112 年 國立中山大學物理學系碩士班《近代物理》
第 1 題
An astronaut traveling with a speed holds a meterstick in his hand. If he measures its length, he will obtain a value of
(A) 1.0 m.
(B) 2.3 m.
(C) 0.19 m.
(D) 0.43 m.
(E) 0.81 m.
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觀念解析
本題考查狹義相對論中「固有長度(Proper Length)」與「長度收縮(Length Contraction)」的定義與適用條件:
- 固有長度 :物體在其相對靜止的參考系(Rest Frame)中所測得的長度。
- 長度收縮:僅發生在「觀察者與被測物體之間存在相對運動」時。
第 2 題
The quantity which does not change in magnitude from that observed in system S when observed in system S' moving away from system S at speed v is
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查狹義相對論中的「洛侖茲不變量」。兩個慣性座標系 與 以速度 相對運動時,能在兩座標系中保持相同數值的量,必須是洛侖茲變換下的不變量。
能量與動量組成四維動量:
其閔可夫斯基範數為
其中 是粒子的靜止質量,。因此 在所有慣性座標系中相同。
解題方法
設 沿 軸以速度 相對於 運動,令
能量與動量的洛侖茲變換為
計算能量與動量組合量:
再加上未受變換影響的 分量:
因此
選項分析
(A)
靜止質量 不變,但三維加速度 會因座標系不同而改變,因此 不是洛侖茲不變量。
例如粒子在 中某一瞬間靜止,且沿 軸具有加速度 ,則在 中:
所以
第 3 題
An electron ( kg) has a speed of . What is the difference between its relativistic momentum and its non-relativistic momentum (in kg m/s)?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查高速電子的相對論動量與非相對論動量之差。
非相對論動量為
相對論動量為
其中洛倫茲因子
因此兩者差值為
解題方法
已知
取
先計算洛倫茲因子:
非相對論動量為
相對論動量為
所以兩者差值:
取適當有效位數:
第 4 題
How much energy is in a 63-kHz photon of AM radiation (Hint: the Planck constant J·s)?
(A) J
(B) J
(C) J
(D) J
(E) J
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核心觀念
光子的能量由普朗克—愛因斯坦關係式決定:
其中:
- :單一光子的能量,單位為 J
- :普朗克常數,
- :電磁波頻率,單位為 Hz
AM(振幅調變)主要影響電磁波的振幅與強度;在本題中,單一光子的能量仍只由頻率決定。
解題方法
題目給定頻率為 ,先換算成 Hz:
代入 :
所以正確選項為 (C)。
選項分析
- (A) :錯誤。
此值比正確答案小約 倍,數量級明顯不符。
第 5 題
What is the maximum velocity (in km/s) of a photoelectron emitted from a surface whose work function is 5.0 eV when illuminated by a light whose wavelength is 200 nm?
(A) 460
(B) 650
(C) 420
(D) 550
(E) 1 480
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核心觀念
本題考查愛因斯坦光電效應方程式:
其中:
- :入射光子的能量
- :金屬的功函數
- :光電子的最大動能
光子的能量必須先扣除逸出金屬所需的功函數,剩餘能量才轉化為光電子的最大動能。
解題方法
使用常用近似值:
入射光子的能量為:
因此光電子的最大動能:
將動能換算為焦耳:
由非相對論動能公式:
所以:
換算成 :
第 6 題
A neutron has a mass of kg. The de Broglie wavelength is m. How fast is the neutron going (in m/s)?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查德布羅意物質波關係式:
其中 為德布羅意波長、 為普朗克常數、 為動量。由於中子速度遠小於光速,可採用非相對論動量:
聯立得:
解題方法
取普朗克常數
代入中子質量與德布羅意波長:
分母為:
因此:
依有效位數取近似值:
第 7 題
Assume we can determine the position of a particle within an uncertainty of 0.5 nm. What will be the resulting uncertainty in the particle's momentum (in kg. m/s)?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查 Heisenberg 不確定性原理:
其中 是位置不確定度, 是動量不確定度,。
題目僅給定 ,嚴格而言只能求出 的下限;選擇題依慣例取不確定性乘積達到最小值的情況。
解題方法
位置不確定度為
由
得到最小動量不確定度:
取兩位有效數字:
選項分析
第 8 題
The average position, or expectation value, of a particle whose wave function depends only on the value of , is given by
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
這題考查一維位置期望值的定義。
在位置表象中,粒子的波函數為 ,而位置算符為
波函數的機率密度為
因此粒子出現在 附近的機率為 。位置的期望值就是以機率密度加權後的平均位置:
上述公式假設波函數已經歸一化:
若波函數尚未歸一化,則應使用
解題方法
判斷期望值公式可依照三個步驟:
- 找出物理量:本題為位置 。
- 使用對應算符:位置算符為 。
- 以波函數的共軛乘積 作為機率密度加權。
因此
選項分析
-
(A)
第 9 題
The wave function of a particle confined to is given by . for and . When the wave function is normalized, the probability density at coordinate has the value
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查波函數的:
-
歸一化條件
-
機率密度定義
粒子只存在於 ,因此只需在此區間進行積分。
解題方法
已知
其中 為歸一化常數。波函數的機率密度為
利用歸一化條件:
因為 與 無關,可提出積分號外:
計算積分:
因此
所以機率密度為
故正確選項為 (E)。
選項分析
-
(A) :錯誤
此選項的機率密度與 成正比,但由於 ,所以
機率密度應與 成正比,而非與 成正比。雖然此式本身在 到 的積分為 ,但不符合題目給定的波函數形式。
-
(B) :錯誤
