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阪大 基礎工学研究科 物質創成専攻 物性物理科学I 2024年度 院試 過去問 解答例・解説(解説3項目)

解説3項目の分野は電磁気学・回路1項目、量子力学1項目、力学1項目です。解説は1問、途中式と最終答は大問1問ぶんを公開しています。PDFの収録範囲は商品ページで確認できます。問題本文は含みません。

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第1問 — 力学:引力と斥力をもつポテンシャルの極小点と微小振動

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第2問 — 電磁気学:同軸円筒コンデンサと液体の電荷緩和

電磁気学:同軸円筒コンデンサと液体の電荷緩和の途中式・最終答をPDFで見る

第3問 — 量子力学:調和振動子の基底状態と運動量表示

[1] x^\hat x と p^\hat p を a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger で表す

(2) は、a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger を x^,p^\hat x,\hat p の1次結合で与える式である。未知の x^,p^\hat x,\hat p について2本の1次式が与えられているので、足して引けば2つの演算子を分離できる。x^\hat x と p^\hat p は互いに交換しないが、この計算では演算子の順序を入れ替えず、係数だけを動かすので問題が生じない。

係数の確認に次元を使う。ℏ/(mω)\hbar/(m\omega) は長さの2乗、mℏωm\hbar\omega は運動量の2乗の次元なので、a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger が無次元であることと合う。さらに、この結果から [x^,p^][\hat x,\hat p] を作ると [x^,p^]=−iℏ2 [a^+a^†, a^−a^†]=−iℏ2 (−1−1)=iℏ [\hat x,\hat p]=-i\frac\hbar2\,[\hat a+\hat a^\dagger,\ \hat a-\hat a^\dagger]=-i\frac\hbar2\,(-1-1)=i\hbar となる。ここで [a^,a^†]=1[\hat a,\hat a^\dagger]=1 と、[a^,a^]=[a^†,a^†]=0[\hat a,\hat a]=[\hat a^\dagger,\hat a^\dagger]=0 を使った。問題の与えた [x^,p^]=iℏ[\hat x,\hat p]=i\hbar と一致する。

誤りは、p^\hat p の符号を逆にして p^=+imℏω/2 (a^−a^†)\hat p=+i\sqrt{m\hbar\omega/2}\,(\hat a-\hat a^\dagger) と書くことである。このとき [x^,p^]=−iℏ[\hat x,\hat p]=-i\hbar となり、基本の交換関係に反するので、符号の誤りを判別できる。

[2] 交換関係 [H^,a^†a^][\hat H,\hat a^\dagger\hat a]

交換子 [A^,B^]=A^B^−B^A^[\hat A,\hat B]=\hat A\hat B-\hat B\hat A は、各引数について線形で、[A^,A^]=0[\hat A,\hat A]=0 であり、数の定数 cc に対して [A^+c,B^]=[A^,B^][\hat A+c,\hat B]=[\hat A,\hat B] が成り立つ。H^\hat H が a^†a^\hat a^\dagger\hat a の1次式の形に書けると、a^†a^\hat a^\dagger\hat a との交換子は定数部分が消えて零になる。「H^\hat H と a^†a^\hat a^\dagger\hat a の交換関係」という問いは、H^\hat H を a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger で書き直す合図である。

別解として、[H^,a^]=−ℏωa^[\hat H,\hat a]=-\hbar\omega\hat a、[H^,a^†]=ℏωa^†[\hat H,\hat a^\dagger]=\hbar\omega\hat a^\dagger を使う方法がある。積の公式 [A^,B^C^]=[A^,B^]C^+B^[A^,C^][\hat A,\hat B\hat C]=[\hat A,\hat B]\hat C+\hat B[\hat A,\hat C] より [H^,a^†a^]=[H^,a^†]a^+a^†[H^,a^]=ℏωa^†a^−ℏωa^†a^=0 [\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=[\hat H,\hat a^\dagger]\hat a+\hat a^\dagger[\hat H,\hat a]=\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a-\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a=0 で、同じ結果になる。物理的には、H^\hat H と a^†a^\hat a^\dagger\hat a が同時固有状態をもつことを意味する。問題文の ∣n⟩\ket n について H^∣n⟩=ℏω(n+12)∣n⟩\hat H\ket n=\hbar\omega(n+\frac12)\ket n が成り立つ。

