向とy方向の波数が違っていてもいいですよね(下のリンクのような)
http://www.wolframalpha.com/input/?i=sin%28sqrt%28x^2%2B0.3*y^2%29%29
こうなるとx方向の波数は1、y方向の波数は0.3、z方向に波はないので波数は0となり、波数ベクトル
K=(kx,ky,kz)=(1,0.3,0)
のように表すことができます。

このように波数ベクトルは、現実の波をx,y,z成分で分けたときのそれぞれの波長(λx,λy,λz)から求めたものなので、あくまで波がどういう形になるのかしか分かりません。
なので波の始点や終点という概念はありません。
この波数ベクトルの利点は、たとえば現実空間で
y=sin(1*x)+sin(2*x)+sin(3*x)+sin(4*x)+・・・+sin((n-1)*x)+sin(n*x)
を考えるととても複雑なグラフとなりますが、波数空間ではkx=1,2,・・・.nの点の集合として表すことができます。(よくいわれるスペクトル表示的なものです)



波数ベクトルを現実世界の何かとして考えることはあまりないので割り切ってしまった方が楽かもしれません。

上の内容については私の前に書いていらっしゃる方がいるので波数ベクトルについて述べたいと思います。
あなたはどうやら波をx軸方向に進む高校で習うような波で想像しているものと思います。
しかし、現実で見かける波(たとえ水面の波紋)はz=Asin( √(kx^2+ky^2) )のようにx方向y方向に伝搬しています。このとき波は同心円状に広がるので、x方向、y方向の波数はそれぞれkという定数で表すことができます。(下のリンクを参考に)
http://www.wolframalpha.com/input/?i=sin%28sqrt%28x^2%2By^2%29%29
このと...続きを読む

Q物理学を学んだ学生の就職について

物理学を学んで修士課程を終えたとして就職でどうのような選択肢がありますか?

Aベストアンサー

buturidaisukiさん、こんにちは。

就職のことはやはり気になりますよね。同じようなことを普段よく尋ねられるので、多くの卒業生を見てきた経験から現実にどうかということを書かせていただきます。

まず、結論から書きますと、ANo.1~ANo.3の皆さんも書かれているように、本人さえしっかりしていれば、大抵の会社は選択肢に入ると思います。

ANo.4さんは、分野は影響は受けると書かれていますが、ある程度、そういうこともあるでしょうが、それほどではないと私は思います。というのは、元々、理学部を卒業する場合には、勉強した「知識」をそのまま使って企業で活躍するというセンスよりも、むしろ、そこで習得した「能力」を生かすというセンスだからです。逆にもし工学部を卒業しても、そこで学習した知識がそのままどんぴしゃで企業でも使えるケースは珍しいようです。

また、物理の中での理論と実験の違いですが、私の知る限り、理論だと実験よりも会社には不利ということはないと思います。それには二つ理由があります。一つは現代の産業の現状は、IT系に重点が移ってきていて、理論系なら殆どの場合コンピューターをかなり使いますので、その面でかえって有利であること。もう一つは測定器や作業機械の使い方などは、実験系だからといって同じ機械を使うとは限りませんし、どちらにしても入社後に勉強するケースのほうが多いと思われるからです。

企業の中で、理学部出身の人が工学部出身の人よりも少ない主な原因は、日本中で工学部の定員が非常に多いことでしょう。私の見る限り、卒業生が就職で苦労するケースは、分野というよりも、むしろ個々人のパーソナリティに依ることが多いように思われます。企業では周りの環境に柔軟に順応してくれる人、しっかり意思疎通の出来る人を好むでしょうし、当然、企業の利益にかなわないことをしたいという人は、どんな学部の卒業生でも取らないでしょう。


次に具体的な現状を書きます。どこの大学とは、もちろんここでは書けませんが、卒業生の就職先はやはりIT係を中心に製造業が多いです。それは元々日本の産業構造自体がIT係に重点が移ってきているためだと思います。一言にIT係といっても、かなり幅が広いですし、IT係以外の製造業も多いです。どんな製造業でも最近はコンピューターはかなり使うと思われます。

製造業の中には当然、民間企業の研究所に就職するケースもあります。民間企業の研究所では、ごく一部の例外を除いて、その企業の利益に直結することを研究します。その内容は、物理学に基礎を置いた研究もありますし、物理学とは直接の関係のない研究をすることもあります。物理の卒業生はどちらの方向にも進んでいます。ただし「直接の関係のない」と言っても、物理はあらゆるものの基礎になりますから、殆どのものは何らかの関係はあります。

次に多いのは、公務員や中学高校教諭だと思います。その場合は、もちろん、公務員試験の勉強や、教員免許をとり教員採用試験の勉強をする必要があります。

製造業に比べれば、数は少なくなりますが、商社や金融関係に就職した人もいます。また特殊な例ではパイロットになった人もいます。


せっかく物理学を勉強したのに、就職した後に直接に関係のないものをやるのは勿体ないとか、しんどいとか思われるかもしれません。しかし、ANo.3さんも書かれているように、物理学というのは、あらゆる学問や科学技術の基礎であり、また、知識そのものを使わなくても、物理学を学ぶ過程で習得した「現実に根ざした論理的思考」というのは、どんな分野にも共通に必要なものなのです。ANo.4さんも書かれているように、「仮説・検証・修正」という物理学の方法は、あらゆることに適用が可能です。

また、「知識の陳腐化」ということがあります。技術というものは日進月歩ですから、大学でどんな分野の学問をした場合でも、どのみち入社後にも勉強をし続けていかないといけません。しかし理学系と工学系の違いは、理学部で勉強したことは、時間が立って成り立たなくなるようなことではないというところです。物理で言えば、力学や電磁気学などの知識が陳腐化することは未来永劫ありません。それらは自然界の法則だからです。ところがある特定の「技術」というものは、多くの場合数年で陳腐化してしまいます。

さらに、逆に基礎的な知識が必要になったときに、技術だけを学んでいた人が基礎に立ち戻って勉強しなおすのは、大変なエネルギーが必要になります。一度でも基礎を十分に勉強したことがある人は、忘れてしまっていても、少し勉強すれば思い出すことができます。基礎をしっかり勉強した上に応用を勉強するほうが、応用だけを勉強しているより安心です。

これは教育関係に進む場合も同様だと思います。やはり理学部でしっかりその分野の内容を勉強しつつ教員免許も取るほうが、教育学部で教員免許をとるよりも好ましいと、個人的には思っています。(両方やるのは確かに大変ですが。)


最後に、修士課程に進むメリットについて付け加えます。学部で、およそ力学、電磁気学、量子力学、熱統計力学を学習するわけですが、それは学問の基礎の部分です。卒業研究~修士課程で、研究(らしきもの)に手を染めることにより、その基礎部分の知識の本当の意味が、より正しく深く理解できます。また、現実の問題を考えることにより、「問題解決能力」も身につけることができます。研究の世界では必要に応じて問題を自分で整理して設定する能力が求められます。誰かがきれいに作った問題を解くだけの話ではなくなってくるのです。そのような能力はどんな分野に就職しても必要とされるものです。大学院ではその部分も学ぶことが出来るはずです。

buturidaisukiさん、こんにちは。

就職のことはやはり気になりますよね。同じようなことを普段よく尋ねられるので、多くの卒業生を見てきた経験から現実にどうかということを書かせていただきます。

まず、結論から書きますと、ANo.1~ANo.3の皆さんも書かれているように、本人さえしっかりしていれば、大抵の会社は選択肢に入ると思います。

ANo.4さんは、分野は影響は受けると書かれていますが、ある程度、そういうこともあるでしょうが、それほどではないと私は思います。というのは、元々、理学部を...続きを読む

Qガウス関数のフーリエ変換 証明

ガウス関数のフーリエ変換の証明を解きたいのですが、
ググっても、詳細個所を省いて説明がなされているため、
最後の解まで至りません。。
数学の知識が足りないのは、至らないところですが
急ぎのため回答願います。

画像工学の分野にて、
フーリエ変換の式は下記を使いたいです。

F(ω)=∫exp^(-ax^2)exp(-2πiωx)dx

この式を最後以下のように変形したいのです。

F(ω)=√π/√a * exp(-ω/4a)

どなたか詳細お願いいたします。

Aベストアンサー

(11g12)のωはxの間違い。従って(11g12)の正しい式は
d(e^(-ax^2)/dx = (-2ax)e^(-ax^2)

(11g13)は
(j/2a)d(e^(-ax^2))/dx = (-jx)e^(-ax^2)
となります。

(11g13)と(11g14)の間の式を
∫e^(-ax^2) *(-jx)e^(-jωx)dx = ∫(-jx)e^(-ax^2)*e^(-jωx)dx
として
(-jx)e^(-ax^2)とe^(-jωx)のそれぞれに部分積分を行います。

その時に(-jx)e^(-ax^2)の積分が(11g13),(j/2a)*e^(-ax^2),
である事が活かされて来ます。

その結果として(11g15)の常微分方程式が導かれます。

Q分配関数(状態和)がわかりません。

統計力学とかで出てくる分配関数(状態和)がありますが、物理的な意味がよくわかってません。
Σexp(-β・ei)とありますがどういう意味なんでしょうか?

またある問題でエネルギー準位ε=(n+1/2)hνのN個の独立な調和振動系子の系があり
この調和振動子一個に対する状態和が
Z=1/{2sinh(hν/2kB・T)}
となることを示せという問題があるんですが問題の意味すらよくわかりません。
一個に対する状態和?という感じです。
どうかお願いします。

Aベストアンサー

>状態というのが量をもっているわけなんですが
>状態というのはどういう量なんですか?
すでに、siegmund さんが書かれておられるように
エネルギー e_i の状態の実現確率がボルツマン因子 exp(-βe_i) に比例します。
このあたりの手順は統計力学の教科書に載っていると思います。
少し混乱しておられるようなので、簡単な例を出してみます。

さいころを1個振ることを考えてみます。
さいころの目がX(x=1~6)になる確率を P(x) とすると、
1の目が出るという状態の実現確率は P(1) などというように表すことが出来ますね。
このときの状態和は
 Z=ΣP(x)
  =P(1)+P(2)+…+P(6)
  =6*1/6
  =1
ということになります。

>速度やモーメントならしっくりきますが状態というのは一体何なんでしょうか?
さいころで言うと状態は「1の目が出ること」などに対応します。
この場合は6つの状態を取り得ますね。

>一個に対する状態和?
粒子が一個であっても e_n =(n+1/2)hν という結果を見れば、
基底状態 e_0 = hν/2 の状態にあるかもしれないし、
励起状態の1つ e_1 = (1+1/2)hν = 3/2*hν のエネルギー状態にあるかもしれない、
というようにとり得る状態は1つではないことがわかります。
あとは、先のさいころの例と同様に
e_0 の状態にある確率が exp(-βe_0)
e_1 の状態にある確率が exp(-βe_1)
   :
ですからこれらの確率の無限和をとるだけです。


この質問とは関係ないですが、
その後、相対論の理解は進みましたか?

>状態というのが量をもっているわけなんですが
>状態というのはどういう量なんですか?
すでに、siegmund さんが書かれておられるように
エネルギー e_i の状態の実現確率がボルツマン因子 exp(-βe_i) に比例します。
このあたりの手順は統計力学の教科書に載っていると思います。
少し混乱しておられるようなので、簡単な例を出してみます。

さいころを1個振ることを考えてみます。
さいころの目がX(x=1~6)になる確率を P(x) とすると、
1の目が出るという状態の実現確率は P(1) などというよう...続きを読む


人気Q&Aランキング