京都大学 理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 2016年8月実施 問題II-1
Author
祭音Myyura (refined with GPT 6 Astra)
Description
真空中の Maxwell 方程式は、電場 E \mathbf E E 、磁束密度 B \mathbf B B 、電荷密度 ρ \rho ρ 、電流密度 j \mathbf j j 、真空の誘電率 ϵ 0 \epsilon_0 ϵ 0 および真空の透磁率 μ 0 \mu_0 μ 0 を用いて以下のように表される。
∇ × E + ∂ B ∂ t = 0 (A) \nabla\times\mathbf E+\frac{\partial\mathbf B}{\partial t}=0\tag{A} ∇ × E + ∂ t ∂ B = 0 ( A )
∇ ⋅ B = 0 (B) \nabla\cdot\mathbf B=0\tag{B} ∇ ⋅ B = 0 ( B )
1 μ 0 ∇ × B − ϵ 0 ∂ E ∂ t = j (C) \frac1{\mu_0}\nabla\times\mathbf B-\epsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}=\mathbf j\tag{C} μ 0 1 ∇ × B − ϵ 0 ∂ t ∂ E = j ( C )
∇ ⋅ E = 1 ϵ 0 ρ (D) \nabla\cdot\mathbf E=\frac1{\epsilon_0}\rho\tag{D} ∇ ⋅ E = ϵ 0 1 ρ ( D )
(1) 物質中において、分極電荷密度を ρ d \rho_d ρ d とし、分極電荷密度は分極ベクトル P \mathbf P P によって ρ d = − ∇ ⋅ P \rho_d=-\nabla\cdot\mathbf P ρ d = − ∇ ⋅ P と表すことができるものとする。ここで分極電流密度 j d \mathbf j_d j d は以下のように表される。
j d = ∂ P ∂ t (E) \mathbf j_d=\frac{\partial\mathbf P}{\partial t}\tag{E} j d = ∂ t ∂ P ( E )
この式から分極電荷密度と分極電流密度において電荷保存則が成り立っていることを示せ。
(2) ここで、分極電荷密度以外の電荷密度を ρ e \rho_e ρ e 、これによる電流密度を j e \mathbf j_e j e とする。また、磁化ベクトルを M \mathbf M M とし、磁化電流密度を j m \mathbf j_m j m とすると j m = ∇ × M \mathbf j_m=\nabla\times\mathbf M j m = ∇ × M と表すことができる。電束密度を D \mathbf D D 、磁場を H \mathbf H H と表すことにし、D = ϵ 0 E + P \mathbf D=\epsilon_0\mathbf E+\mathbf P D = ϵ 0 E + P 、および B = μ 0 ( H + M ) \mathbf B=\mu_0(\mathbf H+\mathbf M) B = μ 0 ( H + M ) が成立しているものとしたときに、ρ e \rho_e ρ e および j e \mathbf j_e j e を用いて、(A)–(D) に相当するこの物質中の Maxwell 方程式を導け。
ここで、電荷 e e e を持つイオンと電荷 − e -e − e の電子が、それぞれ単位体積あたり N N N 個存在している有限の領域を考える。この領域に、角振動数 ω \omega ω 、振幅 E 0 E_0 E 0 の電磁波が作用した場合を考える。なお、これ以降、電子の速さは光の速さ c c c に比べて充分小さいものとし、イオンの運動およびイオンによる電磁波の散乱は無視できるものとする。また、電子間の距離は十分大きく、それらの相互作用は考えなくて良い。
(3) 電子の運動方程式は、質量を m m m 、その変位を x x x として以下のように与えられるものとする。このとき、電流密度 j j j を求めよ。ただし、電子の全体としての並進運動は考えず、振動している成分だけを考えればよい。
m d 2 x d t 2 = − e E 0 sin ( ω t ) (F) m\frac{d^2x}{dt^2}=-eE_0\sin(\omega t)\tag{F} m d t 2 d 2 x = − e E 0 sin ( ω t ) ( F )
(4) ここで、このような真空中の有限領域における電子とイオンの集団を、角振動数 ω \omega ω に依存した誘電率 ϵ ( ω ) \epsilon(\omega) ϵ ( ω ) および透磁率 μ ( ω ) \mu(\omega) μ ( ω ) の媒質として考えることができるものとする。このとき、D = ϵ E \mathbf D=\epsilon\mathbf E D = ϵ E および B = μ H \mathbf B=\mu\mathbf H B = μ H が成り立っているものとして、この媒質の誘電率 ϵ \epsilon ϵ を求めよ。
(5) 次に、電子に変位 x x x に比例する弾性的な束縛力 − m ω 0 2 x -m\omega_0^2x − m ω 0 2 x が加わった場合の電子の運動方程式を書け。
(6) 問 (5) の場合の媒質の屈折率 n n n を求めよ。また、n 2 n^2 n 2 の ω \omega ω 依存性の概形を図示せよ。ただし、ω ≠ ω 0 \omega\ne\omega_0 ω = ω 0 であるとする。なお、n n n は ϵ μ / ( ϵ 0 μ 0 ) \sqrt{\epsilon\mu/(\epsilon_0\mu_0)} ϵ μ / ( ϵ 0 μ 0 ) で与えられるものとする。