誤りは、a^a^†\hat a\hat a^\dagger と a^†a^\hat a^\dagger\hat a を同じものとして H^=ℏωa^†a^\hat H=\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a と書くことである。このとき基底状態のエネルギーが 00 になってしまう。実際は ℏω/2\hbar\omega/2 で、不確定性関係 ΔxΔp≥ℏ/2\Delta x\Delta p\ge\hbar/2 から ⟨H^⟩≥ℏω/2\langle\hat H\rangle\ge\hbar\omega/2 と下から抑えられる。ゼロ点エネルギーは、a^a^†−a^†a^=1\hat a\hat a^\dagger-\hat a^\dagger\hat a=1 の1から生じている。

[3] 基底状態の位置表示 ⟨x∣0⟩\braket{x|0}

位置の固有ケット ∣x⟩\ket x は x^∣x⟩=x∣x⟩\hat x\ket x=x\ket x を満たす。x^\hat x はエルミートなので、ブラについても ⟨x∣x^=x⟨x∣\bra x\hat x=x\bra x となる。p^\hat p は式 (1) で −iℏ d/dx-i\hbar\,d/dx に置き換わる。基底状態は a^∣0⟩=0\hat a\ket0=0 で特徴付けられ、これを位置表示にすると ψ0\psi_0 についての1階の微分方程式になる。2階の微分方程式であるシュレーディンガー方程式を解くより簡単で、解の空間が1次元なので、定数倍を除いて基底状態が1つに決まることもわかる。

規格化条件 ∫∣ψ0∣2dx=1\int|\psi_0|^2dx=1 は、位置の測定結果の確率の和が 11 であることを表す。ガウス積分では、指数部の係数が mω/ℏm\omega/\hbar なので、C2C^2 に mω/(πℏ)\sqrt{m\omega/(\pi\hbar)} が必要になり、CC はその平方根(1/41/4 乗)になる。

確かめとして、H^ψ0=12ℏωψ0\hat H\psi_0=\frac12\hbar\omega\psi_0 を位置表示で直接調べる。ψ0′=−(mω/ℏ)xψ0\psi_0'=-(m\omega/\hbar)x\psi_0 から ψ0′′=(−mω/ℏ+m2ω2x2/ℏ2)ψ0\psi_0''=\bigl(-m\omega/\hbar+m^2\omega^2x^2/\hbar^2\bigr)\psi_0 なので −ℏ22mψ0′′+12mω2x2ψ0=(ℏω2−12mω2x2+12mω2x2)ψ0=ℏω2ψ0 -\frac{\hbar^2}{2m}\psi_0''+\frac12m\omega^2x^2\psi_0=\Bigl(\frac{\hbar\omega}2-\frac12m\omega^2x^2+\frac12m\omega^2x^2\Bigr)\psi_0=\frac{\hbar\omega}2\psi_0 となり、固有値 12ℏω\frac12\hbar\omega が得られる。∣ψ0∣2∝e−x2/ℓ2|\psi_0|^2\propto e^{-x^2/\ell^2} の幅 ℓ=ℏ/(mω)\ell=\sqrt{\hbar/(m\omega)} は、x^\hat x の係数 ℏ/(2mω)=ℓ/2\sqrt{\hbar/(2m\omega)}=\ell/\sqrt2 の 2\sqrt2 倍の長さである。

誤りは、規格化定数を (mω/πℏ)1/2(m\omega/\pi\hbar)^{1/2} と書くことである。このとき ∫∣ψ0∣2dx=(mω/πℏ)1/2\int|\psi_0|^2dx=(m\omega/\pi\hbar)^{1/2} となり、m=ω=ℏ=1m=\omega=\hbar=1 で π−1/2≃0.564\pi^{-1/2}\simeq0.564 と、11 に届かない。確率の総和が 11 にならない。

