final - ustc

353
1 1.1 ........................... 1 1.2 ...................... 2 1.2.1 ......................... 2 1.2.2 ......................... 3 11 2.1 ...................... 11 2.2 ..................... 13 2.3 ......................... 14 2.4 ........................... 16 2.5 ...................... 17 2.6 ............................... 20 2.7 ................................. 22 2.8 ....................................... 23 26 3.1 ................ 26 3.1.1 ......................... 26 3.1.2 ......................... 28 3.1.3 .............. 30 3.2 .......................... 31 3.3 ............................... 33 3.4 ............................. 34 3.5 ........................ 39

Upload: others

Post on 03-Feb-2022

16 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: final - USTC

��

��� �� 1

1.1 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 ��������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.2 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

��� ������������ 11

2.1 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 ��������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5 ��������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.8 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

��� ������� 26

3.1 �������������������� . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1.2 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1.3 ������������������ . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Page 2: final - USTC

ii ��

3.5.1 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5.2 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.6 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.6.1 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.6.2 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.6.3 ��������������������� . . . . . . . . . 46

3.6.4 �������������������� . . . . . . . . . . 50

3.6.5 ������������������ . . . . . . . . . . . . . . 52

3.7 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.8 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.9 ��������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.2 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.9.3 ������DZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.10 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.10.1 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.10.2 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.10.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.10.4 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.11 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.11.1 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.11.2 ��������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.12 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.12.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.12.2 ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.12.3 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

��� ������ 95

4.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.2.1 ��—���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.2.2 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.2.3 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Page 3: final - USTC

�� iii

4.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.3.1 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.3.2 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.4 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.4.1 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.4.2 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.5 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.5.1 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.5.2 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.5.3 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

��� ����������� 129

5.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.1.1 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.1.2 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.1.3 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.2 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.3 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.4 �—���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

5.5 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5.5.1 ���� ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.5.2 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.5.3 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.6 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.6.1 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.6.2 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.6.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.6.4 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

5.6.5 ������ ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

5.7 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.8 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

��� �������� 158

6.1 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Page 4: final - USTC

iv ��

6.2 ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.2.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.2.2 � ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

6.2.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.2.4 θ−Æ�������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

6.2.5 Z−Æ�������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.2.6 Grad-Shafrnov�� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

6.3 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.3.1 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.3.2 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6.3.3 �—���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

6.4 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.5 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.5.1 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.5.2 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.5.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.5.4 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

��� ��������� 195

7.1 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

7.1.1 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

7.1.2 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.1.3 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

7.2 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

7.3 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

7.4 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.5 Kramers-Kronig�� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

7.6 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

7.7 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

��� �������(����) 219

8.1 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

8.1.1 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

8.1.2 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Page 5: final - USTC

�� v

8.1.3 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

8.2 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

8.2.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

8.2.2 ����������������� . . . . . . . . . . . . . . 227

8.2.3 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

8.2.4 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

8.2.5 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

8.3 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

8.3.1 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

8.3.2 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

8.3.3 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

8.4 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

8.5 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

��� ���������� 252

9.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

9.2 ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

9.3 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

9.3.1 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

9.3.2 ��� K-dV�� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

9.4 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

9.5 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

��� ������������� 277

10.1 ����������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

10.1.1 ������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

10.1.2 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

10.1.3 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

10.2 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

10.3 ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

10.3.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

10.3.2 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

10.3.3 ��������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

10.3.4 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Page 6: final - USTC

vi ��

10.3.5 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

���� ���������� 299

11.1 ��������� ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

11.2 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

11.2.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

11.2.2 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

11.2.3 ������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

11.3 Yvon-Born-Green��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

11.4 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

11.4.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

11.4.2 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

11.5 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

11.5.1 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

11.5.2 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

11.6 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

11.7 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

���� ��������� 319

12.1 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

12.2 ����� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

12.3 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

12.4 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

12.5 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

12.5.1 ���������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

12.6 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

12.7 ������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

12.8 ���� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

12.9 ����������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

12.10 ���������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

12.10.1 �������������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

12.10.2 ���������Fresnel��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

12.10.3 ������������ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

12.10.4 �������� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

Page 7: final - USTC

�� vii

12.10.5 ��� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34112.11 �� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Page 8: final - USTC

viii ��

Page 9: final - USTC

��� ��

1.1 �����������

�����������������������������������

����DZ����������������������“���”��������������DZ����Æ������������������������

���������������DZ���������������������

������DZ�����������������������������

�������������������������������������

�����DZ�������������������������������

���������������� ��������������������

�������������������������������������

��������������������������������

���������������( 99%��)��������������������������������������������

�������������������������������

�����������������������������DZ������

����� �����DZ�����������������������DZ

����������������������������������

������������������

�������������������������������

�������������������������������������

���������������DZ������������DZ���

�������� ����������������DZ���������

��������� —��������������mK����������DZ����������� �������DZ���DZ��������

Page 10: final - USTC

2 ��

����������—������������������������ ���

���������������������� �����������

����������������DZ�����������������

�������������������������DZ � �������

����������������������������������

��������������������DZ���������������

��������������������������DZ�������

������������������DZ��������������

������������������������������������

���������������������������

�������������������������DZ�����

�������������������������� ������

���� �����������������������������

���������������������������������

������������������������������

1.2 ���������������

1.2.1 ����������

������������������������������

����������������� ����������������

�����������������������������������

�� �������������DZ����������� ����

�����������������������������������

������������� ���� �����������DZ�

����������� ���������������������

��������� �� �������DZ������������

��DZ��� ��������DZ��������������������

�����������������������������������

������������� ���� ����� �����DZDZ���

���� �����������

Page 11: final - USTC

1.2 ��������������� 3

1.2.2 ����������

����������DZ� ��������������

��������������������������������

����������������������DZ������

������������������������������������

���������������������� ���������

���������������������������������

���

���������������������������������

������������������������������

��������������������������������

�����������������������������������

�(��������)�

����������������������������

�������������� ��������������DZ�

��������������������������� � ���

��������DZ�������������������� �����

�������������������� ���������

DZ������������ ��������

��

����

�����������������������������

�����������������������������������

����� ���� ��

������

1. ������������������������� 1980�����������������������������������������

��

Page 12: final - USTC

4 ��

2. F. F. Chen�������������������� 1980��������������������DZ��������������������

3. ��������������������� 1983��

4. ���(N. A. Krall)������(A. W. Trivelpieece)�������������������� 1983��������

5. ����������������������������������1988�����������������������������������������

6. �������������������������������2006�������������������� ��� �

������

1. L. Spizter, Physics of Ionized Gas (Interscience Publishers, New York, 1956). ���������������������������������

���

2. C. L. Longmire, Elementary Plasma Physics (Interscience Publishers, New York,1963). ������������

3. R. C. Davidson, Methods in Nonlinear Plasma Theory (Academy, New York, 1972).��������������� �������� ���������

���������������������������������

���������������DZ����������� Physics ofPlasmas����

4. S. Ichimaru, Basic Principles of Plasma Physics (Benjamin, Massachusetts, 1973).��������������� ���

5. V. L. Ginzburg, The Propagation of Electromagnetic Waves in Plasmas (Pergamon,Oxford, 1970). ������������������������������������������

Page 13: final - USTC

1.2 ��������������� 5

6. A. I. Akhiezer, et al, Plasma Electrodynamics (Pergamon Press, Oxford, 1975), Vols.I and II. ���������������������������������

7. A. F. Alexandrov, L. S. Bogdankevich, and A. A. Rukhadze, Principles of Plasma

Electrodynamics (Springer, Berlin, 1984). ������������������������������������ �

8. W. L. Kruer, The Physics of Laser Plasma Interactions (Addison-Wesley, New York,1988). ��������������������� ����������� � ������������������

9. T. H. Stix, Waves in Plasmas (American Institute of Physics, New York, 1992). ������������������

10. S. Ichimaru, Statistical Plasma Physics (Addison-Wesley, Redwood City, 1992),Vols. 1 & 2. �������������������������������������

11. J. Wesson, Tokamaks (Clarendon Press, Oxford, 1997). ������������������� ����

12. T. J. M. Boyd and J. J. Sanderson, The Physics of Plasmas (Cambridge UniversityPress, Cambridge, 2003). �������������������� ��

13. S. Atzeni and J. Meyer-ter-Vehn, The Physics of Inertial Fusion (Cambridge Uni-versity Press, Cambridge, 2004). ��� ���������

14. Reviews of Plasma Physics. ���/����������������������������������������������������

�����������DZ����������� �

������

����������������������������DZ����

�������������������������� L. D. Landau����� E. M. Lifshitz ��������������������������������������

Page 14: final - USTC

6 ��

• Volume I, Mechanics

• Volume II, The Classical Theory of Fields

• Volume V, Statistical Physics I

• Volume VI, Fluid Mechanics

• Volume VIII, Electrodynamics of Continuous Media

• Volume X, Physical Kinetics

����

������������������������ � ���

� ��

a · (b× c) = b · (c× a) = c · (a× b), (1.1)

a× (b× c) = (a · c)b− (a · b)c, (1.2)

(a× b) · (c× d) = (a · c)(b · d)− (a · d)(b · c), (1.3)

∇×∇ψ = 0, (1.4)

∇ · (∇× a) = 0, (1.5)

∇× (∇× a) = ∇(∇ · a)−∇2a, (1.6)

∇ · (ψa) = a · ∇ψ + ψ∇ · a, (1.7)

∇× (ψa) = ∇ψ × a+ ψ∇× a, (1.8)

∇(a · b) = (a · ∇)b+ (b · ∇)a+ a× (∇× b) + b× (∇× a), (1.9)

∇ · (a× b) = b · (∇× a)− a · (∇× b), (1.10)

∇× (a× b) = a(∇ · b)− b(∇ · a) + (b · ∇)a− (a · ∇)b. (1.11)

Page 15: final - USTC

1.2 ��������������� 7

����

����������� ����� S ������DZ V������

DZ df���� ∫V

∇ ·Ad3r =∫S

A · df , (1.12)∫V

∇ψd3r =∫S

ψdf , (1.13)∫V

∇×Ad3r =

∫S

df ×A, (1.14)∫V

(φ∇2ψ +∇φ · ∇ψ)d3r =∫S

φ∇ψ · df , (1.15)∫V

(φ∇2ψ − ψ∇2φ)d3r =

∫S

(φ∇ψ − ψ∇φ) · df . (1.16)

���� C ������DZ S������DZ df������DZ dl��

�� ∫S

(∇×A) · df =∮C

A · dl, (1.17)∫S

df ×∇ψ =

∮C

ψdl. (1.18)

����

������������������ ��������� ����

��� ����� �� (ρ, φ, z)��������������������

��� �

∇u =∂u

∂ρeρ +

1

ρ

∂u

∂φeφ +

∂u

∂zez, (1.19)

∇ · u =1

ρ

∂ρ(ρuρ) +

1

ρ

∂φ(uφ) +

∂z(uz) , (1.20)

(∇× u)ρ =1

ρ

∂uz∂φ

− ∂uφ∂z

, (1.21a)

(∇× u)φ =∂uρ∂z

− ∂uz∂ρ

, (1.21b)

(∇× u)z =1

ρ

∂(ρuφ)

∂ρ− 1

ρ

∂uρ∂φ

, (1.21c)

∇2u =1

ρ

∂ρ

(ρ∂u

∂ρ

)+

1

ρ2∂2u

∂φ2+∂2u

∂z2. (1.22)

Page 16: final - USTC

8 ��

�� �� (r, θ, φ)����������������������� �

∇u =∂u

∂rer +

1

r

∂u

∂θeφ +

1

r sin θ

∂u

∂φez, (1.23)

∇ · u =1

r2∂

∂r

(r2ur

)+

1

r sin θ

∂θ(sin θuθ) +

1

r sin θ

∂uφ∂φ

, (1.24)

(∇× u)r =1

r sin θ

[∂(sin θuφ)

∂θ− ∂uθ

∂φ

], (1.25a)

(∇× u)θ =1

r sin θ

[∂ur∂φ

− ∂(r sin θuφ)

∂r

], (1.25b)

(∇× u)φ =1

r

[∂(ruθ)

∂r− ∂ur

∂θ

], (1.25c)

∇2u =1

r2∂

∂r

(r2∂u

∂r

)+

1

r2 sin θ

∂θ

(sin θ

∂u

∂θ

)+

1

r2 sin2 θ

∂2u

∂φ2. (1.26)

�����������

������� ����� ������� ��������DZ

��������� ���� ��������

����������������

∇ · E = 4πρ,

∇× E = −1

c

∂B

∂t,

∇ ·B = 0,

∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj.

���������� ����� ���������� DZ

∇ · E =ρ

ε0,

∇×E = −∂B∂t,

∇ ·B = 0,

∇×B =1

c2∂E

∂t+ μ0j.

Page 17: final - USTC

1.2 ��������������� 9

��� ��� ���

� c (μ0ε0)−1/2

�� E/√4πε0 E

���√ε0/4πD D

����√4πε0ρ ρ

�����√μ0/4πB B

���� H/√4πμ0 H

���√4π/μ0M M

��� 4πε0σ σ

��� ε0ε ε

��� μ0μ μ

�� R/4πε0 R

�� L/4πε0 L

�� 4πε0C C

� 1.1: ������� ���� ������ �

�������� ������������(1.1)� �������� �����

������ �������� DZ

∇ · E =ρ

ε0,

����� ����������������������� ����

������E����� ����

E → E√4πε0

, ρ→√4πε0ρ

��������� ������

∇ · E = 4πρ.

�����DZ�������������� �������� �����

����� ��������DZ

λDe =

√T

4πne2.

Page 18: final - USTC

10 ��

��� ����� ���� �����

�� m (L) 102 cm (L)

�� kg (M) 103 g (M)

�� s (T) 1 s (T)

�� Hz (T−1) 1 Hz (T−1)

� N (MLT−2) 105 dyne (MLT−2)

�� J (ML2T−2) 107 erg (ML2T−2)

�� W (ML2T−3) 107 erg/s (ML2T−3)

�� C (TI) 3×109 statcoulomb (M1/2L3/2T−1)

���� C/m3 (TIL−3) 3×103 statcoul/cm3 (M1/2L−3/2T−1)

�� A (I) 3×109 statampere (M1/2L3/2T−2)

���� A/m2 (IL−2) 3×105 statamp/cm2 (M1/2L−1/2T−2)

�� V/m (MLT−3I−1) 13 × 10−4 statvolt/cm (M1/2L−1/2T−1)

�� V (ML2T−3I−1) 1300 statvolt (MLT−3I−1)

���� C/m2 (TIL−2) 3×105 dipole moment/cm3 (M1/2I−1/2T−1)

��� C/m2 (TIL−2) 12π × 105 statvolt/cm (M1/2I−1/2T−1)

��� siemens/m (T3I2M−1L−3) 9×109 s−1 (T−1)

�� Ω (ML2T−3I−2) 19 × 10−11 s/cm (TL−1)

�� F (T4I2M−1L−2) 9×1011 cm (L)

��� Wb (ML2T−2I−1) 108 G/cm2 (M1/2L3/2T−1)

����� T (MT−2I−1) 104 G (M1/2L−1/2T−1)

���� A/m (IL−1) 4π × 10−3 Oe (M1/2L−1/2T−1)

� 1.2: ����������������������

�� ne��������������

ne→ ne√4πε0

,

��������� ������

λDe =

√ε0T

ne2.

��� ���� ������������������1.2

Page 19: final - USTC

��� ������������

������������������������� 10����������� 20�����������������������������������������������DZ������������������������

��������������������������������������

������������������������������DZ������

��������������������

2.1 ��������������

����������������������������������

�������������������������������������

������DZ�������������������

��������������Q������������������

��������������������������

∇2φ = −4πe(Zni − ne)− 4πQδ(r), (2.1)

�� δ(r)DZ δ−��� ni DZ������� ne DZ������� Z DZ�������

���� ��������������������� φ�������

��

ni = n0ie−Zeφ/T , (2.2a)

ne = n0eeeφ/T , (2.2b)

�� T DZ�������� n0e � n0i ����������� Q�������

Page 20: final - USTC

12 ������������

|eφ/T | � 1����������

ni = n0i(1− Zeφ/T ), (2.3a)

ne = n0e(1 + eφ/T ), (2.3b)

���������(2.1)�DZ

∇2φ−(4πZ2e2n0i

T+

4πe2n0e

T

)φ = −4πQδ(r). (2.4)

�������� λD����DZ

1

λ2D≡ 4πZ2e2n0i

T+

4πe2n0e

T=

4πe2n0e(Z + 1)

T, (2.5)

����(2.4)�DZ

∇2φ− 1

λ2Dφ = −4πQδ(r). (2.6)

��������� φ(r → ∞) → 0��DZ

φ(r) =Q

re−r/λD . (2.7)

�����������������Q���������� �� 0���

������������ �������������DZ φ = Q/εr��

� εDZ���������������� Q��������DZ��������

��� ����������������������������DZ����

��������������������������������������

��������������DZ�����������������������

����������������������������

���������DZ������DZ�DZ��� |eφ/T | ∼ 1������

������������������ �����������DZ����

����������������������������������DZ

���������������� �������������������

��DZ����������“ �” ����������������������������������������� �������

�������������������������������DZ��

��������������������������������DZ�

�����������������������������DZ��DZ�

Page 21: final - USTC

2.2 ��������������� 13

����������������������������������

�������������������������������������

������������������

���������������������������������

����������������������������������

������������������������ nα = nα0 exp(−Zαeφ/Tα)�

�����������������������������������DZ

λDα =

(Tα

4πe2αnα

)1/2

= 7.434× 102[Tα(eV)]1/2[nα(cm−3)]−1/2|Zα|−1 (cm), (2.8)

���� α������� ZαDZ������ �������������

�DZ

λ−2D =

∑α

λ−2Dα. (2.9)

2.2 ���������������

�������������������������������

� Q ������������������������������

����������������������������������

vTe = (T/me)1/2 �������� λDe ������DZ�������������

���

τpe =λDe

vTe

=

√me

4πnee2. (2.10)

���������������������������

��������������������� �������—���������������������������� τpe ���������

����������������������������������� τpe

������������������������������ τ > τpe �

L > λDe��������������������������� ���

���������Æ��(2.10)����������Æ����������������� x = 0�������������� δx�����

������������� ���������������� �����

��DZ

E = 4πeneδx,

Page 22: final - USTC

14 ������������

�� ne ������������������������ x = 0�����

�������������� ������� x = 0� ���������DZ

nemed2δx

dt2= −eneE = −4πn2

ee2δx,

������ ����� ��DZ

ωpe =

√4πe2ne

me

= 5.641× 104[ne(cm−3)]1/2 (rad/sec). (2.11)

���DZ�DZ���� �� ���DZ��� ���������

���������������������������������

����������������������������������

������������������������������

2.3 �������������

����� ��������������� ��DZ���������

�����������������������������������

��������DZ��������������������������

�����������������

������DZ

n(r, t) =

N∑i=1

δ[r− ri(t)]. (2.12)

��������DZ

nk(t) =1

V 1/2

∫V

n(r, t)e−ik·rd3r =1

V 1/2

N∑i=1

e−ik·ri(t).

� nk(t)���� ��

nk(t) =1

V 1/2

N∑i=1

(−ik · vi)e−ik·ri,

nk(t) =1

V 1/2

N∑i=1

[−(k · vi)

2 − ik · vi

]e−ik·ri.

Page 23: final - USTC

2.3 ������������� 15

���������������������������������

������������DZ

vi = − 1

m

∂ri

∑j �=i

(Ze)2

|ri − rj|+ (�����������).

��Z�����������������

(Ze)2

r=

1

V 1/2

∑k

4π(Ze)2

V 1/2k2eik·r,

�������(�k = 0����)�����������������������

vi = − 1

m

∂ri

∑j �=i

∑q

4π(Ze)2

V q2eiq·(ri−rj) = −i4π(Ze)

2

mV 1/2

∑q �=0

q

q2nq(t)e

iq·ri.

���������DZ

nk(t) = − 1

V 1/2

N∑i=1

(k · vi)2e−ik·ri − 4πe2

mV

∑q �=0

N∑i=1

k · qq2

nq(t)ei(k−q)·ri

= − 1

V 1/2

∑i

(k · vi)2e−ik·ri − 4πe2

mV 1/2

∑q �=0

k · qq2

nq(t)nk−q(t)

� �������� q = k�������� nk=0 = N/V 1/2����

nk(t) +4πn(Ze)2

mnk(t) = − 1

V 1/2

∑i

−(k · vi)2e−ik·ri − 4πe2

mV 1/2

∑q �=0,k

k · qq2

nq(t)nk−q(t).

(2.13)��(2.13)���� ������� ������������

��������� �������������������������

������

��(2.13)������DZ

1

V 1/2

N∑i=1

−(k · vi)2e−ik·ri ∼ k2

T

mnk(t).

������ DZ

ω2pnk(t).

���� ω2p � k2T/m���������� ��������� ������

���DZ

k2λ2D � 1,

Page 24: final - USTC

16 ������������

�������������������������������������

������������������� k2λ2D � 1�������������

��������

����������������������� |e2/n−1/3T | � 1����

������������������������ ���� ��

�������������������������������DZ

�����������

2.4 �����������

��������������������������������

��������� ������������������������

������������� ����������������������

�������—� ���������������������������������������������DZ (2π�)3���

������DZ 1/2������� ������������� � 2�����

���������� ���������� 0������ pF (�����)���������������������

N = 2

∫d3pd3r

(2π�)3= V

(2π�)3

∫ pF

0

p2dp =V p3F3π2�3

,

��������������

pF = (3π2)1/3n1/3e �, (2.14)

�� ne = N/V ��������������������DZ����

εF = (3π2)2/3n2/3e (�2/2me) = 0.3646

( ne

1021cm−3

)2/3eV. (2.15)

������������� εF�������������������

��������������DZ �������� �����������

�����DZ�������������������

Te � εF. (2.16)

������� �������������������������

���

n−1/3e � h

mevTe

=h√meTe

, (2.17)

Page 25: final - USTC

2.5 ��������������� 17

�������

Te � n2/3e

h2

me∼ εF.

����(2.16)���(2.17)��������������������������Υe����DZ

Υe =TeεF. (2.18)

� Υe � 1����������Υe � 1������—� �����DZ�������������DZ���� ���������

��������� �������������������������

�� ���� �������������—� ����������φ������DZ�

ne = n0eF3/2[(μ− eφ)/T ]/F3/2(μ/T ),

�� μ������ F3/2(x)��—� ���������� ����������������� ������������������� �

��

λ2De =

√T 2 + ε2F4πnee2

. (2.19)

2.5 ���������������

����������������������������������

�������������������������������������

������� �DZ����������������

DZ ����������������������DZ�������

��������DZ���������������DZ ne ��������

�������DZ (4πne/3)−1/3�����������������DZ

Uee ∼e2

(4πne/3)−1/3, (2.20)

�� (4πne/3)−1/3DZ�DZWigner-Seitz������������������DZ

Ee ∼ Te, (2.21)

�����������DZ����������������

Γe =Uee

Ee= 2.32

( ne

1021cm−3

)1/3(TeeV

)−1

. (2.22)

Page 26: final - USTC

18 ������������

�����������—�������������� ����������������� 1����������������������

� ���������DZ�������������������� 1���

������������������������������à > 170����

������������� ������������������������

������������������������������������DZ�

��������������������� �����������

������������������DZ���������������

���DZ������������ � ������������DZ ��

������������DZ�� ����� 1 � à � 170���������

�DZ�����������������������������

��������������������

N =4π

3neλ

3De =

1

3√3Γ

3/2e

.

���������� Γe � 1��� N � 1�������������� 1���

���������������������������� g�

g =1

4πneλ3De

, (2.23)

� g = 0��������������������������� �� g � 1

������ gDZ���������������� ���

���������������� ��������me����

eDZ���������������������� Te����� neDZ����

�������������DZ������������������DZ N

�� � N ���������������� nm����� nT ����� ne

������������������������������������

����������������������� ���������

limN→∞

λDe = limN→∞

√Te

4πnee2= lim

N→∞

√(nT )

4π(ne)2= λDe,

limN→∞

ωpe = limN→∞

√4πnee2

me= lim

N→∞

√4π(nee)2

(neme)= ωpe.

��������������� g�����

limN→∞

g =1

4πλ3De

limN→∞

1

Nn= 0.

Page 27: final - USTC

2.5 ��������������� 19

�������������������� � �������������

��

������������DZ�������������me� e� Te� ne��

������������������������

[mxe(1/ne)

yT ze e] = 1,

������DZ(�� 1.1)

[e] = [��]1/2[��]3/2[��]−1,

����������

x+ z + 1/2 = 0, 3y + 2z + 3/2 = 0, − 2z − 1 = 0.

��������

x = 0, y = −1/6, z = −1/2.

���������

(en1/6e T−1/2

e )3 = (8π3/2/neλ3De)

−1.

��������(2.22)��������������� Te�� ����

εF�����Æ�����DZ εF�������DZ

Γe =Uee

εF. (2.24)

����������� ���� ������� DZ���������

������ ���������������DZ����������(2.15)����������� n2/3 ���������������� n1/3 ����

��������DZ 0���������������������������

������������������ e2(4πne/3)1/3 � εF����

ne �32

27π3a3B= 2.58× 1023 cm−3, (2.25)

�� aB = �2/mee

2���������(2.25)�����DZ�����������

Page 28: final - USTC

20 ������������

2.6 ��������

��������������������������������

����������������(��)�����������������������������������������������

����������������������� ��

����DZ����������������������������

������������������������DZ

∑i

νiAi = 0, (2.26)

�� Ai������������� νi���������������

�� ������� 2H2+O2 − 2H2O= 0���� νi��DZ νH2 = 2� νO2 = 1�

νH2O = −2�����������������������������

��������� ∑i

νiμi = 0. (2.27)

�� μi � i�������DZ ��������������

����DZ

μi = T lnPi + χi(T ), (2.28)

�� Pi �� i������ χi ������������� Pi ����� P

��DZ Pi = ciP��� ci = Ni/N �� i��������N =∑

iNi���

���Ni� i����������������DZ�������χiDZ

χi(T ) = ε0i − cpiT lnT − Tζi, (2.29)

�� cpi �������� ζi �����������������DZ

cp = 5/2�

����� (2.28)��������(2.27)��

∑i

νiμi = T∑l

νi lnPi +∑i

νiχi = 0.

