Условие
7.3.14∗ . Упруго связанный в молекуле электрон имеет резонансную частоту колебаний $\omega_{0}$ . Коэффициент затухания колебаний $\gamma$ . Найдите установившуюся амплитуду вынужденных колебаний электрона в электрическом поле напряженности $E=E_{0}\sin\omega t$ .
Решение
Уравнение движения электрона массой $m_{e}$ , зарядом $-e$ в переменном электрическом поле $E=E_{0}\sin\omega t$ , с учетом упругой связи (собственной частоты $\omega_{0}$ ) и затухания, имеет вид:
$$m_{e}\ddot{x}+2m_{e}\gamma\dot{x}+m_{e}\omega_{0}^{2}x=-eE_{0}\sin(\omega t)$$ $$\ddot{x}+2\gamma\dot{x}+\omega_{0}^{2}x=-\frac{e}{m_{e}}E_{0}\sin(\omega t)$$
Это линейное дифференциальное уравнение с вынуждающей синусоидальной силой. Для упрощения вычислений перейдём в область комплексных переменных.
Пусть $E(t)=\mathrm{Re}\left[ E_{0}e^{i\omega t} \right]$ , тогда решаем уравнение:
$$\ddot{x}+2\gamma\dot{x}+\omega_{0}^{2}x=-\frac{e}{m_{e}}E_{0}e^{i\omega t}$$
Будем искать решение в виде: $x(t)=\tilde{x}e^{i\omega t}$ , где $\tilde{x}$ - комплексная амплитуда. Подставим:
$$(-\omega^{2}\tilde{x}+2i\omega\gamma\tilde{x}+\omega_{0}^{2}\tilde{x})e^{i\omega t}=-\frac{e}{m_{e}}E_{0}e^{i\omega t}$$
Сократим на $e^{i\omega t}$ и выразим $\tilde{x}$ :
$$\tilde{x}=\frac{eE_{0}}{m_{e}(\omega^{2}-\omega_{0}^{2}-2i\gamma\omega)}$$
Нас интересует амплитуда колебаний, то есть модуль:
$$A=\left| \tilde{x} \right|=\left| \frac{eE_{0}}{m_{e}(\omega^{2}-\omega_{0}^{2}-2i\gamma\omega)} \right|=\frac{eE_{0}}{m_{e}}\cdot \frac{1}{\left| \omega^{2}-\omega_{0}^{2}-2i\gamma\omega \right|}$$
Модуль комплексного числа $z=a+ib$ равен:
$$\left| z \right|=\sqrt{a^{2}+b^{2}}$$
Поэтому:
$$\left| \omega^{2}-\omega_{0}^{2}-2i\gamma\omega \right|=\sqrt{(\omega^{2}-\omega_{0}^{2})^{2}+(-2\gamma\omega)^{2}}=\sqrt{(\omega^{2}-\omega_{0}^{2})^{2}+4\gamma^{2}\omega^{2}}$$
Окончательно:
$$A=\frac{eE_{0}}{m_{e}\sqrt{(\omega^{2}-\omega_{0}^{2})^{2}+4\gamma^{2}\omega^{2}}}$$
Ответ
$$A=\frac{eE_{0}}{m_{e}\sqrt{(\omega^{2}-\omega_{0}^{2})^{2}+4\gamma^{2}\omega^{2}}}$$