title:
style: nestedList # TOC style (nestedList|nestedOrderedList|inlineFirstLevel)
minLevel: 0 # Include headings from the specified level
maxLevel: 0 # Include headings up to the specified level
include:
exclude:
includeLinks: true # Make headings clickable
hideWhenEmpty: false # Hide TOC if no headings are found
debugInConsole: false # Print debug info in Obsidian console
1. 辐射功率交叉项
分 解 β → ˙ = β → ˙ ∥ + β → ˙ ⊥ , 其中 β → ˙ ∥ | | β → , 根据讲义的(8.148)得到:
先 中 间 再 外 边 ( d P d Ω ) c r o s s ∝ { e ^ R × [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ∥ ] } ⋅ { e ^ R × [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ⊥ ] } ↓ ( A → × B → ) ⋅ ( A → × C → ) = A 2 ( B → ⋅ C → ) − ( A → ⋅ C → ) ( A → ⋅ B → ) = [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ∥ ] ⋅ [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ⊥ ] − { e ^ R ⋅ [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ⊥ ] } { e ^ R ⋅ [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ∥ ] } = ( e ^ R × β → ˙ ∥ ) ⋅ [ ( e ^ R − β → ) × β → ˙ ⊥ ] = β → ˙ ⊥ ⋅ [ ( e → R × β → ˙ ∥ ) × ( e → R − β → ) ] ↓ ( A → × B → ) × C → = ′ 先 中 间 再 外 边 ′ = e ^ R ⋅ β → ⊥ ˙ ( β → ⋅ β → ∥ ˙ − e ^ R ⋅ β → ∥ ˙ ) 取 e → R = ( sin θ cos φ , sin θ sin φ , cos θ ) , β → = β e → z , 得到
( d P d Ω ) c r o s s ∝ β ^ ∥ ( β − cos θ ) ( β ^ ⊥ x cos φ + β ^ ⊥ y sin φ ) sin θ 于是:
∫ ( d P d Ω ) c r o s s d Ω ∝ ∫ 0 2 π ( β ˙ ⊥ x c o s φ + β ˙ ⊥ y s i n φ ) d φ = 0 2. 电子的生命周期(讲义 p154)
加 速度满足:
e 2 4 π ϵ 0 r 2 = m e a ⊥ 根据拉莫公式有:
P ⊥ = μ 0 e 2 6 π c a ⊥ 2 = μ 0 e 2 6 π c e 4 16 π 2 ϵ 0 2 r 4 m e 2 初始的能量是:
E = − 1 2 e 2 4 π ϵ 0 r 有两种方式给出生命周期的估算, 第一种是:
t 1 ≈ E P ⊥ ≈ 10 − 11 s 另一种是:
P ⊥ ( r ) = − d E ( r ) d t = E ′ ( r ) d r d t ⟶ t 2 = ∫ d t = ∫ r 0 f ( r ) d r 得到:
t 2 = r 0 3 4 π 2 ϵ 0 2 m e 2 c 3 e 4 ≈ 10 − 11 s 3. 极相对论粒子的角最大辐射
讲 义(8.133)给出:
d P d Ω = q 2 μ 0 c 16 π 2 β ˙ 2 sin 2 θ ( 1 − β cos θ ) 最大辐射对应的角度由上式对 θ 的导数为 0 给出, 即:
0 = d d θ sin 2 θ ( 1 − β cos θ ) 5 = [ 2 cos θ ( 1 − β cos θ ) − 5 β sin 2 θ ] sin θ ( 1 − β cos θ ) 5 ⇒ c o s θ = 1 + 15 β 2 − 1 3 β = 1 3 [ 4 1 − 15 8 ( 1 − β ) + o ( 1 − β ) − 1 1 − ( 1 − β ) ] ↓ 1 − β ≪ 1 = 1 − 1 − β 4 = 1 − θ 2 2 + o ( θ 3 ) 得到:
θ = 1 − β 2 4. 课本题
7.1 零辐射的角度
为 避免歧义, 将题目里面的角度 β 记为 θ , 根据讲义(8.114):
