Answer for HW8

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

zz_figure/Pasted image 20250612113453.png
分解 β→˙=β→˙∥+β→˙⊥, 其中 β→˙∥||β→, 根据讲义的(8.148)得到:

(dPdΩ)cross∝{e^R×[(e^R−β→)×β→˙∥]}⋅{e^R×[(e^R−β→)×β→˙⊥]}↓  (A→×B→)⋅(A→×C→)=A2(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⁡θcos⁡φ,sin⁡θsin⁡φ,cos⁡θ), β→=βe→z, 得到

(dPdΩ)cross∝β^∥(β−cos⁡θ)(β^⊥xcos⁡φ+β^⊥ysin⁡φ)sin⁡θ

于是:

∫(dPdΩ)crossdΩ∝∫02π(β˙⊥xcosφ+β˙⊥ysinφ)dφ=0

2 电子的生命周期(讲义 p154)

zz_figure/Pasted image 20250612113613.png
加速度满足:

e24πϵ0r2=mea⊥

根据拉莫公式有:

P⊥=μ0e26πca⊥2=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:

t1≈EP⊥≈10−11s

另一种是:

P⊥(r)=−dE(r)dt=E′(r)drdt⟶t2=∫dt=∫r0f(r)dr

得到:

t2=r034π2ϵ02me2c3e4≈10−11s

3 极相对论粒子的角最大辐射

zz_figure/Pasted image 20250612113626.png
讲义(8.133)给出:

dPdΩ=q2μ0c16π2β˙2sin2⁡θ(1−βcos⁡θ)

最大辐射对应的角度由上式对 θ 的导数为 0 给出, 即:

0=ddθsin2⁡θ(1−βcos⁡θ)5=[2cos⁡θ(1−βcos⁡θ)−5βsin2⁡θ]sin⁡θ(1−βcos⁡θ)5⇒cosθ=1+15β2−13β=13[41−158(1−β)+o(1−β)−11−(1−β)]↓  1−β≪1=1−1−β4=1−θ22+o(θ3)

得到:

θ=1−β2

4 课本题

4.1 零辐射的角度

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

dPdΩ∝|e^R×[(e^R−β→)×a→]|2

假设:

a→=ae→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(βsin⁡α−sin⁡θ)sin⁡θ, acos⁡θ(sin⁡θ−βsin⁡α))=0→βsin⁡α=sin⁡θ

4.2 同步辐射

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

P⊥=e2μ06πcγ2m2(dp→dt)2

其中:

dp→dt=ev→×B→,E=γmec2=1012eV

得到:

P=38 eV⋅s−1

4.3 同步辐射 * 2

zz_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→

即

v˙x=μ0e26πmecv¨x−eBmevyv˙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:

μ0e6πme2cλ2−λ+ieBme=0

得到:

λ=1±1−ieBme2μ0e23πmecμ0e23πmec=Δ1±1−4iω0k2k,(k=γω02≪1)=1±1∓2iω0k±2ω02k2+o(k2)2k=iω0−γ

代入 v~=v0eλt=vx+ivy, 得到:

vx=v0e−γtcos⁡ω0t,vy=v0e−γtsin⁡ω0t

积分即可得到 x, y, z.

(2)
dWdt=−d12mev2dt=−d12mev02e−2γtdt

得到

dWdt=γmev02e−2γt

4.4 同步辐射 * 3

zz_figure/Pasted image 20250612113951.png

(1)
P=μ0q26πcγ2m2(dp→dt)2=μ0q26πcγ2m2(q2v2B2)=q4B26πϵ0m2c(γ2−1)
(2)
P=−dEdt=−mc2dγdt=q4B26πϵ0m2c(γ2−1)

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(t−t0)]

5 磁偶极辐射和电四极辐射

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

6 自加速问题

zz_figure/Pasted image 20250612114020.png

(a)

对运动方程积分:

∫t−ϵt+ϵadt=∫t−ϵt+ϵτa˙dt+∫t−ϵt+ϵFmdt

当 ε→0, 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=∫t−ϵt+ϵτa˙dt=τ limϵ→0[a(t+ϵ)−a(t−ϵ)]

得到 a 是连续的.

(b)

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

a=τa˙⇒a=et/τa(0)

0<t<T时:

a=τa˙+Fm⇒a=et/τ[a(0)−Fm]+Fm=e(t−T)/τ[a(T)−Fm]+Fm

t>T 时:

a=τa˙⇒a=e(t−T)/τa(T)
(c)

zz_figure/Pasted image 20250612114043.png
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−Fm]=e−T/τ[0−Fm]

即 T=0 这样一个平凡解.

(d)

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

[a(0)−Fm]=e−T/τ[0−Fm]→a(0)=F0m(1−e−T/τ)

于是通解是:

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

积分得到速度:

v(t<0)=0+∫−∞tF0m(1−e−T/τ)et/τdt=F0τm(1−e−T/τ)et/τv(0<t<T)=F0τm(1−e−T/τ)+∫0tF0m[1−e(t−T)/τ]dt=F0τm(1−e(t−T)/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

zz_figure/Pasted image 20250612114122.png
电流是:

I=−2dqdt=2ωq0sin(ωt)

平均功率是:

<P>=1T∫0TI2Rdt=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)2≈790(dλ)2Ω

对于 f=300kHz 的电磁波, 假设 d=5cm , 得到:

R≈2×10−6 Ω

8 电偶极子的辐射

zz_figure/Pasted image 20250612114137.png750

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→=p0e−iωt(e→x+e−iδe→y)=22p0e−iωt(1−ie−iδ)e→R+22p0e−iωt(1+ie−iδ)e→L

其中 e→R=12(e→x+ie→y) 和 e→L=12(e→x−ie→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→=μ04πcp→¨×n→reikr,E→=cB→×n→

于是

⟨S⟩=1μ0<E→×B→>=μ0n→16π2cr2<(p→¨×n→)2>

上式中

⟨(p→¨×n→)2⟩=<|p→¨|2−(p→¨⋅n→)2>=ω4<|p→|2−(p→⋅n→)2><|p→|2>=<p02cos2⁡ωt+p02cos2⁡(ωt+δ)>=p02

选取 n→=(sin⁡θcos⁡ϕ,sin⁡θsin⁡ϕ,cos⁡θ), 得到:

p→​⋅n→=Re(p0​sin⁡θe−iωt[cosϕ+e−iδsinϕ])=p0sin⁡θ[cos⁡ϕcos⁡ωt+sin⁡ϕcos⁡(ωt+δ)](p→⋅n→)2=p02sin2⁡θ[cos⁡ϕcos⁡ωt+sin⁡ϕcos⁡(ωt+δ)]2⟨(p→⋅n→)2⟩=p02sin2⁡θ⟨cos2⁡ϕcos2⁡ωt+sin2⁡ϕcos2⁡(ωt+δ)+2cos⁡ϕsin⁡ϕcos⁡ωtcos⁡(ωt+δ)⟩=p02sin2⁡θ2(1+sin⁡2ϕcos⁡δ)

即:

<S>=μ0n→16π2cr2<(p→¨×n→)2>=μ0n→32π2cr2(2−sin2⁡θ−sin2⁡θsin⁡2ϕcos⁡δ)<dPdΩ>=<S>nr2<P>=∫<dPdΩ>sin⁡θdθdϕ=μ0ω46πcp02

与预期一致.