Transcript Document
電磁気学C Electromagnetics C 7/27講義分 点電荷による電磁波の放射 山田 博仁 点電荷の運動方程式 ここでは、電子のような点電荷によって放射される電磁波のエネルギーを求める。 点電荷 e の電荷密度は、 e ( x , t ) e ( x z ( t )) 3 (1) 点電荷 +e で表される。 ここで、z(t)は、点電荷の軌道関数である。 このとき、電気双極子モーメントは、 p ( t ) e x ' ( x ' z ( t )) d x' e z ( t ) 3 3 (2) (3) V で与えられ、従ってその時間微分はそれぞれ、 p ( t ) e z ( t ), p ( t ) ez( t ) これを、先週導出した以下の(37)式に代入する。 P (t ) 0 6 c p ( t 0 ) 2 軌道 z(t) ( 37 ) ラモーアの公式 点電荷から放射される単位時間当たりの電磁波エネルギーは、 P (t ) 0 ( p ( t 0 )) 2 6 c 0e 2 6 c ( z( t 0 )) 2 (4) (5) で与えられる。 ここで t0 は、 x z (t 0 ) t0 t c の解として決められる点電荷からの発信時刻 (4)式より、電磁波は、点電荷が加速された時に放射されることが分かる。 ただし、(4), (5)式が成立するのは、点電荷の速度が光速に比べて十分小さい時 このとき、観測点での時刻 t と点電荷の時刻 t0 とはほぼ同一と見なせるので、 P (t 0 ) 0e 2 6 c ( z( t 0 )) 2 (6) この式は、点電荷の単位加速時間当たりの放射エネルギーを与えると解釈する ことができる。この式をラモーア(Larmor)の公式という。 点電荷からの放射エネルギー いま、質量 m, 電荷 +e の点電荷が、 m z( t ) m 0 z ( t ) 2 (7 ) (8 ) (9 ) の運動方程式に従って、角振動数 0 で単振動をしているとする。 (7)式の解は、 z ( t ) z 0 sin 0 t と書くことができる。 このとき(6)式は、 P (t 0 ) 0e 2 0 z 0 sin ( 0 t 0 ) 4 6 c 2 2 となる。そこで、この単振動の1周期 T=2/0 当たりの平均値を求めると、 P 0e 2 6 c z 4 0 2 0 0 2 2 / 0 0 sin ( 0 t 0 ) dt 0 2 e 2 12 0 c 0 z0 4 3 2 を得る。これは、点電荷の単位加速時間当たりの平均放射エネルギー (10 ) ラザフォード原子模型の寿命 ラザフォードが1911年に提唱した原子模型は、中心に 正電荷をもつ重い原子核があり、その周りを負の電荷 を有する軽い電子が回っているというもの。 電子 -e 原子核 ところが、原子核の周りを回転している電子は、加速度 運動をしているから、それに伴い電磁波が放射される。 すると、回転している電子の運動エネルギーは次第に 減少し、電子は原子核に向かって落ち込んでいくはず。 +e ラザフォードの水素原子の模型 即ち、古典物理学の法則に従えば、ラザフォードの原子 は不安定で、ある一定の寿命で消滅するはずである。 以下では、古典物理学の法則に基づき、水素原子の寿命を計算してみる。 今簡単のために、電子は陽子とのクーロン力によってのみ引かれて、原子核の 周りを回っているものとする。 ラザフォード原子模型の寿命 このとき、質量 m, 電荷 –e の電子の回転半径を r, その速さを v, 回転の角速度を とする。 すると、この電子の動径方向の運動方程式は、 mr e 2 4 0 r 2 1 2 (11 ) (12 ) v 電子 -e m 陽子 r +e また、電子のエネルギー W は、 W 1 mv 1 2 2 e ラザフォードの水素原子の模型 2 4 0 r で表される。ここで v = r の関係に注意して、(11)式を(12)式に代入すると、 W を得る。 1 e 2 8 0 r (13 ) ラザフォード原子模型の寿命 一方、単位時間に電子が放射する電磁波のエネルギーは、(6)式と(11)式より、 2 e 2 ( 加速度 ) 3 3 2 6 0 c 6 0 c 4 0 mr e 2 e 2 2 (14 ) (15 ) (16 ) で与えられる。 従って、単位時間当りに電子の失うエネルギーは、 dW dt e 3 2 6 0 c 4 0 mr e 2 2 によって与えられる。 e 2 1 dr 8 0 r 2 dt 2 2 (15)式の左辺に(13)式を代入すると、 e 6 3 ( 4 0 c ) m 3 2 1 r 4 となる。 そこで、はじめの時刻 t = 0 における電子の回転半径が a であったとし、それが原 子核に落ち込んでしまうまでの時間を t とすると、(16)式を積分することにより、 ラザフォード原子模型の寿命 t 0 3 2 3 dt m c 4 e2 4 0 2 0 2 r dr a (17 ) (18 ) を得る。 これから、 t 1 2 3 m c a 3 4 ( e / 4 0 ) 2 2 が得られる。 これに電子の電荷の大きさ e = 1.602×10-19 C, その質量 m = 9.11×10-31 kg お よび原子半径 a = 5.29×10-11 m の数値を代入すると、およそ t ~ 10 11 s (19 ) となる。 従って、原子は約10 psという非常に短い時間で潰れてしまうことになり、この矛盾 から、ボーアの原子模型、さらには量子力学が誕生することとなる。