雖然具有正確的 形式,但歸一化係數應為 ,不是 。
其積分為
第 10 題
Find the kinetic energy (in terms of Planck's constant) of a baseball (m = 1 kg) confined to a one-dimensional box that is 25 cm wide if the baseball can be treated as a wave in the ground state.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
棒球被限制在長度 的一維無限深方井中,必須形成駐波。粒子在盒中的動量與波長需滿足
因此
動能為
基態為 ,所以
解題方法
題目給定
代入基態動能公式:
因此正確選項為 。
需注意,基態並不代表動能為零。基態波函數是半個波長剛好容納在盒內的駐波;即使動量平均值為零,動量平方的平均值仍不為零,因此仍具有零點動能。
第 11 題
The wave function for a particle confined to a one-dimensional box located between and is given by . The constants and are determined to be
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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觀念重點
一維無限深位能井()內粒子的波函數必須滿足邊界條件 與 ,且其全空間機率密度須滿足歸一化條件 。
詳細推導
1. 套用邊界條件 (Boundary Conditions)
在左邊界 處,波函數必須為零:
解得 。因此波函數可簡化為:
第 12 題
The wave function for a particle in a one-dimensional box is . Which statement is correct?
(A) This wavefunction gives the probability of finding the particle at .
(B) gives the probability of finding the particle at .
(C) gives the probability of finding the particle between and .
(D) gives the probability of finding the particle at a particular value of .
(E) gives the probability of finding the particle between and .
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核心觀念
量子力學中,波函數 本身不是機率,而是描述粒子位置狀態的機率振幅。位置機率密度由 Born 機率詮釋給出:
因此,粒子出現在區間 的機率為
對於很小的區間 ,有
本題粒子位於一維盒中,位置範圍為 。若波函數已正規化,則必須滿足
由
可得
所以若取 為正實數,
其機率密度為
解題方法
判斷本題的關鍵是區分「波函數」、「機率密度」與「區間機率」:
- :機率振幅。
- :在位置 附近的機率密度。
- :很小區間 的機率。
- :有限區間 的機率。
精確地說,區間 的機率為
當 很小時,機率密度在該區間內近似不變,因此
這正是選項 (C) 所描述的關係。
選項分析
(A) This wavefunction gives the probability of finding the particle at .
錯誤。 是機率振幅,不是機率。它可以為負值或複數,但機率必須是非負的實數。位置機率必須由 求得。
第 13 題
A particle in a finite potential well has energy , as shown below. The wave function in region I where has the form
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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觀念解析
在有限位能井的古典禁區(Region I:,位能 ),粒子處於束縛態(Bound State)。波函數須滿足薛丁格方程式(Schrödinger Equation)與邊界條件(當 時,波函數不可發散,即須滿足歸一化條件)。
詳細推導
在 Region I (),不含時薛丁格方程式為:
第 14 題
When a particle approaching a potential energy barrier has a total energy that is greater than the potential energy barrier, what is the probability that the particle will be reflected?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
本題考查量子力學中「高於位壘能量時仍可能發生反射」的現象。
在古典力學中,若粒子總能量 大於位能障壁高度 ,粒子可以越過障壁,且不會被反射。然而在量子力學中,粒子以波函數描述;當波函數遇到位能的不連續處,即使 ,仍會因波數改變而產生部分反射。
解題方法
以最基本的位能階躍為例:
在 區域,波函數為入射波與反射波的疊加:
其中
在 區域,因為 ,粒子仍可傳播,波函數為
其中
在 處要求波函數及其一階導數連續:
由此得到振幅反射係數
因此反射機率為
第 15 題
The ground state energy of a harmonic oscillator is
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心觀念
量子簡諧振子的能階為
其中:
- 為振盪角頻率;
- 為量子數;
- 基態對應最低量子數 。
因此,量子簡諧振子的基態能量不是 ,而是具有不可消除的零點能。
解題方法
簡諧振子的哈密頓量可利用升降算符寫成
由於數目算符 的本徵值為 ,所以能量本徵值為
基態為 ,代入得
這個 稱為零點能,源自量子力學中的位置與動量不確定性原理;粒子不可能同時具有確定的 與 ,因此基態能量不能降至零。
選項分析
-
(A) :錯誤。
是相鄰能階之間的能量間隔:不是基態能量。
第 16 題
An electron in a hydrogen atom makes a transition from the to the energy state. Determine the wavelength of the emitted photon (in nm). (R = m)
(A) 1006
(B) 209
(C) 306
(D) 103
(E) 821
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【核心觀念】
氫原子能階躍遷發射光子的波長由芮得柏公式(Rydberg formula)決定:
【計算過程】
將初態 、終態 與芮得柏常數 代入:
第 17 題
Suppose Bohr had chosen the potential energy of the electron in the hydrogen atom to be when the electron is in the orbit with . He could do this by
(A) choosing for the orbit where the kinetic energy of the electron is zero.