[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨x∣p⟩\braket{x|p}

運動量の固有値 pp は連続な値をとるので、固有ケットはデルタ関数で規格化する(⟨p∣p′⟩=δ(p−p′)\braket{p|p'}=\delta(p-p'))。位置の固有ケットも同様に連続スペクトルをもち、完全性 ∫∣x⟩⟨x∣dx=I^\int|x\rangle\langle x|dx=\hat I が成り立つ。この2つを組み合わせて、⟨p∣p′⟩\braket{p|p'} を xx の積分で書き直し、デルタ関数の積分表示 δ(k)=12π∫eikxdx\delta(k)=\frac1{2\pi}\int e^{ikx}dx に結び付けるのが、問題が与えたヒントの使い方である。

デルタ関数の性質 δ(αk)=δ(k)/∣α∣\delta(\alpha k)=\delta(k)/|\alpha| により、δ((p′−p)/ℏ)=ℏ δ(p′−p)\delta\bigl((p'-p)/\hbar\bigr)=\hbar\,\delta(p'-p) となる。ここで ℏ\hbar が係数に残ることが規格化定数の要点である。物理的には、⟨x∣p⟩\braket{x|p} は運動量 pp の自由粒子の平面波で、ド・ブロイ波長 2πℏ/p2\pi\hbar/p をもつ。

次元の確認をする。⟨p∣p′⟩\braket{p|p'} の次元は (運動量)−1{\rm (運動量)^{-1}} で、右辺の積分 ∫dx\int dx が長さの次元を足すので、∣c∣2|c|^2 は (長さ⋅運動量)−1{\rm (長さ{\cdot}運動量)^{-1}}、すなわち ℏ\hbar の逆数の次元でなければならない。1/(2πℏ)1/(2\pi\hbar) はこれに合う。

誤りは、ℏ\hbar を落として c=1/2πc=1/\sqrt{2\pi} とすることである。このとき ⟨p∣p′⟩=ℏ δ(p−p′)\braket{p|p'}=\hbar\,\delta(p-p') となり、規格化が ℏ\hbar 倍にずれる。∣c∣2=1/(2π)|c|^2=1/(2\pi) は ℏ\hbar の逆数の次元ももたないので、次元の確認でも誤りが見つかる。

[5] 運動量表示 ⟨p∣0⟩\braket{p|0} と幅 σ\sigma

xx 表示の波動関数から pp 表示への移行は、完全性を挟んで ⟨p∣ψ⟩=∫⟨p∣x⟩⟨x∣ψ⟩dx\braket{p|\psi}=\int\braket{p|x}\braket{x|\psi}dx とするもので、⟨p∣x⟩=⟨x∣p⟩∗\braket{p|x}=\braket{x|p}^* が [4] の結果から決まっている。核が平面波なので、これはフーリエ変換である。ガウス関数のフーリエ変換はガウス関数になり、幅は逆数になる。積分公式の γ\gamma が実数のとき ∫e−(x−iγ)2dx=π\int e^{-(x-i\gamma)^2}dx=\sqrt\pi となるのは、e−z2e^{-z^2} が複素平面全体で正則で、両端で零に落ちるので、積分路を虚軸方向へ平行にずらしても値が変わらないからである。平方完成で xx の複素シフト ip/(mω)ip/(m\omega) が現れるのが、この公式を使う合図になる。

確かめは3つある。1つ目は規格化で、∫∣⟨p∣0⟩∣2dp=(πmℏω)−1/2∫e−p2/(mℏω)dp=1\int|\braket{p|0}|^2dp=(\pi m\hbar\omega)^{-1/2}\int e^{-p^2/(m\hbar\omega)}dp=1 となる。2つ目は不確定性関係で、⟨x∣0⟩\braket{x|0} から ⟨x2⟩=ℏ/(2mω)\langle x^2\rangle=\hbar/(2m\omega)、⟨p∣0⟩\braket{p|0} から ⟨p2⟩=mℏω/2\langle p^2\rangle=m\hbar\omega/2 が得られ、ΔxΔp=ℏ/2\Delta x\Delta p=\hbar/2 と最小値に一致する。基底状態がガウス型の最小不確定性波束であることと整合する。3つ目は H^\hat H の対称性で、H^=mω22[x^2+(p^/mω)2]\hat H=\frac{m\omega^2}2\bigl[\hat x^2+(\hat p/m\omega)^2\bigr] は x↔p/(mω)x\leftrightarrow p/(m\omega) の入れ替えで形を変えない。そこで ⟨x∣0⟩\braket{x|0} の x2x^2 を p2/(mω)2p^2/(m\omega)^2 に置き換えると、exp⁡(−p2/(2mℏω))\exp(-p^2/(2m\hbar\omega)) となり、直接計算の結果と一致する。

誤りは、σ2=mℏω\sigma^2=m\hbar\omega としてしまう(指数の 22 の取り違え)ことである。このとき ∣⟨p∣0⟩∣2∝e−2p2/(mℏω)|\braket{p|0}|^2\propto e^{-2p^2/(m\hbar\omega)} となり ⟨p2⟩=mℏω/4\langle p^2\rangle=m\hbar\omega/4 なので、ΔxΔp=ℏ/(22)≃0.35ℏ\Delta x\Delta p=\hbar/(2\sqrt2)\simeq0.35\hbar と、不確定性関係の下限 0.5ℏ0.5\hbar を下回る。

[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨x∣1⟩\braket{x|1}

a^†\hat a^\dagger は、状態を1つ上の準位に上げる生成演算子である。位置表示では、a^†\hat a^\dagger が mω/2ℏ (x−ℏmωddx)\sqrt{m\omega/2\hbar}\,(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}) という1階の微分演算子になる。問題が「⟨x∣0⟩\braket{x|0} および ddx⟨x∣0⟩\frac d{dx}\braket{x|0} を用いて」と指定しているので、まずこの形が答えになる。[3] の1階の微分方程式があるので、微分を消してさらに簡単な形にもできる。

確かめを3つ行う。規格化は ∫∣⟨x∣1⟩∣2dx=2mωℏ⟨x2⟩0=2mωℏ⋅ℏ2mω=1\int|\braket{x|1}|^2dx=\frac{2m\omega}\hbar\langle x^2\rangle_0=\frac{2m\omega}\hbar\cdot\frac\hbar{2m\omega}=1 である。⟨x∣1⟩\braket{x|1} は xx の奇関数、⟨x∣0⟩\braket{x|0} は偶関数なので ⟨0∣1⟩=0\braket{0|1}=0 と直交する。また a^∣1⟩=∣0⟩\hat a\ket1=\ket0 と、H^∣1⟩=32ℏω∣1⟩\hat H\ket1=\frac32\hbar\omega\ket1 が成り立つ。節(零点)は x=0x=0 に1つあり、励起状態ほど節が増える性質とも合う。

誤りは2つある。1つ目は a^†\hat a^\dagger の微分の符号を逆にして x+ℏmωddxx+\frac\hbar{m\omega}\frac d{dx} とすることで、これは a^\hat a の形である。⟨x∣0⟩\braket{x|0} に作用させると a^∣0⟩=0\hat a\ket0=0 より零になり、波動関数が得られない。2つ目は [3] の関係を使うときに係数 22 を落として mω/2ℏ x⟨x∣0⟩\sqrt{m\omega/2\hbar}\,x\braket{x|0} とすることで、規格化積分が mω2ℏ⋅ℏ2mω=14\frac{m\omega}{2\hbar}\cdot\frac\hbar{2m\omega}=\frac14 となり、11 にならない。

解答

[1] x^\hat x と p^\hat p を a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger で表す

式 (2) の和と差をとる。 a^+a^†=mω2ℏ⋅2x^,a^−a^†=mω2ℏ⋅2imωp^. \hat a+\hat a^\dagger=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\cdot2\hat x,\qquad \hat a-\hat a^\dagger=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\cdot\frac{2i}{m\omega}\hat p . 前者から x^\hat x が、後者から p^\hat p が得られる。 x^=ℏ2mω (a^+a^†),p^=mω2i2ℏmω (a^−a^†)=−imℏω2 (a^−a^†). \hat x=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\,(\hat a+\hat a^\dagger),\qquad \hat p=\frac{m\omega}{2i}\sqrt{\frac{2\hbar}{m\omega}}\,(\hat a-\hat a^\dagger)=-i\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}}\,(\hat a-\hat a^\dagger).

