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東京都立大学 院試 過去問 解答例

都立大 理学研究科 物理学専攻 物理 2016年度 夏季 院試 過去問 解答例・解説(全5問)

全5問。数学1問・電磁気学・回路1問・熱・統計力学1問。

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解説5問・解答5問・最終答5問(全5問)
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2016年度 夏季は解答・最終答まで全文公開
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都立大 物理 2016年度 夏季 院試 過去問の出題内容(全5問)

この5問の分野は数学1問・電磁気学・回路1問・熱・統計力学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
1数学母関数・行列指数関数・境界値問題直接展開による検算 / 行列式の別解あり
2力学連結ばね・斜面の摩擦・滑車の回転非線形性の意味 / エネルギー収支による確認あり
3電磁気学・回路変位電流と共焦点回転楕円体導体境界での連続性による検算 / 変位電流が必要な理由あり
4量子力学段差ポテンシャルの反射率とランダウ準位透過率まで求めて和が1になることを見る / 結果の意味あり
5熱・統計力学1次元格子振動の比熱と3スピン系上限を無限大に伸ばす根拠 / ゆらぎと応答の関係あり

この年度の解説には失点しやすい点5件が付いています。

1 — 数学:母関数・行列指数関数・境界値問題

方針

定義式をそのまま級数の割り算として扱うと、1/(1+u)1/(1+u) の展開で t2t^2 以降の取りこぼしが起きやすい。両辺に et1e^t-1 を掛けて係数比較に直せば、二項係数だけの漸化式になり、必要な次数まで機械的に伸ばせる。

直接展開による検算

et1=t+t2/2+t3/6+e^t-1=t+t^2/2+t^3/6+\cdots を用いて割り算を実行すると tet1=11+t2+t26+t324+=1t2+t212+0t3+ \frac{t}{e^t-1} =\frac{1}{1+\frac t2+\frac{t^2}{6}+\frac{t^3}{24}+\cdots} =1-\frac t2+\frac{t^2}{12}+0\cdot t^3+\cdots となる。Bk=k!×(tkの係数)B_k=k!\times(t^k\text{の係数}) だから上の結果と一致し、t3t^3 の係数が 00、すなわち B3=0B_3=0 であることも同時に見える。

失点しやすい点

B1B_1 の符号を +1/2+1/2 と書く誤りが多い。母関数を t/(1et)t/(1-e^{-t}) で定義する流儀では B1=+1/2B_1=+1/2 になるので、定義を答案の冒頭で確認しておく。また漸化式の和は k=N1k=N-1 までで、k=Nk=N の項は et1e^t-1 に定数項がないことから落ちる。

設問2 行列の指数関数と行列式

方針

無限級数を成分ごとに計算しようとすると手が止まる。最初に A^2\hat A^2 を計算して単位行列の定数倍になることを確かめ、以後のべきをすべて 1^\hat 1A^\hat A の2つで表してしまうのが定石である。ヒントの「偶数べきと奇数べきに分ける」はこの手順を指している。2×22\times2 行列なら Cayley--Hamilton の関係 A^2(trA^)A^+(detA^)1^=0^\hat A^2-(\operatorname{tr}\hat A)\hat A+(\det\hat A)\hat 1=\hat 0trA^=0\operatorname{tr}\hat A=0detA^=α2β2\det\hat A=-\alpha^2-\beta^2 を入れれば、成分計算をせずに同じ関係が出る。

行列式の別解

一般に det(expA^)=exp(trA^)\det(\exp\hat A)=\exp(\operatorname{tr}\hat A) が成り立ち、trA^=0\operatorname{tr}\hat A=0 だから det(expA^)=e0=1\det(\exp\hat A)=e^0=1 である。成分計算の結果と一致することがそのまま検算になる。β0\beta\to0f±gαe±αf\pm g\alpha\to e^{\pm\alpha} となり対角行列の指数に戻ることも確かめておく。

この設問が試していること

A^=ασz+βσx\hat A=\alpha\sigma_z+\beta\sigma_x とパウリ行列で書けば A^=λn^σ\hat A=\lambda\,\hat{\boldsymbol n}\cdot\boldsymbol\sigman^\hat{\boldsymbol n} は単位ベクトル)であり、(n^σ)2=1^(\hat{\boldsymbol n}\cdot\boldsymbol\sigma)^2=\hat 1 から exp ⁣(λn^σ)=coshλ1^+sinhλn^σ \exp\!\left(\lambda\,\hat{\boldsymbol n}\cdot\boldsymbol\sigma\right) =\cosh\lambda\,\hat 1+\sinh\lambda\,\hat{\boldsymbol n}\cdot\boldsymbol\sigma という、スピン1/21/2の回転演算子で繰り返し使う公式そのものである。

設問3 長方形領域のラプラス演算子の固有値問題

方針

変数分離自体は機械的だが、「全て求めよ」と指示されている以上、分離定数の符号を尽くして自明解を除外する作業が本体である。天下りに X=p2XX''=-p^2X と置くと、λ0\lambda\ge0 を排除した理由が残らない。

検算:縮退

a=ba=b の正方形では λmn=(π2/a2)(m2+n2)\lambda_{mn}=-(\pi^2/a^2)(m^2+n^2) となり、(m,n)=(1,2)(m,n)=(1,2)(2,1)(2,1) が同じ固有値を与える。縮退があるとき固有関数が umnu_{mn} の線形結合まで含むことは、一言添えておくとよい。

失点しやすい点

m=0m=0n=0n=0 を許すと u0u\equiv0 で固有関数にならない。また mmm-m は符号が変わるだけで同じ固有関数を与えるから、m,nm,n は正の整数に限ってよい。

解答

定義式の両辺に et1e^t-1 を掛けると t=(et1)k=0Bktkk!=(n=1tnn!)(k=0Bktkk!) t=\left(e^t-1\right)\sum_{k=0}^{\infty}B_k\frac{t^k}{k!} =\left(\sum_{n=1}^{\infty}\frac{t^n}{n!}\right) \left(\sum_{k=0}^{\infty}B_k\frac{t^k}{k!}\right) となる。右辺を Cauchy 積として展開すると、tNt^N の係数は k=0N1Bk/[k!(Nk)!]\sum_{k=0}^{N-1}B_k/[k!\,(N-k)!] である。左辺の tNt^N の係数は N=1N=1 のとき 11、それ以外は 00 であるから、両辺に N!N! を掛けて k=0N1(Nk)Bk=δN,1(N=1,2,3,) \sum_{k=0}^{N-1}\binom{N}{k}B_k=\delta_{N,1} \qquad(N=1,2,3,\dots) を得る。これがベルヌーイ数の漸化式である。

N=1,2,3N=1,2,3 を順に代入すると N=1: (10)B0=1 B0=1,N=2: (20)B0+(21)B1=0 1+2B1=0, B1=12,N=3: (30)B0+(31)B1+(32)B2=0 132+3B2=0, B2=16. \begin{aligned} N&=1:&\ \binom10B_0&=1 &&\Longrightarrow\ B_0=1,\\ N&=2:&\ \binom20B_0+\binom21B_1&=0 &&\Longrightarrow\ 1+2B_1=0,\ B_1=-\tfrac12,\\ N&=3:&\ \binom30B_0+\binom31B_1+\binom32B_2&=0 &&\Longrightarrow\ 1-\tfrac32+3B_2=0,\ B_2=\tfrac16 . \end{aligned}

直接計算すると A^2=(αββα)(αββα)=(α2+β200α2+β2)=λ21^,λα2+β2>0. \hat A^2 =\begin{pmatrix}\alpha&\beta\\ \beta&-\alpha\end{pmatrix} \begin{pmatrix}\alpha&\beta\\ \beta&-\alpha\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}\alpha^2+\beta^2&0\\ 0&\alpha^2+\beta^2\end{pmatrix} =\lambda^2\hat 1, \qquad \lambda\equiv\sqrt{\alpha^2+\beta^2}>0 . したがって帰納的に A^2n=λ2n1^,A^2n+1=λ2nA^(n=0,1,2,) \hat A^{2n}=\lambda^{2n}\hat 1,\qquad \hat A^{2n+1}=\lambda^{2n}\hat A \qquad(n=0,1,2,\dots) である。定義式の和を偶数べきと奇数べきに分けると expA^=n=0A^2n(2n)!+n=0A^2n+1(2n+1)!=(n=0λ2n(2n)!)1^+1λ(n=0λ2n+1(2n+1)!)A^. \exp\hat A =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\hat A^{2n}}{(2n)!} +\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\hat A^{2n+1}}{(2n+1)!} =\left(\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\lambda^{2n}}{(2n)!}\right)\hat 1 +\frac1\lambda\left(\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\lambda^{2n+1}}{(2n+1)!}\right)\hat A . 括弧の中はそれぞれ coshλ\cosh\lambdasinhλ\sinh\lambda であるから expA^=coshλ1^+sinhλλA^. \exp\hat A=\cosh\lambda\,\hat 1+\frac{\sinh\lambda}{\lambda}\,\hat A . よって f(α,β)=coshα2+β2,g(α,β)=sinhα2+β2α2+β2. f(\alpha,\beta)=\cosh\sqrt{\alpha^2+\beta^2}, \qquad g(\alpha,\beta)=\frac{\sinh\sqrt{\alpha^2+\beta^2}}{\sqrt{\alpha^2+\beta^2}} .