题目描述
使用电场 E \mathbf E E 、磁通密度 B \mathbf B B 、电荷密度 ρ \rho ρ 、电流密度 j \mathbf j j 、真空介电常数 ϵ 0 \epsilon_0 ϵ 0 和真空磁导率 μ 0 \mu_0 μ 0 ,真空中的 Maxwell 方程写为
∇ × E + ∂ B ∂ t = 0 , (A) \nabla\times\mathbf E+\frac{\partial\mathbf B}{\partial t}=0,\tag{A} ∇ × E + ∂ t ∂ B = 0 , ( A )
∇ ⋅ B = 0 , (B) \nabla\cdot\mathbf B=0,\tag{B} ∇ ⋅ B = 0 , ( B )
1 μ 0 ∇ × B − ϵ 0 ∂ E ∂ t = j , (C) \frac1{\mu_0}\nabla\times\mathbf B-\epsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}=\mathbf j,\tag{C} μ 0 1 ∇ × B − ϵ 0 ∂ t ∂ E = j , ( C )
∇ ⋅ E = 1 ϵ 0 ρ . (D) \nabla\cdot\mathbf E=\frac1{\epsilon_0}\rho.\tag{D} ∇ ⋅ E = ϵ 0 1 ρ . ( D )
(1) 在物质中,设极化电荷密度为 ρ d \rho_d ρ d ,它可以通过极化矢量 P \mathbf P P 表示为 ρ d = − ∇ ⋅ P \rho_d=-\nabla\cdot\mathbf P ρ d = − ∇ ⋅ P 。极化电流密度 j d \mathbf j_d j d 为
j d = ∂ P ∂ t . (E) \mathbf j_d=\frac{\partial\mathbf P}{\partial t}.\tag{E} j d = ∂ t ∂ P . ( E )
由此证明极化电荷密度与极化电流密度满足电荷守恒定律。
(2) 设极化电荷以外的电荷密度为 ρ e \rho_e ρ e ,其电流密度为 j e \mathbf j_e j e 。磁化矢量为 M \mathbf M M ,磁化电流密度为 j m \mathbf j_m j m ,满足 j m = ∇ × M \mathbf j_m=\nabla\times\mathbf M j m = ∇ × M 。以 D \mathbf D D 表示电通密度、H \mathbf H H 表示磁场,并设 D = ϵ 0 E + P \mathbf D=\epsilon_0\mathbf E+\mathbf P D = ϵ 0 E + P 、B = μ 0 ( H + M ) \mathbf B=\mu_0(\mathbf H+\mathbf M) B = μ 0 ( H + M ) 成立。使用 ρ e \rho_e ρ e 和 j e \mathbf j_e j e ,导出物质中与 (A)–(D) 对应的 Maxwell 方程。
考虑一个有限区域,其中每单位体积内分别存在 N N N 个电荷为 e e e 的离子和 N N N 个电荷为 − e -e − e 的电子。该区域受到角频率 ω \omega ω 、振幅 E 0 E_0 E 0 的电磁波作用。以下设电子速度远小于光速 c c c ,可以忽略离子的运动及离子对电磁波的散射;电子之间的距离充分大,不必考虑彼此的相互作用。
(3) 电子质量为 m m m 、位移为 x x x ,运动方程为
m d 2 x d t 2 = − e E 0 sin ( ω t ) . (F) m\frac{d^2x}{dt^2}=-eE_0\sin(\omega t).\tag{F} m d t 2 d 2 x = − e E 0 sin ( ω t ) . ( F )
求电流密度 j j j 。不考虑电子整体的平移运动,只需考虑振动分量。
(4) 将真空中此类有限区域内的电子和离子群体看作介电常数为 ϵ ( ω ) \epsilon(\omega) ϵ ( ω ) 、磁导率为 μ ( ω ) \mu(\omega) μ ( ω ) 的介质,两者依赖于角频率 ω \omega ω 。设 D = ϵ E \mathbf D=\epsilon\mathbf E D = ϵ E 、B = μ H \mathbf B=\mu\mathbf H B = μ H 成立,求介质的介电常数 ϵ \epsilon ϵ 。
(5) 接下来,电子还受到与位移 x x x 成正比的弹性束缚力 − m ω 0 2 x -m\omega_0^2x − m ω 0 2 x ,写出电子的运动方程。
(6) 求第 (5) 问中介质的折射率 n n n ,并画出 n 2 n^2 n 2 对 ω \omega ω 的依赖关系的概形。设 ω ≠ ω 0 \omega\ne\omega_0 ω = ω 0 ,且折射率由 n = ϵ μ / ( ϵ 0 μ 0 ) n=\sqrt{\epsilon\mu/(\epsilon_0\mu_0)} n = ϵ μ / ( ϵ 0 μ 0 ) 给出。
Kai
(1)
∂ t ρ d + ∇ ⋅ j d = − ∂ t ∇ ⋅ P + ∇ ⋅ ∂ t P = 0. \partial_t\rho_d+\nabla\cdot\mathbf j_d
=-\partial_t\nabla\cdot\mathbf P+\nabla\cdot\partial_t\mathbf P=0. ∂ t ρ d + ∇ ⋅ j d = − ∂ t ∇ ⋅ P + ∇ ⋅ ∂ t P = 0.