[2] 交換関係 [H^,a^†a^][\hat H,\hat a^\dagger\hat a]

[1] の結果から x^2=ℏ2mω(a^+a^†)2,p^2=−mℏω2(a^−a^†)2. \hat x^2=\frac{\hbar}{2m\omega}(\hat a+\hat a^\dagger)^2,\qquad \hat p^2=-\frac{m\hbar\omega}{2}(\hat a-\hat a^\dagger)^2 . これを H^\hat H に入れると H^=12m(−mℏω2)(a^−a^†)2+12mω2⋅ℏ2mω(a^+a^†)2=ℏω4[(a^+a^†)2−(a^−a^†)2]=ℏω2(a^a^†+a^†a^).\begin{align*} \hat H&=\frac1{2m}\Bigl(-\frac{m\hbar\omega}2\Bigr)(\hat a-\hat a^\dagger)^2+\frac12m\omega^2\cdot\frac\hbar{2m\omega}(\hat a+\hat a^\dagger)^2\\ &=\frac{\hbar\omega}4\Bigl[(\hat a+\hat a^\dagger)^2-(\hat a-\hat a^\dagger)^2\Bigr] =\frac{\hbar\omega}2\bigl(\hat a\hat a^\dagger+\hat a^\dagger\hat a\bigr). \end{align*} 1行目から2行目で、a^2\hat a^2 と (a^†)2(\hat a^\dagger)^2 の項が打ち消し合い、a^a^†+a^†a^\hat a\hat a^\dagger+\hat a^\dagger\hat a の項が2倍で残る。[a^,a^†]=1[\hat a,\hat a^\dagger]=1 より a^a^†=a^†a^+1\hat a\hat a^\dagger=\hat a^\dagger\hat a+1 なので H^=ℏω(a^†a^+12). \hat H=\hbar\omega\Bigl(\hat a^\dagger\hat a+\frac12\Bigr). 定数 12\frac12 は任意の演算子と交換し、[a^†a^,a^†a^]=0[\hat a^\dagger\hat a,\hat a^\dagger\hat a]=0 であるから [H^,a^†a^]=ℏω [a^†a^,a^†a^]=0. [\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=\hbar\omega\,[\hat a^\dagger\hat a,\hat a^\dagger\hat a]=0 .

[3] 基底状態の位置表示 ⟨x∣0⟩\braket{x|0}

⟨x∣a^∣0⟩=0\braket{x|\hat a|0}=0 に (2) の a^\hat a を代入する。 mω2ℏ(⟨x∣x^∣0⟩+imω⟨x∣p^∣0⟩)=0. \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(\braket{x|\hat x|0}+\frac{i}{m\omega}\braket{x|\hat p|0}\Bigr)=0 . ⟨x∣\bra x は x^\hat x の固有ブラで ⟨x∣x^=x⟨x∣\bra x\hat x=x\bra x なので ⟨x∣x^∣0⟩=x⟨x∣0⟩\braket{x|\hat x|0}=x\braket{x|0} である。式 (1) で ∣ξ⟩=∣0⟩\ket\xi=\ket0 とすれば ⟨x∣p^∣0⟩=−iℏ ddx⟨x∣0⟩\braket{x|\hat p|0}=-i\hbar\,\dfrac{d}{dx}\braket{x|0} である。代入して、i⋅(−i)=1i\cdot(-i)=1 に注意すると x⟨x∣0⟩+ℏmωddx⟨x∣0⟩=0. x\braket{x|0}+\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\braket{x|0}=0 . これは問題に示された式と一致する。ψ0(x)=⟨x∣0⟩\psi_0(x)=\braket{x|0} とおくと ψ0′=−mωℏx ψ0\psi_0'=-\dfrac{m\omega}{\hbar}x\,\psi_0 なので、変数を分離して dψ0ψ0=−mωℏx dx ⟹ ln⁡∣ψ0∣=−mω2ℏx2+const,ψ0(x)=C e−mωx2/2ℏ. \frac{d\psi_0}{\psi_0}=-\frac{m\omega}\hbar x\,dx\ \Longrightarrow\ \ln|\psi_0|=-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2+{\rm const},\qquad \psi_0(x)=C\,e^{-m\omega x^2/2\hbar}. 規格化条件から CC を決める。u=mω/ℏ xu=\sqrt{m\omega/\hbar}\,x とおいて、与えられた積分公式 ∫−∞∞e−u2du=π\int_{-\infty}^\infty e^{-u^2}du=\sqrt\pi を使うと 1=C2∫−∞∞e−mωx2/ℏdx=C2ℏmωπ ⟹ C=(mωπℏ)1/4. 1=C^2\int_{-\infty}^\infty e^{-m\omega x^2/\hbar}dx=C^2\sqrt{\frac\hbar{m\omega}}\sqrt\pi \ \Longrightarrow\ C=\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}. CC の位相は物理量に影響しないので、正の実数に選ぶ。