����

KP (T ) = e−∑

νiχi/T , (2.30)

Page 29: final - USTC

2.6 �������� 21

�������� ���DZ

∏i

P νii = KP (T ). (2.31)

������DZ Pi = ciP������

∏i

cνii = P−∑νiKP (T ) ≡ Kc(P, T ). (2.32)

��(2.31)(2.32)�DZ�����������KP (T )�Kc(P, T )�DZ������

������������������������

��������������

A0 = A1 + e−, A1 = A2 + e−, · · · ,

��������(2.32)� � νn−1 = 1� νn = −1� ν = −1���������

cn−1

cnc= PK

(n)P (T ), (n = 1, 2, · · · ),

�� c0 ��������� c1� c2� · · ·� �������� c �������

K(n)P (T )�� n�������������������������������

�������

c = c1 + 2c2 + 3c3 + · · · .

�����������������������������

����� χi��� ��DZ

χn = εn − (5/2)T lnT − T ln[gn(ma/2π�

2)3/2],

χ = −(5/2)T lnT − T ln[2(me/2π�

2)3/2],

�� ma ������ me ������ gn ���� ������� ����

�(2.30)������K(n)P (T )���DZ

K(n)P (T ) =

gn−1

2gn

(2π

me

)3/2�3

T 5/2eIn/T ,

�� In = εn − εn−1����� n���������� ����������

��������� ��������

cacic

= PK(1)P (T ) = (na + ni + ne)

ga2gi

(2π

me

)3/2�3

T 3/2eI/T , (2.33)

Page 30: final - USTC

22 ������������

� 2.1: ������������—�����������

������������� ni DZ����� na DZ������� gi DZ��� �

�� gaDZ����� ��� I DZ�������������DZ

α =ni

na + ni,

���

c = ci =α

1 + α, ca =

1− α

1 + α,

������(2.33)������������

α =1√

1 + PK(1)P (T )

. (2.34)

2.7 �������

������������������������

���������������������� �DZ�������

� ������� T � εF������������������������

��������������������������� T � εF���

�������������������������������������

����������������� ����������

�������� g (���� Γ )����������� �DZ����������������� g → 0�����������������������

DZ������������������� ������������(2.1)�������������—�����������������������������DZ���������������

�������������������(��)���������� ���

Page 31: final - USTC

2.8 �� 23

�����������������������������������

��������� �������������

��������������������������������

��DZ��������������������������� �����

��������� ���������������������

2.8 ��

1. ����������������DZ 10 keV�����DZ 1014 cm−3��

���������������������������������

��

2. ������������������DZ���

(1) ����������DZ ne ∼ 1021 cm−3� Te ∼ 5 keV�

(2) ������������DZ ne ∼ 1022 cm−3� Te ∼ 50 eV�

(3) ������������DZ ne ∼ 1026 cm−3� Te ∼ 5 eV�

�������������������������������

�����

3. ��������������

(1) � 0◦ C� 760 mm���������

(2) � �(20◦ C)����DZ 10−3 torr�������

4. ���������λD�ND�

(1) ����� n ∼ 1 cm−3�T ∼ 0.01 eV�

(2) ������ n ∼ 106 cm−3�T ∼ 0.1 eV�

(3) ���� n ∼ 109 cm−3�T ∼ 2 eV�

(4) �� n ∼ 108 cm−3�T ∼ 0.1 eV.

Page 32: final - USTC

24 ������������

5. ����������

∇2φ− 1

λ2Dφ = −4πQδ(r)

������ φ(r → ∞) = 0���

6. �����������������������DZTe� Ti������DZ

Z�����DZ ne����������� λD�

7. ���� Z = 1�����������������������

8. �����������������DZ ne ���DZ T ����������

��DZ 0�� x = 0��������DZ φ0��������������

��������������������������DZZ = 1�

9. ���� x = ±d������������DZ φ = 0���������

�����������DZ q���DZ n���

(1)�������������DZ

φ = 2πqn(d2 − x2);

(2) �� d > λD ������������������������

��������

10. ������DZ R�������������������������DZ

ne�����DZ ni� ne� ni������

(1) �� r = ∞��DZ�������� ��� �

(2) ������ r = 0����!��

(3) � R = 100 km�ne = 106 cm−3(����� F �����)������������������

11. ����DZ a�����������������������DZ ne����

�����DZ ni������ ne = ni�������������������

����� ���� ��� ���� ���

Page 33: final - USTC

2.8 �� 25

12. ������������������������������������������

ne = ne0 exp [−(mgz − eφ)/T ]

ni = ni0 exp [−(mgz + eφ)/T ]

�� g DZ���������� z �����������������DZ T�

� φ�����d2φ

dz2= −4πe(ni − ne).

��������������������������

13. ����������������������� 1������

���� nλ3D DZ���� 1.

14. �������DZ�(1) n = 1010 cm−3�(2) n = 1013 cm−3�(3) n = 1019 cm−3

������������!��

15. �!�����������������������DZ 105 K���DZ 1012

cm−3����������������

16. ���DZ 1014 cm−3 �������� 1 cm������ 1%�������

������� �����

17. ������DZ 3× 104 K���DZ 1012 cm3��������������Æ

����������

Page 34: final - USTC

��� �������

�����������������������������������

�������������������������������������

��������������������������������������

�������DZ������������������������������

��������������������������������

�����������������������������������

����������������������������������

�����������������������������������

�������������������������������������

���������������������������������DZ���

������������������������������ �����

�������������������������������������

�����������������������������������

������������

3.1 ��������������������

����������������������������������

����������������������������������

���—�����������������������

3.1.1 ����������

����������������������������� r�� r��

�� t�����������������������������������

Page 35: final - USTC

3.1 �������������������� 27

���������������������������� v ≡ r�����

��������������DZ����������

���������������������������������

����������

S =

∫ tb

ta

L(v)dt, (3.1)

� ta� tb� ������ � �DZ�L(v)��������������

���DZ��������������������������������

����������� S ����������������������

�����(3.1)����� L(v)dt�������������� ���

���������DZ�������� ��� xμ = (ct, r)�������(��� μ = 0, 1, 2, 3)����������

ds2 = dxμdxμ = c2dt2 − dr2 (3.2)

������������DZ ds2������������������

dτ =√

1− v2/c2dt = ds/c,

��������������������

L(v) = α

√1− v2

c2, (3.3)

� ����������������������������

������(3.3)���� ���������������������

��� v/c� 1������(3.3)��� (v/c)2��� ���

L(v) ≈ α− αv2

2c2,

���������������������DZ�������������

���������������DZ

L(v) = −α v2

2c2. (3.4)

������������������������������

L(v) =1

2mv2 (3.5)

Page 36: final - USTC

28 �������

�m�������� ��(3.4)�(3.5)��������α�

α = −mc2.

��������������������

L(v) = −mc2√

1− v2/c2, (3.6)

���������DZ

S = −mc2∫ tb

ta

√1− v2/c2dt = −mc

∫ tb

ta

ds. (3.7)

������������������������������������

�������������� ���������

3.1.2 ����������

������������������������������������

�����DZ���������

p =∂L

∂v. (3.8)

���������(3.6)��(3.8)��������DZ

p =mv√

1− v2/c2. (3.9)

��������������DZ

E = p · v − L. (3.10)

�(3.6)�(3.9)��(3.10)��������DZ

E =mc2√

1− v2/c2. (3.11)

���������������������(3.9)�(3.11)����

p = E v

c2. (3.12)

���� DZ��� ����������������������

�(3.9)�(3.11)����������DZ

H = c√m2c2 + p2. (3.13)

Page 37: final - USTC

3.1 �������������������� 29

��������p/mc� 1� ������mc2����������DZ

H =p2

2m.

��������������������

δS = −mc∫ tb

ta

δ(ds) = 0.

�� ds = (dxμdxμ)1/2�� δ(ds) = d(δs)����

δS = −mc∫ tb

ta

dxμdδxμ

ds= −mc

∫ tb

ta

uμdδxμ.

� uμ = dxμ/ds�����������������

δS = −mcuμδxμ|tbta +mc

∫ tb

ta

δxμduμds

ds. (3.14)

�������������������� � �����������

������������� δS = 0�������� � ������

� δxμ(ta) = δxμ(tb) = 0��� ta� tb��� δxμ������� δS = 0�����

��������duμds

= 0. (3.15)

����������������

����(3.1)���������������� a������� b��

�������������������� S ��DZ����������

���� δxμ(ta) = 0������������� duμ/ds = 0�����(3.14)�DZ

δS = −mcuμδxμ, (3.16)

���� δxμ(tb)�DZ δxμ�����(3.16)��������������������

pμ = − ∂S

∂xμ= mcuμ, (3.17)

�������������� �� p�������������

pμ = (E/c,p), pμ = (E/c,−p), (3.18)

�� pμ � pμ ��DZ����������(3.18)DZ�������������������������������

Page 38: final - USTC

30 �������

3.1.3 ������������������

����������������������������������

������������������DZ������������������

������������DZ

S = −mc2∫ tb

ta

√1− v2/c2dt+

∫ tb

ta

Lintdt, (3.19)

� Lint����������������������� S ���������

�������������������Lintdt�DZ�����������

�����������������������������������

�������������������������������������

��� xμ = (ct, r)�����������������Aμ = (φ,A)DZ����

���������������������������������

��������������

−ecAμdx

μ = e

[1

cA · v− φ

]dt,

� e�������������������������DZ

Lint =e

cA · v − eφ. (3.20)

���������������DZ�

L(r,v, t) = −mc2√1− v2

c2+e

cA · v − eφ. (3.21)

��������������DZ

L =1

2mv2 +

e

cA · v − eφ (3.22)

�������� ���DZ

P =∂L

∂v=

mv√1− v2/c2

+e

cA = p+

e

cA. (3.23)

� p������(3.9)������������������������������������������

����������DZ

E = P · v − L =mc2√

1− v2/c2+ eφ. (3.24)

Page 39: final - USTC

3.2 ������������ 31

�����DZ�� ��������������������������

H =

√m2c4 + c2

(P− e

cA)2

+ eφ. (3.25)

���������������DZ

H =1

2m

(P− e

cA)2

+ eφ. (3.26)

3.2 ������������

����������������������

δS = δ

∫ tb

ta

Ldt = 0.

����������������������������DZ

L = L(r,v, t).

��������DZ

δS =

∫ tb

ta

L(r+ δr,v + δv, t)dt−∫ tb

ta

L(r,v, t)dt

=

∫ tb

ta

[∂L

∂rδr+

∂L

∂vδv

]dt.

������������������� δv ≡ δ(dr/dt) = d(δr)/dt�����

�����������

δS =∂L

∂vδr

∣∣∣∣tb

ta

+

∫ tb

ta

[∂L

∂r− d

dt

(∂L

∂v

)]δrdt. (3.27)

�DZ� �������� δr(ta) = δr(tb) = 0���� �� δr��������

����—�������d

dt

(∂L

∂v

)=∂L

∂r. (3.28)

���������(3.21)����—������(3.28)����

d

dt

(p+

e

cA)= ∇

(ecA · v − eφ

). (3.29)

�������

∇(a · b) = (a · ∇)b+ (b · ∇)a+ b× (∇× a) + a× (∇× b).

Page 40: final - USTC

32 �������

��� r� v�����������

e

c∇ (A · v) = e

c(v · ∇)A+

e

cv × (∇×A)

�����dA

dt=∂A

∂t+ (v · ∇)A,

��(3.29)��DZdp

dt= −e

c

∂A

∂t− e∇φ+

e

cv × (∇×A).

�����E� B�

E = −1

c

∂A

∂t−∇φ, B = ∇×A, (3.30)

�������������������

dp

dt= eE+

e

cv ×B, (3.31)

������ p�������DZ

p = E v

c2=

mv√1− v2/c2

.

�������� p = mv��������(3.31)��DZ

mdv

dt= eE+

e

cv ×B. (3.32)

�������DZ��� DZ����� S ���������������

������ � ���������������� S ���� ���

���� S = S(t, r)����������(3.27)�������� ������� r → r+ δr��������DZ

δS =∂L

∂v· δr.

������� S �DZ�� r����� r����� r → r+ δr������

δS =∂S

∂r· δr

��������������������

∂S

∂r=∂L

∂v= P. (3.33)

Page 41: final - USTC

3.3 �������� 33

��������������

dS

dt= L(r,v, t).

�����(3.33)��������������DZ

dS

dt=∂S

∂t+ v · ∂S

∂r=∂S

∂t+P · v.

�� dS/dt�����������

∂S

∂t= −P · v + L = −H(P, r, t). (3.34)

������� ������(3.33)� ������������������

∂S

∂t+H

(∂S

∂r, r, t

)= 0. (3.35)

������—������������������DZ��������������������������—���������DZ

(∇S − e

cA)2

− 1

c2

(∂S

∂t+ eφ

)2

+m2c2 = 0. (3.36)

��������Æ���DZ(∂S

∂xμ+e

cAμ

)(∂S

∂xμ+e

cAμ

)= m2c2. (3.37)

3.3 ��������

��������������������������������

��������������������������������� �

������������� DZ����

L = L(qi, qi, t),

� {qi}DZ�������� {qi}DZ�����������—���������DZ

d

dt

(∂L

∂qi

)=∂L

∂qi. (3.38)

����—������(3.38)����������������������������������� ����� qi������������� �

�� pi�������� qi�DZ���� ����������������

Page 42: final - USTC

34 �������

������ �������������������������������

����� z���� ∂L/∂z = 0������ z����������

Pz =∂L

∂vz= pz +

e

cAz = const. (3.39)

������ ������ ������ L����������Æ ϕ����� �

���������

Pϕ =mr2ϕ√1− v2/c2

+e

crAϕ = const. (3.40)

������ ������ ����������������ϕ− αz�� α���

��������������

∂L

∂z+ α

∂L

∂ϕ= 0,

���������∂L

∂z+ α

∂L

∂ϕ= const. (3.41)

������ ��������������� ∂L/∂t = 0������

dH

dt= −∂L

∂t= 0, (3.42)

��������DZ��������

3.4 ����������

����������������������������������

�������������������� ������������

�������DZ��������������������������

�����

������������������������ ����������

�����DZ

L =1

2m1r

21 +

1

2m2r

22 − U(|r1 − r2|). (3.43)

�m1,2��������� U(r)����������������������

��� ������������R����� r�������

R =m1r1 +m2r2m1 +m2

, r= r1 − r2. (3.44)

Page 43: final - USTC

3.4 ���������� 35

��������������R����� r� ����

r1 = R+m2

m1 +m2r, r2 = R− m1

m1 +m2r. (3.45)

�(3.45)����(3.43)������

L =1

2(m1 +m2)R

2 +1

2

m1m2

m1 +m2r2 − U(r) (3.46)

������R���������������������

∂L

∂R= (m1 +m2) R = m1r1 +m2r2

����������������� R = 0������(3.46)��� ���

m =m1m2

m1 +m2

, (3.47)

�����(3.46)��DZ

L =1

2mr2 − U(r) (3.48)

������� ���DZ����DZm������ U(r)���� ��

����� (r, ϕ)�����(3.48)���DZ

L =1

2m

(r2 + r2ϕ2

)− U(r). (3.49)

���� ϕ���������������������

M = mr2ϕ =�, (3.50)

��������������������������DZ�������

E =1

2m

(r2 + r2ϕ2

)+ U(r) =

1

2mr2 +

M2

2mr2+ U(r) =�. (3.51)

������������������������������������

�������������������������������������

���

E =1

2mv20 , (3.52)

� v0��������������������DZ

M = mρv0, (3.53)

Page 44: final - USTC

36 �������

� ��������

�������(3.51)������������

r =dr

dt= ±

√v20 − 2U(r)/m− ρ2v20/r

2. (3.54)

�������(3.50)��������DZ

dt=dϕ

dr

dr

dt=ρv0r2.

��������(3.54)����

dr=

mρv0/r2√

m2v20 − 2mU(r)−m2ρ2v20/r2. (3.55)

���(3.54)�(3.55)�����������������������������������U(r)DZ

U(r) = −Ze2

r, (3.56)

� Z �����������(3.56)����(3.55)������������ ρ⊥ = Ze2/mv20�Æ�����DZ

dr=

ρ/r2√1 + 2ρ⊥/r − (ρ/r)2

,

� r����

ϕ = arccosρ/r − ρ⊥/ρ√1 + ρ2⊥/ρ2

+ constant. (3.57)

DZ������������� f � ε�

f =ρ2

ρ⊥, ε =

√1 +

ρ2

ρ2⊥, (3.58)

����(3.57)������DZ �����(3.57)����DZ���

f

r= 1 + ε cosϕ. (3.59)

�����(3.54)������DZ

dr

dt= ±v0

√1 + 2

ρ⊥r

− ρ2

r2.

Page 45: final - USTC

3.4 ���������� 37

Ze

θs

� 3.1: ��������������θs��Æ������������� Æ�

���� r���

t =ρ⊥v0

∫(r/ρ⊥)d(r/ρ⊥)√(r/ρ⊥ + 1)2 − ε2

,

������ r/ρ⊥ + 1 = ε cosh ξ������������� τ0 = ρ⊥/v0��

��

t = τ0 (ε sinh ξ − ξ) ,

�������DZ �����������������������

r = ρ⊥ (ε cosh ξ − 1) , t = τ0 (ε sinh ξ − ξ) , (3.60a)

x = ρ⊥ (ε− cosh ξ) , y = ρ⊥√ε2 − 1 sinh ξ. (3.60b)

�����DZ����

ρ⊥ =Ze2

mv20, τ0 =

ρ⊥v0, ε =

√1 +

ρ2

ρ2⊥. (3.61)

�(3.1)��������������������� ����������Æ θs ����� ρ����������

������������������������ ���(3.1)� ������� x−� Æ� �DZ

tanϕin = limξ→−∞

y

x=

√ε2 − 1,

������ x−� Æ� �DZ

tanϕout = − limξ→+∞

y

x= −

√ε2 − 1.

Page 46: final - USTC

38 �������

��Æ θs���������� Æ�

θs = ϕout − ϕin.

������������ θs�

tanθs2

=1

tanϕin=ρ⊥ρ. (3.62)

������ ρ = ρ⊥ ����Æ �� 90◦������ ρ⊥ ����� 90◦���

�������������� ρ⊥ ����Æ�� θs ≈ ρ/ρ⊥ � 1������

����� �

�����������������������DZ

U(r) =e2

r,

���������������������������

r = ρ⊥ (ε cosh ξ + 1) , t = τ0 (ε sinh ξ + ξ) , (3.63a)

x = ρ⊥ (cosh ξ + ε) , y = ρ⊥√ε2 − 1 sinh ξ. (3.63b)

�������DZ

ρ⊥ =e2

mv20, τ0 =

ρ⊥v0, ε =

√1 +

ρ2

ρ2⊥. (3.64)

����� ��(3.62)��������

tanθs2

=ρ⊥ρ. (3.65)

������� σ ������������ �v0�������

��������������������Æ θs DZ����� dN ������

��Æ�� θs → θs + dθs���������n����������������

��������DZ

dσ =dN

n. (3.66)

���Æ θs ����� ρ���������������Æ�� θs → θs + dθs��

�������������� ρ(θs) → ρ(θs) + dρ(θs)������������Æ�

� θs → θs + dθs��������DZ dN = n2πρ(θs)dρ(θs)��������DZ

dσ = 2πρdρ. (3.67)

Page 47: final - USTC

3.5 �������������� 39

�����������������������������(3.65)����������� �����

dσ =

(Ze2

2mv20

)21

sin4(θs/2)2π sin θsdθs, (3.68)

��

dΩ=

(Ze2

2mv20

)21

sin4(θs/2). (3.69)

����������������������������

3.5 ��������������

��������������������������� ������

������������������������������������

�� ������������� �����������������

3.5.1 �������������

��������� �������������������������

�������DZ� ����� ���������DZ��������

��������� E��DZ x−�������DZ z−�������������� DZ

E = E0 cos(kz − ωt)ex, (3.70a)

B = E0 cos(kz − ωt)ey, (3.70b)

�� ω� k��DZ����������������(3.70)�������A�

��

A =cE0

ωsin(kz − ωt)ex. (3.71)

��������� kz − ωt���DZ���������(3.71)�DZ��������� η ≡ kz − ωt�

����(3.71)������������DZ

L = −mc2(1− v2/c2)1/2 +eE0

ωvx sin η. (3.72)

Page 48: final - USTC

40 �������

��������� x� y����������

P⊥ = p⊥ +e

cA = const. (3.73)

� P⊥���� x − y���� ����p⊥���� x − y���������DZ

���(3.72)������ kz − ωt = k(z − ct)���� z��� t������

�������

H − cPz = const. (3.74)

H = [m2c4 + c2(P− eA/c)2]1/2 = (m2c4 + c2p2)1/2,

��������� Pz = pz ��� z−�� ��������������������������������������������

ωt→ t, kr → r, p/mc→ p, H/mc2 → γ, eA/mc2 → A. (3.75)

������(3.73)�(3.74)���DZ

p⊥ +A = const, (3.76)

γ − pz = const. (3.77)

��������(3.76)�������DZ ����������� x− z����

���

px = −a sin η, py = 0, (3.78)

a =eE0

mωc(3.79)

�����������������(3.77)�������DZ (1+a2/2)1/2��

��

γ − pz = (1 + a2/2)1/2. (3.80)

��������� γ = (1 + p2x + p2z)1/2��������� pz�

pz = − a2 cos 2η

4(1 + a2/2)1/2. (3.81)

�����(3.80)���������������DZ�����������DZ �

Page 49: final - USTC

3.5 �������������� 41

z

x

a2

8(1+a2/2)

a√1+a2/2

k

E

� 3.2: ������������8�����(�����DZ0�����)�

���������

p = γdr

dt= γ

dr

dt= (pz − γ)

dr

dη.

(3.78)�(3.80)�(3.81)�� � �����

x = − a√1 + a2/2

cos η, (3.82a)

z =a2

8(1 + a2/2)sin 2η. (3.82b)

���(3.82)�������� ����������� �������������������������������������

�������������DZ“8” ����(3.2)��� a = 1���������

��������������������������v×B/c�����

��B�����DZ ω��������DZDZω��������������

���� 2������� a → ∞������DZ√2����DZ 1/4����

��DZ 4√2������ a → 0������� �DZ���� a/8 � 1���

����������������������������������

Page 50: final - USTC

42 �������

������������������������������������

���������������������������������DZ�

�������������������� ���������������

����������������� a��������������

����������� ���(3.70)������DZ I = (c/8π)E20������

� a�����������

a =

[Iλ20

1.37× 1018W/cm2 · μm2

]1/2, (3.83)

���� I ���DZW/cm2����� λ0���DZ μm�������������DZ 1μm���������� 1018W/cm2�������������

3.5.2 �������������

����DZ���������������������DZ��������

�� z��������������DZ

E = E0 (cos ηex + sin ηey) , (3.84a)

B = E0 (− sin ηex + cos ηey) , (3.84b)

��������A�DZ

A =cE0

ω(sin ηex − cos ηey) . (3.85)

��������������DZ

L = −mc2(1− v2/c2)1/2 +eE0

ω(vx sin η − vy cos η). (3.86)

����(3.86)����������

p⊥ +e

cA = const, (3.87a)

H − cPz = const. (3.87b)

��������(3.75)�������������������������������(3.87a)���������DZ ��������DZ

px = −a sin η, (3.88a)

py = a cos η. (3.88b)

Page 51: final - USTC

3.6 ������������ 43

�������������DZ������DZ ��������DZ

γ =√1 + a2. (3.89)

������������������

x = − a√1 + a2

cos η, y = − a√1 + a2

sin η, (3.90)

���DZ

r =a√

1 + a2. (3.91)

���������� a → ∞������������� r → λ0/2π������

�����������������������������������

�DZ

μ = eω

2π(πr2) =

ecλ04π

a2

1 + a2. (3.92)

������� μ → ecλ0/4π�

��������� ������������������������

������������������������������������

�DZ����������������������������������

�������������������������

3.6 ������������

3.6.1 �����������

����������������������E =const������� z−������������ φ�� DZ φ = −Ez��DZ����������A = 0�

��������DZ

L = −mc2√

1− v2

c2+ eEz. (3.93)

�DZ���� x� y��� x� y���������������������

px = p0x = const, py = py0 = const. (3.94)

���� �������������������������������

� x−������������ py0 = 0�

Page 52: final - USTC

44 �������

�DZ������(3.93)���������������DZ�������

H =√m2c4 + c2p2 − eEz = const. (3.95)

���������DZ ����

z =1

eE

√m2c4 + c2p2x0 + c2p2z =

1

eE

√E20 + c2p2z,

� E20 = m2c4 + c2p2x0������� z−��������—�������

z−�������pz =

∂L

∂z= eE,

��� pz = eEt��������DZ pz(t = 0) = 0������

z =1

eE

√E20 + c2e2E2t2. (3.96)

����������(3.12)������� x−��������

x =c2p0x√

E20 + c2e2E2t2

.

������� �� t = 0������ x− y����� ������

x =cp0xeE

arcsin h

(ceEt

E0

). (3.97)

��������DZ

z =E0eE

cosh

(eE

cp0xx

)

3.6.2 �����������

������������������������� z−�� B = Bez��

���������DZ

L = −mc2√1− v2/c2 +

e

cA · v. (3.98)

�����������������������

H =√m2c4 + c2p2 = E = const.

���������������������� �����������

��DZA = Bxey�DZ���DZA = −Byex���������DZA = Bxey����

��DZ

L = −mc2√1− v2/c2 +

e

cBxvy .

Page 53: final - USTC

3.6 ������������ 45

�� y� z���������

Py = py +e

cBx = const, Pz = pz = pz0 = const.

��������DZA = −Byex�������DZ

L = −mc2√1− v2/c2 − e

cByvx.

�� x� z���������

Px = px −e

cBy = const, Pz = pz = pz0 = const.

