7.3.15∗. Определите диэлектрическую проницаемость среды, состоящей из электронов, упруго связанных в молекуле, в электрическом поле напряженности $E = E_0 \sin \omega t$. Резонансная частота $\omega_0$ , коэффициент затухания $\gamma\ll\omega_0$, число электронов в единице объема среды $n_e$.
Решение
В переменном поле на электрон действует периодическая сила, и он начинает колебаться. Они находятся в молекуле, поэтому их можно рассматривать попарно с протонами в ядре. Ядра неподвижны, поэтому эти пары при колебаниях электронов становятся диполями с переменными дипольными моментами, среда поляризуется.
Известно, что поляризованность среды связана с диэлектрической проницаемостью: $$\vec P=(\varepsilon-1)\varepsilon_0\vec E\tag{1}$$ $$n_e p(t)=en_e \cdot x(t)=(\varepsilon-1)\varepsilon_0 E(t)\tag{2}$$ Учитывая упругие связи в молекуле и силу со стороны поля, закон движения электрона: $$\ddot{x}+2\gamma\dot{x}+\omega_0^2x=\frac{E(t)e}{m_e}\tag{3}$$ Типичное уравнение вынужденных колебаний (двойки перед коэффициентом затухания может и не быть, это зависит от определения $\gamma$). Решается оно из логичного предположения, что в устоявшемся режиме частота колебаний электрона совпадает с частотой вынуждающей силы, но из-за диссипативной силы между ними может быть задержка по фазе: $$x(t)=A\sin (\omega t+\varphi)\tag{4}$$ Это можно и строго доказать, но здесь не буду тратить время: это можно найти во многих учебниках по колебаниям.
$(4)\to(2):$ $$en_e \cdot A=(\varepsilon-1)\varepsilon_0 E_0 \ \to \ \varepsilon=1+\frac{n_e e A}{\varepsilon_0 E_0}\tag{5}$$ Осталось найти амплитуду $A$
$(4)\to(3):$
$$-A\omega^2\sin (\omega t+\varphi)+\omega\gamma A\cos (\omega t+\varphi)+\omega_0^2A\sin (\omega t+\varphi)=\frac{E_0e}{m_e }\sin \omega t\tag{7}$$ $$(\omega_0^2-\omega^2)\sin (\omega t+\varphi)+\omega\gamma \cos (\omega t+\varphi)=\frac{E_0e}{m_eA}\sin \omega t\tag{6}$$ С помощью тригонометрии раскроем скобки, разделим коэффициенты при синусе и косинусе, сократим: $$(\omega_0^2-\omega^2)\cos\varphi-2\omega\gamma \sin \varphi=\frac{E_0e}{m_eA}\tag{7}$$ $$(\omega_0^2-\omega^2)\sin\varphi+2\omega\gamma \cos\varphi=0\tag{8}$$ Мы имеем право сделать такое разделение, так как равенство должно быть справедливо в любой момент времени. Пусть
$$P\cos(\omega t)+Q\sin(\omega t)=0.$$ Подставим $t=0$: $$P\cdot 1+Q\cdot 0=0 \quad\Rightarrow\quad P=0.$$ Подставим $t=\dfrac{\pi}{2\omega}$: $$P\cdot 0+Q\cdot 1=0 \quad\Rightarrow\quad Q=0.$$ Значит, $P=Q=0$, следовательно, коэффициенты при $\cos(\omega t)$ и $\sin(\omega t)$ можно приравнивать к 0 по отдельности.
Но вернёмся к основной задаче. Возведём в квадрат и сложим $(7)$ и $(8)$. Используя остновное тригонометрическое тождество, в итоге получим: $$(\omega_0^2-\omega^2)^2-(2\omega\gamma)^2=\left(\frac{E_0e}{m_eA}\right)^2\tag{9}$$ $$A=\frac{E_0 e}{m_e\sqrt{(\omega^2-\omega_0^2)^2+4\gamma^2\omega^2}}\tag{10}$$ $(10)\to(5):$ $$\varepsilon=1+\frac{n_e e^2}{m_e\varepsilon_0\sqrt{(\omega^2-\omega_0^2)^2+4\gamma^2\omega^2}}\tag{11}$$
Авторский ответ (ниже) тоже верен, просто я работал в СИ, Савченко - в СГС