(2)
ρ = ρ e + ρ d \rho=\rho_e+\rho_d ρ = ρ e + ρ d 、j = j e + ∂ t P + ∇ × M \mathbf j=\mathbf j_e+\partial_t\mathbf P+\nabla\times\mathbf M j = j e + ∂ t P + ∇ × M を代入して整理すると
∇ × E = − ∂ t B , ∇ ⋅ B = 0 , ∇ × H = j e + ∂ t D , ∇ ⋅ D = ρ e . \boxed{\begin{aligned}
\nabla\times\mathbf E&=-\partial_t\mathbf B,\\
\nabla\cdot\mathbf B&=0,\\
\nabla\times\mathbf H&=\mathbf j_e+\partial_t\mathbf D,\\
\nabla\cdot\mathbf D&=\rho_e.
\end{aligned}} ∇ × E ∇ ⋅ B ∇ × H ∇ ⋅ D = − ∂ t B , = 0 , = j e + ∂ t D , = ρ e .
(3)
並進成分を除く解は x = e E 0 sin ω t / ( m ω 2 ) x=eE_0\sin\omega t/(m\omega^2) x = e E 0 sin ω t / ( m ω 2 ) である。したがって
j = − N e x ˙ = − N e 2 E 0 m ω cos ω t . \boxed{j=-Ne\dot x=-\frac{Ne^2E_0}{m\omega}\cos\omega t.} j = − N e x ˙ = − mω N e 2 E 0 cos ω t .
(4)
イオンは静止しているので P = − N e x P=-Nex P = − N e x 。ゆえに
D = ϵ 0 E + P = ( ϵ 0 − N e 2 m ω 2 ) E , ϵ ( ω ) = ϵ 0 − N e 2 m ω 2 . D=\epsilon_0E+P=\left(\epsilon_0-\frac{Ne^2}{m\omega^2}\right)E,
\qquad
\boxed{\epsilon(\omega)=\epsilon_0-\frac{Ne^2}{m\omega^2}.} D = ϵ 0 E + P = ( ϵ 0 − m ω 2 N e 2 ) E , ϵ ( ω ) = ϵ 0 − m ω 2 N e 2 .
(5)
x ¨ + ω 0 2 x = − e E 0 m sin ω t . \boxed{\ddot x+\omega_0^2x=-\frac{eE_0}{m}\sin\omega t.} x ¨ + ω 0 2 x = − m e E 0 sin ω t .
(6)
周波数 ω \omega ω の定常振動成分は
x = e E 0 m ( ω 2 − ω 0 2 ) sin ω t , ϵ = ϵ 0 − N e 2 m ( ω 2 − ω 0 2 ) . x=\frac{eE_0}{m(\omega^2-\omega_0^2)}\sin\omega t,
\qquad \epsilon=\epsilon_0-\frac{Ne^2}{m(\omega^2-\omega_0^2)}. x = m ( ω 2 − ω 0 2 ) e E 0 sin ω t , ϵ = ϵ 0 − m ( ω 2 − ω 0 2 ) N e 2 .
ω p 2 = N e 2 / ( m ϵ 0 ) \omega_p^2=Ne^2/(m\epsilon_0) ω p 2 = N e 2 / ( m ϵ 0 ) とおけば
n 2 = μ ( ω ) μ 0 ( 1 − ω p 2 ω 2 − ω 0 2 ) . \boxed{n^2=\frac{\mu(\omega)}{\mu_0}\left(1-\frac{\omega_p^2}{\omega^2-\omega_0^2}\right).} n 2 = μ 0 μ ( ω ) ( 1 − ω 2 − ω 0 2 ω p 2 ) .
本問の電気双極子近似では磁気応答を無視して μ ≃ μ 0 \mu\simeq\mu_0 μ ≃ μ 0 とする。このとき n 2 ( 0 ) = 1 + ω p 2 / ω 0 2 n^2(0)=1+\omega_p^2/\omega_0^2 n 2 ( 0 ) = 1 + ω p 2 / ω 0 2 、ω → ω 0 − 0 \omega\to\omega_0-0 ω → ω 0 − 0 で + ∞ +\infty + ∞ 、ω → ω 0 + 0 \omega\to\omega_0+0 ω → ω 0 + 0 で − ∞ -\infty − ∞ 、ω = ω 0 2 + ω p 2 \omega=\sqrt{\omega_0^2+\omega_p^2} ω = ω 0 2 + ω p 2 で零、ω → ∞ \omega\to\infty ω → ∞ で下から 1 1 1 に近づく。n 2 < 0 n^2<0 n 2 < 0 の区間では屈折率は虚数となる。
Reference