d P d Ω ∝ | e ^ R × [ ( e ^ R − β → ) × a → ] | 2 假设:
a → = a e → x , β → = β ( cos α , sin α ) , e ^ R = ( cos θ , sin θ ) 得到:
e ^ R × [ ( e ^ R − β → ) × a → ] = ( e ^ R ⋅ a → ) ( e ^ R − β → ) − [ e ^ R ⋅ ( e ^ R − β → ) ] a → = ( a ( β sin α − sin θ ) sin θ , a cos θ ( sin θ − β sin α ) ) = 0 → β sin α = sin θ 7.2 同步辐射
由 讲义(8.155)可知:
P ⊥ = e 2 μ 0 6 π c γ 2 m 2 ( d p → d t ) 2 其中:
d p → d t = e v → × B → , E = γ m e c 2 = 10 12 e V 得到:
P = 38 e V ⋅ s − 1 7.6 同步辐射 * 2
(1)
根据讲义(8.164), 电子受力为辐射阻尼+洛伦兹力: +
m e a → = μ 0 e 2 6 π c a → ˙ − e v → × B → 即
v ˙ x = μ 0 e 2 6 π m e c v ¨ x − e B m e v y v ˙ y = μ 0 e 6 π m e 2 c v ¨ y + e B m e v x 假定 v ~ = v x + i v y , 得到
v ~ ˙ = μ 0 e 2 6 π m e c v ~ ¨ + i e B m e v ~ 这是一个常系数二阶微分方程, 其特征方程是:
μ 0 e 6 π m e 2 c λ 2 − λ + i e B m e = 0 得到:
λ = 1 ± 1 − i e B m e 2 μ 0 e 2 3 π m e c μ 0 e 2 3 π m e c = Δ 1 ± 1 − 4 i ω 0 k 2 k , ( k = γ ω 0 2 ≪ 1 ) = 1 ± 1 ∓ 2 i ω 0 k ± 2 ω 0 2 k 2 + o ( k 2 ) 2 k = i ω 0 − γ 代入 v ~ = v 0 e λ t = v x + i v y , 得到:
v x = v 0 e − γ t cos ω 0 t , v y = v 0 e − γ t sin ω 0 t 积分即可得到 x, y, z.
(2)
d W d t = − d 1 2 m e v 2 d t = − d 1 2 m e v 0 2 e − 2 γ t d t 得到
d W d t = γ m e v 0 2 e − 2 γ t 7.9 同步辐射 * 3
(1)
P = μ 0 q 2 6 π c γ 2 m 2 ( d p → d t ) 2 = μ 0 q 2 6 π c γ 2 m 2 ( q 2 v 2 B 2 ) = q 4 B 2 6 π ϵ 0 m 2 c ( γ 2 − 1 ) (2)
P = − d E d t = − m c 2 d γ d t = q 4 B 2 6 π ϵ 0 m 2 c ( γ 2 − 1 ) 可以解得 γ ( t ) , E ( t ) = γ ( t ) m c 2 .
(3)
对于非相对论性粒子, 有 T = 1 2 m v 2 , 得到:
d T d t = − q 4 B 2 6 π ϵ 0 m 2 c 3 v 2 = − q 4 B 2 3 π ϵ 0 m 3 c 3 T 解得:
T = T 0 e x p [ − B 2 q 4 3 π ϵ 0 m 3 c 3 ( t − t 0 ) ] 5. 磁偶极辐射和电四极辐射
见讲义 9.4 节.
6. 辐射阻尼
(a)
对 运动方程积分:
∫ t − ϵ t + ϵ a d t = ∫ t − ϵ t + ϵ τ a ˙ d t + ∫ t − ϵ t + ϵ F m d t 当 ε → 0 , 由于 a 和 F m 是有限的, 所以左侧和右侧第二项=0, 于是右侧第一项=0:
0 = ∫ t − ϵ t + ϵ τ a ˙ d t = τ l i m ϵ → 0 [ a ( t + ϵ ) − a ( t − ϵ ) ] 得到 a 是连续的.
(b)
在 t < 0 时, 积分得到:
a = τ a ˙ ⇒ a = e t / τ a ( 0 ) 0 < t < T 时:
a = τ a ˙ + F m ⇒ a = e t / τ [ a ( 0 ) − F m ] + F m = e ( t − T ) / τ [ a ( T ) − F m ] + F m t > T 时:
a = τ a ˙ ⇒ a = e ( t − T ) / τ a ( T ) (c)
如 果同时让 t < 0 和 t > T 时,a = 0, 那么 a ( T ) = a ( 0 ) = 0 , 0 < t < T 时的通解将给出:
[ 0 − F m ] = e − T / τ [ 0 − F m ] 即 T = 0 这样一个平凡解.
