Answer for HW8

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1. 辐射功率交叉项

z_figure/Pasted image 20250612113453.png
β˙=β˙+β˙, 其中 β˙||β, 根据讲义的(8.148)得到:

(dPdΩ)cross{e^R×[(e^Rβ)×β˙]}{e^R×[(e^Rβ)×β˙]}  (A×B)(A×C)=A2(BC)(AC)(AB)=[(e^Rβ)×β˙][(e^Rβ)×β˙]{e^R[(e^Rβ)×β˙]}{e^R[(e^Rβ)×β˙]}=(e^R×β˙)[(e^Rβ)×β˙]=β˙[(eR×β˙)×(eRβ)]  (A×B)×C==e^Rβ˙(ββ˙e^Rβ˙)

eR=(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ), β=βez, 得到

(dPdΩ)crossβ^(βcosθ)(β^xcosφ+β^ysinφ)sinθ

于是:

(dPdΩ)crossdΩ02π(β˙xcosφ+β˙ysinφ)dφ=0

2. 电子的生命周期(讲义 p154)

z_figure/Pasted image 20250612113613.png
速度满足:

e24πϵ0r2=mea

根据拉莫公式有:

P=μ0e26πca2=μ0e26πce416π2ϵ02r4me2

初始的能量是:

E=12e24πϵ0r

有两种方式给出生命周期的估算, 第一种是:

t1EP1011s

另一种是:

P(r)=dE(r)dt=E(r)drdtt2=dt=r0f(r)dr

得到:

t2=r034π2ϵ02me2c3e41011s

3. 极相对论粒子的角最大辐射

z_figure/Pasted image 20250612113626.png
义(8.133)给出:

dPdΩ=q2μ0c16π2β˙2sin2θ(1βcosθ)

最大辐射对应的角度由上式对 θ 的导数为 0 给出, 即:

0=ddθsin2θ(1βcosθ)5=[2cosθ(1βcosθ)5βsin2θ]sinθ(1βcosθ)5cosθ=1+15β213β=13[41158(1β)+o(1β)11(1β)]  1β1=11β4=1θ22+o(θ3)

得到:

θ=1β2

4. 课本题

7.1 零辐射的角度

z_figure/Pasted image 20250612113903.png
避免歧义, 将题目里面的角度 β 记为 θ, 根据讲义(8.114):

dPdΩ|e^R×[(e^Rβ)×a]|2

假设:

a=aex,  β=β(cosα,sinα), e^R=(cosθ,sinθ)

得到:

e^R×[(e^Rβ)×a]=(e^Ra)(e^Rβ)[e^R(e^Rβ)]a=(a(βsinαsinθ)sinθ, acosθ(sinθβsinα))=0βsinα=sinθ

7.2 同步辐射

z_figure/Pasted image 20250612113918.png
讲义(8.155)可知:

P=e2μ06πcγ2m2(dpdt)2

其中:

dpdt=ev×B,E=γmec2=1012eV

得到:

P=38 eVs1

7.6 同步辐射 * 2

z_figure/Pasted image 20250612113937.png

(1)

根据讲义(8.164), 电子受力为辐射阻尼+洛伦兹力: +

mea=μ0e26πca˙ev×B

v˙x=μ0e26πmecv¨xeBmevyv˙y=μ0e6πme2cv¨y+eBmevx

假定 v~=vx+ivy, 得到

v~˙=μ0e26πmecv~¨+ieBmev~

这是一个常系数二阶微分方程, 其特征方程是:

μ0e6πme2cλ2λ+ieBme=0

得到:

λ=1±1ieBme2μ0e23πmecμ0e23πmec=Δ1±14iω0k2k,(k=γω021)=1±12iω0k±2ω02k2+o(k2)2k=iω0γ

代入 v~=v0eλt=vx+ivy, 得到:

vx=v0eγtcosω0t,vy=v0eγtsinω0t

积分即可得到 x, y, z.

(2)
dWdt=d12mev2dt=d12mev02e2γtdt

得到

dWdt=γmev02e2γt

7.9 同步辐射 * 3

z_figure/Pasted image 20250612113951.png

(1)
P=μ0q26πcγ2m2(dpdt)2=μ0q26πcγ2m2(q2v2B2)=q4B26πϵ0m2c(γ21)
(2)
P=dEdt=mc2dγdt=q4B26πϵ0m2c(γ21)

可以解得 γ(t) , E(t)=γ(t)mc2.

(3)

对于非相对论性粒子, 有 T=12mv2, 得到:

dTdt=q4B26πϵ0m2c3v2=q4B23πϵ0m3c3T

解得:

T=T0exp[B2q43πϵ0m3c3(tt0)]

5. 磁偶极辐射和电四极辐射

z_figure/Pasted image 20250612114005.png
见讲义 9.4 节.

6. 辐射阻尼

z_figure/Pasted image 20250612114020.png

(a)

运动方程积分:

tϵt+ϵadt=tϵt+ϵτa˙dt+tϵt+ϵFmdt

ε0, 由于 a 和 Fm 是有限的, 所以左侧和右侧第二项=0, 于是右侧第一项=0:

0=tϵt+ϵτa˙dt=τ limϵ0[a(t+ϵ)a(tϵ)]

得到 a 是连续的.

(b)

z_figure/Pasted image 20250612114032.png
t<0 时, 积分得到:

a=τa˙a=et/τa(0)

0<t<T时:

a=τa˙+Fma=et/τ[a(0)Fm]+Fm=e(tT)/τ[a(T)Fm]+Fm

t>T 时:

a=τa˙a=e(tT)/τa(T)
(c)

z_figure/Pasted image 20250612114043.png
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:

[0Fm]=eT/τ[0Fm]

T=0 这样一个平凡解.

(d)

z_figure/Pasted image 20250612114110.png
a(T)=0, 得到

[a(0)Fm]=eT/τ[0Fm]a(0)=F0m(1eT/τ)

于是通解是:

a={F0m[et/τe(tT)/τ],(t<0)F0m[1e(tT)/τ],(0<t<T)0,(t>T)

积分得到速度:

v(t<0)=0+tF0m(1eT/τ)et/τdt=F0τm(1eT/τ)et/τv(0<t<T)=F0τm(1eT/τ)+0tF0m[1e(tT)/τ]dt=F0τm(1e(tT)/τ)+F0tmv(t>T)=F0Tm

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

z_figure/Pasted image 20250612114122.png
流是:

I=2dqdt=2ωq0sin(ωt)

平均功率是:

<P>=1T0TI2Rdt=2ω2q02R

对于电偶极辐射, 讲义(9.63)给出的平均辐射功率是

<P>=μ0ω4(2q0d)212πc

令两者相等可以得到:

R=μ0ω2d26πc=2πμ0c3(dλ)2790(dλ)2Ω

对于 f=300kHz 的电磁波, 假设 d=5cm , 得到:

R2×106 Ω

8. 电偶极子的辐射

z_figure/Pasted image 20250612114137.png|750

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=p0eiωt(ex+eiδey)=22p0eiωt(1ieiδ)eR+22p0eiωt(1+ieiδ)eL

其中 eR=12(ex+iey)eL=12(exiey) 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=μ04πcp¨×nreikr,E=cB×n

于是

S=1μ0<E×B>=μ0n16π2cr2<(p¨×n)2>

上式中

(p¨×n)2=<|p¨|2(p¨n)2>=ω4<|p|2(pn)2><|p|2>=<p02cos2ωt+p02cos2(ωt+δ)>=p02

选取 n=(sinθcosϕ,sinθsinϕ,cosθ), 得到:

pn=Re(p0sinθeiωt[cosϕ+eiδsinϕ])=p0sinθ[cosϕcosωt+sinϕcos(ωt+δ)](pn)2=p02sin2θ[cosϕcosωt+sinϕcos(ωt+δ)]2(pn)2=p02sin2θcos2ϕcos2ωt+sin2ϕcos2(ωt+δ)+2cosϕsinϕcosωtcos(ωt+δ)=p02sin2θ2(1+sin2ϕcosδ)

即:

<S>=μ0n16π2cr2<(p¨×n)2>=μ0n32π2cr2(2sin2θsin2θsin2ϕcosδ)<dPdΩ>=<S>nr2<P>=<dPdΩ>sinθdθdϕ=μ0ω46πcp02

与预期一致.