���������������DZ���������������������

�������

px −e

cBy = const, py +

e

cBx = const, pz = pz0 = const. (3.99a)√

m2c4 + c2p2 = E = const. (3.99b)

�����������������(3.99a)����

dx

dt=pxc

2

E = ωc(y − y0),dy

dt=pyc

2

E = −ωc(x− x0), (3.100)

ωc =ecB

E , (3.101)

�������� ��������(3.100)��DZ���������(3.39)���������DZ−eBy0/c� eBx0/c�� x0� y0����� ���(3.100)����DZ

d

dt[(x+ iy)− (x0 + iy0)] = −iωc [(x+ iy)− (x0 + iy0)] ,

����������

x+ iy = x0 + iy0 + ae−iωct,

� a��������������DZ a = rc exp(−iα + iπ/2)��� rc� α�DZ

��������

x+ iy = x0 + iy0 + irce−i(ωct+α),

������������������

x = x0 + rc sin(ωct+ α), y = y0 + rc cos(ωct+ α). (3.102)

Page 54: final - USTC

46 �������

�������DZ

vx = rcωc cos(ωct+ α), vy = −rcωc sin(ωct + α). (3.103)

��� ������ v⊥�

v2⊥ = v2x + v2y = r2cω2c , (3.104)

������DZ

vx = v⊥ cos(ωct+ α), vy = −v⊥ sin(ωct + α).

����� ������������� ���(3.104)����������� ����������������������������������

���

m =e

2cr× v, (3.105)

��������������

m = − v2⊥E2c2B

ez. (3.106)

���������������������� ������������

���������������������DZ ��

μ =v2⊥E2c2B

. (3.107)

�������� E ≈ mc2����� ���� ����� �����

W⊥�

μ ≈ mv2⊥2B

=W⊥B. (3.108)

3.6.3 ����������������������

��������������������������������� �

�������������������������� ���������

�������������DZ���������������������

������ z−����� y−������(3.32)��������DZ(������)

mx =e

cyB, my = eE − e

cxB, mz = 0. (3.109)

Page 55: final - USTC

3.6 ������������ 47

�����������

z = v�t. (3.110)

��� ��������������DZ

d

dt(x+ iy) + iωc(x+ iy) = i

e

mE,

� ωcDZ����������� ��� ωc = eB/mc�������DZ

x+ iy = ae−iωct +cE

B,

� a = v⊥ exp(−iα)��������� ��� αDZ ����

x = v⊥ cosωct +cE

B, y = −rc sinωct. (3.111)

��� � 2π/ωc��������

〈x〉 ≡ ωc

∫ 2π/ωc

0

xdt =cE

B, 〈y〉 = 0,

vE = 〈r〉 = cE×B

B2. (3.112)

���������������������� vE�����������

������� ����DZ ���������(3.111)���� �������������������DZ���������������������

���

v = vE + vc, (3.113)

� vc = (v⊥ cosωct,−v⊥ sinωct)������� ������ vc���

mdvc

dt=e

cvc ×B.

�����������������������������������

�����������DZ��������� vE/c � 1�����������

�������E

B� 1. (3.114)

���(3.111)��� �� t = 0������ ��������DZ

x =v⊥ωc

sinωct+cE

Bt, y =

v⊥ωc

(cosωct− 1). (3.115)

Page 56: final - USTC

48 �������

����(3.113)��������DZ����DZ����� ��������

r(t) = ξ(t) +R(t),

� ξ(t) = (v⊥/ωc)(sinωct, cosωct)��� ����� R(t) = (vEt,−v⊥/ωc)��

��������������������������� ����

�����

��� ������������������ DZ

r = R(t) + ρ(t),

v = v�b+ vE + v⊥c.

��

R(t) = v�b+ vEt+ v⊥c,

ρ(t) =v⊥ωc

a,

�����������������������������������

������� ������ �������������������

� �����DZ���������� ���� ����������

���������������������

��(3.112)����������������������������������������������������������������

���1�������������������������������

������������������K �K ′� K ′��K x−��� V �

�������������������DZ

Ex = E ′x, Ey =

E ′y + V B′

z/c√1− V 2/c2

, Ez =E ′

z − V B′y/c√

1− V 2/c2,

1����������������������DZ

Fμν =∂Aν

∂xμ− ∂Aμ

∂xν,

�� Aμ DZ���������� φ��� A���DZ Aμ = (φ,A)���������������

DZ

Fμν =

⎛⎜⎜⎜⎜⎝

0 Ex Ey Ez

−Ex 0 −Bz By

−Ey Bz 0 −Bx

−Ez −By Bx 0

⎞⎟⎟⎟⎟⎠ , Fμν =

⎛⎜⎜⎜⎜⎝

0 −Ex −Ey −Ez

Ex 0 −Bz By

Ey Bz 0 −Bx

Ez −By Bx 0

⎞⎟⎟⎟⎟⎠ .

���������������������������

Page 57: final - USTC

3.6 ������������ 49

Bx = B′x, By =

B′y − V E ′

z/c√1− V 2/c2

, Bz =B′

z + V E ′y/c√

1− V 2/c2.

����K �������DZB = Bez� E = Eey� E/B < 1���������

�� ������ V = (E/B)c�����K ′�����DZ

E′ = 0, B′ =√1− E2/B2B.

�������K ′�����������������K ′������ ���

���������K ′�������������������������

��K �������������������� �����������

������������������������������������

����������������

x

z

y

x’

y’

z’

B

E

B’

V

� 3.3: �� ���� ���������������

�����K ���������� �����������������

������K ′������������������������� ��

�����������������������������2�������

�����������������

2������������������������

B2 − E2 = invariance, E ·B = invariance.

���������������������������������������������

������������������������DZ�����

Page 58: final - USTC

50 �������

3.6.4 ���������������������

����������������������� ���������

��������� y−���� z−�����������������

φ = −Ey, A = −Byex. (3.116)

��������DZ

L = −mc2√

1− v2/c2 +e

cA · v − eφ

= −mc2√

1− v2/c2 − e

cByvx + eEy. (3.117)

���(3.117)����� x� z������������������

Px = px −e

cBy = const, (3.118a)

Pz = pz = const, (3.118b)

H =√m2c4 + c2[P− (e/c)A]2 − eEy = const. (3.118c)

DZ������������� ��� t = 0������ �������

���(3.118)�DZ

px =eB

cy, c2p2x + c2p2y = 2mc2eEy + e2E2y2. (3.119)

DZ�������������������������������

px,ymc

→ px,y,x, y

c/(ωc)→ x, y, ωct→ t. (3.120)

� ωc = eB/mc�����(3.119)��DZ

px = y, p2x + p2y = 2E

By +

E2

B2y2,

���������� DZ�� y����

px = y, py =√

2βy − (1− β2)y2. (3.121)

� β = E/B��������������

x =px√

1 + p2x + p2y, y =

py√1 + p2x + p2y

.

Page 59: final - USTC

3.6 ������������ 51

���������(3.121)� DZ�� y�����

x =y

1 + βy, y =

√2βy − (1− β2)y2

1 + βy. (3.122)

���(3.121)�(3.122)��� x��� t���� DZ�� y������(3.121)�(3.122)����������� �������������

� β = 1�����

px = y, py =√

2y, x =y

1 + y, y =

√2y

1 + y.

����������

px = y, py =√2y, x =

√2y

3y, t =

√2y

3(y + 3).

���� y��� t����������������DZ������������

��DZ

y = [3√2x/2]2/3.

� β < 1�����

px = y, py =√

2βy − (1− β2)y2,

x =βπ

2(1− β2)3/2−

√2βy − (1− β2)y2

(1− β2)− β

(1− β2)3/2arcsin

β − (1− β2)y

β,

t =π

2(1− β2)3/2− β

√2βy − (1− β2)y2

(1− β2)− 1

(1− β2)3/2arcsin

β − (1− β2)y

β.

������DZ(x− βt)2

β2/(1− β2)+

[y − β/(1− β2)]2

β2/(1− β2)2= 1.

������������� ���� ��� x−���DZ β/(1 − β2)1/2�

���� y−���DZ β/(1 − β2)����������� ��DZ����

���DZ [βt, β/(1 − β2)]����� x−���������DZ β������

��

� β > 1�����

px = y, py =√

2βy + (β2 − 1)y2,

Page 60: final - USTC

52 �������

x =− β

(β2 − 1)3/2ln

[β + (β2 − 1)y] + (β2 − 1)1/2[2βy + (β2 − 1)y2]1/2

β

+

√2βy + (β2 − 1)y2

(β2 − 1),

t =− 1

(β2 − 1)3/2ln

[β + (β2 − 1)y] + (β2 − 1)1/2[2βy + (β2 − 1)y2]1/2

β

+β[2βy + (β2 − 1)y2]1/2

β2 − 1.

������DZ[y + β/(β2 − 1)]2

β2/(β2 − 1)2− (x− βt)2

β2/(β2 − 1)= 1.

�������� ���� y � 1��������� � x ∼ y/(β2 −1)1/2�

����������������E/B � 1�������������

�������������������������E/B � 1�����

3.6.5 ������������������

���������� ������������������������

�������� ���������������������������

DZ��������������������

��������������������� F������������

F��� ���������DZ

md2r

dt2=e

cv×B+ F. (3.123)

����������DZ����� �� vc�������� vF�

v = vc + vF, (3.124)

�(3.124)������(3.123)��

mvc =e

cvc ×B+

e

cvF ×B+ F.

�� ������� mvc = (e/c)vc ×B���������������

DZ �e

cvF ×B+ F = 0.

Page 61: final - USTC

3.7 ���� 53

�������B������������� vF�

vF =cF×B

eB2. (3.125)

������������������������������������

������������� ���������������������

������DZ

j =∑α

nαeαvFα =c(∑

α nαFα)×B

B2, (3.126)

� α� ����������������������� Fα = mαg����DZ

����������DZ

jg = cρg ×B

B2, (3.127)

� �������������������������������

���������

3.7 ����

���������������������������������

������������������������������DZ�����

�����������������������������������

����������

�� ������������

dz

dt= f(z, t, θ). (3.128)

��� f ��� θ�������DZ 2π�

dt=

1

ε, (3.129)

� ε� 1����Æ��������(3.128)�������������������������DZ����DZ������������

������ ��� t� θ�DZ�������� ����������

���

z(t, θ) = Z(t) + εξ(Z, t, θ), (3.130)

Page 62: final - USTC

54 �������

� Z(t)�����������ξ(Z, t, θ)� θ���������������

����� ��DZ �

〈ξ(Z, t, θ)〉 ≡ 1

∮ξ(Z, t, θ)dθ = 0.

�(3.130)����(3.128)��

dZ

dt+ ε

dZ

dt· ∇ξ + ε

∂ξ

∂t+∂ξ

∂θ= f(z, t, θ). (3.131)

����(3.131)������� ε��������������DZ��� ε

����

ξ = ξ0(Z, t, θ) + εξ1(Z, t, θ) + ε2ξ2(Z, t, θ) + · · · , (3.132a)dZ

dt= F0(Z, t) + εF1(Z, t) + ε2F2(Z, t) + · · · . (3.132b)

���(3.130)�(3.132a)����(3.131)����

dZ

dt+∂ξ0∂θ

+ ε

[dZ

dt· ∇ξ0 +

∂ξ0∂t

+∂ξ1∂θ

]+ · · · = f(z, t, θ). (3.133)

��(3.132b)����(3.133)�� ��������������

F0(Z, t) +∂ξ0∂θ

+ ε

[F1(Z, t) + F0 · ∇ξ0 +

∂ξ0∂t

+∂ξ1∂θ

]= f(Z, t, θ) + ε(ξ0 · ∇)f . (3.134)

� ��(3.134)��� ������

F0(Z, t) +∂ξ0∂θ

= f(Z, t, θ). (3.135)

������ ��������������������� ���

F0(Z, t) = 〈f(Z, t, θ)〉, (3.136a)

ξ0(Z, t, θ) =

∫ θ

0

[f(Z, t, θ′)− 〈f〉]dθ′. (3.136b)

� ��(3.134)����������

F1(Z, t) + F0 · ∇ξ0 +∂ξ0∂t

+∂ξ1∂θ

= (ξ0 · ∇)f (3.137)

����� ������������������ ��

F1(Z, t) = 〈(ξ0 · ∇)f〉. (3.138)

�����������������(�� ��)�

dZ

dt= 〈f(Z, t, θ)〉 + ε〈(ξ0 · ∇)f〉+O(ε2). (3.139)

Page 63: final - USTC

3.8 ���� 55

3.8 ����

�����������������������������������

���������������������������������DZ��

���������������

���������������DZλ0a/2π����������a� 1��

����������������������������������

�����������������������������������

��

������DZ

E = E0(r) cos θ,

� E0(r)�����������������������������

dt=ω

ε,

� ω ��������ε����Æ���������������∇ × E =

(1/c)∂B/∂t�������DZ

B = −ε cω(∇× E0) sin θ.

��������DZ

dv

dt=

e

εm

[E0(r) cosωt− ε

1

ωv× (∇× E0(r)) sinωt

]. (3.140)

����������DZ������������DZ��������

������������������DZ�������������DZ��

����

dr

dt= v, (3.141a)

dv

dt=

e

εm

[E0 cos θ − ε

1

ωv× (∇× E0) sin θ

]. (3.141b)

����������DZ�����������

r = R+ εξ1(R,U, t, θ) + ε2ξ2(R,U, t, θ) + · · · ,

v = U+ u0(R,U, t, θ) + εu1(R,U, t, θ) + · · · ,

Page 64: final - USTC

56 �������

������(3.141)���DZ

dR

dt+ ε

dR

dt· ∂ξ1∂R

+ εdU

dt· ∂ξ1∂U

+ ε∂ξ1∂t

+ εdθ

dt

∂ξ1∂θ

+O(ε2) = U+ u0 +O(ε1), (3.142)

dU

dt+dR

dt· ∂u0

∂R+dU

dt· ∂u0

∂U+∂u0

∂t+dθ

dt

∂u0

∂θ+O(ε1)

=e

εmE0(R) cos θ +

e

m

[ξ1 · ∇E0 cos θ −

1

ωu0 × (∇×E0) sin θ −

1

ωU× (∇×E0) sin θ

]+O(ε1),

(3.143)

�������DZ���

dR

dt= U0(R,U, t) + εU1(R,U, t) +O(ε2),

dU

dt= A0(R,U, t) + εA1(R,U, t) +O(ε2),

�������(3.142)�(3.143)��

U0 + ω∂ξ1∂θ

+O(ε1) = U + u0 +O(ε1), (3.144)

A0 +U0 ·∂u0

∂R+A0 ·

∂u0

∂U+∂u0

∂t+ω

ε

∂u0

∂θ+ ω

∂u1

∂θ+O(ε1)

=e

εmE0(R) cos θ +

e

m

[ξ1 · ∇E0 cos θ −

1

ωu0 × (∇×E0) sin θ −

1

ωU× (∇×E0) sin θ

]+O(ε1),

(3.145)

� ��(3.144)�ε0���������

U0 + ω∂ξ1∂θ

= U + u0, (3.146)

�������� ���������������

U0 = U. (3.147)

��������

ω∂ξ1∂θ

= u0 (3.148)

� ��(3.145)�ε−1�������

ω∂u0

∂θ=

e

mE0 cos θ, (3.149)

Page 65: final - USTC

3.8 ���� 57

� ��(3.145)�ε0�������

A0 +U0 ·∂u0

∂R+A0 ·

∂u0

∂U+∂u0

∂t+ ω

∂u1

∂θ

=e

m

[ξ1 · ∇E0 cos θ −

1

ωu0 × (∇× E0) sin θ −

1

ωU× (∇× E0) sin θ

](3.150)

���(3.150)����� �������

A0 =e

m

[〈cos θξ1〉 · ∇E0 −

1

ω〈u0 sin θ〉 × ∇ ×B0

], (3.151)

����(3.149)� ���� 〈u0〉 = 0��

u0 =e

mωE0 sin θ. (3.152)

������(3.148)������ ����〈ξ1〉 = 0��

ξ1 = − e

mω2E0 cos θ. (3.153)

���(3.152)�(3.153)����(3.151)��������������

A0 = − e2

2m2ω2E0 · ∇E0 −

e2

2m2ω2E0 × (∇× E0)

= − e2

4m2ω2∇E2

0 .

���������

Fp = − e2

4mω2∇E2

0 , (3.154)

��������������DZ

md2R

dt2= Fp.

���������� I = cE20/8��������������� ��

Fp = − 2πe2

mcω2∇I = − e2λ2

2πmc3∇I. (3.155)

������������������� ���� �����������

����������� �������������������������

��������������������������������������

���������

Page 66: final - USTC

58 �������

3.9 ���������������

�������������������������� �������

���������������������������������

�������������������������������

�����������DZ ����������������������

�������������������������������� �

������ �������—������������DZ����

� 3.4: ������������

3.9.1 ��������

��������������������������� �

����������������������������������

�������������∣∣∣∣v⊥ωc

∇B

∣∣∣∣ � B,

∣∣∣∣ v�ωc

∇B

∣∣∣∣ � B,

� v⊥� v���� ��������ωc�������� ����

��������|(v⊥/ωc)∇B|

B,|(v‖/ωc)∇B|

B.

��DZ����������DZ����������������������

��DZ�����DZ ����

ε ∼ E

B.

������ ∣∣∣∣ ∂B

Bωc∂t

∣∣∣∣ ∼ ε2.

����������������� �� ���

Page 67: final - USTC

3.9 ��������������� 59

������������DZ

d2r

dt2=

e

mE(r, t) +

1

ε

e

mc

dr

dt×B(r, t). (3.156)

� ε���������������Æ������������������

�������������� ε = 1�DZ�����������������

����������DZ��������������(3.156)�����DZ�������

dr

dt= v, (3.157a)

dv

dt=

e

mE(r, t) +

1

εωcv × n0(r, t). (3.157b)

� ωc = eB/mc�n0 = B/B ��������������� r�������

����� DZ����

v = v�n0 + v⊥(n1 cos θ + n2 sin θ), (3.158)

� θ������� Æ�n1,2�� ������ �������

ni · nj =

{1, when i = j,

0, when i = j., n0 · (n1 × n2) = 1.

���� v���(3.158)����(3.157b)������ �� n0� n1 cos θ +

n2 sin θ��� −n1 sin θ + n2 cos θ���������� n0� n1�� n2 ��� ��

�������

dr

dt= v�n0 + v⊥(n1 cos θ + n2 sin θ), (3.159a)

dv�dt

=e

mE · n0 + v⊥n0·(n1 cos θ + n2 sin θ), (3.159b)

dv⊥dt

= (e

mE− v�n0) · (n1 cos θ + n2 sin θ), (3.159c)

dt= −1

εωc + n1 · n2 +

1

v⊥

( emE− v�n0

)· (−n1 sin θ + n2 cos θ) (3.159d)

����������DZ

ni =∂ni

∂t+ v�(n0 · ∇)ni + v⊥ {cos θ(n1 · ∇)ni + sin θ(n2 · ∇)ni} , (i = 0, 1, 2).

Page 68: final - USTC

60 �������

�����������(3.159)���������

dr

dt= v�n0 + v⊥(n1 cos θ + n2 sin θ), (3.160a)

dv�dt

= a0 + a1 cos θ + a2 sin θ + a3 cos 2θ + a4 sin 2θ, (3.160b)

dv⊥dt

= b0 + b1 cos θ + b2 sin θ + b3 cos 2θ + b4 sin 2θ, (3.160c)

dt= −1

εωc + c0 − c1 sin θ + c2 cos θ − c3 sin 2θ + c4 cos 2θ. (3.160d)

���(3.160)������DZ

a0 =e

mE · n0 +

v2⊥2∇ · n0,

a1 = v⊥

(∂n0

∂t+ v�T

)· n1, a2 = v⊥

(∂n0

∂t+ v�T

)· n2,

a3 =v2⊥2(T110 − T220), a4 =

v2⊥2(T120 + T210) (3.161)

b0 = −v�v⊥2

∇ · n0,

b1 =

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n1,

b2 =

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n2,

b3 = −v�v⊥2

(T110 − T220), b4 = −v�v⊥2

(T120 + T210) (3.162)

c0 = n1 ·∂n2

∂t+ v�T102 −

v�2(T210 − T120),

c1 =1

v⊥

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n1 − v⊥T122,

c2 =1

v⊥

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n2 − v⊥T211,

c3 = −v�2(T110 − T220), c4 = −v�

2(T210 + T120). (3.163)

����� ai� bi� ci � v⊥� v�� r�� t�����DZ����������

Tijk = ni · (nj · ∇)nk, i, j, k = 0, 1, 2, (3.164a)

T = (n0 · ∇)n0. (3.164b)

Page 69: final - USTC

3.9 ��������������� 61

����������T���� ����������� ���

���� ni��� ���������� Tijk ����

Tijk + Tjik = 0, T · n0 = 0,

T110 + T220 = ∇ · n0.

��������(3.160)�������

r = R+ ερ1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ρ2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.165a)

v� = U� + εξ�1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξ�2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.165b)

v⊥ = U⊥ + εξ⊥1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξ⊥2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.165c)

θ = Θ+ εξθ1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξθ2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.165d)

dR

dt= U0(R, U�, U⊥, t) + εU1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.166a)

dU�

dt= A�0(R, U�, U⊥, t) + εA�1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.166b)

dU⊥dt

= A⊥0(R, U�, U⊥, t) + εA⊥1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.166c)

dt= −1

εΩ−1(R, U�, U⊥, t) + Ω0(R, U�, U⊥, t) + · · · . (3.166d)

������ ρ� ξ��� Θ���DZ �

���(3.165)�(3.166)����(3.160)�����������(�������)�����������DZ

U0 = U�n0, (3.167)

A�0 = a0(R, U�, U⊥, t) =e

mE · n0 +

U2⊥2∇ · n0, (3.168)

A⊥0 = b0(R, U�, U⊥, t) = −U�U⊥2

∇ · n0, (3.169)

Ω−1 = ωc, (3.170)

Page 70: final - USTC

62 �������

���������DZ

ρ1 = −U⊥ωc

(n1 sin Θ− n2 cosΘ), (3.171a)

ξ�1 = − 1

ωc

(a1 sin Θ− a2 cosΘ +

a32sin 2Θ− a4

2cos 2Θ

), (3.171b)

ξ⊥1 = − 1

ωc

(b1 sinΘ− b2 cosΘ +

b32sin 2Θ− b4

2cos 2Θ

), (3.171c)

ξθ1 =

(U⊥ω2c

n1 · ∇ωc −c1ωc

)cosΘ +

(U⊥ω2c

n2 · ∇ωc −c2ωc

)sinΘ (3.171d)

− 1

2ωc(c3 cos 2Θ + c4 sin 2Θ).

��������DZ

U1 =U2⊥

2ωc

(n0 · ∇ × n0)n0 +1

ωc

(eE

m− U2

⊥2ωc

∇ωc − U2�T

)× n0, (3.172)

A�1 =U�

2ωc

n0 ·[2e

mT× E− U2

⊥ωc

T×∇ωc − U2⊥∇×T

], (3.173)

A⊥1 =U⊥2ωc

n0 ·{

1

ωc∇ωc ×

(eE

m− U2

�T

)−∇×

(eE

m− U2

�T

)+eE

m[n0 · (∇× n0)]

}

(3.174)

���������������DZ

U� +U2⊥

2ωc(n0 · ∇ × n0),

�������DZ������� ��� U� � ����������

�DZ�

U⊥ − U⊥U�

2ωc(n0 · ∇ × n0),

DZ��� U⊥� �������������

dR

dt= U�n0 +

1

ωc

(e

mE− U2

⊥2ωc

∇ωc − U2�T

)× n0, (3.175a)

dU�

dt= n0 ·

(e

mE−U2

⊥2ωc

∇ωc

)− U�

2ωcn0 ·

[(2eE

m− U2

⊥ωc

∇ωc

)×T

], (3.175b)

dU⊥dt

=U�U⊥2ωc

n0 · ∇ωc −U⊥2ωc

n0 ·[U2�

ωc

∇ωc ×T− ∇ωc

ωc

× eE

m+

e

m∇× E

]. (3.175c)

Page 71: final - USTC

3.9 ��������������� 63

3.9.2 ��������������

����������������������������������

�DZ

d2R

dt2+d2ξ

dt2= e

[E(R) + (ξ · ∇)E+

1

2(ξξ : ∇∇)E

]+e

c

(vD + ξ

)×B. (3.176)

����������� ������������������

���������DZ �������� ������������

�������

0 = eE+e

2〈(ξξ : ∇∇)〉E+

e

cvD ×B. (3.177)

��(3.177)��������� ����������

〈(ξξ : ∇∇)〉E =r2c2

(∂2

∂x2+

∂2

∂y2

)E =

1

2∇2

⊥E,

�∇⊥� �������� �������� ������������

������DZ

R =

(1 +

r2c4∇2

)E×B

B2. (3.178)

������������������

������������������ �� �� (rc/LE)2�����

������������������������������ ��

(rc/LB)�

3.9.3 ������DZ

���������������������������������

�������������������������������������

�������

�������DZdv

dt=

e

m

[E(t) +

1

cv ×B

].

��� v = v′ + vE = v′ + cE(t)×B/B2�DZ�� ���������E� = 0��

dv′

dt=

e

mcv′ ×B− dvE

dt,

Page 72: final - USTC

64 �������

����DZ�������������−mdvE/dt�������������

��DZ

vP = − mc

eB2

dvE

dt×B =

c2m

eB2

dE⊥dt

. (3.179)

��������������������������������

����DZ����������������������������

jP =∑α

eαnαvPα =ρc2

B2

dE⊥dt

, (3.180)

� ρDZ��������

������������� �������DZ����������

��������Æ��DZ ω���������

P = ij

ω=ρc2

B2E⊥,

��������D�������DZ

D = E+ 4πP = εE,

� ������������� ����������������

������DZ�

ε = 1 +4πρc2

B2. (3.181)

3.10 ���������

�������DZ���������������������������

�������������������������������������

���������������������������� ����

3.10.1 ��

����������������������������������

����������DZ��������������������

Page 73: final - USTC

3.10 ��������� 65

���������

�����������������������������������

�������������DZ

mdv

dt= e

[E+

1

cv ×B(t)

].

���������� ����������������������

�DZ���������������������DZ

dW⊥dt

= eE · v = eE · v⊥.

�DZ�������

dW⊥ = eE · dr⊥.

�� ���������DZ

ΔW⊥ =

∫ 2π/ωc

0

eE · dr⊥ ≈ e

∮E · dr⊥

= e

∫(∇×E) · df = −e

c

∫∂B

∂t· df

=eπr2cc

dB

dt,

������������������������� ��������

����������DZ�������������������DZ

dW⊥dt

≈ ΔW⊥2π/ωc

= μdB

dt. (3.182)

���������������DZ

W⊥ =mv2⊥2

= μB,

������������

dW⊥dt

= Bdμ

dt+ μ

dB

dt. (3.183)

���(3.182)��� �����dμ

dt= 0.