(B) adding a constant 13.6 eV to the potential energy for all values of .
(C) adding a constant 27.2 eV to the potential energy for all values of .
(D) subtracting a constant 13.6 eV from the potential energy for all values of .
(E) subtracting a constant 27.2 eV from the potential energy for all values of .
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核心觀念
本題考查「位能零點可任意選定」以及氫原子玻爾模型中的動能、位能與總能量關係。
在通常取無限遠處位能為零時,氫原子第 層的總能量為
對庫侖力束縛的圓形軌道,由向心力條件
可得電子動能
電子與質子間的電位能為
所以
也就是
解題方法
在基態 時,
因此基態的原本位能為
若將所有軌道的位能增加同一常數 ,新的位能為
題目要求基態位能變成零:
代入 :
所以必須對所有 的位能加上 。
選項分析
- (A) 選擇 為電子動能等於零的軌道
第 18 題
The radial portion of the de Broglie wavefunction for an electron in the ground state of the hydrogen atom is
, where is the Bohr radius. The probability of finding the electron is
(A) .
(B) .
(C) .
(D) .
(E) .
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核心概念
本題測驗的是 波函數的正規化與機率密度 的概念。
- 電子在氫原子基態的完整波函數為
其中 。 - 機率密度 必須是波函數的絕對平方:
- 在球坐標下,體積元素為 ,積分全空間得到
若只考慮徑向部分,常寫成
這裡的 來源於對角度積分()與 。
解題步驟
- 寫出完整波函數的模方
- 寫出全空間機率的積分式
第 19 題
Forbidden transitions and selection rules suggest that
(A) a photon has linear momentum.
(B) a photon has energy.
(C) a photon has angular momentum.
(D) a photon has parity.
(E) a photon has mass.
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核心觀念
原子由初態 躍遷至末態 時,放出或吸收光子。躍遷是否允許,取決於交互作用矩陣元素是否為零:
在最主要的電偶極躍遷(electric dipole transition, E1)近似下,
其中電偶極算符 是秩數為 的球張量。因此,電磁場必須提供一個角動量量子,形成下列選擇律:
對單電子軌域,常見的 E1 選擇律為
若不符合這些條件,矩陣元素為零,該躍遷在 E1 近似下即稱為「禁戒躍遷」。這表示放出的電磁輻射具有角動量;對 E1 輻射而言,光子的總角動量量子數為 。
解題方法
由角動量守恆,原子躍遷時必須滿足
因此,若光子不攜帶角動量,原子的初、末態角動量就無法依照實驗觀察到的選擇律進行改變。實驗上卻可觀察到特定的 、 與 規則,且某些躍遷確實被禁止,最自然的解釋就是光子攜帶角動量。
光子是自旋 的粒子,具有螺旋度 ;其角動量投影以 為單位。對電偶極輻射,光子的電磁場表現為秩數 的球張量,因而產生 等選擇律。
宇稱也會造成選擇律。例如電偶極算符在宇稱變換下滿足
若初、末態宇稱分別為 與 ,則電偶極矩陣元素非零時必須有
也就是 E1 躍遷會改變原子宇稱。不過這是躍遷算符與電磁交互作用的宇稱性質,不是由此直接判定光子具有一個獨立的內禀宇稱。因此本題最直接的結論仍是光子具有角動量。
選項分析
(A) a photon has linear momentum
光子確實具有線動量:
第 20 題
Zeke says that the magnitude of the orbital angular momentum in the hydrogen atom has the value . Ruth says that the maximum magnitude of the projection of the angular momentum along the direction of a constant magnetic field vector is . Which one, if either, is correct, and why?
(A) Ruth, because the maximum value of is .
(B) Ruth, because the orbital angular momentum always lines up with a magnetic field so that has its maximum value along the field.
(C) Zeke, because the maximum magnitude of is .
(D) Zeke, because the orbital angular momentum always lines up with a magnetic field so that has its maximum value along the field.
(E) Neither, because they have interchanged the maximum magnitude of , , and , its maximum projection along a magnetic field direction.
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核心觀念
在氫原子量子力學中,軌域角動量相關物理量定義如下:
- 軌域角動量大小(Magnitude of ):
- 軌域角動量沿外加磁場方向( 軸)的投影分量(Projection ):
其投影分量的最大值為: