2.10 Движение частиц вещества в свободном пространстве под действием поля электромагнитной волны

2.10.1 Особенности силового воздействия электромагнитной волны на заряженную частицу

☻ Оказавшись в электромагнитном поле волны, заряженная частица подвергается действию силы Лоренца , где

, .

В электромагнитной волне поля иобладают одинаковой плотностью энергии, тогда как силовое воздействия этих полей на заряд частицы существенно различны, т.е.

, .

Из равенства следует

,

где учтено, что и что для свободного пространства, и. Представленный результат приводит к сравнению сил

.

Таким образом, электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне, будучи равноценными по плотности энергии, оказываются абсолютно неравноценными по силовому воздействию на заряженную частицу, т.к.

при любых реальных скоростях движения частицы. Можно считать, что электромагнитная волна действует на заряженную частицу только своим переменным электрическим полем.

2. Движение свободной заряженной частицы в поле электромагнитной волны

Рис.2.10.2

Действие плоской электромагнитной волны на заряженную частицу

☻ Электрическое поле в электромагнитной волне перпендикулярно к направлению распространения волны, т.е. , где – единичный вектор. Заряженная частица, оказавшись в поле электромагнитной волны, подвергается действию силы и возбуждению движения частицы с ускорением , причем и , как это показано на Рис. 2.10.2 для случая плоской электромагнитной волны

В плоской волне электрическое поле в заданной точке Х=0 изменяется по гармоническому закону и по такому же закону изменяется ускорение частицы

,

где в качестве начального условия принято приt=0. Если так же принять, что при t=0 начальная скорость отсутствует, то интегрирование выражения дает скорость частицы

,

а интегрирование выражения определяет радиус-вектор частицы

,

где так же принято, что при t=0 r=0.

Поскольку и, то и. Таким образом частица движется в направлениипоперечно к направлению распространения волны, удаляясь от своего начального положения и совершая при этом колебательное движение. Однако в диапазоне высокочастотных волн активность колебаний частицы существенно снижается в связи со значительным уменьшением вектора. В высокочастотной волне при малых значенияхи больших значенияхω определяющую роль в движении заряженной частицы будет играть ее начальная скорость, поскольку влияние волны на движение частицы становиться не существенным.

2.10.3 Возбуждение электрической полярности у электронейтральной частицы под действием поля электромагнитной волны

Рис. 2.10.3

Действие плоской электромагнитной волны на электронейтральную частицу вещества.

☻ В модельном приближении отсутствие электрического момента у электронейтральной частицы формально можно объяснить тем, что электрические полюсаиу частицы есть, но они пространственно совмещены (), тогда как разобщение этих полюсов () приводит к образованию у неё наведённого электрического момента, как это показано на Рис. 2.10.3

Разобщение полюсов в точке локализации частицы х=0 происходит под действием электрического поля электромагнитной волны

.

Но этому разобщению противодействует внутренняя деполяризующая сала

,

где - коэффициент упругой связи между полюсами. Под действием этих двух силиполюса частицы приходят в движение, в связи с чем возникает еще одна сила, препятствующая, именно самому движению

,

где - коэффициент противодействия движению.

Полюса частицы обладают одинаковыми по модулю зарядами, но массы полюсов имогут быть существенно различными. Припод действием переменного электрического поля полюсбудет активно осциллировать, а инертный полюсбудет практически неподвижен, что фактически и происходит при электронной поляризации частиц. Так в атомах и молекулах легко возбуждаются колебания электронов, тогда как сами эти частицы в колебательный процесс не вовлекаются.

Таким образом полюс является осциллятором и, находясь под действием трех сил, движется по закону, что приводит к уравнению

.

Учитывая, что ,и, а также то, что,ипараллельны друг другу и перпендикулярны, последнее уравнение можно представить в скалярном виде

,

где

.

2.10.4 Резонансная электронная поляризация частицы под действием электромагнитной волны

Рис. 2.10.4

Зависимость амплитудной поляризации частицы от частоты электромагнитной

☻ Последнее уравнение выражает вынужденные колебания электронного осциллятора в атомах или молекулах или что тоже вынужденную электронную поляризацию этих частиц, наведенную переменным электрическим полем электромагнитной волны. Из решения уравнения следует

,

где - частота электромагнитной волны,- амплитудное значение при этой частоте электрического момента частицы.

Таким образом, электромагнитная волна навязывает электронному осциллятору свою частоту колебаний ω, возбуждая вынужденные колебания. Электрический момент частицы изменяется при этом по такому же гармоническому закону, как и электрическое поле волны. Однако амплитуда колебаний электрического момента р₀ с изменением частоты волны не сохраняет своё значение, а наоборот проявляет резонансную частотную зависимость.

.

На рис. 2.12.5 приводится графическая иллюстрация этой зависимости

Как видно из представленной зависимости действие волны на частицу может происходить в виде её экстремальной поляризации, когда при резонансной частоте

,

амплитуда электрического момента частицы достигает своего экстремального значения

.

При высоких частотах амплитудная поляризация резко падает. Так уже при

,

а при электронная поляризация практически исчезает