成分で書くと expA^=(f+gαgβgβfgα) \exp\hat A= \begin{pmatrix} f+g\alpha & g\beta\\ g\beta & f-g\alpha \end{pmatrix} であるから det(expA^)=(f+gα)(fgα)(gβ)2=f2g2(α2+β2)=cosh2λsinh2λ=1. \det\left(\exp\hat A\right) =(f+g\alpha)(f-g\alpha)-(g\beta)^2 =f^2-g^2(\alpha^2+\beta^2) =\cosh^2\lambda-\sinh^2\lambda=1 .

u(x,y)=X(x)Y(y)u(x,y)=X(x)Y(y) と置いて方程式に代入し、XYXY で割ると X(x)X(x)+Y(y)Y(y)=λ. \frac{X''(x)}{X(x)}+\frac{Y''(y)}{Y(y)}=\lambda . 第1項は xx だけ、第2項は yy だけの関数だから、それぞれ定数でなければならない。そこで X=p2X,Y=q2Y,λ=(p2+q2) X''=-p^2X,\qquad Y''=-q^2Y,\qquad \lambda=-\left(p^2+q^2\right) と置く(p2,q2p^2,q^2 は符号を含めた実数とする)。

境界条件 X(0)=X(a)=0X(0)=X(a)=0 を満たす解を p2p^2 の符号で場合分けする。p2<0p^2<0、すなわち X=κ2X (κ>0)X''=\kappa^2X\ (\kappa>0) なら X=Acoshκx+BsinhκxX=A\cosh\kappa x+B\sinh\kappa x で、X(0)=0X(0)=0 から A=0A=0sinhκa0\sinh\kappa a\ne0 から B=0B=0 となり自明解しか残らない。p2=0p^2=0 なら X=A+BxX=A+Bx で、両端の条件から A=B=0A=B=0 となりこれも自明解である。したがって p2>0p^2>0 に限られ、X=Asinpx+BcospxX=A\sin px+B\cos pxX(0)=0X(0)=0 から B=0B=0X(a)=Asinpa=0X(a)=A\sin pa=0 から p=mπ/ap=m\pi/am=1,2,3,m=1,2,3,\dots)を得る。YY についても同様に q=nπ/bq=n\pi/bn=1,2,3,n=1,2,3,\dots)である。

以上より固有値と固有関数は λmn=π2(m2a2+n2b2),umn(x,y)=Csinmπxasinnπyb \lambda_{mn}=-\pi^2\left(\frac{m^2}{a^2}+\frac{n^2}{b^2}\right), \qquad u_{mn}(x,y)=C\sin\frac{m\pi x}{a}\,\sin\frac{n\pi y}{b} m,n=1,2,3,m,n=1,2,3,\dotsCC は任意定数)である。同じ λ\lambda を与える (m,n)(m,n) が複数あるときは、それらの umnu_{mn} の任意の線形結合も固有関数になる。

最終答

B0=1,B1=12,B2=16. B_0=1,\qquad B_1=-\frac12,\qquad B_2=\frac16 .

2 — 力学:連結ばね・斜面の摩擦・滑車の回転

方針

(1-2) 以降は力のつり合いを直接書くより、ポテンシャル U(x)U(x) を作ってから微分する方が速い。ばねの張力は斜めを向いており、鉛直成分を取る計算は δ\delta の展開と同じ手間になるからである。U=0U'=0 で平衡点、U/mU''/m で角振動数の2乗という流れがそのまま使える。

非線形性の意味

x=0x=0 のまわりでは復元力が kx3/02-kx^3/\ell_0^{\,2} と3乗に比例するので、重力がなければ調和振動にならない。重力が平衡点を x00x_0\ne0 にずらすことで、その近傍だけが線形化される。角振動数が gg に依存する(ωg1/3\omega\propto g^{1/3})のはそのためである。

失点しやすい点

弾性エネルギーを 12k(2δ)2\frac12k(2\delta)^2 と書く誤りが多い。伸びるのは2本のばねそれぞれで δ\delta ずつである。また重力の位置エネルギーは mgx-mgx であり、符号を逆にすると平衡点が存在しなくなる。

設問2 緩やかな斜面上で動摩擦力がする仕事

方針

垂直抗力に cosθ\cos\theta、経路長に 1/cosθ1/\cos\theta が掛かり、この2つが打ち消すので、動摩擦の仕事は水平方向の移動距離だけで決まる。答案では NNΔs\Delta s を別々に θ\theta で書き、最後に積を取るのが明快である。なお「充分にゆっくり」は、斜面の曲率にともなう向心加速度と接線加速度を無視して N=mgcosθN=mg\cos\theta と置いてよい、という意味で使う。

エネルギー収支による確認

出発点と終点の高さの差は h0h_0 だから、力学的エネルギーの収支は mgh0=μmgx0+ΔKmgh_0=\mu'mg\,x_0+\Delta K である。h0h_0 が答えに現れないのは、h0h_0 が摩擦の仕事ではなく運動エネルギーの増分 ΔK\Delta K の側を決めるからである。h0=μx0h_0=\mu'x_0 のときに限って ΔK=0\Delta K=0 となり、この設定が全区間で自己整合的になる。

失点しやすい点

N=mgN=mg と置いて cosθ\cos\theta を落とす誤りと、経路長を Δx\Delta x のままにして 1/cosθ1/\cos\theta を落とす誤りの2つが典型である。両方を同時に間違えると偶然正しい答えになるが、片方だけだと cosθ\cos\theta または 1/cosθ1/\cos\theta が残り、h(x)h(x) に依存する形になってしまう。答案には NNΔs\Delta s の両方を明示的に書く。

設問3 滑車とばねでつないだ小物体の単振動

方針

最初に拘束条件を書き切ることが要点である。ワイヤーが伸びず滑らないので、小物体の変位・ばねの伸び・回転角は独立ではなく、自由度は1つしかない。これを xx に選べば、あとは TT を消去するだけである。

極限による検算

I0I\to0 では ωk/m\omega\to\sqrt{k/m} となり、ばねに直接つないだ質点の振動に戻る。II\to\infty では ω0\omega\to0 である。平衡位置 xe=mg/kx_{\mathrm e}=mg/kII に依存しないことも、静止状態には慣性モーメントが関係しない以上正しい。一様な円板(ρ1=ρ2=ρ\rho_1=\rho_2=\rho)では I=πDρR42=12MR2,M=ρπR2D I=\frac{\pi D\rho R^4}{2}=\frac12MR^2,\qquad M=\rho\pi R^2D となり、よく知られた値と一致する。

失点しやすい点

両側の張力を等しいと置く誤りが致命的である。T=TT=T' とすると Iθ¨=0I\ddot\theta=0 となり、滑車が回らないという矛盾に陥る。滑車に慣性モーメントがあるとき、張力は滑車を挟んで不連続になる。

解答

2本のばねを直列につないだとき、両端に大きさ FF の力を加えると、各ばねには同じ張力 FF が働く。よって各ばねの伸びは F/kF/k であり、全体の伸びは Δ=F/k+F/k=2F/k\Delta=F/k+F/k=2F/k である。連結ばねのばね定数を kk' とすると F=kΔF=k'\Delta であるから k=FΔ=F2F/k=k2. k'=\frac{F}{\Delta}=\frac{F}{2F/k}=\frac k2 .