[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨x∣p⟩\braket{x|p}

p^∣p⟩=p∣p⟩\hat p\ket p=p\ket p なので、式 (1) で ∣ξ⟩=∣p⟩\ket\xi=\ket p とすると p⟨x∣p⟩=⟨x∣p^∣p⟩=−iℏddx⟨x∣p⟩ ⟹ ddx⟨x∣p⟩=ipℏ⟨x∣p⟩ ⟹ ⟨x∣p⟩=c eipx/ℏ. p\braket{x|p}=\braket{x|\hat p|p}=-i\hbar\frac{d}{dx}\braket{x|p} \ \Longrightarrow\ \frac{d}{dx}\braket{x|p}=\frac{ip}\hbar\braket{x|p} \ \Longrightarrow\ \braket{x|p}=c\,e^{ipx/\hbar}. cc は xx に依らない定数である。規格化 ⟨p∣p′⟩=δ(p−p′)\braket{p|p'}=\delta(p-p') から cc を決める。∫∣x⟩⟨x∣dx=I^\int|x\rangle\langle x|dx=\hat I を挟み、⟨p∣x⟩=⟨x∣p⟩∗\braket{p|x}=\braket{x|p}^* を使うと ⟨p∣p′⟩=∫−∞∞⟨p∣x⟩⟨x∣p′⟩dx=∣c∣2∫−∞∞ei(p′−p)x/ℏdx=∣c∣2 2π δ(p′−pℏ)=∣c∣2 2πℏ δ(p′−p). \braket{p|p'}=\int_{-\infty}^\infty\braket{p|x}\braket{x|p'}dx=|c|^2\int_{-\infty}^\infty e^{i(p'-p)x/\hbar}dx =|c|^2\,2\pi\,\delta\Bigl(\frac{p'-p}\hbar\Bigr)=|c|^2\,2\pi\hbar\,\delta(p'-p). 最後の等号で δ(k/ℏ)=ℏ δ(k)\delta(k/\hbar)=\hbar\,\delta(k) を使った。⟨p∣p′⟩=δ(p−p′)\braket{p|p'}=\delta(p-p') と比べて ∣c∣2=1/(2πℏ)|c|^2=1/(2\pi\hbar) である。位相は任意なので、c=1/2πℏc=1/\sqrt{2\pi\hbar} に選ぶ。

[5] 運動量表示 ⟨p∣0⟩\braket{p|0} と幅 σ\sigma

完全性 ∫∣x⟩⟨x∣dx=I^\int|x\rangle\langle x|dx=\hat I を挟み、⟨p∣x⟩=⟨x∣p⟩∗=e−ipx/ℏ/2πℏ\braket{p|x}=\braket{x|p}^*=e^{-ipx/\hbar}/\sqrt{2\pi\hbar} を使う。 ⟨p∣0⟩=∫−∞∞⟨p∣x⟩⟨x∣0⟩dx=12πℏ(mωπℏ)1/4∫−∞∞exp⁡(−mω2ℏx2−ipℏx)dx. \braket{p|0}=\int_{-\infty}^\infty\braket{p|x}\braket{x|0}dx =\frac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}\int_{-\infty}^\infty\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x\Bigr)dx . 指数部を平方完成する。 −mω2ℏx2−ipℏx=−mω2ℏ(x+ipmω)2−p22mℏω. -\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x=-\frac{m\omega}{2\hbar}\Bigl(x+\frac{ip}{m\omega}\Bigr)^2-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}. u=mω/2ℏ xu=\sqrt{m\omega/2\hbar}\,x、γ=p/2mℏω\gamma=p/\sqrt{2m\hbar\omega} とおくと mω/2ℏ (x+ip/mω)=u+iγ\sqrt{m\omega/2\hbar}\,(x+ip/m\omega)=u+i\gamma、dx=2ℏ/mω dudx=\sqrt{2\hbar/m\omega}\,du である。実数 γ\gamma に対する公式 ∫e−(u−iγ)2du=π\int e^{-(u-i\gamma)^2}du=\sqrt\pi(γ\gamma の符号は結果に影響しない)より ∫−∞∞exp⁡(−mω2ℏx2−ipℏx)dx=2ℏmω e−p2/(2mℏω)∫e−(u+iγ)2du=2πℏmω e−p2/(2mℏω). \int_{-\infty}^\infty\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x\Bigr)dx=\sqrt{\frac{2\hbar}{m\omega}}\,e^{-p^2/(2m\hbar\omega)}\int e^{-(u+i\gamma)^2}du=\sqrt{\frac{2\pi\hbar}{m\omega}}\,e^{-p^2/(2m\hbar\omega)} . 前の係数は 12πℏ2πℏmω(mωπℏ)1/4=1mω(mωπℏ)1/4=(πmℏω)−1/4\dfrac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\sqrt{\dfrac{2\pi\hbar}{m\omega}}\Bigl(\dfrac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}=\dfrac1{\sqrt{m\omega}}\Bigl(\dfrac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4} なので ⟨p∣0⟩=(πmℏω)−1/4exp⁡(−p22mℏω). \braket{p|0}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4}\exp\Bigl(-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}\Bigr). exp⁡(−p2/σ2)\exp(-p^2/\sigma^2) と比べて σ2=2mℏω\sigma^2=2m\hbar\omega である。

[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨x∣1⟩\braket{x|1}

a^†∣n⟩=n+1∣n+1⟩\hat a^\dagger\ket n=\sqrt{n+1}\ket{n+1} で n=0n=0 とすると ∣1⟩=a^†∣0⟩\ket1=\hat a^\dagger\ket0 である。式 (2) の a^†\hat a^\dagger を代入し、[3] と同じく ⟨x∣x^=x⟨x∣\bra x\hat x=x\bra x と式 (1)(∣ξ⟩=∣0⟩\ket\xi=\ket0)を使うと ⟨x∣1⟩=mω2ℏ(⟨x∣x^∣0⟩−imω⟨x∣p^∣0⟩)=mω2ℏ(x⟨x∣0⟩−imω(−iℏ)ddx⟨x∣0⟩). \braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(\braket{x|\hat x|0}-\frac{i}{m\omega}\braket{x|\hat p|0}\Bigr) =\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x\braket{x|0}-\frac{i}{m\omega}(-i\hbar)\frac{d}{dx}\braket{x|0}\Bigr). −imω⋅(−iℏ)=i2ℏmω=−ℏmω-\dfrac{i}{m\omega}\cdot(-i\hbar)=\dfrac{i^2\hbar}{m\omega}=-\dfrac\hbar{m\omega} であるから ⟨x∣1⟩=mω2ℏ(x−ℏmωddx)⟨x∣0⟩. \braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\Bigr)\braket{x|0}. [3] の関係 ddx⟨x∣0⟩=−mωℏx⟨x∣0⟩\dfrac{d}{dx}\braket{x|0}=-\dfrac{m\omega}\hbar x\braket{x|0} を入れると括弧の中は 2x⟨x∣0⟩2x\braket{x|0} になり ⟨x∣1⟩=2mωℏ x⟨x∣0⟩=2mωℏ(mωπℏ)1/4x e−mωx2/2ℏ. \braket{x|1}=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\,x\braket{x|0}=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}x\,e^{-m\omega x^2/2\hbar}.

最終答

[1] x^\hat x と p^\hat p を a^,a^†\hat a,\hat a^\dagger で表す

x^=ℏ2mω (a^+a^†),p^=−imℏω2 (a^−a^†)\displaystyle\hat x=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\,(\hat a+\hat a^\dagger),\qquad\hat p=-i\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}}\,(\hat a-\hat a^\dagger)

[2] 交換関係 [H^,a^†a^][\hat H,\hat a^\dagger\hat a]

[H^,a^†a^]=0[\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=0(H^=ℏω(a^†a^+12)\hat H=\hbar\omega(\hat a^\dagger\hat a+\tfrac12))

[3] 基底状態の位置表示 ⟨x∣0⟩\braket{x|0}

⟨x∣0⟩=(mωπℏ)1/4exp⁡(−mω2ℏx2)\displaystyle\braket{x|0}=\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2\Bigr)

[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨x∣p⟩\braket{x|p}

⟨x∣p⟩=12πℏ eipx/ℏ\displaystyle\braket{x|p}=\frac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\,e^{ipx/\hbar}

[5] 運動量表示 ⟨p∣0⟩\braket{p|0} と幅 σ\sigma

σ=2mℏω\displaystyle\sigma=\sqrt{2m\hbar\omega}(⟨p∣0⟩=(πmℏω)−1/4exp⁡(−p22mℏω)\displaystyle\braket{p|0}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4}\exp\Bigl(-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}\Bigr))

[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨x∣1⟩\braket{x|1}

⟨x∣1⟩=mω2ℏ(x−ℏmωddx)⟨x∣0⟩ (=2mωℏ x⟨x∣0⟩)\displaystyle\braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\Bigr)\braket{x|0}\ \Bigl(=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\,x\braket{x|0}\Bigr)

物性物理科学Iの解答・解説PDF

2022〜2026年度(5年度) · ¥2,880

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年度別の解答例(5年度)

  • 2026年度(解説3項目)

    力学:回転円盤上の振り子と有効ポテンシャル / 電磁気学:導波管の遮断周波数と空洞共振器 / 量子力学:1次元調和振動子と消滅演算子の固有状態

  • 2025年度(解説3項目)

    力学:穴を通るひもでつながれた2質点の運動とパラメトリック共鳴 / 電磁気学:電気双極子の電位・電場と、分子間のファンデルワールス引力 / 量子力学:2次元の自由粒子・正方形の井戸型ポテンシャルと縮退のある摂動論

  • 2024年度(このページ・解説3項目)

    力学:引力と斥力をもつポテンシャルの極小点と微小振動 / 電磁気学:同軸円筒コンデンサと液体の電荷緩和 / 量子力学:調和振動子の基底状態と運動量表示

  • 2023年度(解説3項目)

    剛体の力学:2本の糸で吊るした直方体のねじれ振動 / 電磁気学:トロイダルコイルの磁束とインダクタンス、空隙のある鉄心の磁気回路 / 量子力学:結合した2つの調和振動子と外場による遷移

  • 2022年度(解説4項目)

    力学:バネでつながれた2質点(重心座標・相対座標)と重力 / 電磁気学:同軸ケーブルの容量・インダクタンスと信号の伝搬速度 / 量子力学:2準位系のハミルトニアン・密度演算子・ブロッホ方程式

2024年度の出題内容

解説3項目

この3問の分野は電磁気学・回路1問・量子力学1問・力学1問です。

大問分野主題解説の小見出し最終答
第1問力学引力と斥力をもつポテンシャルの極小点と微小振動—あり
第2問電磁気学・回路同軸円筒コンデンサと液体の電荷緩和—あり
第3問量子力学調和振動子の基底状態と運動量表示—あり

前年度(2023年度)との違い

大問数
2023年度 3問 → 2024年度 3問
2023年度の解答例

大阪大学の公式過去問

公開年度範囲
領域別。電子光・物性物理・化学・化学工学・数理科学は2022〜2026年度など
公式の解答例
解答例の掲載なし
英語の扱い
受験する年度・専攻の募集要項で確認してください。
院試hubの最終確認
2026-10-26
大阪大学の公式過去問PDF