(d)
即 a ( T ) = 0 , 得到
[ a ( 0 ) − F m ] = e − T / τ [ 0 − F m ] → a ( 0 ) = F 0 m ( 1 − e − T / τ ) 于是通解是:
a = { F 0 m [ e t / τ − e ( t − T ) / τ ] , ( t < 0 ) F 0 m [ 1 − e ( t − T ) / τ ] , ( 0 < t < T ) 0 , ( t > T ) 积分得到速度:
v ( t < 0 ) = 0 + ∫ − ∞ t F 0 m ( 1 − e − T / τ ) e t / τ d t = F 0 τ m ( 1 − e − T / τ ) e t / τ v ( 0 < t < T ) = F 0 τ m ( 1 − e − T / τ ) + ∫ 0 t F 0 m [ 1 − e ( t − T ) / τ ] d t = F 0 τ m ( 1 − e ( t − T ) / τ ) + F 0 t m v ( t > T ) = F 0 T m 速度曲线示意图(所有参量均取为 1):
left=0-5; right=5;
top=3; bottom=-3;
---
y=(1-e^{-1})e^x|x<0
y=(1-e^{x-1})+x|0<x<1
y=1|x>1|
加速度曲线:
left=0-5; right=5;
top=3; bottom=-3;
---
y=e^x-e^{x-1}|x<0
y=1-e^{x-1}|0<x<1
y=0|x>1
7. 辐射电阻
电 流是:
I = − 2 d q d t = 2 ω q 0 s i n ( ω t ) 平均功率是:
< P >= 1 T ∫ 0 T I 2 R d t = 2 ω 2 q 0 2 R 对于电偶极辐射, 讲义(9.63)给出的平均辐射功率是
< P >= μ 0 ω 4 ( 2 q 0 d ) 2 12 π c 令两者相等可以得到:
R = μ 0 ω 2 d 2 6 π c = 2 π μ 0 c 3 ( d λ ) 2 ≈ 790 ( d λ ) 2 Ω 对于 f = 300 k H z 的电磁波, 假设 d = 5 c m , 得到:
R ≈ 2 × 10 − 6 Ω 8. 电偶极子的辐射
本 题可以视为两个在 x-y 平面以角速度 ω 匀速旋转的电荷的辐射:
p → = p 0 e − i ω t ( e → x + e − i δ e → y ) = 2 2 p 0 e − i ω t ( 1 − i e − i δ ) e → R + 2 2 p 0 e − i ω t ( 1 + i e − i δ ) e → L 其中 e → R = 1 2 ( e → x + i e → y ) 和 e → L = 1 2 ( e → x − i e → y ) 分别是右圆极化和左圆极化矢量. 可以预见, 辐射的角分布是两个圆极化的叠加, 因此角分布与单个圆极化不同. 而对空间角进行积分得到的总辐射应当是与 δ 无关的(和圆极化一致).
根据讲义(9.54)有:
B → = μ 0 4 π c p → ¨ × n → r e i k r , E → = c B → × n → 于是
⟨ S ⟩ = 1 μ 0 < E → × B → >= μ 0 n → 16 π 2 c r 2 < ( p → ¨ × n → ) 2 > 上式中
⟨ ( p → ¨ × n → ) 2 ⟩ =< | p → ¨ | 2 − ( p → ¨ ⋅ n → ) 2 >= ω 4 < | p → | 2 − ( p → ⋅ n → ) 2 > < | p → | 2 >=< p 0 2 cos 2 ω t + p 0 2 cos 2 ( ω t + δ ) >= p 0 2 选取 n → = ( sin θ cos ϕ , sin θ sin ϕ , cos θ ) , 得到:
p → ⋅ n → = R e ( p 0 sin θ e − i ω t [ c o s ϕ + e − i δ s i n ϕ ] ) = p 0 sin θ [ cos ϕ cos ω t + sin ϕ cos ( ω t + δ ) ] ( p → ⋅ n → ) 2 = p 0 2 sin 2 θ [ cos ϕ cos ω t + sin ϕ cos ( ω t + δ ) ] 2 ⟨ ( p → ⋅ n → ) 2 ⟩ = p 0 2 sin 2 θ ⟨ cos 2 ϕ cos 2 ω t + sin 2 ϕ cos 2 ( ω t + δ ) + 2 cos ϕ sin ϕ cos ω t cos ( ω t + δ ) ⟩ = p 0 2 sin 2 θ 2 ( 1 + sin 2 ϕ cos δ ) 即:
< S >= μ 0 n → 16 π 2 c r 2 < ( p → ¨ × n → ) 2 >= μ 0 n → 32 π 2 c r 2 ( 2 − sin 2 θ − sin 2 θ sin 2 ϕ cos δ ) < d P d Ω >=< S > n r 2 < P >= ∫ < d P d Ω > sin θ d θ d ϕ = μ 0 ω 4 6 π c p 0 2 与预期一致.