中間点 O から測った小物体の鉛直下方向の距離を xx とする。固定点から O までの水平距離はそれぞれ 0\ell_0 であるから、各ばねの長さは L(x)=02+x2L(x)=\sqrt{\ell_0^{\,2}+x^2} であり、自然長 0\ell_0 からの伸びは δ=02+x20=0[(1+x202)1/21]=x220+O ⁣(x403) \delta=\sqrt{\ell_0^{\,2}+x^2}-\ell_0 =\ell_0\left[\left(1+\frac{x^2}{\ell_0^{\,2}}\right)^{1/2}-1\right] =\frac{x^2}{2\ell_0}+O\!\left(\frac{x^4}{\ell_0^{\,3}}\right) となる。x0x\ll\ell_0 では最低次を取って δx2/(20)\delta\simeq x^2/(2\ell_0) である。

ばねは2本あるので弾性エネルギーは Uel=212kδ2=kδ2=k(x220) ⁣2=kx4402. U_{\text{el}}=2\cdot\frac12k\delta^2=k\delta^2 =k\left(\frac{x^2}{2\ell_0}\right)^{\!2} =\frac{kx^4}{4\ell_0^{\,2}} . 重力の位置エネルギーは、O を基準にして小物体が xx だけ下にあるから mgx-mgx である。したがって U(x)=kx4402mgx. U(x)=\frac{kx^4}{4\ell_0^{\,2}}-mgx .

つり合いは dU/dx=0dU/dx=0 で決まる。 dUdx=kx302mg=0x03=mg02k,x0=(mg02k)1/3. \frac{dU}{dx}=\frac{kx^3}{\ell_0^{\,2}}-mg=0 \quad\Longrightarrow\quad x_0^{\,3}=\frac{mg\ell_0^{\,2}}{k}, \qquad x_0=\left(\frac{mg\ell_0^{\,2}}{k}\right)^{1/3}.

d2U/dx2=3kx2/02d^2U/dx^2=3kx^2/\ell_0^{\,2} であるから、x=x0x=x_0 での実効的なばね定数は 3kx02/023kx_0^{\,2}/\ell_0^{\,2} である。よって ω=1md2Udx2x=x0=3kx02m02=3km02(mg02k)2/3=3(kg2m02)1/6. \omega=\sqrt{\frac{1}{m}\left.\frac{d^2U}{dx^2}\right|_{x=x_0}} =\sqrt{\frac{3kx_0^{\,2}}{m\ell_0^{\,2}}} =\sqrt{\frac{3k}{m\ell_0^{\,2}}\left(\frac{mg\ell_0^{\,2}}{k}\right)^{2/3}} =\sqrt3\left(\frac{kg^2}{m\ell_0^{\,2}}\right)^{1/6}.

位置 xx での斜面の傾きを θ\theta とすると tanθ=h(x)\tan\theta=|h'(x)|cosθ=1/1+h(x)2\cos\theta=1/\sqrt{1+h'(x)^2} である。小物体は充分にゆっくり滑るので斜面に垂直な加速度は無視でき、垂直抗力は N=mgcosθ=mg/1+h(x)2N=mg\cos\theta=mg/\sqrt{1+h'(x)^2} である。動摩擦力の大きさは f=μNf=\mu'N である。一方、水平方向に Δx\Delta x だけ進むときの斜面に沿った経路長は Δs=Δxcosθ=1+h(x)2Δx. \Delta s=\frac{\Delta x}{\cos\theta}=\sqrt{1+h'(x)^2}\,\Delta x . 摩擦力は運動方向と逆向きなので、その仕事の大きさは W=fΔs=μmgcosθΔxcosθ=μmgΔx. |W|=f\,\Delta s=\mu'\,mg\cos\theta\cdot\frac{\Delta x}{\cos\theta}=\mu'mg\,\Delta x . cosθ\cos\theta が打ち消し合い、斜面の形によらない。

(2-1) の結果を x=0x=0 から x=x0x=x_0 まで積分すると Wtot=0x0μmgdx=μmgx0. |W_{\text{tot}}|=\int_0^{x_0}\mu'mg\,dx=\mu'mg\,x_0 . 高さの変化 h0h_0 には依存しない。

小物体側の鉛直下向きを正、滑車の反時計回りを正とする。ワイヤーは伸びず滑車上で滑らないので、滑車が反時計回りに θ\theta 回ると小物体は RθR\theta だけ下がり、ばね側のワイヤーは RθR\theta だけ引き上げられてばねが同じだけ伸びる。すなわち小物体の下降量とばねの伸びはともに RθR\theta に等しく、Rθ=xR\theta=x である。ばねの張力は kxkx であり、これがばね側のワイヤーの張力 TT' に等しい。

小物体については、重力 mgmg が下向き、張力 TT が上向きに働くので mx¨=mgT. m\ddot x=mg-T . 滑車については、小物体側の張力 TT が反時計回りに、ばね側の張力 T=kxT'=kx が時計回りにトルクを与えるから Iθ¨=RTRT=R(Tkx). I\ddot\theta=RT-RT'=R\left(T-kx\right).

ワイヤーが滑らないことから x=Rθx=R\theta、したがって Δθ=ΔxR. \Delta\theta=\frac{\Delta x}{R} .

θ=x/R\theta=x/R より θ¨=x¨/R\ddot\theta=\ddot x/R である。滑車の式から Ix¨R=R(Tkx)T=kx+Ix¨R2 \frac{I\ddot x}{R}=R\left(T-kx\right) \quad\Longrightarrow\quad T=kx+\frac{I\ddot x}{R^2} を得る。これを小物体の式に代入すると mx¨=mgkxIx¨R2,(m+IR2)x¨=mgkx. m\ddot x=mg-kx-\frac{I\ddot x}{R^2}, \qquad \left(m+\frac{I}{R^2}\right)\ddot x=mg-kx . 平衡点は xe=mg/kx_{\mathrm e}=mg/k である。ξ=xmg/k\xi=x-mg/k と置けば (m+I/R2)ξ¨=kξ\left(m+I/R^2\right)\ddot\xi=-k\xi となり、単振動の角振動数は ω=km+I/R2=kR2mR2+I. \omega=\sqrt{\frac{k}{\,m+I/R^2\,}}=\sqrt{\frac{kR^2}{mR^2+I}} .

厚さ DD の円板を、半径 rrr+drr+dr の間の薄い円筒殻に分ける。その質量は密度を ρ(r)\rho(r) として dm=ρ(r)D2πrdrdm=\rho(r)\,D\cdot2\pi r\,dr であり、回転軸まわりの慣性モーメントへの寄与は r2dmr^2dm である。よって I=2πD[ρ10ar3dr+ρ2aRr3dr]=2πD[ρ1a44+ρ2(R4a4)4] I=2\pi D\left[\rho_1\int_0^a r^3dr+\rho_2\int_a^R r^3dr\right] =2\pi D\left[\frac{\rho_1a^4}{4}+\frac{\rho_2\left(R^4-a^4\right)}{4}\right] すなわち I=πD2[ρ1a4+ρ2(R4a4)]. I=\frac{\pi D}{2}\left[\rho_1a^4+\rho_2\left(R^4-a^4\right)\right].

最終答

k=k2,U(x)=kx4402mgx,x0=(mg02k)1/3, k'=\frac k2,\qquad U(x)=\frac{kx^4}{4\ell_0^{\,2}}-mgx,\qquad x_0=\left(\frac{mg\ell_0^{\,2}}{k}\right)^{1/3}, ω=3kx02m02=3(kg2m02)1/6. \omega=\sqrt{\frac{3kx_0^{\,2}}{m\ell_0^{\,2}}} =\sqrt3\left(\frac{kg^2}{m\ell_0^{\,2}}\right)^{1/6}.

3 — 電磁気学:変位電流と共焦点回転楕円体導体

方針

円筒対称性から磁場は周方向、電場は zz 方向と決まる。あとはアンペール--マクスウェルの法則 Hd=(j+ε0Et)dS \oint\boldsymbol H\cdot d\boldsymbol\ell=\int\left(\boldsymbol j+\varepsilon_0\frac{\partial\boldsymbol E}{\partial t}\right)\cdot d\boldsymbol S を、外部では伝導電流の項、極板間では変位電流の項だけで使えばよい。

境界での連続性による検算

(1-3) の結果で xRx\to R とすると Byμ0I0sinωt/(2πR)B_y\to\mu_0I_0\sin\omega t/(2\pi R) となり、(1-1) の外部の式に x=Rx=R を入れた値に一致する。極板の縁で磁場がつながることを意味し、変位電流密度の分母を πR2\pi R^2 と取れているかの検算になる。

変位電流が必要な理由

導線を切る平らな面では右辺は伝導電流 I0sinωtI_0\sin\omega t、極板間を通る袋状の面では伝導電流は 00 である。変位電流の項があるおかげで後者にも同じ I0sinωtI_0\sin\omega t が現れ、アンペールの法則が面の取り方に依らなくなる。設問 1-2 と 1-3 はこの整合性を確かめさせている。

失点しやすい点

変位電流密度を求めるとき、電流を πR2\pi R^2 ではなく着目点までの面積 πx2\pi x^2 で割ってしまう誤りが多い。密度は極板全体で一様で、円が囲む量を出すときに初めて πρ2\pi\rho^2 を掛ける。また、Q(t)Q(t) を求める積分定数(直流成分)は電位の直流成分に対応するので、設問が交流成分を問うている以上、落としてよい。

設問2 一様に帯電した棒の電位と共焦点回転楕円体導体

方針

2-4 の核心は計算ではなく読み替えにある。「線電荷の等電位面は焦点 (±,0,0)(\pm\ell,0,0) の回転楕円体」「導体表面はその形」「よって外部の場は線電荷の場と同じ」の3行を書けば、あとは ϕ\phi を微分するだけである。外部領域でラプラス方程式・表面で等電位・無限遠でゼロ・総電荷 QQ の4条件を線電荷の解が満たすことを述べ、一意性定理を根拠として明示すると答案が締まる。

2つの極限による検算

yy\gg\ell では y2+2y\sqrt{y^2+\ell^2}\to y となり EyQ/(4πε0y2)E_y\to Q/(4\pi\varepsilon_0y^2)、点電荷の式に戻る。逆に細長い導体(bb\ll\ell)で b<yb<y\ll\ell の範囲を見ると y2+2\sqrt{y^2+\ell^2}\to\ell となり EyQ4πε0y=λ2πε0y E_y\to\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0y\ell}=\frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0y} で無限直線の式に戻る。2-1 で求めた2つの極限と一致しており、2-4 の答えの検算になっている。さらに 0\ell\to0 とすれば abRa\to b\to R の球になり、σ=Q/(4πab)Q/(4πR2)\sigma=Q/(4\pi ab)\to Q/(4\pi R^2) と導体球の面密度に戻る。

失点しやすい点

2-5 で ε0\varepsilon_0 を落として σ=Ey\sigma=E_y とする誤りと、境界条件を σ/(2ε0)\sigma/(2\varepsilon_0) と混同する誤りが典型である。σ/(2ε0)\sigma/(2\varepsilon_0) は無限に薄い帯電面の片側の値であり、導体表面では内側 00、外側 σ/ε0\sigma/\varepsilon_0 の段差になる。使うのは外側の値である。

解答

中心軸(zz 軸)からの距離を ρ\rho とする。コンデンサーから充分離れた z>0z>0 の領域では、電流は zz 軸上のまっすぐな導線を流れる I(t)=I0sinωtI(t)=I_0\sin\omega t だけとみなせる。半径 ρ\rho の円を境界とする面にアンペールの法則を適用すると 2πρHϕ=I0sinωt,Hϕ=I0sinωt2πρ. 2\pi\rho H_\phi=I_0\sin\omega t, \qquad H_\phi=\frac{I_0\sin\omega t}{2\pi\rho} . P(x,0,z)\mathrm P(x,0,z) では ρ=x\rho=|x| であり、x>0x>0 なら ϕ^=y^\hat{\boldsymbol\phi}=\hat{\boldsymbol y}x<0x<0 なら ϕ^=y^\hat{\boldsymbol\phi}=-\hat{\boldsymbol y} である。どちらの符号もまとめて B(P,t)=(0, μ0I0sinωt2πx, 0) \boldsymbol B(\mathrm P,t)=\left(0,\ \frac{\mu_0I_0\sin\omega t}{2\pi x},\ 0\right) と書ける。

z=dz=-d の極板に蓄えられる電荷を Q(t)Q(t) とすると、導線を流れる電流がこの極板に電荷を運ぶので dQdt=I0sinωt,Q(t)=I0ωcosωt \frac{dQ}{dt}=I_0\sin\omega t, \qquad Q(t)=-\frac{I_0}{\omega}\cos\omega t (交流成分のみを取る)。極板間の電場は一様で、正に帯電した z=dz=-d の極板から z=0z=0 の極板へ向かう、すなわち +z+z 向きである。面電荷密度が Q/(πR2)Q/(\pi R^2) だから E=(0, 0, Q(t)ε0πR2). \boldsymbol E=\left(0,\ 0,\ \frac{Q(t)}{\varepsilon_0\pi R^2}\right). したがって点 Q ⁣(x,0,d2)\mathrm Q\!\left(x,0,-\tfrac d2\right) における変位電流密度は ε0Et=(0, 0, 1πR2dQdt)=(0, 0, I0sinωtπR2). \varepsilon_0\frac{\partial\boldsymbol E}{\partial t} =\left(0,\ 0,\ \frac{1}{\pi R^2}\frac{dQ}{dt}\right) =\left(0,\ 0,\ \frac{I_0\sin\omega t}{\pi R^2}\right). これは極板の内側で一様であり、面積分すると I0sinωtI_0\sin\omega t で導線の電流に等しい。

極板間には伝導電流がなく、変位電流だけがある。半径 ρ=x<R\rho=|x|<R の円にアンペール--マクスウェルの法則を適用すると、円が囲む変位電流は I0sinωtπR2πρ2=I0ρ2sinωtR2 \frac{I_0\sin\omega t}{\pi R^2}\cdot\pi\rho^2=\frac{I_0\rho^2\sin\omega t}{R^2} であるから 2πρHϕ=I0ρ2sinωtR2,Hϕ=I0ρsinωt2πR2. 2\pi\rho H_\phi=\frac{I_0\rho^2\sin\omega t}{R^2}, \qquad H_\phi=\frac{I_0\rho\sin\omega t}{2\pi R^2} . (1-1) と同じ符号の扱いで B(Q,t)=(0, μ0I0xsinωt2πR2, 0). \boldsymbol B(\mathrm Q,t)=\left(0,\ \frac{\mu_0I_0x\sin\omega t}{2\pi R^2},\ 0\right).

z=dz=-d の極板を基準とすると φ(0)φ(d)=d0Ezdz=Ezd=Q(t)dε0πR2 \varphi(0)-\varphi(-d)=-\int_{-d}^{0}E_z\,dz=-E_zd=-\frac{Q(t)\,d}{\varepsilon_0\pi R^2} であるから φ(0)φ(d)=I0dωε0πR2cosωt. \varphi(0)-\varphi(-d)=\frac{I_0d}{\omega\varepsilon_0\pi R^2}\cos\omega t .

yy\ll\ell のときは無限に長い直線電荷とみなせるので、ガウスの法則より Ey(0,y,0)=λ2πε0y. E_y(0,y,0)=\frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0y} . yy\gg\ell のときは全電荷 2λ2\lambda\ell の点電荷とみなせるので Ey(0,y,0)=2λ4πε0y2=λ2πε0y2. E_y(0,y,0)=\frac{2\lambda\ell}{4\pi\varepsilon_0y^2}=\frac{\lambda\ell}{2\pi\varepsilon_0y^2} .

線素 dxdx' にある電荷 λdx\lambda\,dx' からの寄与を足し合わせると ϕ(r)=λ4πε0dx(xx)2+y2+z2. \phi(\boldsymbol r)=\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \int_{-\ell}^{\ell}\frac{dx'}{\sqrt{(x-x')^2+y^2+z^2}} . u=xxu=x-x'du=dxdu=-dx')と置くと、積分区間は u=x+u=x+\ell から u=xu=x-\ell に移り、符号を戻して ϕ(r)=λ4πε0xx+duu2+α,αy2+z2. \phi(\boldsymbol r)=\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \int_{x-\ell}^{x+\ell}\frac{du}{\sqrt{u^2+\alpha}}, \qquad \alpha\equiv y^2+z^2 . 与えられた積分公式を使って ϕ(r)=λ4πε0[logu+u2+α]xx+=λ4πε0log ⁣(x++(x+)2+y2+z2x+(x)2+y2+z2). \phi(\boldsymbol r)=\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \Bigl[\log\left|u+\sqrt{u^2+\alpha}\right|\Bigr]_{x-\ell}^{x+\ell} =\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \log\!\left( \frac{x+\ell+\sqrt{(x+\ell)^2+y^2+z^2}} {x-\ell+\sqrt{(x-\ell)^2+y^2+z^2}} \right). 無限遠では対数の引数が 11 に近づき ϕ0\phi\to0 となるので、無限遠を基準とした電位になっている。

導体には自由に動ける電荷がある。内部に電場があれば自由電荷は力を受けて動き続け、電流が流れることになるが、これは静電平衡ではない。実際には電荷が表面へ移動して再配置し、その電荷が内部につくる電場が外からの電場をちょうど打ち消す。この状態が静電平衡であり、そのとき内部の電場はゼロである。

ヒントの形から、ϕ\phis(x+)2+y2+z2+(x)2+y2+z2だけの関数でϕ=λ4πε0logs+2s2 s\equiv\sqrt{(x+\ell)^2+y^2+z^2}+\sqrt{(x-\ell)^2+y^2+z^2} \qquad\text{だけの関数で}\qquad \phi=\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0}\log\frac{s+2\ell}{s-2\ell} と書ける。よって等電位面は s=s= 一定の面、すなわち (±,0,0)(\pm\ell,0,0) を焦点とする回転楕円体である。 問題の導体はまさにこの焦点をもつ回転楕円体であるから、その表面は線電荷がつくる等電位面の一つになっている。導体外部の領域では、ラプラス方程式・表面での等電位・無限遠でゼロ・総電荷 QQ という条件がすべて線電荷の解で満たされるので、一意性定理により導体外部の電場は線密度 λ=Q/(2)\lambda=Q/(2\ell) の一様な線電荷がつくる電場に一致する。

x=z=0x=z=0 では s=22+y2s=2\sqrt{\ell^2+y^2}s242=4y2s^2-4\ell^2=4y^2s/y=2y/2+y2\partial s/\partial y=2y/\sqrt{\ell^2+y^2} である。また ϕs=λ4πε0(1s+21s2)=λ4πε04s242 \frac{\partial\phi}{\partial s} =\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0}\left(\frac{1}{s+2\ell}-\frac{1}{s-2\ell}\right) =-\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{4\ell}{s^2-4\ell^2} であるから、λ=Q/(2)\lambda=Q/(2\ell) を代入して Ey(0,y,0)=ϕssy=λ4πε044y22y2+y2=λ2πε0y2+y2=Q4πε0yy2+2 E_y(0,y,0)=-\frac{\partial\phi}{\partial s}\frac{\partial s}{\partial y} =\frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{4\ell}{4y^2}\cdot\frac{2y}{\sqrt{\ell^2+y^2}} =\frac{\lambda\ell}{2\pi\varepsilon_0\,y\sqrt{\ell^2+y^2}} =\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0\,y\sqrt{y^2+\ell^2}} y>by>b)を得る。

導体表面のすぐ外側では E=(σ/ε0)n^\boldsymbol E=(\sigma/\varepsilon_0)\hat{\boldsymbol n} が成り立つ。点 (0,b,0)(0,b,0) は回転楕円体の短軸上にあるので外向き法線は y^\hat{\boldsymbol y} であり、n^\hat{\boldsymbol n} 方向の成分は EyE_y そのものである。したがって σ=ε0Ey(0,b,0)=Q4πbb2+2. \sigma=\varepsilon_0E_y(0,b,0)=\frac{Q}{4\pi b\sqrt{b^2+\ell^2}} . 長半径を a=b2+2a=\sqrt{b^2+\ell^2} と書けば σ=Q/(4πab)\sigma=Q/(4\pi ab) である。

最終答

B(P)=(0,μ0I0sinωt2πx,0),ε0Et=(0,0,I0sinωtπR2), \boldsymbol B(\mathrm P)=\left(0,\frac{\mu_0I_0\sin\omega t}{2\pi x},0\right), \qquad \varepsilon_0\frac{\partial\boldsymbol E}{\partial t} =\left(0,0,\frac{I_0\sin\omega t}{\pi R^2}\right), B(Q)=(0,μ0I0xsinωt2πR2,0),φ(0)φ(d)=I0dωε0πR2cosωt. \boldsymbol B(\mathrm Q)=\left(0,\frac{\mu_0I_0x\sin\omega t}{2\pi R^2},0\right), \qquad \varphi(0)-\varphi(-d)=\frac{I_0d}{\omega\varepsilon_0\pi R^2}\cos\omega t .

4 — 量子力学:段差ポテンシャルの反射率とランダウ準位

方針

手順は、各領域の波数を決める、D=0D=0 を課す、x=0x=0 で値と微分をつなぐ、の3段である。D=0D=0 は数学からは出てこないので、「x>0x>0 から入射する波はない」と一言書いて理由を残す。

透過率まで求めて和が1になることを見る

透過側の確率流は jtrans=q1C2/mj_{\text{trans}}=\hbar q_1|C|^2/m だから T=q1k1CA2=4k1q1(k1+q1)2,R+T=(k1q1)2+4k1q1(k1+q1)2=1 T=\frac{q_1}{k_1}\left|\frac CA\right|^2=\frac{4k_1q_1}{\left(k_1+q_1\right)^2}, \qquad R+T=\frac{\left(k_1-q_1\right)^2+4k_1q_1}{\left(k_1+q_1\right)^2}=1 となり、確率が保存している。設問では問われていないが、BBCC の計算の検算にそのまま使える。

失点しやすい点

透過率を C/A2|C/A|^2 と書く誤りが最も多い。透過側は波数が異なるので、単位時間に流れる確率で比べる必要がある。反射側は入射側と速度が等しいため、たまたま B/A2|B/A|^2 でよい。

結果の意味

EE\to\infty では q1k1q_1\to k_1R0R\to0EV0+0E\to V_0+0 では q10q_1\to0R1R\to1 となり、いずれも直感と合う。また RR\hbarmm も含まず、V0/EV_0/E だけで決まる。実際 R=(11V0/E1+1V0/E)2 R=\left(\frac{1-\sqrt{1-V_0/E}}{1+\sqrt{1-V_0/E}}\right)^{2} であり、屈折率の異なる媒質の境界での反射率(フレネルの式)と同じ形をしている。

設問2 磁場と電場の中の荷電粒子

方針

与えられたハミルトニアンは yy を陽に含まないので pyp_y が保存し、その固有値 k\hbar k を数として扱えば残るのは xx だけの1次元問題である。A=(0,Bx,0)\boldsymbol A=(0,Bx,0) のランダウ・ゲージがこの分離を可能にしている。

定数項の物理的な意味

mE2/(2B2)=12m(E/B)2-mE^2/(2B^2)=-\frac12m\left(E/B\right)^2 は、速さ vd=E/Bv_{\mathrm d}=E/Byy 方向に流れる系へ移ったことに対応する。kE/B=kvd-\hbar kE/B=-\hbar k\,v_{\mathrm d} は運動量 k\hbar k の状態がそのドリフトで得るエネルギーである。振動中心のずれ mE/(qB2)mE/(qB^2) とあわせて E×B\boldsymbol E\times\boldsymbol B ドリフトの量子版になっている。

縮退の消え方

E=0E=0 とすると εk=ωc(n+12)\varepsilon_k=\hbar\omega_{\mathrm c}\left(n+\frac12\right)kk に依存しない。これがランダウ準位の巨大な縮退である。電場を加えると kE/B-\hbar kE/B の項で kk 依存性が生じ、縮退が解ける。

失点しやすい点

(2-2) で平方完成を xx のまま進めると、xkx_k と電場によるずれが混ざって定数項を取りこぼしやすい。ξ=xxk\xi=x-x_k に移してから qE(ξ+xk)-qE(\xi+x_k) と展開すれば、定数が (qE)2/(2mωc2)-\left(qE\right)^2/(2m\omega_{\mathrm c}^2)qExk-qEx_k に分かれる。(2-3) はこの両方を含む。(2-4) では m1=m2=mm_1=m_2=mω=ωc\omega=\omega_{\mathrm c} に戻ることを確かめる。幾何平均 m1m2\sqrt{m_1m_2} が出るのは、m1m_1 が慣性を、1/m21/m_2 がばね定数を決めるからである。

解答

x<0x<0 ではポテンシャルがゼロなので、定常状態のシュレディンガー方程式は 22md2ψdx2=Eψ,d2ψdx2=2mE2ψ. -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}=E\psi, \qquad \frac{d^2\psi}{dx^2}=-\frac{2mE}{\hbar^2}\psi . e±ikxe^{\pm ikx} の形の解を入れると k2=2mE/2k^2=2mE/\hbar^2 であるから k1=2mE. k_1=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar} . 同じ領域の反射波も同じエネルギーをもつので k2=k1k_2=k_1 である。

x>0x>0 では 22md2ψdx2+V0ψ=Eψ,d2ψdx2=2m(EV0)2ψ. -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{d^2\psi}{dx^2}+V_0\psi=E\psi, \qquad \frac{d^2\psi}{dx^2}=-\frac{2m\left(E-V_0\right)}{\hbar^2}\psi . E>V0E>V_0 なので右辺の係数は負であり、振動解になる。よって q1=2m(EV0) q_1=\frac{\sqrt{2m\left(E-V_0\right)}}{\hbar} であり、同様に q2=q1q_2=q_1 である。

粒子は xx の負の側からのみ入射するので、x>0x>0x-x 方向に進む波は存在しない。したがって D=0D=0 である。x=0x=0ψ\psidψ/dxd\psi/dx が連続であることから、k2=k1k_2=k_1 を用いて A+B=C,ik1Aik1B=iq1C. A+B=C, \qquad ik_1A-ik_1B=iq_1C . 第1式を第2式に代入すると k1(AB)=q1(A+B)k_1(A-B)=q_1(A+B)、すなわち A(k1q1)=B(k1+q1)A(k_1-q_1)=B(k_1+q_1) であるから B=k1q1k1+q1A,C=A+B=2k1k1+q1A,D=0. B=\frac{k_1-q_1}{k_1+q_1}A, \qquad C=A+B=\frac{2k_1}{k_1+q_1}A, \qquad D=0 .

x<0x<0 の領域で、+x+x 方向に進む成分は Aeik1xAe^{ik_1x} である。定義式に代入すると jin=2mi[Aeik1x(ik1)Aeik1xAeik1x(ik1)Aeik1x]=k1mA2. j_{\text{in}}=\frac{\hbar}{2mi}\left[ A^{*}e^{-ik_1x}\left(ik_1\right)Ae^{ik_1x} -Ae^{ik_1x}\left(-ik_1\right)A^{*}e^{-ik_1x}\right] =\frac{\hbar k_1}{m}|A|^2 . 同様に x-x 方向に進む成分 Beik1xBe^{-ik_1x} については jout=k1B2/mj_{\text{out}}=-\hbar k_1|B|^2/m である。したがって R=joutjin=BA2=(k1q1k1+q1)2=(EEV0E+EV0)2. R=\frac{\left|j_{\text{out}}\right|}{\left|j_{\text{in}}\right|} =\left|\frac BA\right|^2 =\left(\frac{k_1-q_1}{k_1+q_1}\right)^{2} =\left(\frac{\sqrt E-\sqrt{E-V_0}}{\sqrt E+\sqrt{E-V_0}}\right)^{2}.

Ψ=eikyϕk(x)\Psi=e^{iky}\phi_k(x)py=iyp_y=\frac{\hbar}{i}\frac{\partial}{\partial y} を作用させると pyΨ=keikyϕk(x)=kΨp_y\Psi=\hbar k\,e^{iky}\phi_k(x)=\hbar k\,\Psi である。pxp_xxxeikye^{iky} に作用しないので、HΨ=εkΨH\Psi=\varepsilon_k\Psi から eikye^{iky} を括り出して Hk=px22m+(kqBx)22mqEx. H_k'=\frac{p_x^2}{2m}+\frac{\left(\hbar k-qBx\right)^2}{2m}-qEx .

ωcqBm,xkkqB \omega_{\mathrm c}\equiv\frac{qB}{m}, \qquad x_k\equiv\frac{\hbar k}{qB} と置くと (kqBx)22m=(qB)22m(xxk)2=m2ωc2(xxk)2. \frac{\left(\hbar k-qBx\right)^2}{2m} =\frac{\left(qB\right)^2}{2m}\left(x-x_k\right)^2 =\frac{m}{2}\omega_{\mathrm c}^2\left(x-x_k\right)^2 . ξ=xxk\xi=x-x_k と置いて電場の項も含めて整理すると m2ωc2ξ2qE(ξ+xk)=m2ωc2(ξqEmωc2)2(qE)22mωc2qExk. \frac m2\omega_{\mathrm c}^2\xi^2-qE\left(\xi+x_k\right) =\frac m2\omega_{\mathrm c}^2\left(\xi-\frac{qE}{m\omega_{\mathrm c}^2}\right)^{2} -\frac{\left(qE\right)^2}{2m\omega_{\mathrm c}^2}-qEx_k . したがって Hk=px22m+m2ωc2(xXk)2(qE)22mωc2qExk,Xk=xk+qEmωc2=kqB+mEqB2 H_k'=\frac{p_x^2}{2m}+\frac m2\omega_{\mathrm c}^2\left(x-X_k\right)^2 -\frac{\left(qE\right)^2}{2m\omega_{\mathrm c}^2}-qEx_k, \qquad X_k=x_k+\frac{qE}{m\omega_{\mathrm c}^2}=\frac{\hbar k}{qB}+\frac{mE}{qB^2} であり、これは中心が XkX_k にずれた調和振動子に定数を加えた形である。角振動数は ωc=qBm. \omega_{\mathrm c}=\frac{qB}{m} .

調和振動子の基底状態エネルギーは ωc/2\hbar\omega_{\mathrm c}/2 である。定数項を (qE)22mωc2=q2E22mm2q2B2=mE22B2,qExk=qEkqB=kEB \frac{\left(qE\right)^2}{2m\omega_{\mathrm c}^2} =\frac{q^2E^2}{2m}\cdot\frac{m^2}{q^2B^2}=\frac{mE^2}{2B^2}, \qquad qEx_k=qE\cdot\frac{\hbar k}{qB}=\frac{\hbar kE}{B} と書き直すと εkmin=ωc2mE22B2kEB=qB2mmE22B2kEB. \varepsilon_k^{\min} =\frac{\hbar\omega_{\mathrm c}}{2}-\frac{mE^2}{2B^2}-\frac{\hbar kE}{B} =\frac{\hbar qB}{2m}-\frac{mE^2}{2B^2}-\frac{\hbar kE}{B} .

同じ置き換えで Hk=px22m1+(qB)22m2(xxk)2qEx H_k'=\frac{p_x^2}{2m_1}+\frac{\left(qB\right)^2}{2m_2}\left(x-x_k\right)^2-qEx となる。調和振動子の標準形 px2/(2m1)+12m1ω2(xconst)2p_x^2/(2m_1)+\frac12m_1\omega^2(x-\text{const})^2 と係数を比べると 12m1ω2=(qB)22m2ω2=(qB)2m1m2,ω=qBm1m2. \frac12m_1\omega^2=\frac{\left(qB\right)^2}{2m_2} \quad\Longrightarrow\quad \omega^2=\frac{\left(qB\right)^2}{m_1m_2}, \qquad \omega=\frac{qB}{\sqrt{m_1m_2}} .

最終答

k1=2mE,q1=2m(EV0), k_1=\frac{\sqrt{2mE}}{\hbar}, \qquad q_1=\frac{\sqrt{2m\left(E-V_0\right)}}{\hbar}, B=k1q1k1+q1A,C=2k1k1+q1A,D=0, B=\frac{k_1-q_1}{k_1+q_1}A,\qquad C=\frac{2k_1}{k_1+q_1}A,\qquad D=0, R=(EEV0E+EV0)2. R=\left(\frac{\sqrt E-\sqrt{E-V_0}}{\sqrt E+\sqrt{E-V_0}}\right)^{2}.

5 — 統計力学:1次元格子振動の比熱と3スピン系

方針

「独立な調和振動子の集まり」という一文から、分配関数が積、自由エネルギーが和になる。ここまでは温度に関する近似を一切使っていない厳密な式である。近似が入るのは (1-4) で上限を \infty にするところだけなので、その根拠を明示するのが答案の要になる。

上限を無限大に伸ばす根拠

低温条件がそのまま U=πv0/(akBT)1U=\pi\hbar v_0/(a\,k_{\mathrm B}T)\gg1 を与える。u>Uu>U の寄与は Uueudu=(U+1)eU\int_U^\infty ue^{-u}du=(U+1)e^{-U} 程度で、TT のべきではなく指数関数で消える。したがって低温での比熱のべきには影響しない。この一行を書くかどうかで、近似の質が答案から読み取れる。

失点しやすい点

(1-3) で 1/L1/L を落とすと ϵ\epsilon が単位長さあたりの量でなくなる。また qq の刻みを 2π/(Na)2\pi/(Na) と書いた場合は L=NaL=Na を使って 2π/L2\pi/L に戻すこと。零点エネルギーは温度に依らないので比熱には効かないが、E\langle E\rangle そのものには効く。設問がこれを無視してよいと断っているので、そのまま落として構わない。

設問2 反強磁性的に結合した3つのスピン

方針

状態が8つしかないので、分配関数を定義どおりの和で書いてしまうのが最短である。表に与えられた「固有値とその縮退度、および各状態の mm」だけで、2-1 から 2-3 まではすべて求まる。連続系のような積分や近似は一切要らない。

ゆらぎと応答の関係

HHStotzS^z_{\text{tot}} が可換なので、ゼーマン項を加えた系の分配関数は Z(hz)=ieβ(Eihzmi)Z(h_z)=\sum_ie^{-\beta(E_i-h_zm_i)} であり、 Stotz=1βlogZhz,χ=Stotzhzhz=0=β[Stotz]2 \left\langle S^z_{\text{tot}}\right\rangle=\frac1\beta\frac{\partial\log Z}{\partial h_z}, \qquad \chi=\left.\frac{\partial\left\langle S^z_{\text{tot}}\right\rangle}{\partial h_z}\right|_{h_z=0} =\beta\left\langle\left[S^z_{\text{tot}}\right]^2\right\rangle が厳密に成り立つ(hz=0h_z=0Stotz=0\left\langle S^z_{\text{tot}}\right\rangle=0)。2-2 の結果を入れると χ=β(3412tanhβΔ) \chi=\beta\left(\frac34-\frac12\tanh\beta\Delta\right) で、βΔ0\beta\Delta\to03/(4kBT)=χ03/(4k_{\mathrm B}T)=\chi_0βΔ\beta\Delta\to\infty1/(4kBT)1/(4k_{\mathrm B}T) となり、2-5 の近似計算と一致する。この関係を使うと、2-5 の後半の「理由」がゆらぎの言葉で一行に収まる。

H\langle H\rangle と比熱の検算

H=ΔtanhβΔ\langle H\rangle=-\Delta\tanh\beta\Delta は、T0T\to0Δ-\Delta(基底状態のエネルギー)、TT\to\infty00(上下の準位が等確率で (4Δ4Δ)/8=0(4\Delta-4\Delta)/8=0)となり両極限とも正しい。比熱は C=dHdT=Δ2kBT2sech2 ⁣(βΔ) C=\frac{d\langle H\rangle}{dT} =\frac{\Delta^2}{k_{\mathrm B}T^2}\operatorname{sech}^2\!\left(\beta\Delta\right) で、kBTΔk_{\mathrm B}T\sim\Delta に山をもち両端でゼロになるショットキー型である。二準位系の比熱の標準的な形と一致する。

失点しやすい点

2-2 で表の mm を全スピンの大きさ StotS_{\text{tot}} と取り違えないこと。Δ-\Delta の側は Stot=1/2S_{\text{tot}}=1/2 の2重項が2組なので m=±1/2m=\pm1/2 が2つずつ現れ、m=±3/2m=\pm3/2 は含まれない。また 2-5 では、無視するのは +Δ+\Delta の4状態であって、ゼーマン項による準位のずれ自体は Δ-\Delta の4状態の中で残す。ここを両方落とすと χ=0\chi=0 になってしまう。

解答

零点エネルギーを無視すると、波数 qq のモードは独立な調和振動子であり、そのエネルギー準位は ωqnq\hbar\omega_qn_qnq=0,1,2,n_q=0,1,2,\dots)である。1モードの分配関数は等比級数だから Zq=n0eβωqn=(1eβωq)1Z_q=\sum_{n\ge0}e^{-\beta\hbar\omega_qn}=\left(1-e^{-\beta\hbar\omega_q}\right)^{-1} である。モードは互いに独立なので Z=qZqZ=\prod_qZ_q であり F=kBTlogZ=kBTqlogZq=kBTqlog(1eβωq). F=-k_{\mathrm B}T\log Z =-k_{\mathrm B}T\sum_q\log Z_q =k_{\mathrm B}T\sum_q\log\left(1-e^{-\beta\hbar\omega_q}\right).

E=logZ/β=(βF)/β\langle E\rangle=-\partial\log Z/\partial\beta=\partial(\beta F)/\partial\beta である。βF=qlog(1eβωq)\beta F=\sum_q\log\left(1-e^{-\beta\hbar\omega_q}\right)β\beta で微分すると βlog(1eβωq)=ωqeβωq1eβωq=ωqeβωq1=ωqnB ⁣(βωq) \frac{\partial}{\partial\beta}\log\left(1-e^{-\beta\hbar\omega_q}\right) =\frac{\hbar\omega_qe^{-\beta\hbar\omega_q}}{1-e^{-\beta\hbar\omega_q}} =\frac{\hbar\omega_q}{e^{\beta\hbar\omega_q}-1} =\hbar\omega_q\,n_{\mathrm B}\!\left(\beta\hbar\omega_q\right) であるから E=qωqnB ⁣(βωq),ϵ=EL=1LqωqnB ⁣(βωq). \langle E\rangle=\sum_q\hbar\omega_q\,n_{\mathrm B}\!\left(\beta\hbar\omega_q\right), \qquad \epsilon=\frac{\langle E\rangle}{L} =\frac1L\sum_q\hbar\omega_q\,n_{\mathrm B}\!\left(\beta\hbar\omega_q\right).

q=2πj/Lq=2\pi j/L なので隣り合う qq の間隔は Δq=2π/L\Delta q=2\pi/L である。aa を一定にしたまま LL\to\infty とすると Δq0\Delta q\to01Lq  1LL2πdq=12πdq \frac1L\sum_q\ \longrightarrow\ \frac1L\cdot\frac{L}{2\pi}\int dq=\frac1{2\pi}\int dq となる。jj の範囲 j(N1)/2|j|\le(N-1)/2qπ/a|q|\lesssim\pi/a に対応する(第一ブリルアンゾーン)から ϵ=12ππ/aπ/aωqnB ⁣(βωq)dq. \epsilon=\frac1{2\pi}\int_{-\pi/a}^{\pi/a} \hbar\omega_q\,n_{\mathrm B}\!\left(\beta\hbar\omega_q\right)dq .

ωq=v0q\omega_q=v_0|q| を代入すると被積分関数は qq の偶関数だから ϵ=1π0π/av0qeβv0q1dq. \epsilon=\frac1\pi\int_0^{\pi/a}\frac{\hbar v_0q}{e^{\beta\hbar v_0q}-1}\,dq . u=βv0qu=\beta\hbar v_0q と置くと v0q=u/β\hbar v_0q=u/\betadq=du/(βv0)dq=du/(\beta\hbar v_0) であるから ϵ=1πβ2v00Uudueu1,U=πβv0a=πv0akBT. \epsilon=\frac{1}{\pi\beta^2\hbar v_0}\int_0^{U}\frac{u\,du}{e^u-1}, \qquad U=\frac{\pi\beta\hbar v_0}{a}=\frac{\pi\hbar v_0}{a\,k_{\mathrm B}T} . 極低温 kBTπv0/ak_{\mathrm B}T\ll\pi\hbar v_0/a はまさに U1U\gg1 を意味する。被積分関数は u1u\gtrsim1 で指数関数的に減衰するので、上限を \infty に伸ばしてよい。切り捨てた寄与は O(UeU)O(Ue^{-U}) で指数的に小さい。 積分公式 0udu/(eu1)=π2/6\int_0^{\infty}u\,du/(e^u-1)=\pi^2/6 を用いて ϵ=π6β2v0=π(kBT)26v0. \epsilon=\frac{\pi}{6\beta^2\hbar v_0}=\frac{\pi\left(k_{\mathrm B}T\right)^2}{6\hbar v_0} . したがって c=dϵdT=πkB2T3v0  T c=\frac{d\epsilon}{dT}=\frac{\pi k_{\mathrm B}^2T}{3\hbar v_0}\ \propto\ T であり、cTαc\propto T^\alpha の指数は α=1\alpha=1 である。

ω=v0q\omega=v_0|q| では、±q\pm q の2つを数えて、単位長さあたりの状態密度は D(ω)=212πdqdω=1πv0 D(\omega)=2\cdot\frac{1}{2\pi}\frac{dq}{d\omega}=\frac{1}{\pi v_0} ω\omega に依らない定数になる。ボーズ分布は ωkBT\hbar\omega\ll k_{\mathrm B}T のモードを nBkBT/(ω)n_{\mathrm B}\simeq k_{\mathrm B}T/(\hbar\omega) だけ励起するが、ωkBT\hbar\omega\gg k_{\mathrm B}T のモードは eβωe^{-\beta\hbar\omega} で指数関数的に凍結する。つまり温度 TT で熱的に働くのは ωkBT/\omega\lesssim k_{\mathrm B}T/\hbar の範囲だけである。状態密度が定数なので、その範囲に入るモード数は単位長さあたり DkBT/TD\cdot k_{\mathrm B}T/\hbar\propto T に比例し、1モードあたりのエネルギーは kBT\sim k_{\mathrm B}T である。両者を掛けて ϵT2\epsilon\propto T^2、微分して cTc\propto T となる。一般に dd 次元では D(ω)ωd1D(\omega)\propto\omega^{d-1} となるので cTdc\propto T^{d} であり、3次元のデバイ模型の T3T^3 則がその例である。

エネルギー固有値は +Δ+\DeltaΔ-\Delta の2つだけで、それぞれ4重に縮退している。したがって Z=4eβΔ+4eβΔ=8coshβΔ. Z=4e^{-\beta\Delta}+4e^{\beta\Delta}=8\cosh\beta\Delta .

+Δ+\Delta の4状態の mm±3/2,±1/2\pm3/2,\pm1/2 なので m2=9/4+1/4+1/4+9/4=5\sum m^2=9/4+1/4+1/4+9/4=5Δ-\Delta の4状態の mm はすべて ±1/2\pm1/2 なので m2=4(1/4)=1\sum m^2=4\cdot(1/4)=1 である。よって [Stotz]2=5eβΔ+eβΔ8coshβΔ. \left\langle\left[S^z_{\text{tot}}\right]^2\right\rangle =\frac{5e^{-\beta\Delta}+e^{\beta\Delta}}{8\cosh\beta\Delta} . 分子は eβΔ+5eβΔ=6coshβΔ4sinhβΔe^{\beta\Delta}+5e^{-\beta\Delta}=6\cosh\beta\Delta-4\sinh\beta\Delta と書けるので [Stotz]2=3412tanhβΔ. \left\langle\left[S^z_{\text{tot}}\right]^2\right\rangle =\frac34-\frac12\tanh\beta\Delta .

H=4ΔeβΔ+4(Δ)eβΔ8coshβΔ=8ΔsinhβΔ8coshβΔ=ΔtanhβΔ. \langle H\rangle =\frac{4\Delta e^{-\beta\Delta}+4(-\Delta)e^{\beta\Delta}}{8\cosh\beta\Delta} =\frac{-8\Delta\sinh\beta\Delta}{8\cosh\beta\Delta} =-\Delta\tanh\beta\Delta .

3つのボンドは互いに等価なので S1S2=S2S3=S3S1=D(T) \left\langle\boldsymbol S_1\cdot\boldsymbol S_2\right\rangle =\left\langle\boldsymbol S_2\cdot\boldsymbol S_3\right\rangle =\left\langle\boldsymbol S_3\cdot\boldsymbol S_1\right\rangle =D(T) である。ハミルトニアンの平均を取ると H=4Δ33D(T)=4ΔD(T). \langle H\rangle=\frac{4\Delta}{3}\cdot3D(T)=4\Delta\,D(T) . 比熱は C=dH/dTC=d\langle H\rangle/dT だから C=4ΔdD(T)dT C=4\Delta\frac{dD(T)}{dT} となり、CCdD/dTdD/dT に比例する(比例係数は 4Δ4\Delta)。

kBTΔk_{\mathrm B}T\ll\Delta では +Δ+\Delta の4状態を無視してよい。残る4状態のエネルギーは Δhzm-\Delta-h_zm で、m=1/2m=1/2 が2つ、m=1/2m=-1/2 が2つである。よって Z=2eβ(Δ+hz/2)+2eβ(Δhz/2)=4eβΔcoshβhz2 Z'=2e^{\beta(\Delta+h_z/2)}+2e^{\beta(\Delta-h_z/2)} =4e^{\beta\Delta}\cosh\frac{\beta h_z}{2} であり Stotz=212eβhz/2+2(12)eβhz/24cosh(βhz/2)=12tanhβhz2βhz4. \left\langle S^z_{\text{tot}}\right\rangle =\frac{2\cdot\frac12e^{\beta h_z/2}+2\cdot\left(-\frac12\right)e^{-\beta h_z/2}} {4\cosh\left(\beta h_z/2\right)} =\frac12\tanh\frac{\beta h_z}{2} \simeq\frac{\beta h_z}{4} . したがって χ=limhz0Stotzhz=β4=14kBT=χ03. \chi=\lim_{h_z\to0}\frac{\left\langle S^z_{\text{tot}}\right\rangle}{h_z} =\frac{\beta}{4}=\frac{1}{4k_{\mathrm B}T} =\frac{\chi_0}{3} . 自由な3つのスピンの χ0=3/(4kBT)\chi_0=3/(4k_{\mathrm B}T)1/31/3 である。

理由は 2-2) の結果と直結している。[H,Stotz]=0[H,S^z_{\text{tot}}]=0 なので厳密に χ=β[Stotz]2 \chi=\beta\left\langle\left[S^z_{\text{tot}}\right]^2\right\rangle が成り立ち、帯磁率は StotzS^z_{\text{tot}} のゆらぎの大きさで決まる。反強磁性的な結合は3つのスピンを全スピン 1/21/2 の2重項に閉じ込め、m=±3/2m=\pm3/2 の状態を 2Δ2\Delta だけ上に押し上げる。低温ではこれらに熱的に到達できないので StotzS^z_{\text{tot}} の取り得る値の広がりが狭まり、[Stotz]2\left\langle\left[S^z_{\text{tot}}\right]^2\right\rangle3/43/4 から 1/41/41/31/3 に減る。帯磁率もそのまま 1/31/3 に減る。

最終答

ϵ=12ππ/aπ/aωqnB ⁣(βωq)dq,ϵ=π(kBT)26v0, \epsilon=\frac1{2\pi}\int_{-\pi/a}^{\pi/a}\hbar\omega_q\,n_{\mathrm B}\!\left(\beta\hbar\omega_q\right)dq, \qquad \epsilon=\frac{\pi\left(k_{\mathrm B}T\right)^2}{6\hbar v_0}, c=πkB2T3v0,α=1. c=\frac{\pi k_{\mathrm B}^2T}{3\hbar v_0},\qquad \alpha=1 .

都立大 物理 院試 過去問の収録19年度

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