������������������ �������

Page 74: final - USTC

66 �������

���������

�������������������������(3.175b)����� ������DZ

md2s

dt2= −μ∂B

∂s. (3.184)

�������� ����DZ v� = ds/dt����(3.184)����� ds/dt�

��������� �������������

d

dt

(1

2mv2

)= m

d2s

dt2ds

dt= −μ∂B

∂s

ds

dt= −μdB

dt. (3.185)

��� �������������DZ

d

dt

(1

2mv2⊥

)=

d

dt(μB) = μ

dB

dt+B

dt. (3.186)

�DZ����������������������������

d

dt

(1

2mv2

�+

1

2mv2⊥

)= 0 (3.187)

����������(3.185)�(3.186)��(3.187)����

dt= 0.

������������������ ��DZ�����

�����������

��������������������DZ������������

����������������������������� ���DZ

������ ������������������ T� ���

�����

Tdλ/dt� λ.

�������DZ

H = H(p, q;λ). (3.188)

�������� λDZ�����

dEdt

=∂H

∂t=∂H

∂λ

dt. (3.189)

Page 75: final - USTC

3.10 ��������� 67

���������������⟨dEdt

⟩≈ dλ

dt

⟨∂H

∂λ

⟩=dλ

dt

1

T

∫ T

0

∂H

∂λdt. (3.190)

���� λ������������������ dλ/dt���

� ��� q = ∂H/∂p���������� DZ

T =

∫ T

0

dt =

∮dq

∂H/∂p.

����(3.190)���DZ⟨dEdt

⟩=dλ

dt

∮dq(∂H/∂λ)/(∂H/∂p)∮

dq/(∂H/∂p). (3.191)

������������������ λ DZ�������DZ����

����������������DZ������� p = p(q; E , λ)������E = H [q, p(q; E , λ);λ]����� λ������

∂H

∂λ+∂H

∂p

∂p

∂λ= 0,

�(∂H/∂λ)

(∂H/∂p)= −∂p

∂λ. (3.192)

��� E = H [q, p(q; E , λ);λ]��� E ������∂H

∂p

∂p

∂E = 1,

�1

(∂H/∂p)=∂p

∂E (3.193)

�(3.192)�(3.193)��(3.191)������⟨dEdt

⟩= −dλ

dt

∮dq(∂p/∂λ)∮dq(∂p/∂E) .

��������∮ (∂p

∂E

⟨dEdt

⟩+∂p

∂λ

dt

)dq =

d

dt

∮p(q; E , λ)dq = 0.

����������DZ���

dI

dt= 0,

I =

∮p(q; E , λ)dq/2π. (3.194)

Page 76: final - USTC

68 �������

3.10.2 ��

��������� �������������������������

���� ����������� ����������������DZ�

��

� 3.5: ��������

����������������������� E = W� + μB������

z0�����

E − μB(z = 0) = 0,

��������� ��������������� z−������������� −z0�DZ�������������� ������� z = 0���DZW0�

���� v�0� ���������� �������� �����

������������ �����DZ

W�0 +W⊥0 = W⊥(z = z0) (3.195)

� z0 ∈ {z|B(z) � Bmax}��������� ������ ���

W�0 + μBmin = μB � μBmax.

�����W⊥0

W�0 +W⊥0� μBmin

μBmax=Bmin

Bmax,

��v2⊥0

v2�0 + v2⊥0

� Bmin

Bmax

. (3.196)

����Æ�Æ θ0�

θ0 = arctanv⊥0

v�0, (3.197)

Page 77: final - USTC

3.10 ��������� 69

v⊥

v�

���

���θc

� 3.6: ������������� �������� ���� θ < θc

�θ > π − θc ���������������������

���� η�

η =Bmax

Bmin. (3.198)

��������Æ�Æ�����Æ θc������ �

θ0 > θc = arcsin

√1

η. (3.199)

��������������������������������

������������������ ��DZ������������

�������� �������������DZ

f =1

∫ π−θc

θc

sin θdθ

∫ 2π

0

dϕ =

√1− 1

η. (3.200)

3.10.3 ����

��������������� ���������� ���������

������

J = J(E , s, t) =∮v�ds = 2

∫ s

s1

v�ds, (3.201)

Page 78: final - USTC

70 �������

� ds��� � � s1,2������ ��� ����������

����������DZ������������������

τbτB

� 1,

�� τb DZ��������������� τB ����������Æ���

�� J ��������������

����� E = mv2�/2 + μB����

v� = ±√

2

m(E − μB).

����� J ��DZ

J = J(E , s, t) =∫ s

s1

√2

m(E − μB)ds. (3.202)

��� t��

dJ

dt=

(∂J

∂t

)E,s

+

(∂J

∂E

)s,t

dEdt

+

(∂J

∂s

)E,t

ds

dt

= −∫ s

s1

m

∂B

∂t

)ds√

2(E − μB)/m

+

(v�v� +

μ

m

∂B

∂t+μ

mv�∂B

∂s

)∫ s

s1

ds√2(E − μB)/m

+ v�

√2

m(E − μB)− v�

∫ s

s1

μ

m

∂B

∂s

ds√2(E − μB)/m

,

��� �� v� = 0���

dJ

dt= −

∫ s

s1

m

∂B

∂t

)ds√

2(E − μB)/m+μ

m

∂B

∂t

∫ s

s1

ds√2(E − μB)/m

= −∫ s

s1

m

∂B

∂t

)ds

v�+μ

m

∂B

∂t

∫ s

s1

ds

v�

= −∫ τb

0

μ

m

∂B

∂tdt+

μ

m

∂B

∂t

∫ τb

0

dt

= − μ

m

[B(τb)− B(0)− τb

∂B

∂t

]

∼ O(τb/τB)2.

���������������� τb ����� ������� J �

������������������������

Page 79: final - USTC

3.10 ��������� 71

�������������������������������

�������������������� �������� �����

������ ����������� �����������������

�� �������� �����������������������

����������� ����� ������� v� =√

2(W − μB)/m

�� � ��������������������������� ��

���� �������� L1�� L2��� B(L2) < B(L1)�������W

��(����������)�� ������� v�(L2) > v�(L1)���DZ��

L2������ L1������

J(L2) =

∮L2

v�ds >

∮L1

v�ds = J(L1),

��� J �������� J ����������������������

��� ���

�DZ J ��������������������������������

����������� J �����������

v�L = v′�L′.

�������������

v′�=L

L′v� > v�.

�����������������������������

3.10.4 �����

��������� �������������������������

������������������������������������

����������������DZ���������

Φ =

∫B · df .

DZ�� Φ��������� ��� (α, β, s)������ α(r, t)�

β(r, t)���� ���������� ������DZ�� s��� ��

��� α� β�������

A = α∇β, B = ∇α×∇β.

Page 80: final - USTC

72 �������

��� Φ� μ� J������ E ���� t������ μ� J ���������

��� E � t����

Φ(E , t) =∮

A · dl =∮α∇β · dl =

∮αdβ.

���������DZ

dt=∂Φ

∂E 〈E〉� +∂Φ(E , t)∂t

,

� 〈E〉�� ������������ � ����������

∂Φ

∂E =

∮∂α

∂E dβ =1

e

∮dβ

〈β〉=τpe

∂Φ

∂t=

∮∂α

∂tdβ = −1

e

∮ 〈E〉�〈β〉

dβ = −τpe〈〈E〉�〉p

� τp������������� 〈〈E〉�〉p���������������������

dt=τpe

[〈W 〉� − 〈〈W 〉�〉p

].

�� dΦ/dt�DZ ����������������DZ ��

⟨dΦ

dt

⟩p

= 0.

3.11 �������������

� ���� � ��������� ��������������

���������

3.11.1 ��������������

����� ��������� �������������������

�����

2πRBt =4π

cI0,

� I0�� ��������������DZ

Bt(R) =2I0cR

. (3.203)

Page 81: final - USTC

3.11 ������������� 73

z

R⊕�

⊗Bt

∇Bt

(a) z

R⊕ ⊕ ⊕

� � �E

⊗Bt

∇Bt

(b)

E × B

� 3.7: ����������� ����(a) ������� ��������(b) ����������������������

��������������������DZ

vD =c

eBtR(W⊥ + 2W�)n× b =

c

e(2I0/c)(W⊥ + 2W�) ez.

��(3.7)� �� ������������������������������������������������������������

����������������������������������

���������DZ�������������������� ���

3.11.2 ���������������

��������

� ������������������Bt�������

������Bp������ ������������������

����DZ��������

Bp =2I(r)

cr=

cr

∫ r

0

jϕ(r)rdr, (3.204)

� jϕ(r)������������������� ����DZ

B = Btet +Bpep =B0R0

Ret +Bpep.

�������������R = R0 + r cos θ�� θ�������Æ� R0�

������� ���� r/R0 � 1�������

B = B0

(1− r

R0cos θ

)et +Bp(r)ep. (3.205)

Page 82: final - USTC

74 �������

j

Bp Bt

� 3.8: � ������ ��������������������������Bt������������������Bp��������

������ ��������

�������������� �������� ��������

����� ��������������������!������

�������������������� ����������DZ���

���� �����������������������ÆDZΔθ��

Δθ =2nπ

m,

� n�mDZ ������� ��m��� ������ ���� ��

������� �����!�������� ������������!��

�������Δθ������ �� �DZ���� � ��DZ����

����ÆΔθ���������

ι = limN→∞

1

N

N∑i=1

Δθi (3.206)

�� ��������� r/R0 � 1���

ι ≈∫ 2πR0

0

dzdz ≈ 2π

R0Bp

rBt

����������

�������� ������DZ�������� �����

��� ��������� ���������� �����������

Page 83: final - USTC

3.11 ������������� 75

�������������������������������������

�������������������������� �����

������ ����������������� ���������

�������������������

������ 1/R� ������ ��������� �����

������ �������� ��������������������

��������������� ������������� �����

� ���� ������������� ���������DZ��

����� ������������DZ������������������

�������DZ����������DZ�����������������

�������������������������DZ�����DZ�����

���������DZ����)�

� ����DZ

η =Bmax

Bmin

=R0 + r

R0 − r,

� R0�� ����� r�����������������

v2⊥0

v2�0 + v2⊥0

� Bmin

Bmax

���

v�0v⊥0

�√

2r

R0 − r.

�������ÆDZ

θc = arcsin

√R0 − r

R0 + r.

���������������������� ����������

DZ

ftrap =

√2r

R0 + r. (3.207)

����

�������������� ����������������

����DZ

ω ≈ ιv�

2πR0

=Bp

Bt

v�r. (3.208)

Page 84: final - USTC

76 �������

z

R{

d

������

��

� 3.9: �������������DZ������������������������������� d�

������ �������������� z−����DZ

vD =c(2W� +W⊥)

eRBt

≈ 2cW�

eRBt

.

������������������DZ

dR

dt= ωz,

dz

dt= −ω(R− Rc) + vD,

� Rc������������������������DZ

(R− Rc − vD/ω)2 + z2 = const. (3.209)

������������������DZ

d =vDω

≈ r

R

v�ωcp

, (3.210)

� ωcp = eBp/mc��(3.9)���������������������� ��

����

������������ ������������ ���DZ

dB/ds��������� DZ

B ≈ B0

(1− r

R0cos θ

),

Page 85: final - USTC

3.11 ������������� 77

�� ������� θ � 1������

dB

ds≈ rB0

R0

d(θ2/2)

ds. (3.211)

������� ���DZ

rdθ/ds = Bp/B (3.212)

����(3.211)�(3.212)���������

θ = (Bp/rB)s. (3.213)

�(3.212)�(3.213)��(3.211)��

dB

ds=

(Bp

rB

)2rB0

R0s ≈

(Bp

rB0

)2rB0

R0s. (3.214)

���� �����DZ

d2s

dt2= − μ

m

dB

ds.

���(3.214)�����

d2s

dt2= −

(v⊥Bp

rB0

)2 (r

2R0

)s.

� ωb = (v⊥Bp/rB0)(r/2R0)1/2��� ωb���������� ���������

d2s

dt2= −ω2

bs.

������DZ

s = sb sinωbt.

�����(3.213)� θ ∝ s���

θ = θb sinωbt. (3.215)

�� θb�����������Æ���������

B(θb)

B(0)= 1 +

(v�0v⊥0

)2

(3.216)

Page 86: final - USTC

78 �������

�����

θb =v�0v⊥0

(2R0

r

)1/2

.

�������������������� �������� v⊥ � v��

����DZ

vD =cW⊥eRBt

,

�����������DZ

dr

dt= vD sin θ ≈ vDθ, (3.217)

��Æ���(3.215)����DZdθ

dt= ωbθb cosωbt = ωbθb

√1− (θ/θb)2. (3.218)

���(3.217)�(3.218)����dr

dθ=

vDωbθb

θ√1− (θ/θb)2

.

�������������������

(r − r0)2 =

(θbvDωb

)2 (1− θ2/θ2b

). (3.219)

�������������� θbvD/ωb��

Δr =v�0ωcp

. (3.220)

� ωc = eBp/mc�

3.12 ��

3.12.1 �����������

DZ���������������������������������

������DZ

dr

dt= v�n0 + v⊥(n1 cos θ + n2 sin θ) (3.221a)

dv�dt

= a0 + a1 cos θ + a2 sin θ + a3 cos 2θ + a4 sin 2θ, (3.221b)

dv⊥dt

= b0 + b1 cos θ + b2 sin θ + b3 cos 2θ + b4 sin 2θ, (3.221c)

dt= −1

εωc + c0 − c1 sin θ + c2 cos θ − c3 sin 2θ + c4 cos 2θ. (3.221d)

Page 87: final - USTC

3.12 �� 79

z

R

��

������

� 3.10: ������������ �����������������������

����� ai� bi� ci��DZ

a0 =e

mE · n0 +

v2⊥2∇ · n0,

a1 = v⊥

(∂n0

∂t+ v�T

)· n1, a2 = v⊥

(∂n0

∂t+ v�T

)· n2,

a3 =v2⊥2(T110 − T220), a4 =

v2⊥2(T120 + T210)

b0 = −v�v⊥2

∇ · n0,

b1 =

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n1,

b2 =

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n2,

b3 = −v�v⊥2

(T110 − T220), b4 = −v�v⊥2

(T120 + T210)

c0 = n1 ·∂n2

∂t+ v�T102 −

v�2(T210 − T120),

c1 =1

v⊥

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n1 − v⊥T122,

c2 =1

v⊥

[e

mE− v�

(∂n0

∂t+ v�T

)]· n2 − v⊥T211,

c3 = −v�2(T110 − T220), c4 = −v�

2(T210 + T120).

���������� r���� v⊥� v�����������Æ θ�

Page 88: final - USTC

80 �������

��������(3.221)�������

r = R+ ερ1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ρ2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.222a)

v� = U� + εξ�1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξ�2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.222b)

v⊥ = U⊥ + εξ⊥1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξ⊥2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.222c)

θ = Θ+ εξθ1(R, U�, U⊥,Θ, t) + ε2ξθ2(R, U�, U⊥,Θ, t) + · · · , (3.222d)

dR

dt= U0(R, U�, U⊥, t) + εU1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.223a)

dU�

dt= A�0(R, U�, U⊥, t) + εA�1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.223b)

dU⊥dt

= A⊥0(R, U�, U⊥, t) + εA⊥1(R, U�, U⊥, t) + · · · , (3.223c)

dt= −1

εΩ−1(R, U�, U⊥, t) + Ω0(R, U�, U⊥, t) + · · · . (3.223d)

����� ρ� ξ������

〈ρ〉 = 〈ξ〉 = 0. (3.224)

���(3.222)�(3.223)����(3.221a)�(3.221b)�(3.221c)�������ε1���

U0 + εU1 − Ω−1∂ρ1

∂Θ+ ε

(U0 ·

∂ρ1

∂R+ A�0

∂ρ1

∂U�

+ A⊥0∂ρ1

∂U⊥+ Ω0

∂ρ1

∂Θ− Ω−1

∂ρ2

∂Θ

)

= U�n0 + U⊥(n1 cosΘ + n2 sinΘ) + εU�(ρ1 · n0)

+ εU⊥(ρ1 · ∇)n1 cosΘ + εU⊥(ρ1 · ∇)n2 sinΘ

+ εξ�1n0 + εξ⊥1(n1 cosΘ + n2 sinΘ) + εU⊥ξθ1(−n1 sinΘ + n2 cosΘ),

Page 89: final - USTC

3.12 �� 81

A�0 + εA�1 − Ω−1∂ξ�1∂Θ

+ ε

(U0 ·

∂ξ�1∂R

+ A�0∂ξ�1∂U�

+ A⊥0∂ξ�1∂U⊥

+ Ω0∂ξ�1∂Θ

− Ω−1∂ξ�2∂Θ

)

= a0 + a1 cosΘ + a2 sin Θ + a3 cos 2Θ + a4 sin 2Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂a0∂R

+ ξ�1∂a0∂U�

+ ξ⊥1∂a0∂U⊥

)

+ ε

(ρ1 ·

∂a1∂R

+ εξ�1∂a1∂U�

+ εξ⊥1∂a1∂U⊥

)cosΘ− εa1ξθ1 sin Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂a2∂R

+ εξ�1∂a2∂U�

+ εξ⊥1∂a2∂U⊥

)sinΘ + εa2ξθ1 cosΘ

+ ε

(ρ1 ·

∂a3∂R

+ εξ�1∂a3∂U�

+ εξ⊥1∂a3∂U⊥

)cos 2Θ− 2εa3ξθ1 sin 2Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂a4∂R

+ εξ�1∂a4∂U�

+ εξ⊥1∂a4∂U⊥

)sin 2Θ + 2εa4ξθ1 cos 2Θ,

A⊥0 + εA⊥1 − Ω−1∂ξ⊥1

∂Θ+ ε

(U0 ·

∂ξ⊥1

∂R+ A�0

∂ξ⊥1

∂U�

+ A⊥0∂ξ⊥1

∂U⊥+ Ω0

∂ξ⊥1

∂Θ− Ω−1

∂ξ⊥2

∂Θ

)

= b0 + b1 cosΘ + b2 sinΘ + b3 cos 2Θ + b4 sin 2Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂b0∂R

+ ξ�1∂b0∂U�

+ ξ⊥1∂b0∂U⊥

)

+ ε

(ρ1 ·

∂b1∂R

+ εξ�1∂b1∂U�

+ εξ⊥1∂b1∂U⊥

)cosΘ− εb1ξθ1 sin Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂b2∂R

+ εξ�1∂b2∂U�

+ εξ⊥1∂b2∂U⊥

)sin Θ + εb2ξθ1 cosΘ

+ ε

(ρ1 ·

∂b3∂R

+ εξ�1∂b3∂U�

+ εξ⊥1∂b3∂U⊥

)cos 2Θ− 2εb3ξθ1 sin 2Θ

+ ε

(ρ1 ·

∂b4∂R

+ εξ�1∂b4∂U�

+ εξ⊥1∂b4∂U⊥

)sin 2Θ + 2εb4ξθ1 cos 2Θ,

���(3.222)�(3.223)����(3.221d)�������ε0���

− 1

εΩ−1 + Ω0 − Ω−1

∂ξ⊥1

∂Θ

= −1

εωc − ρ · ∇ωc + c0 − c1 sinΘ + c2 cosΘ− c3 sin 2Θ + c4 cos 2Θ,

���������

U0 = U�n0, A�0 = a0, A⊥0 = b0, Ω−1 = ωc, (3.225)

Page 90: final - USTC

82 �������

−Ω−1∂ρ1

∂Θ= U⊥(n1 cosΘ + n2 sin Θ), (3.226a)

−Ω−1∂ξ�1∂Θ

= a1 cosΘ + a2 sin Θ + a3 cos 2Θ + a4 sin 2Θ, (3.226b)

−Ω−1∂ξ⊥1

∂Θ= b1 cosΘ + b2 sinΘ + b3 cos 2Θ + b4 sin 2Θ, (3.226c)

−Ω−1∂ξ⊥1

∂Θ= −rho · ∇ωc − c1 sinΘ + c2 cosΘ− c3 sin 2Θ + c4 cos 2Θ, (3.226d)

U1 = U⊥〈(ρ1 · ∇)(n1 cosΘ + n2 sinΘ)〉+ 〈ξ⊥1(n1 cosΘ + n2 sin Θ)〉

+ U⊥〈ξθ1(−n1 sinΘ + n2 cosΘ)〉, (3.227)

A�1 = ∇a1 · 〈ρ cosΘ〉+ ∂a1∂U�

〈ξ�1 cosΘ〉+ ∂a1∂U⊥

〈ξ⊥1 cosΘ〉 − a1〈ξθ1 sin Θ〉

+∇a2 · 〈ρ sinΘ〉+ ∂a2∂U�

〈ξ�1 sinΘ〉+ ∂a2∂U⊥

〈ξ⊥1 sinΘ〉+ a2〈ξθ1 cosΘ〉

+∇a3 · 〈ρ cos 2Θ〉+ ∂a3∂U�

〈ξ�1 cos 2Θ〉+ ∂a3∂U⊥

〈ξ⊥1 cos 2Θ〉 − 2a3〈ξθ1 sin 2Θ〉

+∇a4 · 〈ρ sin 2Θ〉+ ∂a4∂U�

〈ξ�1 sin 2Θ〉+ ∂a4∂U⊥

〈ξ⊥1 sin 2Θ〉+ 2a4〈ξθ1 cos 2Θ〉, (3.228)

A⊥1 = ∇b1 · 〈ρ cosΘ〉+ ∂b1∂U�

〈ξ�1 cosΘ〉+ ∂b1∂U⊥

〈ξ⊥1 cosΘ〉 − b1〈ξθ1 sinΘ〉

+∇b2 · 〈ρ sinΘ〉+ ∂b2∂U�

〈ξ�1 sinΘ〉+ ∂b2∂U⊥

〈ξ⊥1 sinΘ〉+ b2〈ξθ1 cosΘ〉

+∇b3 · 〈ρ cos 2Θ〉+ ∂b3∂U�

〈ξ�1 cos 2Θ〉+ ∂b3∂U⊥

〈ξ⊥1 cos 2Θ〉 − 2b3〈ξθ1 sin 2Θ〉

+∇b4 · 〈ρ sin 2Θ〉+ ∂b4∂U�

〈ξ�1 sin 2Θ〉+ ∂b4∂U⊥

〈ξ⊥1 sin 2Θ〉+ 2b4〈ξθ1 cos 2Θ〉. (3.229)

�������(3.226)������(3.224)��

ρ1 = −U⊥ωc

(n1 sin Θ− n2 cosΘ), (3.230a)

ξ�1 = − 1

ωc

(a1 sin Θ− a2 cosΘ +

a32sin 2Θ− a4

2cos 2Θ

), (3.230b)

ξ⊥1 = − 1

ωc

(b1 sinΘ− b2 cosΘ +

b32sin 2Θ− b4

2cos 2Θ

), (3.230c)

ξθ1 =

(U⊥ω2c

n1 · ∇ωc −c1ωc

)cosΘ +

(U⊥ω2c

n2 · ∇ωc −c2ωc

)sinΘ (3.230d)

− 1

2ωc(c3 cos 2Θ + c4 sin 2Θ).

Page 91: final - USTC

3.12 �� 83

������������(3.230)��������

〈ρ cosΘ〉 = U⊥2ωc

n2,

〈ρ sinΘ〉 = −U⊥2ωc

n1,

〈ρ cos 2Θ〉 = 〈ρ sin 2Θ〉 = 0,

〈ξ�1 cosΘ〉 = 1

2ωca2 =

U⊥U�

2ωcT · n2,

〈ξ�1 sinΘ〉 = − 1

2ωca1 = −U⊥U�

2ωc �

T · n1,

〈ξ�1 cos 2Θ〉 = 1

4ωc

a4 =U2⊥

8ωc

(T120 + T210),

〈ξ�1 sin 2Θ〉 = − 1

4ωca3 = −U2

⊥8ωc

(T110 − T220),

〈ξ⊥1 cosΘ〉 = 1

2ωc

b2 =1

2ωc

( emE− U2

�T)· n2,

〈ξ⊥1 sin Θ〉 = − 1

2ωcb1 = − 1

2ωc

( emE− U2

�T)· n1,

〈ξ⊥1 cos 2Θ〉 = 1

4ωcb4 = −U�U⊥

8ωc(T120 + T210),

〈ξ⊥1 sin 2Θ〉 = − 1

4ωc

b3 =U�U⊥8ωc

(T110 − T220),

〈ξθ1 sinΘ〉 = 1

2ωc

(U⊥ωc

n2 · ∇ωc − c2

)

=1

2ωc

[(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n2 + U⊥T211

]

〈ξθ1 cosΘ〉 = 1

2ωc

(U⊥ωc

n1 · ∇ωc − c1

)

=1

2ωc

[(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n1 + U⊥T122

],

〈ξθ1 sin 2Θ〉 = − c44ωc

=U�

8ωc(T210 + T120),

〈ξθ1 cos 2Θ〉 = − c34ωc

=U�

8ωc(T110 − T220),

������������������ ∂n0/∂t���������

∇a1 · 〈ρ cosΘ〉+∇a2 · 〈ρ sinΘ〉 = U2⊥U�

2ωc

[n2 · ∇(T · n1)− n1 · ∇(T · n2)] .

Page 92: final - USTC

84 �������

∇b1 · 〈ρ cosΘ〉+∇b2 · 〈ρ sinΘ〉

=U⊥2ωc

{n2 · ∇

[( emE− U2

�T)· n1

]− n1 · ∇

[( emE− U2

�T)· n2

]}

∂a1∂U�

〈ξ�1 cosΘ〉+ ∂a2∂U�

〈ξ�1 sinΘ〉 = U2⊥U�

2ωc[(T · n1)(T · n2)− (T · n2)(T · n1)]

= 0,

∂b1∂U�

〈ξ�1 cosΘ〉+ ∂b2∂U�

〈ξ�1 sinΘ〉 = U⊥U2�

ωc

[(T · n1)(T · n2)− (T · n2)(T · n1)]

= 0,

∂a1∂U⊥

〈ξ⊥1 cosΘ〉+ ∂a2∂U⊥

〈ξ⊥1 sinΘ〉

=U�

2ωc

{(T · n1)

[( emE− U2

�T)· n2

]− (T · n2)

[( emE− U2

�T)· n1

]}

=U�

2ωc

(T× e

mE)· n0,

∂b1∂U⊥

〈ξ⊥1 cosΘ〉+ ∂b2∂U⊥

〈ξ⊥1 sinΘ〉 = 0 + 0 = 0,

− a1〈ξθ1 sin Θ〉+ a2〈ξθ1 cosΘ〉

= −U⊥U�

2ωc

(T · n1)

[(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n2 + U⊥T211

]

+U⊥U�

2ωc(T · n2)

[(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n1 + U⊥T122

]

= −U⊥U�

2ωc

[T×

(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)]· n0 −

U2⊥U�

2ωc[(T · n1)T211 − (T · n2)T122]

= −U⊥U�

2ωc

[T×

(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥

)]· n0 −

U2⊥U�

2ωc[(T · n1)T211 − (T · n2)T122] ,

− b1〈ξθ1 sin Θ〉+ b2〈ξθ1 cosΘ〉

= − 1

2ωc

[( emE− U2

�T)· n1

] [(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n2 + U⊥T211

]

+1

2ωc

[( emE− U2

�T)· n2

] [(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥+U2�

U⊥T

)· n1 + U⊥T122

]

= − 1

2ωc

n0 ·{( e

mE− U2

�T)× U⊥ωc

∇ωc

}

− U⊥2ωc

{[( emE− U2

�T)· n1

]T211 −

[( emE− U2

�T)· n2

]T122

}

Page 93: final - USTC

3.12 �� 85

∇a3 · 〈ρ cos 2Θ〉+∇a4 · 〈ρ sin 2Θ〉 = 0 + 0 = 0,

∇b3 · 〈ρ cos 2Θ〉+∇b4 · 〈ρ sin 2Θ〉 = 0 + 0 = 0,

∂a3∂U�

〈ξ�1 cos 2Θ〉+ ∂a4∂U�

〈ξ�1 sin 2Θ〉 = 0 + 0 = 0,

∂b3∂U�

〈ξ�1 cos 2Θ〉+ ∂b4∂U�

〈ξ�1 sin 2Θ〉

= −U⊥U2⊥

16ωc

(T110 − T220)(T120 + T210) +U⊥U2

⊥16ωc

(T120 + T210)(T110 − T220)

= 0,

∂a3∂U⊥

〈ξ⊥1 cos 2Θ〉+ ∂a4∂U⊥

〈ξ⊥1 sin 2Θ〉

= −U�U2⊥

8ωc

(T120 + T210)(T110 − T220) +U�U

2⊥

8ωc

(T120 + T210)(T110 − T220)

= 0,

∂b3∂U⊥

〈ξ⊥1 cos 2Θ〉+ ∂b4∂U⊥

〈ξ⊥1 sin 2Θ〉

=U2�U⊥

16ωc(T110 − T220)(T120 + T210)−

U2�U⊥

16ωc(T120 + T210)(T110 − T220)

= 0,

− 2a3〈ξθ1 sin 2Θ〉+ 2a4〈ξθ1 cos 2Θ〉

= −U2⊥U�

8ωc(T110 − T220)(T210 + T120) +

U2⊥U�

8ωc(T210 + T120)(T110 − T220)

= 0,

− 2b3〈ξθ1 sin 2Θ〉+ 2b4〈ξθ1 cos 2Θ〉

=U2�U⊥

8ωc(T110 − T220)(T210 + T120)−

U2�U⊥

8ωc(T120 + T210)(T110 − T220)

= 0

Page 94: final - USTC

86 �������

��������������������� �

U1 =U2⊥

2ωc

[(n2 · ∇)n1 − (n1 · ∇)n2 − T211n1 + T122n2]

+1

2ωc

{[( emE− U2

�T)· n2

]n1 −

[( emE− U2

�T)· n1

]n2

}

− 1

2ωc

[(U2⊥ωc

∇ωc −e

mE+ U2

�T

)· n2

]n1

+1

2ωc

[(U2⊥ωc

∇ωc −e

mE+ U2

�T

)· n1

]n2

=U2⊥

2ωc(n0 · ∇ × n0)n0 +

1

ωc

(eE

m− U2

⊥2ωc

∇ωc − U2�T

)× n0,

A�1 =U2⊥U�

2ωc

[n2 · ∇(T · n1)− n1 · ∇(T · n2)] +U�

2ωc

(T× e

mE)· n0

− U⊥U�

2ωc

[T×

(U⊥ωc

∇ωc −eE

mU⊥

)]· n0 −

U2⊥U�

2ωc[(T · n1)T211 − (T · n2)T122]

=U�

2ωc

n0 ·[T×

(2e

mE− U2

⊥ωc

∇ωc

)]

+U2⊥U�

2ωc[n2 · ∇(T · n1)− n1 · ∇(T · n2) + (T · n2)T122 − (T · n1)T211]

=U�

2ωc

n0 ·[T×

(2e

mE− U2

⊥ωc

∇ωc

)]− U2

⊥U�

2ωc

n0 · ∇ ×T

=U�

2ωcn0 ·

[2e

mT×E− U2

⊥ωc

T×∇ωc − U2⊥∇×T

],

A⊥1 =U⊥2ωc

{n2 · ∇

[( emE− U2

�T)· n1

]− n1 · ∇

[( emE− U2

�T)· n2

]}

− 1

2ωc

n0 ·{( e

mE− U2

�T)× U⊥ωc

∇ωc

}

− U⊥2ωc

{[( emE− U2

�T)· n1

]T211 −

[( emE− U2

�T)· n2

]T122

}

= −U⊥2ωc

n0 ·{( e

mE− U2

�T)× ∇ωc

ωc

}

− U⊥2ωc

n0 ·{∇×

( emE− U2

�T)− E(n0 · ∇ × n0)

}

= −U⊥2ωc

n0 ·[( emE− U2

�T)× ∇ωc

ωc+∇×

( emE− U2

�T)− eE

m(n0 · ∇ × n0)

].

������������������

U =

[U� +

U2⊥

2ωc(n0 · ∇ × n0)

]n0 +

1

ωc

(eE

m− U2

⊥2ωc

∇ωc − U2�T

)× n0, (3.231)

Page 95: final - USTC

3.12 �� 87

dU�

dt=

(eE

m− U2

⊥2ωc

∇ωc

)· n0 +

U�

2ωc

[2e

mT× E− U2

⊥ωc

T×∇ωc − U2⊥∇×T

]· n0, (3.232)

dU⊥dt

=U⊥U�

2ωc

∇ωc · n0

+U⊥2ωc

[∇ωc

ωc

×( emE− U2

�T)−∇×

( emE− U2

�T)+ (n0 · ∇ × n0)

eE

m

]· n0

(3.233)

��������� ��

U� +U2⊥

2ωcn0 · ∇ × n0 → U�, (3.234)

U⊥ − U�U⊥2ωc

n0 · ∇ × n0 → U⊥, (3.235)

�����������������

dR

dt= U�n0 +

1

ωc

(e

mE− U2

⊥2ωc

∇ωc − U2�T

)× n0, (3.236a)

dU�

dt= n0 ·

(e

mE−U2

⊥2ωc

∇ωc

)− U�

2ωcn0 ·

[(2eE

m− U2

⊥ωc

∇ωc

)×T

], (3.236b)

dU⊥dt

=U�U⊥2ωc

n0 · ∇ωc −U⊥2ωc

n0 ·[U2�

ωc∇ωc ×T− ∇ωc

ωc× eE

m+

e

m∇× E

]. (3.236c)

������ ∂ωc/∂t�

����(3.236)������� ���������

d

dt

(mU2

⊥ωc

)= −mU

2⊥

ω2c

(n0 · ∇ × eE

m+∂ωc

∂t

)= 0.

3.12.2 ������

��������

[(n1 · ∇)n2 − (n2 · ∇)n1] = T112n1 − T221n2 − n0(n0 · ∇ × n0) (3.237)

�� n0 = n1 × n2����

∇× n0 = ∇× (n1 × n2) = n1∇ · n2 − n2∇ · n1 + (n2 · ∇)n1 − (n1 · ∇)n2,

��� �� n0��

n0 · ∇ × n0 = T021 − T012.

Page 96: final - USTC

88 �������

����

[(n1 · ∇)n2 − (n2 · ∇)n1] = T112n1 + T212n2 + T012n0 − T121n1 − T221n2 − T021n0,

�� T212 = T121 = 0����

[(n1 · ∇)n2 − (n2 · ∇)n1] = T112n1 − T221n2−n0(n0 · ∇ × n0).

����

[(n1 · ∇)a2 − (n2 · ∇)a1] = a1T112−a2T221 − a0(n0 · ∇ × n0) + n0 · ∇ × a. (3.238)

�� ai = a · ni���

[(n1 · ∇)(a · n2)− (n2 · ∇)(a · n1)]

= a · (n1 · ∇)n2 + n2 · (n1 · ∇)a− a · (n2 · ∇)n1 − n1 · (n2 · ∇)a

= a · [(n1 · ∇)n2 − (n2 · ∇)n1] + [n2 · (n1 · ∇)a− n1 · (n2 · ∇)a] ,

��(3.237)�����

n2 · (n1 · ∇)a− n1 · (n2 · ∇)a = (n1 × n2) · (∇× a),

���

[(n1 · ∇)a2 − (n2 · ∇)a1] = a· [T112n1 − T221n2−n0(n0 · ∇ × n0)] + n0 · ∇ × a

= a1T112 − a2T221 − a0(n0 · ∇ × n0) + n0 · ∇ × a.

����

n0 · (n0 · ∇)(∇× n0) = n0 · ∇ ×T− (n0 · ∇ × n0)∇ · n0. (3.239)

�����∇(n0 · n0) = 2(n0 · ∇)n0 + 2n0 × (∇× n0) = 0����

∇×T = −∇× [n0 × (∇× n0)]

= −{n0∇ · (∇× n0)− (∇× n0)(∇ · n0) + [(∇× n0) · ∇]n0 − (n0 · ∇)(∇× n0)} ,

���∇ · ∇ × n0 = 0� n0 · [(∇× n0) · ∇]n0 = 0���

n0 · ∇ ×T = (n0 · ∇ × n0)(∇ · n0) + n0 · (n0 · ∇)(∇× n0).

Page 97: final - USTC

3.12 �� 89

ds

b

db

B

�c

� 3.11: ��������

3.12.3 ��������

��� (n0 · ∇)���������� n0 · n0 = 1��

0 = (n0 · ∇)(n0 · n0) = 2n0 · (n0 · ∇)n0 = 2n0 ·T,

����T = (n0 ·∇)n0� ��������(3.11)������(n0 ·∇)n0 = ∂n0/∂s

��� �������� �������� � �DZ

ds = �cdθ.

�� �c��� ����������� �n0����DZ

|dn0| = dθ =ds

�c.

� dn0��DZ�� ����������� ����DZn����

T =∂n0

∂s= − n

�c. (3.240)

Page 98: final - USTC

90 �������

��

1. ���������������������������� ���

2. �����dH

dt= −∂L

∂t.

� L�H ��������������

3. !�����������������

A = Breϕ/2, φ = −E0r2/2a.

����������������Æ����Æ

ΔϕT = π[1− (1− 4eE0/maω2c )

−1/2].

4. �������� z−����������������H − cPz ����

����H ������ Pz ��� z−�������

5. �������������������������(3.63)��

6. ��������������������������� z−�� t = 0��

��������DZ �� ��������DZ p0�

7. ����������DZ

L(x, x) =x2

2− 1

2ω2x2.

!����—��������������

8. ����� ������E = Eey �����B = Bez� E = B�����

�������

9. �������������������

B = Bez, E =Ea

arer.

���� z−������������Æ�DZ

ϕ = −cEa

aB.

���� 3�������������

Page 99: final - USTC

3.12 �� 91

10. !��������By�∂By/∂xDZ�����B = (0, By, B0)�������

�����

11. ����� E = E0 cos(ωt + θ0)������������E0 � θ0 DZ��

��������������E0DZ���������� E0(0) = 0�!��

��� ���������� �

12. ��������������������� ���

(1) 0.5G��������DZ 104 eV����

(2) B = 5× 10−5 G��DZ 3× 105 m/s���������

(3) ��������DZ 104 eV� He+���B = 500G.

13. ������������������������� n(r)���DZ

λ���� ∂n/∂r = −n/λ�

(1) ��E = −∇φ����� λ������

(2) ���� vE = vth�� rc = 2λ�

14. ������Q����� Te = Ti = 0.2 eV�����������DZ 2× 103

G�� ��������DZ

n = n0 exp[exp

(−r2/a2

)− 1

],

�� a = 10−2 m�n0 = 1017 m−3������������n = n0 exp(eφ/T )�

(1) ������� (vE)max�

(2) � (vE)max���������� vg � �

(3) � BDZ"������K+(A = 39)� ���� a�

15. ����������DZ 0.3 G� ����������� 1/r3����

��� 1 eV��� 3 × 104 eV��������������� r = 5R (RDZ����)������DZ n = 105 m−3

(1) ���������������

Page 100: final - USTC

92 �������

(2) ����������

(3) ������������������

(4) ���������

16. ��������������� ����������DZ I�� t = 0�DZ�

���� ��� �� φ���DZ�� I����������� �����

(1) ��������� I� B����� vE������� v∇B�

������ vR�����

(2) � I = 500 A� φ = 560 V�� ��DZ 1 mm�!���� ��� 1 cm������������� 10 cm������� φDZ �

17. ����Rm = 5���������������� ������ ���

DZW = 103eV� ������v⊥ = v��������Vm = 104m/s�������L = 1010m�

(1) ������������������������������

(2) ��� ����������#���

18. �J�����������������

19. ��������������� μ������ T⊥ ��� B �������

�������������DZ����� ����! �������

��

20. �����B�������������

n(r) = n0 exp(−r2/r20), ni = ne = n0 exp(eφ/T ).

(1) ������ vE ������ v∇p���������

(2) ��������������

21. ������ B = 4 × 103 G� n0 = 1016 m−3� T = 0.25 eV����� �����B�#�#�

22. �������������ωc�ωp���������

Page 101: final - USTC

3.12 �� 93

23. !������������∇ · E = 4πρ�∇ ·B = 0��� ��DZ���

�����DZDZ���

24. !�������� ������������ �����������

25. �����������B = Bz(x)ez ���� E = Eyey ���������

�����������

26. �DZ 10 keV��DZ 5× 1020 m−3��������B = 5 T��������������� ������ ���

27. ����������� �����5V/m���������

(1) ���������

(2) �����������

28. ����� T = 10 keV�� n = 1020 m−3������ B = 4 T����� Rc = 5 m�

(1)�������������

(2)"������

29. ����������� 1 ��� 8 T�DZ 1 T�! �����������������

30. ���������DZ 5������DZ n = 1020 m−3�� TD = TT = 50

keV�Te = 10 keV��������������������

31. �������������� ���

jφ = j0φ(1− r/a), (0 � r � a),

�������Aφ�Æ��Bθ�

32. �� �������������������DZR0 = 5 m� a = 1.5 m�� ��� ��������������

Page 102: final - USTC

94 �������

33. ������E�����B��������� ���W⊥�����

����������

34. ������ ��������������������������������

35. ������������������� ��������������������������������������������

�DZ������(inverse Faraday effect)�����DZn������(� ��������DZM = nμ������������DZB= 4πM�)

36. ����������� E = E0[cos(kz − ωt)ex + sin(kz − ωt)ey]�����

�� B = B0ez �������DZm��� e�������

37. !� ����������������������

38. ��� �� ����������DZ 0.351 μm���������1015W/cm2 ������ 10.6μm������� ����������������������������

39. ������� ����DZ

μ =mU2

⊥2B

.

����(3.175)��dμ

dt= 0.

Page 103: final - USTC

��� ������

���������DZ�������������������������

�������������������������������������

���������������������������DZ���������

�����������������������������������DZ��

�����������������������������DZ�����

����������������������������������

��������������������������������������

����������������������������������� �

�������������������������������������

��������������������������������������

�������������������−Z����������������������������������������������������

��������������������������������

4.1 �������

�����������������������������������

∇ ·B = 0, ∇×E = −1

c

∂B

∂t, (4.1a)

∇ · E = 4πρ, ∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj, (4.1b)

�� E� B��������� j� ������������������

���� (φ,A)����

E = −∇φ− 1

c

∂A

∂t, (4.2a)

B = ∇×A, (4.2b)

Page 104: final - USTC

96 ������

���(4.2)���������(4.1)����������������(4.1a)�DZ����������(4.1b)��DZ

∇2φ+1

c

∂t(∇ ·A) = −4πρ, (4.3a)

∇2A− 1

c2∂2A

∂t2= −4π

cj+∇(∇·A) +

1

c

∂t(∇φ). (4.3b)

��������1

c

∂φ

∂t+∇ ·A = 0, (4.4)

��(4.3)��������������

∇2φ− 1

c2∂2

∂t2φ = −4πρ(r, t), (4.5a)

∇2A− 1

c2∂2A

∂t2= −4π

cj(r, t), (4.5b)

������(4.5)����DZ

φ(r, t) =

∫ρ(r′, t− |r− r′|/c)

|r− r′| d3r′ + φ0, (4.6a)

A(r, t) =1

c

∫j(r′, t− |r− r′|/c)

|r− r′| d3r′ +A0, (4.6b)

�� φ0 � A0 ������������������������������

���� j� ρ���������� φ0 = 0� A0 = 0�����������

������

�������������������������������

����������������������������Æ� r′ ����

������� r���

r � r′.

���������������������

|r− r′| ≈ r − r′ · n,

�� n = r/r�������������(4.6)���DZ

φ(r, t) ≈ 1

r

∫ρ(r′, t− r/c+ r′ · n/c)d3r′, (4.7a)

A(r, t) ≈ 1

cr

∫j(r′, t− r/c+ r′ · n/c)d3r′. (4.7b)

Page 105: final - USTC

4.1 ������� 97

z

y

x

r

r′

r-r′

o

� 4.1: �� r���� r′���������������������

��

��(4.7b) ���������(�� r′)�����A������� t− r/c

��������������DZA = A(r, t− r/c)�DZ���������

�(4.7b)��������

A(r, t) ≈ 1

cr

∫j(r′, t′)δ[t′ − (t− r/c+ r′ · n/c)]d3r′dt′. (4.8)

���������������DZ

j(r, t) = ev(t)δ[r− r0(t)], (4.9)

�� r0(t) ����� ��v(t) �������������(4.9)����(4.8)� ��A(r, t)���DZ����

A(r, t) =e

cr

∫v(t′)δ[r′ − r0(t

′)]δ[t′ − (t− r/c+ r′ · n/c)]d3r′dt′

=e

cr

∫v(t′)δ[t′ − (t− r/c+ r0(t

′) · n/c)]dt′. (4.10)

� δ−������δ[f(x)] =

δ(x− x0)

|f ′(x0)|, (4.11)

�� f(x)��������� x0 ��� f(x)���������������

����DZ

A(r, t) =e

cr

v(t′)1− n · v(t′)/c. (4.12)

Page 106: final - USTC

98 ������

�� t′����������

t′ − 1

cn · r0(t′) = t− r/c. (4.13)

��������������DZ�������������DZ n���

��������������������������������

DZ

E = B× n.

���������������DZ� ���� ����������

A���(4.7b)���(4.7b)���(4.2b)���������������

B(r, t) = ∇×A(r, t− r/c) ≈ 1

c

∂A

∂t×n (4.14)

���(4.14)��������� 1/r2�����������������DZ

B =1

c

∂A

∂t×n, E = B× n. (4.15)

����������������DZ

S =c

4πB2n. (4.16)

�������� I���������������������� r2d���

����

dI =c

4πB2(t)r2dΩ. (4.17)

�� dΩ�������� ���Æ�����(4.17)���������r2dΩ�����������������

��������������������������������

������������������������������������

�����������������������Æ dΩ����DZ

dE =

∫ ∞

−∞dIdt =

c

∫ ∞

−∞B2(t)r2dtdΩ. (4.18)

DZ�������������B��� ���

B =

∫ ∞

−∞Bωe

−iωtdω

2π, (4.19)

�� Bω ������ �����������

Bω =

∫ ∞

−∞B(t)eiωtdt. (4.20)

Page 107: final - USTC

4.1 ������� 99

����������������� ������B−ω = B∗ω�������

������� ��������

dEndΩ

=c

∫ ∞

−∞|Bω|2r2

2π=

c

(2π)2

∫ ∞

0

|Bω|2r2dω, (4.21)

�d2EnωdωdΩ

=c

(2π)2|Bω|2r2, (4.22)

��(4.22)���� ���

���������������������������

(4.14)������Bω ����� �� (∂A/∂t)ω ������

Bω =1

c

(∂A

∂t

× n. (4.23)

���� ������(∂A/∂t)ωDZ

(∂A

∂t

=

∫ ∞

−∞

∂A(r, t− r/c)

∂teiωtdt,

������� τ = t− r/c��� ���DZ

(∂A

∂t

= eiωr/c∫ ∞

−∞

∂A(r, τ)

∂τeiωτdτ. (4.24)

�(4.12)����(4.24)� ������ τ �����DZ�� t′�������

(∂A

∂t

=e

creiωr/c

∫ ∞

−∞

d

dt′

[v(t′)

1− n · v(t′)/c

]eiω[t

′−n·r0(t′)/c]dt′. (4.25)

���������� ���������DZ

Bω =e

c2reiωr/c

∫ ∞

−∞

d

dt

[v(t)× n

1− n · v(t)/c

]eiωt−ik·r0(t)dt. (4.26)

�� k = ωn/c �����������(4.26)�������������dv/dt = 0�����(4.26) ����DZ 0������������������

��������������(4.26)� �������

Bω = ieω

c2reiωr/c

∫ ∞

−∞[n× v(t)]eiωt−ik·r0(t)dt. (4.27)

Page 108: final - USTC

100 ������

�(4.26)�(4.27)����(4.22)�������������� ����

d2EnωdωdΩ

=e2

4π2c3

∣∣∣∣∫ ∞

−∞

d

dt

[v(t)× n

1− n · v(t)/c

]eiωt−ik·r0(t)dt

∣∣∣∣2

(4.28)

=e2ω2

4π2c3

∣∣∣∣∫ ∞

−∞[n× v(t)]eiωt−ik·r0(t)dt

∣∣∣∣2

. (4.29)

���������������(4.28)������������������

d

dt

[v(t)× n

1− n · v(t)/c

]≈ v(t)× n,

�����

k · r0(t) ∼ω

cvt� ωt,

��������������������(4.28)����DZ

d2EnωdωdΩ

=e2

4π2c3

∣∣∣∣∫ ∞

−∞v(t)× neiωtdt

∣∣∣∣2

(4.30)

�� ����� ���DZ

d = er, (4.31)

�������(4.30)����DZ

d2EnωdωdΩ

=1

4π2c3

∣∣∣∣∫ ∞

−∞d× neiωtdt

∣∣∣∣2

. (4.32)

�DZ���������� �����������������������

������������ �����

d2EnωdωdΩ

=1

4π2c3

∣∣∣dω × n∣∣∣2 . (4.33)

�����Æ����dEωdω

=2

3πc3

∣∣∣dω

∣∣∣2 (4.34)

����������DZ 2π/ω0�������DZ������������

�����������DZ�� ��

B(t) =∞∑

n=−∞Bne

−inω0t, (4.35)

Page 109: final - USTC

4.2 ���� 101

��Bn�������� ���DZ��B�������� ����

� Bn = B∗−n�������� ������ �����DZ

Bω =∞∑

n=−∞

∫ ∞

−∞Bne

i(ω−nω0)tdt = 2π∞∑

n=−∞δ(ω − nω0)Bn. (4.36)

�(4.35)��(4.18)���

dEndΩ

=c

4πr2∫ ∞

−∞

∞∑n,m=−∞

Bn ·Bme−i(n+m)ω0tdt

=c

4πr2∫ ∞

−∞dt

∞∑n=−∞

|Bn|2.

����������,dPn

dΩ=

c

2πr2

∞∑n=1

|Bn|2. (4.37)

��� n� �����DZ ω = nω0��������DZ

d2Pnω

dωdΩ=

c

2πr2

∞∑n=1

δ(ω − nω0) |Bn|2 , (4.38)

���� ω� ���

����������������������� ��������

��DZ

Bn = ie

c2r

nω20

2πeinω0r/c

∫ 2π/ω0

0

n× v(t)einω0[t−n·r0(t)/c]dt

= ie

c2r

nω20

2πeinω0r/c

∮einω0[t−n·r0/c]n× dr0, (4.39)

������DZdP

dΩ=

∞∑n=1

e2n2ω40

(2π)3c3

∣∣∣∣∮einω0[t−n·r0/c]n× dr0

∣∣∣∣2

. (4.40)

4.2 ����

�������������� ��������������������

������������������������������(4.38)������������������������ ����������������

��������������������������

Page 110: final - USTC

102 ������

Ze

−e γγ

r

� 4.2: �������������������

4.2.1 ��—����������

�������������������� DZ

d = −ere + Zeri. (4.41)

�� re � ri ���������� ������ ���������

�� �������������������� ����R�����

r�����

d = (Z − 1)R−(

1

me

+Z

mi

)emr.

��m = memi/(me +mi)������������������������

�� ��������������������

d = −(

1

me

+Z

mi

)emr. (4.42)

�������������������mi � me��m ≈ me��������

�����������DZ

d ≈ −er (4.43)

�������������DZ��������� ��� ���

(d)ω =

∫de

iωtdt. (4.44)

���������� �����������

(x)ω =

∫ ∞

−∞xeiωtdt, (y)ω =

∫ ∞

−∞yeiωtdt.

��������� ���(3.60)���������DZ

x = − 1

m

∂U

∂x=Ze2

m

x

r3=ρ⊥τ 20

ε− cosh ξ

(ε cosh ξ − 1)3, (4.45a)

y = − 1

m

∂U

∂y=Ze2

m

y

r3=

√ε2 − 1ρ⊥τ 20

sinh ξ

(ε cosh ξ − 1)3. (4.45b)

Page 111: final - USTC

4.2 ���� 103

�(4.45)��(4.44)��

(x)ω =ρ⊥τ0

∫ ∞

−∞

ε− cosh ξ

(ε cosh ξ − 1)2eiν(ε sinh ξ−ξ)dξ, (4.46)

(y)ω =

√ε2 − 1ρ⊥τ0

∫ ∞

−∞

sinh ξ

(ε cosh ξ − 1)2eiν(ε sinh ξ−ξ)dξ. (4.47)

������������� ν ≡ ωτ0��������

d

1

ε cosh ξ − 1= − ε sinh ξ

(ε cosh ξ − 1)2,

(y)ω �����(4.47)����������

(y)ω = i

√ε2 − 1

ερ⊥ω

∫ ∞

−∞eiν(ε sinh ξ−ξ)dξ.

��������������

Kiν(z) =1

2e−νπ/2

∫ ∞

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ, (4.48)

K ′iν(z) =

1

2e−νπ/2

∫ ∞

−∞

z − ν cosh ξ

(z cosh ξ − ν)2eiz sinh ξ−iνξdξ, (4.49)

��Kν(z)�������������� (x)ω � (y)ω ���DZKiν ����

(x)ω = 2ρ⊥ωeνπ/2K ′iν(νε), (4.50)

(y)ω = i2

√ε2 − 1

ερ⊥ωeνπ/2Kiν(νε). (4.51)

��(4.50)�(4.51)����∣∣∣dω

∣∣∣2 = e2m2[|(x)ω|2 + |(y)ω|2

]= 4e2ρ2⊥ω

2eνπ[K ′2

iν(νε) +ε2 − 1

ε2K2

iν(νε)

].

�������(4.34)����������������� ��� v0����

��������������

dEωdω

=16

3(2π)c3e2v2eνπν2

[K ′

iν(νε)2 +

ε2 − 1

ε2Kiν(νε)

2

]. (4.52)

4.2.2 ���������

���������������DZ�����������������

��������(4.52)������������DZ������������

Page 112: final - USTC

104 ������

������������������������������������

���������������������������������

�����������(4.52)������������DZ�����DZ����������������������������������������

���DZ v�������� ρ → ρ+ dρ������DZ 2πnivρdρ��� ni ����

���������������������� ρ�� 2πnivρdρ��������

����������� v → v + d3v����DZ

fe(v) =ne

(2π)3/2v3eexp

(−v2/2v2e

), (4.53)

�� ve = (Te/me)1/2��������ne�������������������

�������������������������� ω → ω + dω�����

��DZ

dPω

dω=

∫d3v

∫ ∞

0

2πρdρdEωdω

fe(v)v

=16ninee

2

3c31

(2π)3/2v3e

∫v3e−v2/2v2e eνπd3v

×∫ ∞

0

ν2[K ′

iν(νε)2 +

ε2 − 1

ε2Kiν(νε)

2

]ρdρ. (4.54)

�������(4.54) ����� ρ ����� ε � ρ ��� ε =√1 + ρ2/ρ2⊥�������������

∫ ∞

0

ν2[K ′

iν(νε)2 +

ε2 − 1

ε2Kiν(νε)

2

]ρdρ

= ρ2⊥

∫ ∞

1

[K ′

iν(νε)2 +

ε2 − 1

ε2Kiν(νε)

2

](νε)d(νε)

= ρ2⊥

∫ ∞

ν

[K ′

iν(z)2 +

(1− ν2

z2

)Kiν(z)

2

]zdz.

DZ�����������Kiν ��������

d2Kiν

dz2+

1

z

dKiν

dz−(1− ν2

z2

)Kiν = 0,

�����������

z

[K ′2

iν +

(1− ν2

z2

)K2

]=

d

dz(zKiνK

′iν) .

Page 113: final - USTC

4.2 ���� 105

��� ∫ ∞

ν

[K ′

iν(z)2 +

(1− ν2

z2

)Kiν(z)

2

]zdz = −νKiν(ν)K

′iν(ν),

���������������DZ

dPω

dω= −16nine

3c32

(2π)1/2v3e

∫v5e−v2/2v2eeνπνρ2⊥Kiν(ν)K

′iν(ν)dv. (4.55)

��(4.55) �������� v �������������� �

�������������������������������� ν � 1��

Kiν(ν)������

eνπ/2Kiν(ν) =

∫ ∞

0

cos [ν (sinh ξ − ξ)] dξ,

��������� �� sinh ξ − ξ � 1�������� sinh ξ � ξ����

����

eνπ/2Kiν(ν) ≈∫ ∞

0

cos(ν sinh ξ)dξ = K0(ν) ≈ ln2

γν,

�� ln γ = 0.5772 . . .����� �

eνπ/2K ′iν(ν) ≈ −1

ν.

�������������(4.55)����

dPω

dω=

32neni

3c3Z2e6

(2π)1/2v3em2e

∫ ∞

0

ve−v2/2v2e ln2mv3

γωZe2dv, for ω � τ−1

0 . (4.56)

��������

dPω

dω=

32e6Z2neni

3(2π)1/2c3m2eve

ln

[mev

3e

ωZe2

(2

γ

)5/2]. (4.57)

������� ν � 1���������� �� sinh ξ − ξ � 1���

�� ξ � 1�������������

eνπ/2Kiν(ν) ≈∫ ∞

0

cos

[1

6νξ3]dξ =

21/3π

32/3ν1/3Γ(2/3),

eνπ/2K ′iν(ν) ≈ −

∫ ∞

0

ξ sin

[1

6νξ3]dξ = −22/331/6Γ(2/3)

2ν2/3,

�����������(4.55)����

dPω

dω=

32π

3c3Z2e6

(6π)1/2v3em2e

∫ve−v2/2v2edv, for ω � τ−1

0 . (4.58)

Page 114: final - USTC

106 ������

2Δτ

a(t)

� 4.3: ����������������������������Δτ�����

DZ��

��������������������������������������

��DZmv2min/2 = �ω � Te����

dPω

dω=

32πe6Z2neni

3(6π)1/2c3m2eve

exp (−�ω/Te) . (4.59)

�������������������������(1) � Z2 ������

�����������������Z−�������������Z �

���������(2) � T1/2e �����������������������DZ

�������������������(3) ��������� �����(4) ��������������������

4.2.3 �����������

������� ��������������� ������ |t| < Δτ �

��������������������������������

{v(t) = 0, when |t| < Δτ,

v(t) ≈ 0, when |t| > Δτ.

��4.3������������������������������ ���� �����������������������DZ������

��������������������������������

Page 115: final - USTC

4.2 ���� 107

�����������(4.30)���

d2EnωdωdΩ

=e2

4π2c3

∣∣∣∣∫ ∞

−∞v(t)× neiωtdt

∣∣∣∣2

(4.60)

���������������� ωΔτ � 1��������(4.60)����DZ

d2EnωdωdΩ

≈ e2

4π2c3

∣∣∣∣∫ Δτ

−Δτ

v(t)× neiωtdt

∣∣∣∣2

≈ e2

4π2c3

∣∣∣∣∫ Δτ

−Δτ

v(t)× ndt

∣∣∣∣2

=e2

4π2c3|Δv × n|2 , (4.61)

�� Δv = v(Δτ) − v(−Δτ) ≈ Δv(+∞) − Δv(−∞) �������������

�(4.61)����Æ����dEωdω

=2e2

3πc3|Δv|2 .

�����������DZ

|Δv| = 2v sinθs2. (4.62)

�� θs���Æ����������Æ��������DZ

tanθs2

=ρ⊥ρ,

���

sinθs2

=ρ⊥√ρ2 + ρ2⊥

.

�����������������������DZ

dEωdω

=8Z2e6

3πc3m2v21

ρ2⊥ + ρ2.

����������������DZ

dPω

dω=

∫dEωdω

fe(v)v2πniρdρd3v

=32Z2e6nine

3(2π)1/2c3m3/2e T

1/2e

∫ ∞

0

e−v2/2vdv

∫ ρmax

0

ρdρ

ρ2 + ρ2⊥

=32Z2e6nine

3(2π)1/2c3m3/2e T

1/2e

∫ ∞

0

e−v2/2v ln

√1 +

ρ2max

ρ2⊥dv. (4.63)

Page 116: final - USTC

108 ������

��������������� ωΔτ � 1�

�����������������DZ

|v| = ρ⊥τ 20 (ε cosh ξ − 1)2

,

���� ξ ��� t�DZ t = τ0(ε sinh ξ − ξ)������� ξ = 0�������

��DZ ρ⊥/τ 20 (ε − 1)2�� cosh ξ = 3��������DZ���������

��� | sinh ξ − ξ| ∼ 1��������

Δτ ∼ τ0ε = τ0

√1 +

ρ2

ρ2⊥. (4.64)

� ωΔτ � 1�������(4.63)���������DZ√1 +

ρ2max

ρ2⊥∼ 1

ωτ0. (4.65)

�(4.65)����(4.63)� ��

dPω

dω=

32Z2e6nine

3(2π)1/2c3m2eve

∫ ∞

0

e−v2/2v lnmv3ev

3

ωZe2dv

=32Z2e6nine

3(2π)1/2c3m2eve

ln

[mev

3e

ωZe2

(2

γ

)3/2]. (4.66)

�����DZ���������(4.56)�����������(4.66)������������������������������(4.66)��(4.56)������������������������������������

DZ���DZ √1 +

ρ2max

ρ2⊥=

2

γ

1

ωτ0, (4.67)

����������(4.56)��������

4.3 ����

�����������������������������������

����������������DZ��������������������

�������������������������������

Page 117: final - USTC

4.3 ���� 109

z

y

x

B

n

θ

o

� 4.4: �������������������

4.3.1 ��������

��4.4��������� z−���� n� x − z ��� n� z−���ÆDZ θ���

n = (sin θ, 0, cos θ).

��������������� ����DZ

v(t) = c (β⊥ cosωct,−β⊥ sinωct, β�) ,

r0(t) = c

(β⊥ωc

sinωct,β⊥ωc

cosωct, β�t

).

�� β⊥ = v⊥/c������������β⊥ = v�/c�����������

���

n× v(t) = c (β⊥ cos θ sinωct, β⊥ cos θ cosωct− β� sin θ,−β⊥ sin θ sinωct) ,

k · r0(t) =ω

ωc

β⊥ sin θ sinωct + ωtβ� cos θ.

�������(4.27)������ ����������

(Bω)x = ieω

creiωr/cβ⊥ cos θ

∫ ∞

−∞ei(1−β� cos θ)ωt−i(ω/ωc)β⊥ sin θ sinωct sinωctdt, (4.68a)

(Bω)y = ieω

creiωr/c

∫ ∞

−∞ei(1−β� cos θ)ωt−i(ω/ωc)β⊥ sin θ sinωct (β⊥ cos θ cosωct− β� sin θ) dt,

(4.68b)

(Bω)z = −ieωcreiωr/cβ⊥ sin θ

∫ ∞

−∞ei(1−β� cos θ)ωt−i(ω/ωc)β⊥ sin θ sinωct sinωctdt. (4.68c)

Page 118: final - USTC

110 ������

����

e−iz sinφ =∞∑

n=−∞Jn(z)e

−inφ, (4.69)

�� δ−���������δ(ω) =

1

∫ ∞

−∞eiωtdt, (4.70)

�� Jn(z)�����������(4.68) ��������DZ

Bω = 2π

∞∑n=−∞

δ [(1− β� cos θ)ω − nωc]Bn

=2π

1− β� cos θ

∞∑n=−∞

δ

[ω − nωc

1− β� cos θ

]Bn. (4.71)

��(4.71) � δ−�������������������

ω =nωc

1− β� cos θ. (4.72)

��(4.71) ��� ���BnDZ

(Bn)x = ieω

creiωr/c

β⊥ cos θ

2i{Jn+1[(ω/ωc)β⊥ sin θ]− Jn−1[(ω/ωc)β⊥ sin θ]} , (4.73a)

(Bn)y = ieω

creiωr/c

{β⊥ cos θ

2[Jn+1[(ω/ωc)β⊥ sin θ] + Jn−1[(ω/ωc)β⊥ sin θ]]

−β� sin θJn[(ω/ωc)β⊥ sin θ]} , (4.73b)

(Bn)z = −ieωcreiωr/c

β⊥ sin θ

2i{Jn+1[(ω/ωc)β⊥ sin θ]− Jn−1[(ω/ωc)β⊥ sin θ]} . (4.73c)

�����������

Jn−1(z) + Jn+1(z) =2n

zJn(z),

Jn−1(z)− Jn+1(z) = 2J ′n(z),

��(4.73)����������

(Bn)x = −eωcreiωr/cβ⊥ cos θJ ′

n[(ω/ωc)β⊥ sin θ], (4.74a)

(Bn)y = ieω

creiωr/c

[ nωc

ω tan θ− β� sin θ

]Jn[(ω/ωc)β⊥ sin θ], (4.74b)

(Bn)z =eω

creiωr/cβ⊥ sin θJ ′

n[(ω/ωc)β⊥ sin θ]. (4.74c)

Page 119: final - USTC

4.3 ���� 111

������������������������ DZ

dPobs

dΩ= lim

T→∞1

2T

∫ T

−T

cr2

4πdt

∫ ∞

−∞Bωe

−iωtdω

2π·∫ ∞

−∞Bω′e−iω′tdω

= limT→∞

1

2T

∫ T

−T

cr2

4πdt

∞∑n,m=−∞

Bn ·Bm

(1− β� cos θ)2e−i(n+m)ωct/(1−β� cos θ)

=cr2

∞∑n=1

|Bn|2(1− β� cos θ)2

. (4.75)

��������(4.75)���������������������������������������������������������

���DZ

dP

dΩ=cr2

∞∑n=1

|Bn|2(1− β� cos θ)

. (4.76)

��(4.75)�(4.76)������ 1− β� cos θ�����������������

���

t′(1− β� cos θ)−c

ωc

sinωct′ = t− r/c,

�����������������DZ Δt′ = 2π/ωc�����������DZ

Δtobs = Δt′(1 − β� cos θ)�������������������������

����������� 1 − β� cos θ�������������������

��

������ ���(4.74)����(4.75)�������������

dP

dΩ=

∞∑n=1

e2n2ω2c

2πc(1− β� cos θ)3

{β2⊥J

′2n

[nβ⊥ sin θ

1− β� cos θ

]+

(cos θ − β�

sin θ

)2

J2n

[nβ⊥ sin θ

1− β� cos θ

]}.

(4.77)������������ ��������(4.77)����DZ

dP

dΩ=

∞∑n=1

dPn

dΩ. (4.78)

���� n� �������(4.77)�������� β� = 0���������

DZ������(4.77)�� β� = 0� β⊥ = β����

dP

dΩ=

∞∑n=1

e2n2ω2c

2πc

[β2J ′2

n (nβ sin θ) + tan−2 θJ2n(nβ sin θ)

](4.79)

Page 120: final - USTC

112 ������

�� ���DZ���������

ω = nωc.

���(4.77)���������������� ����

Pn =∞∑n=1

2e2ω2c

(1− β2� )3/2β⊥c

[β2⊥nJ

′2n

(2nβ⊥√1− β2

)− (1− β2)n2

∫ β⊥/√

1−β2�

0

J2n(2nξ)dξ

].

(4.80)����� β� = 0���

Pn =

∞∑n=1

2e2ω2c

βc

[β2nJ ′

2n (2nβ)− (1− β2)n2

∫ β

0

J2n(2nξ)dξ

]. (4.81)

�����������

∞∑n=1

∫ x

0

n2J2n(2nz)dz =x3

6(1− x2)3,

∞∑n=1

nJ ′2n(2nz) =

z

2(1− z2)2,

�������������

P =2

3

e2ω2cβ

2⊥

(1− β2)2c. (4.82)

4.3.2 ���������

����������������(4.77)��������������������������������(4.53)��������������������DZ

d2P

dωdΩ=

2πnec3

(2π)3/2v2e

∫ ∞

0

β⊥dβ⊥

∫ ∞

−∞dβ� exp

[− (β2

⊥ + β2�)

2(Te/mec2)

]e2ω2

2πc(1− β� cos θ)

×∞∑n=1

δ

[ω − nωc

1− β� cos θ

]{β2⊥J

′2n [(ωβ⊥/ωc) sin θ] +

(cos θ − β�

sin θ

)2

J2n [(ωβ⊥/ωc) sin θ]

}.

��������� β⊥ � 1�β� � 1������� ��DZ� nβ⊥ � 1�����

��������������

Jn(z) =zn

n!2n+ o(zn),

Page 121: final - USTC

4.4 ����� 113

-e(ω0,k0)

incident�wave

scattering�wave

(ωs,ks)

� 4.5: ����������������� ������������

��� cos θ � β���

d2P

dωdΩ≈ 2πnec

3

(2π)3/2v3e

e2ω2

2πc

∫ ∞

0

β⊥dβ⊥

∫ ∞

−∞dβ� exp

[− (β2

⊥ + β2�)

2(Te/mec2)

]

×∞∑n=1

δ [ω − nωc − ωβ� cos θ]

{n2n

(n!)222nβ2n⊥(cos2 θ + 1

)sin2(n−1) θ

}

=nee

(2π)3/2ve

1 + cos2 θ

cos θ

∑n

n2n

2nn!

(Temec2

)n

sin2(n−1) θ exp

[− (ω − nωc)

2

2(Te/mec2)(ω cos θ)2

].

������������ Te/mec2 � 1��� ������� ��� n���

������� �� ������ ���DZ

d2P2/dωdΩ

d2P1/dωdΩ∼ 8Temec2

.

��DZ T ∼ 5 keV���d2P2/dωdΩ

d2P1/dωdΩ∼ 0.08.

4.4 �����

4.4.1 ���������

����������������� ��DZ�����DZ��������

������������������������������������

����������������������������������

����������������������������������

�����������������������������—�����DZ�����������������������������������

Page 122: final - USTC

114 ������

��������������������������������

���������������������������������DZ

mev = −eE0 cos[k0 · r0(t)− ω0t], (4.83)

�� r0����� ��E0 cos (ω0t− k0 · r)���������ω0� k0����

����������������������������DZ�������

�������������� ���DZ�����

�DZ�����������(4.26)��������� �����DZ

Bωs =−ec2r

eiωsr/c

∫ ∞

−∞v(t)× neiωst−iks·r0(t)dt, (4.84)

�� ks = (ωs/c)ns���������������(4.83)��(4.84)��

Bωs =(e2/mec

2)

r(E0 × ns)e

iωsr/c

∫ ∞

−∞cos[k0 · r0(t)− ω0t]e

iωst−iks·r0(t)dt. (4.85)

�DZ������������� ���DZ���������� ���

����

r0(t) = vt, (4.86)

�� v���������������� �(4.86) ���(4.85)� ��������

Bωs = πrer(E0 × ns)e

iωsr/c {δ[ωs(1− ns · v/c)− (ω0 − k0·v)]

+δ [ωs(1− ns · v/c) + (ω0 − k0·v)]} . (4.87)

�� re = e2/mec2 ���������DZ������������� ��

�(4.87)����(4.36)�������������������(4.38)������������

d2Pnsωs

dΩdωs

=c

8πr2e(E0 × ns)

2δ[ωs(1− ns · v/c)− (ω0 − k0·v)]. (4.88)

��������������ωs > 0����(4.88)������������������������

ωs =ω0 − k0 · v1− ns · v/c

. (4.89)

�����������������������������������

�DZ ω0 − k0 · v��������������DZDZω0 − k0 · v���������

Page 123: final - USTC

4.4 ����� 115

�DZ������������DZ (ω0 − k0 · v)/(1 − ns·v/c)�����������������������������������(4.89)���DZ������������DZ������������������(4.89)����DZ

ωs ≈ ω0 + [(ω0/c)ns − k0] · v = ω0 + k · v, (4.90)

��

k = (ω0/c)ns − k0 (4.91)

�DZ�����

�����DZ����������(4.88)�����������������

dPns

dΩ=

c

8πr2e(E0 × ns)

2. (4.92)

������������DZ���������������������

dσT

dΩ=dPn/dΩ

cE20/8π

= r2e sin2 θ, (4.93)

�� θ���� n���������Æ����������Æ�����

���������

σT =8π

3r2e . (4.94)

4.4.2 ����������

��������������������������� �������

���������������� �������� ����������

�����������DZ�����������������������

����������������������������

��� N �����������������������������

������(4.85)���

Bωs =rer(E0 × ns)e

iωsr/c

N∑i=1

∫ ∞

−∞cos[k0 · ri(t)− ω0t]e

iωst−iks·ri(t)dt. (4.95)

�� ri�� i��������DZ��������������������

��������

n(r, t) =N∑i=1

δ(r− ri(t)). (4.96)

Page 124: final - USTC

116 ������

�� n(r, t)������������������ ��DZ

nk(t) =N∑i=1

e−ik·ri(t). (4.97)

��(4.97)������(4.95)�������DZ

Bωs =1

2

rer(E0 × ns)e

iωsr/cN∑i=1

∫ ∞

−∞

[eik0·rie−iω0t + e−ik0·rieiω0t

]eiωst−iks·ridt

=1

2

rer(E0 × ns)e

iωsr/c

∫ ∞

−∞

[nks−k0(t)e

i(ωs−ω0)t + nks+k0(t)ei(ωs+ω0)t

]dt. (4.98)

����Æ dΩ�������DZ

dE =c

4πr2dΩ

∫Bωs ·B−ωs

dωs

2π. (4.99)

�(4.98)����(4.99)����

dEns

dΩ=cr2e16π

(E0 × ns)2

∫ ∞

−∞

dωs

∫ ∞

−∞

[nks−k0(t)e

i(ωs−ω0)t + nks+k0(t)ei(ωs+ω0)t

]dt

×∫ ∞

−∞

[n−ks−k0(t

′)e−i(ωs+ω0)t′ + n−ks+k0(t′)e−i(ωs−ω0)t′

]dt′. (4.100)

���������������������������

dEns

dΩ=cr2e16π

(E0 × ns)2

∫ ∞

−∞

dωs

×∫dtdt′

[〈nks−k0(t)n

∗ks−k0

(t′)〉ei(ωs−ω0)(t−t′) + 〈nks+k0(t)n∗ks+k0

(t′)〉ei(ωs+ω0)(t−t′)].

(4.101)

��������������

〈nk(t)n∗k′(t′)〉 = 0, when k = k′.

�DZ ∫ ∞

−∞

dωs

2π〈nks+k0(t)n

∗ks+k0

(t′)〉ei(ωs+ω0)(t−t′)

=

∫ −∞

∞(−)

dωs

2π〈n−ks+k0(t)n

∗−ks+k0

(t′)〉e−i(ωs−ω0)(t−t′)

=

∫ ∞

−∞

dωs

2π〈n∗

ks−k0(t)nks−k0(t

′)〉ei(ωs−ω0)(t′−t).

Page 125: final - USTC

4.4 ����� 117

������� k����� ω�

k = ks − k0, ω = ωs − ω0,

��(4.101)���DZ

dEns

dΩ=cr2e8π

(E0 × ns)2

∫ ∞

−∞

∫dtdt′〈nk(t)n

∗k(t

′)〉eiω(t−t′)

=cr2e8π

(E0 × ns)2

∫ ∞

−∞

∫ ∞

−∞dt

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t + τ)〉eiωτ . (4.102)

�������������� 〈n∗k(t)nk(t+ τ)〉��������� t���

����� ���������

dPns

dΩ=cr2e8π

(E0 × ns)2

∫ ∞

−∞

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t + τ)〉eiωτ .

�����DZ

d2Pnsω

dωdΩ=cr2e8π

(E0 × ns)2N

1

2πN

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t+ τ)〉eiωτ .

����� �� S(k, ω)�

S(k, ω) =1

2πN

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t+ τ)〉eiωτ , (4.103)

���������������������������DZ

d2Pnsω

dωdΩ= I0Nr

2e sin

2 θS(k, ω). (4.104)

�� I0 = cE20/8π������������ θ�������������Æ�

��� �����������������������������

������� �����������������������DZ

〈n∗k(t)nk(t+ τ)〉 =

⟨N∑

i,j=1

eik·[ri(t)−rj(t+τ)]

⟩=

⟨N∑i=1

e−ik·vjτ

⟩+

⟨N∑

i,j=1i �=j

eik·[ri(t)−rj(t+τ)]

������������� ���DZ������������

〈n∗k(t)nk(t+ τ)〉 =

⟨N∑i=1

e−ik·vjτ

⟩=

N

(2π)3v3e

∫e−v2/2v2ee−ik·vτd3v

=N

(2π)1/2ve

∫ ∞

−∞e−v2

�/2v2ee−ikv�τdv�.

Page 126: final - USTC

118 ������

����� ��DZ

S(k, ω) =1

(2π)3/2ve

∫ ∞

−∞dτeiωτ

∫ ∞

−∞e−v2

�/2v2ee−ikv�τdv�

=1

(2π)1/2ve

∫ ∞

−∞δ(ω − kv�)e

−v2�/2v2edv�

=1

(2π)1/2kveexp

[− ω2

2k2v2e

]. (4.105)

����������DZ

d2Pnωs

dωsdΩ=

1√2πkve

I0r2eN sin2 θ exp

[− ω2

2k2v2e

]. (4.106)

������������������������������������

�������������������������������������

����������

4.5 ��

������������� ��������������������

��������������������������� �����

�������������������

4.5.1 �������������

���������������

d2F

dz2+

1

z

dF

dz−(1 +

ν2

z2

)F = 0. (4.107)

����������� Iν(z)� Kν(z)���DZ�������������

���������������Kv(z)������DZ

Kν(z) =1

2

∫ ∞

−∞e−z cosh ξ−νξdξ, (−π/2 < arg z < π/2). (4.108)

������(4.108)�Kiν(z)�����DZ

Kiν(z) =1

2

∫ ∞

−∞e−z cosh ξ−iνξdξ. (4.109)

Page 127: final - USTC

4.5 �� 119

�����(4.109)�����Kiν(z)�K ′iν(z)���������

Kiν(z) =1

2e−νπ/2

∫ ∞

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ, (4.110)

K ′iν(z) =

1

2e−νπ/2

∫ ∞

−∞

z − ν cosh ξ

(z cosh ξ − ν)2eiz sinh ξ−iνξdξ. (4.111)

�������(4.109) ���������� t = ξ + iπ/2��� cosh(t −iπ/2) = −i sinh t����

Kiν(z) =1

2e−νπ/2

∫ ∞+iπ/2

−∞+iπ/2

eiz sinh t−iνtdt. (4.112)

���������������

∫ ∞+iπ/2

−∞+iπ/2

eiz sinh t−iνtdt =

∫ ∞

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ.

� ξ−����������������� exp (iz sinh ξ − iνξ)�� ξ−���� ������� ∫

C

eiz sinh t−iνtdt = 0,

��??���� ����DZ

C : −∞ → ∞ → ∞+ iπ/2 → −∞+ iπ/2 → −∞. (4.113)

�������

∫ ∞

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ =

∫ ∞+iπ/2

−∞+iπ/2

eiz sinh ξ−iνξdξ +

∫ −∞+iπ/2

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ

+

∫ ∞

∞+iπ/2

eiz sinh ξ−iνξdξ.

������

∫ −∞+iπ/2

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ =

∫ ∞

∞+iπ/2

eiz sinh ξ−iνξdξ = 0.

DZ�����������

ξ = ρeiφ,

� ρ→ ∞������ 0 < Im ξ < π/2����

0 < ρ sin φ < π/2, ρ→ ∞.

Page 128: final - USTC

120 ������

Re ξ

Im ξ

0

C

iπ/2

φ

ρ

� 4.6: � ������� C�

���� ρ� 1�� φ� 1����

ξ = ρ+ iρφ.

���

∫ ∞

∞+iπ/2

eiz sinh ξ−iνξdξ = limρ→∞

∫ 0

π/2ρ

eiz sinh(ρ+iρφ)−iν(ρ+iρφ)ρeiφidφ

= limρ→∞

∫ 0

π/2ρ

eiz sinh ρ cos(ρφ)−z cosh ρ sin(ρφ)−iνρ+νρφeiφid(ρφ)

= limρ→∞

i

∫ 0

π/2

eiz sinhρ cos θ−iνρ−iνρe−z cosh ρ sin θ+νθdθ

����� (0, π/2)�� sin θ������� exp(−z cosh ρ sin θ)�� ρ������

�������� ∫ ∞

∞+iπ/2

eiz sinh ξ−iνξdξ = 0.

��� ∫ −∞+iπ/2

−∞eiz sinh ξ−iνξdξ = 0.

�������(4.110)��������(4.109)����� z > 0���������K ′

iν(z)���DZ�

������

K ′iν(z) = −1

2

∫ ∞

−∞cosh ξe−z cosh ξ−iνξdξ. (4.114)

�(4.114)������

K ′iν(z) =

1

2

∫ ∞

−∞

iν sinh ξ − z

(z sinh ξ + iν)2e−z cosh ξ−iνξdξ.

Page 129: final - USTC

4.5 �� 121

�������� t = ξ + iπ/2����

K ′iν(z) =

1

2e−νπ/2

∫ ∞+iπ/2

−∞+iπ/2

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνtdt.

�����

∫ ∞

−∞

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνtdt =

∫ ∞+iπ/2

−∞+iπ/2

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνtdt.

����������� (ν/z) < 1�DZ��������

∫C

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνt = i2πRes

[z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνt, t = i arccos

ν

z

].

�� C �������(4.113)���������������

Res[z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνt, t = i arccos

ν

z

]

= limt→i arccos(z/ν)

d

dt

[(t− i arccos

ν

z)2

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνt

]

= 0.

��

∫ −∞+iπ/2

−∞

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνtdt =

∫ ∞

∞+iπ/2

z − ν cosh t

(z cosh t− ν)2eiz sinh t−iνtdt = 0

�������(4.111)���

4.5.2 ���������

DZ�������� ���������(4.76)��������������������

sin θ′ =

√1− β2

� sin θ

1− β� cos θ, cos θ′ =

cos θ − β�1− β� cos θ

,

sin θ =

√1− β2

� sin θ′

1 + β� cos θ′, cos θ =

cos θ′ + β�1 + β� cos θ′

.

Page 130: final - USTC

122 ������

�����

sin θdθ =1− β2

(1 + β� cos θ′)2sin θ′dθ′,

1− β� cos θ =1− β2

1 + β� cos θ′,

cos θ − β�sin θ

=(1− β�)

1/2

tan θ′,

nβ⊥1− β� cos θ

sin θ =nβ⊥√1− β2

sin θ′,

�� ���DZ

Pn =e2n2ω2

c

(1− β2� )

2

∫ π

0

{β2⊥J

′2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]+

1− β2�

tan2 θ′J2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]}(1 + β� cos θ

′) sin θ′dθ′

=e2n2ω2

c

(1− β2� )2

∫ π

0

{β2⊥J

′2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]+

1− β2�

tan2 θ′J2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]}sin θ′dθ′.

����������

Jn−1(z)− Jn+1(z) = 2J ′n,

Jn−1(z) + Jn+1(z) =2n

zJn,

���������������

J2n−1(z) + J2

n+1(z) = 2J ′2(z) + 2n2

z2J2n(z),

��

β2⊥J

′2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]+

1− β2�

tan2 θ′J2n

[nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

]

=β2⊥2

[J2n−1 + J2

n+1 − 21− β2

β2⊥ sin2 θ′

J2n

]+

1− β2�

tan2 θ′J2n

=β2⊥2

(J2n−1 + J2

n+1

)− (1− β2

�)J2

n

�����

Pn =e2n2ω2

c

(1− β2� )2

∫ π

0

{β2⊥2

[J2n−1

(nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

)+ J2

n+1

(nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

)]

−(1− β2�)J2

n

(nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

)}sin θ′dθ′.

Page 131: final - USTC

4.5 �� 123

�������������������

J2n(z) =

1

π

∫ π

0

J0 (2z sin ξ) cos(2nξ)dξ,

���

Pn =e2n2ω2

c

(1− β2� )2

1

π

∫ π

0

sin θ′dθ′∫ π

0

dξJ0

(2nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

sin ξ

)

×[β2⊥2

cos[2(n− 1)ξ] +β2⊥2

cos[2(n + 1)ξ]− (1− β2�) cos(2nξ)

]

=e2n2ω2

c

(1− β2� )2

I,

����I1��DZ

I1 =1

π

∫ π

0

sin θ′dθ′∫ π

0

dξJ0

(2nβ⊥ sin θ′√

1− β2�

sin ξ

)

×[β2⊥2

cos[2(n− 1)ξ] +β2⊥2

cos[2(n+ 1)ξ]− (1− β2�) cos(2nξ)

],

���������

∫ π/2

0

J0(z sin θ′) sin θ′dθ′ =

sin z

z.

���

I =

√1− β2

2nβ⊥

1

π

∫ π

0

dξ sin

(2nβ⊥ sin ξ√

1− β2�

)β2⊥

sin ξ

{cos[2(n− 1)ξ] + cos[2(n+ 1)ξ]− 2(1− β2

�) cos 2nξ

}.

�����������

J2n(z) =1

π

∫ π

0

cos(z sin θ) cos(2nθ)dθ,

���∫ z

0

J2n(ξ)dξ =1

π

∫ z

0

∫ π

0

cos(ξ sin θ) cos(2nθ)dθ =1

π

∫ π

0

sin(z sin θ)

sin θcos(2nθ)dθ.

�����

I =

√1− β2

2nβ⊥

∫ 2nβ⊥/√

1−β2�

0

{β2⊥[J2(n−1)(ξ) + J2(n+1)(ξ)

]− 2(1− β2

�)J2n(ξ)

}dξ.

Page 132: final - USTC

124 ������

���������������

J2(n−1)(ξ) + J2(n+1)(ξ) = 4J ′′2n(ξ) + 2J2n(ξ),

�����

I =

√1− β2

2nβ⊥

∫ 2nβ⊥/√

1−β2�

0

dξ{4β2

⊥J′′2n(ξ) + 2β2

⊥J2n(ξ)− 2(1− β2�)J2n(ξ)

}

=

√1− β2

2nβ⊥

[4β2

⊥J′2n

(2nβ⊥√1− β2

)− 4n(1− β2)

∫ β⊥/√

1−β2�

0

J2n(2nξ)dξ

].

������� ���DZ

Pn =2e2ω2

c

(1− β2� )3/2β⊥

[β2⊥nJ

′2n

(2nβ⊥√1− β2

)− (1− β2)n2

∫ β⊥/√

1−β2�

0

J2n(2nξ)dξ

].

4.5.3 ������

������ ����������������� γ � 1��� γ = (1 −β2)−1/2 ������������������������� �������

���� n � 1��� ��������������������������

������DZ����������� β� = 0�

����������������

J2n(2nβ) =1

π

∫ π

0

cos [2n(ξ − β sin ξ)] dξ, (4.115)

� n � 1����(4.115) ������� ξ � 1��� ����������

J2n(2nβ) ≈1

π

∫ ∞

0

cos

[2n

(ξ − βξ + β

ξ3

6

)]dξ. (4.116)

������������ β → 1� 1 − β ≈ 1/2γ2���������������

���

J2n(2nβ) ≈1

π

∫ ∞

0

cos

[2n

(1

2γ2ξ +

ξ3

6

)]dξ =

1

n1/3Ai(n2/3γ−2),

�� Ai(x)���������DZ

Ai(x) =1

π

∫ ∞

0

cos

(xξ +

ξ3

3

)dξ. (4.117)

Page 133: final - USTC

4.5 �� 125

u = n2/3γ−2�����

J ′2n(2nβ) ≈ − 1

n2/3Ai′(u),

∫ β

0

J2n(2nξ)dξ ≈1

2n

∫ ∞

u

Ai(u′)du′.

��� n� ��������DZ

Pn ≈ 2e4B2

m2c3γ2

[−n1/3Ai′(u)− n1/3

2u

∫ ∞

u

Ai(u′)du′]

= −2e4B2u1/2

m2c3γ

[Ai′(u) +

1

2u

∫ ∞

u

Ai(u′)du′].

� u� 1�����

Pn ≈ −2e4B2n1/3

m2c3γ2Ai′(0) = 0.52

e4B2n1/3

m2c3γ2, when 1 � n� γ3.

� u� 1�����

Pn ≈ e4B2n1/2

2√πm2c3γ5/2

exp

[−2

3nγ−3

], when n� γ3.

��� ����DZ

n ∼ γ3.

������ ��������

ω ∼ eB

mcγγ3 =

eB

mcγ2.

������������ ωc = eB/mcγ���������������

����

������������������

Ai(u) =1

π

√u

3K1/3

(2

3u3/2

),

Ai′(u) = − u√3πK2/3

(2

3u3/2

),

Page 134: final - USTC

126 ������

� 4.7:

Ai′(u) +1

2u

∫ ∞

u

Ai(u′)du′ =u√3π

[−K2/3

(2

3u3/2

)+

1

2

∫ ∞

u

u′1/2K1/3

(2

3u′3/2

)du′]

=u√3π

[∫ ∞

ξ

K ′2/3(x)dx+

1

2

∫ ∞

ξ

K1/3(x)dx

]

=u√3π

[∫ ∞

ξ

(−1

2K1/3 −

1

2K5/3

)dx+

1

2

∫ ∞

ξ

K1/3(x)dx

]

= − u

2√3π

∫ ∞

ξ

K5/3(x)dx,

�� ξ = 2u3/2/3 = (2/3)nγ−3 = (2/3)(ω/ωc)γ−3� � Pn�����

dP = Pndn = Pndω

ωc,

�����

dP = dω

√3

e3B

mc2F

(2ω

3ωcγ3

),

��

F (x) = x

∫ ∞

x

K5/3(ξ)dξ.

����(4.7)������ F (x)�������� x = 0.29��������

DZ 0.92���� F (x)������� ������������ ����

������� 0.44ωcγ3���� ����DZ n ≈ 0.44γ3�

��

1. �����(4.6)����������Lienard-Wiechert�

φ =e

R− v ·R/c, A =ev

c(R− v ·R/c) ,

Page 135: final - USTC

4.5 �� 127

��R = r− r0(t′)� t′DZ��

2. ���������� a(t)��� ��DZ aω����������∫ ∞

−∞a2(t)dt =

∫ ∞

−∞|aω|2

2π,

���� �� aω ���DZ

aω =

∫ ∞

−∞a(t)eiωtdt.

[��� δ−�������� δ(ω) =∫∞−∞ exp(−iωt)dt/(2π)�]

3. ����(4.18)�����(4.21)�

4. �� z < 0����������������DZ 0�����DZ t0����

��������� v������������������� ���

����������� t < t0��������������������

���

5. � β ���������������������������DZ v��

����������������������������

6. ������������������ �����DZ����������������������������������������

���� dEω/dω����

2ωK1(ω) =

∫ ∞

−∞

1

(t2 + 1)3/2e−iωtdt,

2ωK0(ω) =

∫ ∞

−∞

t

(t2 + 1)3/2e−iωtdt.

7. ���������������������DZ�� ��

A =∞∑l=1

An exp(−ilω0t),

��2π/ω0�����������

Al =ω0

e

creilω0r/c

∮exp [ilω0(t− r0 · n/c)] dr0,

�� r0(t)����� ��

Page 136: final - USTC

128 ������

8. ��������� ���(4.74)�

9. �������������������������������������DZ

ωs − ω0 = (ks − k0) · v,

�� ω0,s� k0,s�������������� v�������

Page 137: final - USTC

��� �����������

�����������������������������������

�������������DZ����������������DZ������

�����������������������������DZ�������

������������DZ��DZ����������������������

������������������������������������

����������������������������DZ�DZ�����

���������������������DZ���������������

����������������

f =n(r, t)

(2π)3/2v3T (r, t)exp

{− [v − u(r, t)]2

2v2T (r, t)

}, (5.1)

�� vT (r, t) = [T (r, t)/m]1/2 ��������T (r, t)��������������

�������������������������������������

��������������������������������������

�������������������������������������

�����������������������������������

��������Æ���� L�Æ���� T ������������� λ

������� τ��

L� λ, T � τ, (5.2)

�����������������������������������

����DZ������������������������������

�����������������������������������

�������������DZ����������MHD������������������������ ����������DZ�������

���������������������������������

����� ������������

Page 138: final - USTC

130 �����������

z

y

x

dfu

V(ρ,u, ε)o

� 5.1: ������ V ���������������������������

��������

5.1 �������

������DZ������������������������

�����������������������������������

������� ������������������������

��������������������� ���� �����

���

5.1.1 ���������

������������������������������� �

��������������DZ������������� �

�����

������������������������������

���������������

��(5.1)��������������������� V��������

������� S����DZ df���� V ��� ����������

�� V �����DZ ∮S

ρu · df =∫V

∇ · (ρu)d3r, (5.3)

Page 139: final - USTC

5.1 ������� 131

�� ������� u��������������������� V ��

�������DZ

− d

dt

∫V

ρd3r = −∫V

∂ρ

∂td3r. (5.4)

�DZ������ V ��������������������� V����

�(5.3)���(5.4)����������

− d

dt

∫V

ρd3r =

∮S

ρu · df ,

∫V

[∂ρ

∂t+∇ · (ρu)

]d3r = 0.

�DZ V ����������� ����� ��������DZ�����

�∂ρ

∂t+∇ · (ρu) = 0. (5.5)

����������������� ρu�����������

���������������������������������

������������� ρ =������������(5.5)��DZ

∇ · u = 0. (5.6)

�������DZ�

����

������� V ������������������ V ������

��DZd

dt

∫V

ρud3r =

∫V

∂t(ρu)d3r.

���������������������DZ����� ��� V �����

����DZ ∮S

ρuu · df =∫V

∇ · (ρuu)d3r.

�������������� V ������������� �����

������������������������ V ���������

����������DZ ∮S

Pdf =

∫V

(∇P )d3r,

Page 140: final - USTC

132 �����������

�� P ������������������������������

�����������DZF��� V ���������������DZ∫V

ρFd3r,

���������� ������� �

−∫V

∂t(ρu)d3r =

∮S

ρuu · df+∮S

Pdf−∫V

ρFd3r.

�DZ V � ������������

∂t(ρu) +∇ · (ρuu) +∇P = ρF. (5.7)

�����(5.5)�����(5.7)�� �����

ρ

[∂u

∂t+ (u · ∇)u

]= −∇P + ρF. (5.8)

��(5.8)�DZ������������������������������DZ��������

����������������������������������

Πik = Pδik + ρuiuk (5.9)

�DZ

Π = P I+ ρuu,

�� I��������(5.9)DZ�DZ�������������������������(5.7)���DZ�������

∂t(ρu) +∇ ·Π = 0. (5.10)

����

�������� V ������������� �����������

�� ∫V

(1

2ρu2 + ρε

)d3r,

�� ��������������DZ�������� V ���������

���DZ� ∮S

(1

2ρu2 + ρε

)u · df =

∫V

∇ ·[(

1

2ρu2 + ρε

)u

]d3r,

Page 141: final - USTC

5.1 ������� 133

������� V ���������������������������

���� V ���������������DZ

∮S

Pu · df =∫V

∇ · (Pu) d3r.

�DZ���������

− d

dt

∫V

(1

2ρu2 + ρε

)d3r =

∮S

(1

2ρu2 + ρε

)u · df+

∮S

Pu · df .

���� V �������

∂t

(1

2ρu2 + ρε

)+∇ ·

[(1

2ρu2 + ρε+ P

)u

]= 0. (5.11)

������������ h������DZ

h = ε+ P/ρ,

������DZ∂

∂t

(1

2ρu2 + ρε

)+∇ ·

[(1

2ρu2 + ρh

)u

]= 0. (5.12)

����������������DZ���������������� ���

�������������(5.12)��������������DZ

Q = ρ(u2/2 + h

)u. (5.13)

����(5.12)���DZ�������������������������(5.12)�� ���DZ

ρ

[∂ε

∂t+ (u · ∇)ε

]− P

ρ

[∂ρ

∂t+ (u · ∇)ρ

]= 0. (5.14)

�� V = 1/ρ�� ��DZ

dt+ P

dV

dt= 0, (5.15)

�� d/dt����������� �������

d

dt=

∂t+ u · ∇.

Page 142: final - USTC

134 �����������

���������������

Tds = dε+ PdV, (5.16)

�� s��������������(5.15)�����DZ

ds

dt= 0. (5.17)

�������������������� ������������

����������������

ds =δQ

T,

��������������������������������DZ�

��DZ���DZ����������������������������

�� δQ = 0�����������������(5.17)����������(5.17)DZ������

����

���(5.5)�����(5.8)������(5.12)���������� ρ��

� u������� ����������������DZ��������(�� ����������)���� �(���� � �� P��� u)����������� P��� � ���������������

������������ P�� V ��� T �����������

P = P (V, T ) (5.18)

�DZ����������������������������������

�����DZ������������ ��������������

����������������������DZ����

������������������������������

DZ������������� ���������DZ�

P = nT =ρT

m, (5.19)

��m������ ���� n�������������������

������DZ

s = − 1

mlnP +

cPm

lnT +1

m(cP + ξ), (5.20)

Page 143: final - USTC

5.1 ������� 135

�� cP �������� ������������� �������

cp =5

2, ξ =

3

2ln

m

2π�2. (5.21)

����������������������� s =const����(5.20)�

T cP /P = const.

���������(5.19)����

Pρ−γ = const, (5.22)

�� γ = cP/(cP − 1) = cP/cV ��� cV ��������

5.1.2 ����������

�� ������(5.7)��������������������������������������������������������

������������������������� ��������DZ

����������DZ

Πik = Pδik + ρuiuk + πik = −σik + ρuiuk. (5.23)

�� πik �DZ�������������������������

�DZ���������������������� πik ��������

����������������������������������

������������ ∂ui/∂xk������Æ��Ω����������

����DZ u = Ω× r����DZ�������

∂ui∂xk

+∂uk∂xi

������������������� u = Ω× r�DZ���� πik ���

������� ����� �������������� DZ

πik = −η(∂ui∂xk

+∂uk∂xi

− 2

3δik∂ul∂xl

)− ζδik

∂ul∂xl

, (5.24)

���� η� ζ ���������DZ����� ζ ��DZ���������

�������������������������������� �

������������������

Page 144: final - USTC

136 �����������

����(5.24)�(5.23)�������������������������

ρ

[∂u

∂t+ (u · ∇)u

]= −∇P + η∇2u+ (ζ + η/3)∇ (∇ · u) + ρF. (5.25)

���������—�������

����������������������������DZ���

�����������������������������������

�����������DZ

Ekin =1

∫V

u2d3r.

�����������DZ

Ekin =1

2

∫∂

∂t(ρu2)d3r =

∫ρu · ∂u

∂td3r.

��—������(5.25)����

∂ui∂t

= −uk∂ui∂xk

− 1

ρ

∂P

∂xi− 1

ρ

∂πik∂xk

,

��������������DZ

∂t

(ρu2/2

)= ρui

[−uk

∂ui∂xk

− 1

ρ

∂P

∂xi− 1

ρ

∂πik∂xk

]

= −ρuk∂

∂xk(uiui/2)− ui

∂P

∂xi− ui

∂πik∂xk

= −ρuk∂

∂xk

[u2/2 + P/ρ

]− ∂

∂xk(uiπik) + πik

∂ui∂xk

.

����������∇ · u = 0���� ���DZ

∂t

(ρu2/2

)= − ∂

∂xk

[ρuk

(u2/2 + P/ρ

)+ uiπik

]+ πik

∂ui∂xk

. (5.26)

�������� ������������� ρuk(u2/2 + P/ρ)�������

������� uiπik ���DZ������(��)� ����������DZ������������������

��(5.26)��������������������

Ekin = −∮ [

ρuk(u2/2 + P/ρ

)− uiσ

′ik

]dfk +

∫πik

∂ui∂xk

d3r, (5.27)

Page 145: final - USTC

5.1 ������� 137

������������DZ������

Ekin =

∫πik

∂ui∂xk

d3r =1

2

∫πik

(∂ui∂xk

+∂uk∂xi

)d3r.

����������∇ · u = 0���������DZ πik = −η(∂uk/∂xi + ∂ui/∂xk)�

�����

Ekin = −η2

∫ (∂ui∂xk

+∂uk∂xi

)2

d3r. (5.28)

������������������������ Ekin < 0����(5.28)���� ������������ �����

5.1.3 ����������

�� �������(5.12)��������������������� �����������������������DZ������� �����

������������������������������������

�����������������

q = −κ∇T, (5.29)

�� κ�DZ� ������������� ���������������

����DZ�������������������DZu · π [���(5.26)]���������������������DZ

∂t

(1

2ρu2 + ρε

)+∇ ·

[(1

2ρu2 + ρh

)u+ u · π − κ∇T

]= 0, (5.30)

�����DZ

Q =(u2/2 + h

)ρu+ u · π − κ∇T. (5.31)

�����(5.30)DZ����DZ��������

ρT

(∂s

∂t+ u · ∇s

)= −πik

∂ui∂xk

+∇ · (κ∇T ). (5.32)

��(5.32)��� �������� �������������������� ��DZ�� ����������

��������������DZ

ρε =3

2nT, (5.33)

Page 146: final - USTC

138 �����������

�� n��������T�������������������������

�DZ�����(5.33)����DZ��������������������������� g = 1/4πnλ3D ���������� (5.33) ������(5.30)������������������������

3

2n

(∂T

∂t+ u · ∇T

)= −P∇ · u− πik

∂ui∂xk

+∇ · (κ∇T ). (5.34)

����������� ��������������� ����

������� �������������������� κ� η�� ζ�

�����DZ�����������������������DZ

S =

∫ρsd3r,

��������DZ

S =

∫∂(ρs)

∂td3r.

���������∂(ρs)

∂t= −s∇ · (ρu) + ρ

∂s

∂t.

�����������������������(5.32)�DZ

ρT

(∂s

∂t+ u · ∇s

)=η

2

(∂ui∂xk

+∂uk∂xi

− 2

3δik∇ · u

)2

+ ζ(∇ · u)2 +∇ · (κ∇T ), (5.35)

�����

∂(ρs)

∂t= −s∇ · (ρu)− ρu · ∇s + 1

T∇ · (κ∇T )

2T

(∂ui∂xk

+∂uk∂xi

− 2

3δik∇ · u

)2

T(∇ · u)2.

���������DZ

S = −∫

∇ · (ρsu) d3r +∫

1

T∇ · (κ∇T )d3r +

∫ζ

T(∇ · u)2d3r

+

∫η

2T

(∂ui∂xk

+∂uk∂vi

− 2

3δik∇ · u

)2

d3r

= −∫

∇ · (ρsu) d3r +∫

∇ ·(κ∇TT

)d3r +

∫κ(∇T )2T 2

d3r

+

∫ζ

T(∇ · u)2d3r +

∫η

2T

(∂ui∂xk

+∂uk∂vi

− 2

3δik∇ · u

)2

d3r.

Page 147: final - USTC

5.2 ������������� 139

u(a, t)

a

r(a, t)

z

y

x

o

� 5.2: � ���������������������������������DZ�� a�������

������������������DZ��������������

��� �����DZ��������

S =

∫κ(∇T )2T 2

d3r +

∫ζ

T(∇ · v)2d3r +

∫η

2T

(∂ui∂xk

+∂uk∂vi

− 2

3δik∂ul∂xl

)2

d3r. (5.36)

���DZ��� S > 0����� κ� η�� ζ �����

5.2 �������������

���� �����������������������������

���������DZ�DZ�������� �DZ�DZ�� �����

�DZ����������������� ������������

�� �DZ� �������� ��DZ� �� ���� �� ��

�������������� ������������������

��� �

������������������������ x ������DZ�

������� DZ a������������������������

�� x����� �� (τ, a)����� (t, x)���DZ

t = τ, x = a+ ξ(a, τ), (5.37a)

ξ(a, τ) =

∫ τ

0

u(a, τ ′)dτ ′. (5.37b)

Page 148: final - USTC

140 �����������

�� ξ(a, τ)����DZ�� DZ a�����DZ τ �� � u(a, τ)����DZ�

� DZ a����������� ��������(5.37)���������� �

∂x=

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]−1

∂a, (5.38a)

∂t=

∂τ− u(a, τ)

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]−1

∂a. (5.38b)

������ (5.38)�������� �

∂t+ u

∂x=

∂τ. (5.39)

���� (5.38a)�(5.39)�����������DZ

∂ρ

∂τ+ ρ

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]−1

∂u

∂a= 0.

��∂

∂τ

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′ =∂u(a, τ)

∂a,

�����DZ∂

∂τ

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]}

= 0.

���������

ρ(a, τ)

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]= ρ(a, 0). (5.40)

������DZ

ρ

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]∂u

∂τ= −∂P

∂a,

�����(5.40)����

∂u

∂τ= − 1

ρ(a, 0)

∂P

∂a. (5.41)

����(5.17)�� �� ������

∂s(a, τ)

∂t= 0. (5.42)

��������������

P (a, τ)[ρ(a, τ)]−γ = P (a, 0)[ρ(a, 0)]−γ. (5.43)

Page 149: final - USTC

5.3 �� 141

������(5.40)�(5.41)�(5.43)� ������� ρ(a, τ) � u(a, τ)����

u(a, τ)��� � ��(5.37)���������� �������� �������

������ ������������������� ��������

�������� �� ��������������������

������������� �� ��DZ�� �� �����

��������

5.3 ��

DZ���������������������������������

���������������������������

�DZ����� ���������DZ ���������������

�������������������������DZ��������

���

ρ = ρ0 + δρ, P = P0 + δP,

�� ρ0� P0����������� δρ� δP����������

���������������������

∂δρ

∂t+ ρ0∇ · u = 0.

���������

ρ0∂u

∂t= −∇δP.

�������������� s(ρ, P ) =const�����DZ���DZP = P (s, ρ)�

�DZ����������������������DZ

δP =

(∂P

∂ρ

)s

δρ.

������DZ

ρ0∂u

∂t= −

(∂P

∂ρ

)s

∇δρ.

������ u���� � cs =√

(∂P/∂ρ)s���������

∂2

∂t2δρ− c2s∇2δρ = 0. (5.44)

Page 150: final - USTC

142 �����������

��������������� cs������������������DZ�

�����

������������� Pρ−γ =const������(∂P

∂ρ

)s

=γP

ρ,

����������� P = nT = ρT/m���m�������������

�������

cs =

√γT

m. (5.45)

��� ����� γ = cP/cV = 5/3�����DZ

cs =

√5T

3m. (5.46)

���������������������������� exp[i(k ·r−ωt)]���������� ���(5.44)������������������

ω2 = k2c2s. (5.47)

���������������������������������

DZ����

������������������ �DZ�������������

DZ(���������)�

δE = δ

(ρε+

1

2ρu2)

≈ ∂(ρε)

∂ρδρ+

1

2

∂2(ρε)

∂ρ2(δρ)2 +

1

2ρ0u

2.

��������������

∂(ρε)

∂ρ= ε+ ρ

(∂ε

∂ρ

)s

,

������ � dε = Tds− PdV = Tds+ (P/ρ2)dρ���� (∂ε/∂ρ)s = P/ρ2��

����

[∂(ρε)/∂ρ]s = ε+ P/ρ = h.

[∂2(ρε)/∂ρ2]����DZ

[∂2(ρε)/∂ρ2]s = [∂h/∂ρ]s =

(∂h

∂P

)s

(∂P

∂ρ

)s

= c2s(∂h/∂p)s.

Page 151: final - USTC

5.4 ��—������ 143

�������� dh = Tds + V dP = Tds + (1/ρ)dP���� (∂h/∂P )s = 1/ρ�

���

[∂2(ρε)/∂ρ2]s = c2s/ρ.

���� ������������

δE = h0δρ+c2s2

(δρ)2

ρ0+

1

2ρ0u

2.

��������������∫δρdV = 0����������������DZ

∫V

[1

2ρ0u

2 +c2s2ρ0

(δρ)2]d3r.

� ���������DZ�����������DZE�

E =1

2ρ0u

2 +c2s2ρ0

(δρ)2 (5.48)

���������������DZ������ (x − cst)���������

� δρ = ρ0u/cs����������DZ

E = ρ0u2. (5.49)

���������DZ

Q = ρ[u2/2 + h

]u ≈ ρhu = (h0ρ+ δP )u,

�� h0ρu��DZ�����������������DZ������� ���

�� ������� h0(δρ)������������DZ

Q = δPu. (5.50)

�������� δP = csρ0u����������DZ

Q = csρ0u2n = csEn. (5.51)

5.4 ��—������

��������������������������������

������������(��������������������)�

Page 152: final - USTC

144 �����������

ρ2

ρ1

g∇ρ

� 5.3: ��������������������������—������

����������������������������������

������������—�������������������—����������������

�����������������������������������

��(������)���������5.3���������������������������������

�������DZ��������

∂ρ

∂t+∇ · (ρu) = 0, (5.52a)

ρ∂u

∂t+ ρ(u · ∇)u = −∇P + ρg, (5.52b)

�� gDZ�����������DZ�����������(5.52a)�(5.52b)����

∂δρ

∂t+∇ · (ρ0u) = 0, (5.53a)

ρ0∂u

∂t= −∇δP + δρg, (5.53b)

�� δρ� δP ����������������������������

DZ�������������������DZ�

dt=∂ρ

∂t+ u · ∇ρ = 0. (5.54)

��������(5.54)DZ������

∂δρ

∂t+ u · ∇ρ0 = 0. (5.55)

Page 153: final - USTC

5.4 ��—������ 145

��������(5.55) ������(5.53a)���������

∇ · u = 0. (5.56)

������������������ �

��������� z−������ g = −gez�������������������� ∂ρ0/∂x = ∂ρ0/∂y = 0��� ∂ρ0/∂z �= 0�����������

����(5.53b)�(5.55)�(5.56)����� ���

ρ0∂ux∂t

= −∂δP∂x

, (5.57a)

ρ0∂uy∂t

= −∂δP∂y

, (5.57b)

ρ0∂uz∂t

= −∂δP∂z

− δρg, (5.57c)

∂δρ

∂t+ uz

∂ρ0∂z

= 0 (5.57d)

∂ux∂x

+∂uy∂y

+∂uz∂z

= 0. (5.57e)

�����������DZ��� �

(ux, uy, uz, δP, δρ) = [Ux(z), Uy(z), Uz(z), Q(z), R(z)]eikxx+ikyy−iωt, (5.58)

�������(5.57)�DZ

−iωρ0Ux = −ikxQ, (5.59a)

−iωρ0Uy = −ikyQ, (5.59b)

−iωρ0Uz = −∂Q∂z

− Rg, (5.59c)

−iωR + Uz∂ρ0∂z

= 0, (5.59d)

ikxUx + ikyUy +∂Uz

∂z= 0. (5.59e)

����(5.59a)�(5.59b)�(5.59e)����Ux� Uy�

ωρ0∂Uz

∂z= −ik2Q,

�� k2 = k2x + k2y�����(5.59c)�(5.59d)�����R�

∂Q

∂z= iωρ0Uz + i

g

ωUz∂ρ0∂z

.

Page 154: final - USTC

146 �����������

������������Q���������� Uz ������

∂z

(ρ0∂Uz

∂z

)= k2ρ0Uz

(1 +

g

ω2ρ0

∂ρ0∂z

). (5.60)

����������������������������∂ρ0/∂z = 0�

����(5.60)��DZ∂2Uz

∂z2= k2Uz. (5.61)

����������� �

Uz = Ae+kz +Be−kz.

�������������DZ 0���������������������

������������ Uz �������� �

Uz =

{We+kz, z < 0,

We−kz, z > 0, (5.62)

��W = Uz(z = 0)�������������

����������������������� z����DZ�����

�����������(5.60)�����������∫ 0+

0− dz��

−kW (ρz>0 + ρz<0) =k2Wg

ω2(ρz>0 − ρz<0).

�������������

ω2 = −kg (ρz>0 − ρz<0)

(ρz>0 + ρz<0). (5.63)

������A��DZ�����

A =(ρz>0 − ρz<0)

(ρz>0 + ρz<0). (5.64)

� ρz>0 > ρz<0�� ω2 < 0����������� �����������

��������� �DZ

γ = |ω| =√kgA. (5.65)

5.5 ��

�������������������������������

����������������������������������� �

����������������������������� ��������

����������������������������

Page 155: final - USTC

5.5 �� 147

shock front

D

shocked

ρ1,u1, T1

unshocked

ρ0,u0, T0

� 5.4: ��������������������������������

5.5.1 ����������

�����������������������������������

�������������������������������DZ��

∂ρ

∂t+∂(ρu)

∂x= 0.

���������� D ����������������������

� ξ = x−Dt�������DZ

d

dξ[ρ(u−D)] = 0.

�������������������������∫ D+0

D−0

d

dξ[ρ(u−D)] dξ = 0.

����������������

ρ1(u1 −D) = ρ0(u0 −D), (5.66)

��� 1���������� 0�� �������������������

��������������������(5.66)��DZ

ρ1u1 = ρ0u0. (5.67)

�����������

P1 + ρ1u21 = P0 + ρ0u

20, (5.68)

��������

(ρ1u21/2 + ρ1ε1 + P1)u1 = (ρ0u

20/2 + ρ0ε0 + P0)u0. (5.69)

Page 156: final - USTC

148 �����������

��(5.69)�������(5.67)�����

u21/2 + h1 = u20/2 + h0. (5.70)

�� h = ε+ P/ρ������

5.5.2 �����

��(5.67)�(5.68)�(5.70)������������������� V =

1/ρ��(5.67)�V0V1

=u0u1,

����(5.67)�(5.68)���������������������������������

u20 = V 20

P1 − P0

V0 − V1,

u21 = V 21

P1 − P0

V0 − V1.

�����������DZ

u0 − u1 =√(P1 − P0)(V0 − V1).

���DZ

ε1(P1, V1)− ε0(P0, V0) =1

2(P0 + P1)(V0 − V1). (5.71)

����DZ

h1 − h0 =1

2(P1 − P0)(V0 + V1) (5.72)

����DZ�������������������

P1 = H(V1, P0, V0). (5.73)

5.5.3 ��������

��������DZ�����

ε = cV T =1

γ − 1PV, h = cpT =

γ

γ − 1PV.

Page 157: final - USTC

5.5 �� 149

V

P� 5.5: ������������������������������DZ������

���������

P1

P0

=(γ + 1)V0 − (γ − 1)V1(γ + 1)V1 − (γ − 1)V0

,

V1V0

=(γ − 1)P1 + (γ + 1)P0

(γ + 1)P1 + (γ − 1)P0,

T1T0

=P1V1P0V0

,

u20 =V02[(γ − 1)P0 + (γ + 1)P1],

u21 =V02

[(γ + 1)P0 + (γ − 1)P1]2

[(γ − 1)P0 + (γ + 1)P1].

������� P1/P0 → ∞��

ρ1ρ0

=V0V1

=γ + 1

γ − 1,

��� ���� γ = 5/3�������������������DZ4�����

������������������������������������

������������������� ����� Pρ−γ =const���������DZ����

�������������DZ(u0c0

)2

=(γ − 1) + (γ + 1)P1/P0

2γ> 1,

(u1c1

)2

=(γ − 1) + (γ + 1)P0/P1

2γ< 1.

Page 158: final - USTC

150 �����������

��� u0���������������������� ���������

�������������������������������������

P1/P0 ≈ 1�� u0 ≈ u1 ≈ c0 ≈ c1����������������� �����

����������� ������������������������

���������������

S1 − S0 = cV lnP1V

γ1

P0Vγ0

= cV ln

{P1

P0

[(γ − 1)(P1/P0) + (γ + 1)

(γ + 1)(P1/P0) + (γ − 1)

]γ}.

������� S1 ≈ S0����������

S1/S0 = cV ln

[P1

P0

(γ − 1

γ + 1

)γ]→ ∞.

���� ������������������������

��������������������DZ���������

�����DZ���������������������������

������������������������������

5.6 �������

�����������������������������������

����������� ������������������������

��������

fα =nα(r, t)

(2π)3/2v3Tα(r, t)

exp

{−m[v − uα(r, t)]

2

2Tα

}, (α = e, i).

������������������������������������

����

��������������������������������

�����DZ

τe =3m

1/2e T

3/2e

4√2πZ2e4ni ln Λ

, (5.74a)

τi =3m

1/2i T

3/2i

4√πZ4e4ni ln Λ

, (5.74b)

Page 159: final - USTC

5.6 ������� 151

�� ln �����������������DZ

λe = veτe =3T 2

e

4√2πZ2e4ni ln Λ

,

λi = viτi =3T 2

i

4√πZ4e4ni ln Λ

.

������������������������������������

L� max(λe, λi), Δτ � max(τe, τi). (5.75)

5.6.1 �����

�������� �������������������������

�������∂nα

∂t+∇ · (nαuα) = 0, (α = e, i). (5.76)

�� n���������u�������������������

��������������DZ

∂nα

∂t+∇ · (nαuα) = Sα,

�� S�������� �������/������������/������DZ�

5.6.2 ����

����������DZ�����������������������

���������������������������������DZ���

��������������������������DZ

mαnα

(∂uα

∂t+ uα · ∇uα

)= Zαenα

(E+

1

cuα ×B

)−∇Pα −∇ · πα +Rα, (5.77)

�� πα������(��—�����—��)������ ���������Rα���������� �������

��������������������������������

��������

|ωcατα| � 1,

Page 160: final - USTC

152 �����������

�� ωcα������������������������������

�������� z−�����

πzz = −η0Wzz,

πxx = −1

2η0(Wxx +Wyy)−

1

2η1(Wxx −Wyy)− η3Wxy,

πyy = −1

2η0(Wxx +Wyy)−

1

2η1(Wxx −Wyy) + η3Wxy,

πxy = πyx = −η1Wxy +1

2η3(Wxx −Wyy),

πxz = πzx = −η2Wxz − η4Wyz,

πyz = πzy = −η2Wyz + η4Wxz.

��

Wik =∂ui∂xk

+∂uk∂xi

− 2

3δik∇ · u.

���������DZ

ηi0 = 0.96niTiτi,

ηi1 =3

10

niTiω2ciτi

, ηi2 = 4ηi1,

ηi1 =1

2

niTiωci

, ηi4 = 2ηi3.

�������(Z = 1)DZ

ηe0 = 0.73neTeτe,

ηe1 = 0.51neTeω2ceτe

, ηe2 = 4ηe1,

ηe1 = −1

2

neTe|ωce|

, ηe4 = 2ηe3.

����������

Re +Ri = 0.

�����������Re ������������ u = ue − ui �������

���������

Re= Ru +RT ,

Page 161: final - USTC

5.6 ������� 153

����� Z = 1���

Ru = −mene

τe(0.51u� + u⊥) = ene

(j�σ�

+j⊥σ⊥

),

RT = −0.71ne∇�Te −3

2

ne

|ωce|τeb×∇Te.

�� σ��������� �� σ⊥�������� ��j��������

�������j⊥���������� b������

5.6.3 ����

������������ ������������ ��������

������������� ����������������������DZ

3

2nα

(∂Tα∂t

+ uα · ∇Tα)

= −Pα∇ · uα −∇ · qα − παik∂uαi∂xk

+Qα, (5.78)

����DZ

qe = qeu + qe

T ,

��

qeu = neTe

(0.71u� +

3

2

b× u

|ωce|τe

),

qeT =

neTeτeme

(−3.16∇�Te −

4.66

ω2ceτ

2e

∇⊥Te −5

2|ωce|τeb×∇Te

).

����DZ

qi =nTiτimi

(−3.9∇�Ti −

2

ω2ciτ

2i

∇⊥Ti −5

2ωciτib×∇Ti

).

���������������

Qi =3me

mi

n

τe(Te − Ti) ,

������ ������������������

Qe = −Re · u−Qi =j2�

σ�+j2⊥σ⊥

+1

enej ·RT − 3me

mi

n

τe(Te − Ti) .

�������� ������DZ�DZ Braginskii�������� S. I.Braginskii��������������������������������������

Page 162: final - USTC

154 �����������

5.6.4 ������

������� ����������DZ����������������

������������������������������������

��������������������������������� ���

�������

∇×B =4π

cj,

����������������

∇× E = −1

c

∂B

∂t.

�����������������������������������

���������

Zni ≈ ne.

�������� ������������������������

������

E+1

cui ×B =

1

c

1

enej×B− ∇Pe

ene− ∇ · πe

ene+

Re

ene. (5.79)

����DZ���� ���

5.6.5 ����������

����������������������������������

��������������������������������������

�����������������������������������

∂nα

∂t+∇ · (nαuα) = 0,

nαmα

(∂uα

∂t+ uα · ∇uα

)= eαnα

(E+

1

cuα ×B

)−∇Pα.

����� ���� �DZ������������������� �

�������� �

Pαn−γα =�.

Page 163: final - USTC

5.7 ��������� 155

���������� γ = 3����������� γ = 1�����������

���������

∇×B =1

c

∂E

∂t+

c

∑α

eαnαuα,

∇×E = −1

c

∂B

∂t,

∇ ·B = 0,

∇ · E = 4π∑α

eαnα.

5.7 ����������

��������������������������������

����������������������������������

��

������� ��������������������������

������������������������������������

������������������������������

ρ = mini +mene ≈ mini,

ρu = miniui +meneue ≈ miniui.

������������������������u = ui���������

��������������

∂t(mini) +∇ · (miniui) = 0.

�∂ρ

∂t+∇ · (ρu) = 0.

���������������������

ρ

(∂u

∂t+ u · ∇u

)= (Zni − ne)E+

1

c(Zeniui − eneue)×B−∇(Pe + Pi).

������ ������������Zni ≈ ne����������

��� ��������������DZ�����������������

�����

j = Zeniui − eneue

Page 164: final - USTC

156 �����������

��������������������

ρ

(∂u

∂t+ u · ∇u

)= −∇P +

1

cj×B,

�� P = Pe + Pi����������

���������� �������������������DZ

∇×B =4π

cj,

∇× E = −1

c

∂B

∂t.

�������� �����

j = σ

(E+

1

cu×B

).

����������������� � ���������

E = −1

cu×B.

�������������

∂ρ

∂t+∇ · (ρu) = 0,

ρ

(∂u

∂t+ u · ∇u

)= −∇P +

1

cj×B,

∇×B =4π

cj,

∇× E = −1

c

∂B

∂t,

E = −1

cu×B.

5.8 ��

1. ����(5.5)������(5.7) �����(5.8)�

2. �����(5.5)������(5.7)������(5.11)���(5.14)���

Page 165: final - USTC

5.8 �� 157

3. �����DZ� �� ��������������������� ��� �

4. ����� ����������������������������������DZ�������������DZP = nT + aT 4/4��

DZs = (1/m) ln(T 3/2/n) + aT 3/nm���TDZ�����nDZ���������

a = 4π2/45�3c3����������

5. � ���������DZP0���DZρ0����������������

DZUs� ������������DZUp�� ��������������

���

Page 166: final - USTC

��� ��������

������������������������������������

�������������������������������������

�������

6.1 �����

��������������DZ

∂B

∂t= ∇× (u×B) . (6.1)

������������������������������� C�����

������������6.1�����C �������DZ

Φ =

∫S

B · df ,

�� S ����� C ���������������������������

�������DZ����������������������������

������������������������������������

����DZdΦ

dt=

∫S

∂B

∂t· df +

∮B · (u× dl).

������ C �����DZ��� S �������������(6.1)����

dt=

∫S

[∂B

∂t−∇× (u×B)

]· df = 0.

�������������������������������������

�������������������������������������

�����������������������

Page 167: final - USTC

6.1 ����� 159

B

u(r, t)

dl

S

C

� 6.1: ���������������C �����������

����������������������

∇× (a× b) = (b · ∇) a+ (∇ · b) a− (a · ∇)b− (∇ · a)b,

��(6.1)���DZ∂B

∂t= (B · ∇)u− (u · ∇)B− (∇ · u)B.

�����d

dt=

∂t+ u · ∇,

���������������DZ

dB

dt= (B · ∇)u+ (∇ · u)B. (6.2)

����������������DZ

∇ · u = −1

ρ

dt. (6.3)

�(6.3)���������(6.2)���������

d

dt

(B

ρ

)=

(B

ρ· ∇)u (6.4)

���������������������� ��� δl����������

��������������DZ t������������DZ u��������

�����������������DZu+ δl · ∇u���6.2������� ���� dt�������������������������DZ dt(δl · ∇)u����

δl�����DZdδl

dt= (δl · ∇)u. (6.5)

Page 168: final - USTC

160 ��������

u + δl · ∇u

u

Bδl

� 6.2: �����������δl����DZ���������������DZ��������

���(6.4)�������� δl��� B/ρ�����������DZ δl�

B/����������������DZDZ��������������

DZ�DZ������������DZ����������������

�����������DZ���DZ������������B/�����

�����������������������������������

��������������������������������������

�����������

�� δl� B/ρ��������������������������

��������������������������������6.2�����������DZ dS0���DZl0��������������������

������������DZ����������������������

� B0dS0 = BdS���DZ�������������DZ��������

������ ρ0l0dS0 = ρldS������

B0

ρ0l0=B

ρl. (6.6)

�������� ρ =const���(6.6)�DZ

B = (B0/l0)l, (6.7)

��������������

Page 169: final - USTC

6.2 ������ 161

� 6.3: ��

6.2 ������

��������������������������������

����� ������������������������������

����������������������������� ���

�����������DZ����������������������

������ ���������������� ��������

����� ��������������������������

�����������������������DZ��������

6.2.1 ��������

�������������������������DZ

1

cj×B−∇P = 0, (6.8)

�������������������������������

B · ∇P = 0, j · ∇P = 0, (6.9)

������������������DZ�������������� j��

� B�������������������������������

�������������������������������������

��������������

P (x, y, z) = const.

�����

Page 170: final - USTC

162 ��������

���(6.8)���������B�������������� ���

j⊥ =cB×∇P

B2. (6.10)

���������������������������������

���

�� ����������� ������������ �����

������������������������������DZ−∇P/(ne +

ni)����������������� ne,iDZ�������������

����� ��DZ

ve,iD = − c∇P ×B

(ne + ni)ee,iB2,

�� ee,i����������������DZ����� ���� ���

jD =∑e,i

ne,iee,ive,iD = −c∇P ×B

B2. (6.11)

���������� ������������������������

��������� ������

���������������������������������

� ��������

j =c

4π∇×B = αB,

�� ����� ���������������DZ����������

������������ ����������������������

��������� �������

6.2.2 �������

���������������� u = 0������(??)����

∂xi

[P +

(B2

8πδik −

1

4πBiBk

)]= 0. (6.12)

(6.12)������������������������� ��������� ��������������������������������

��������DZ���DZ�������������������

Page 171: final - USTC

6.2 ������ 163

�������������������DZ�������������

�(�����������)���

β =P

P +B2/8π. (6.13)

�������� �� β ����������DZ�������

�����������������

������������������������� ������

� ���� � ��������DZ� ��������������

���DZ V ��������DZ

F =1

∫V

∇ · (BB) dV =1

∮S

B (B · df) ,

�� S �����������DZ���������������� V DZ����

��������������������������6.4������

1

∮S

B (B · df) = 1

4π[B2 (B2S2)−B1 (B1S1)] ,

�� B1,2� S1,2��� V �����������������DZ�������

���������������������������B2S2 = B1S1 = ��

�� ������������DZ

Fc =Φ

4π(B2 −B1) .

����� �������DZ��������������6.4���� ��������� ��� ��������������������

���������������������������DZ������� �

���� �������������

6.2.3 ����

������(6.12)������������ �����(6.12)�����DZ

∂Πik/∂xi = 0, (6.14)

�� Πik ���DZ�����������

Πik = Pδik +1

8πB2δik −

1

4πBiBk. (6.15)

Page 172: final - USTC

164 ��������

B1Φ

B2Φ

B2

B1

dS1 dS2

� 6.4: ��������������������������� ��

������(6.14)�������������

∂xi(Πikxk) = Πii.

������������ S ������ V ����∫V

ΠiidV =

∫V

∂xi(Πikxk) dV =

∮S

Πikxkdfi. (6.16)

�(6.15)��(6.16)����∫V

(3P +

1

8πB2

)dV =

∮S

[(P +

1

8πB2

)r− 1

4π(B · r)B

]· df . (6.17)

�����������������������������������

�� P = 0���������������������������

��������� P = 0���������� 1/r3�����(6.17)����DZ�����������������������������������

�������������������DZ������������

����� ��������������������������������

��(6.17)����������������(6.17)����������

6.2.4 θ−Æ��������

����������� ��DZ����������������

������� �������������� θ−Æ������ z−Æ���������Æ������

����������������������� r������ (er, eθ, ez)�

����DZ4π

cj = −dBz

dreθ +

1

r

d(rBθ)

drez. (6.18)

Page 173: final - USTC

6.2 ������ 165

B(r)

j

� 6.5: θ−Æ�����������

�(6.18)������(6.8)�������DZ

d

dr

[P +

B2θ +B2

z

]= − B2

θ

4πr. (6.19)

�� θ−Æ������Æ��DZ�Bθ = 0����������Bz = B����

���θ−Æ�����P (r) +

B2(r)

8π=B2

0

8π. (6.20)

�� B0������ �����

�����(6.20)�������������������������� ��������������������������������

�����������������������������������

������������DZ

μα = −W⊥α

Bb,

��W⊥α� α�������� b�����������������MDZ

M =∑

naμα = −b

B

∑α

naW⊥α.

���������������������������������

M = −b

B

∑α

nαT = −b

BP,

Page 174: final - USTC

166 ��������

�� T ������������������������P =∑

α nαT����

�����������DZ

Bs = 4πM = −4πP

Bb. (6.21)

�������������������������

��(6.21)�� β ����������DZB0����DZBd�����

P +(B0 +Bd)

2

8π=B2

0

8π,

����������Bd����

Bd

(1− 1

2

Bd

B0

)=

4πP

B0

.

�� β������Bd/B0 � 1��� Bd ≈ 4πP/B0 = Bs������������

�����

�����������������

js = c∇×M = −c∇×(P

Bb

)= cb×∇

(P

B

), (6.22)

�DZ����������� z �����∇× b = 0�����������

���������������� ���� θ−Æ������������������� ����� ����������

Vα∇B =

cW⊥α

eαB2b×∇B,

������ ���� ��DZ

jd =∑α

eαnaVα∇B =

c

B2b×∇B

∑α

nαW⊥α.

���������������������������

jd =cP

B2b×∇B. (6.23)

�(6.22)�(6.23)�����

j = cb× ∇PB

=cB×∇P

B2.

����������������DZ������������ ���

Page 175: final - USTC

6.2 ������ 167

j(r)

B

� 6.6: z−Æ�����������

6.2.5 Z−Æ��������

��Z−Æ���������DZ�Bz = 0���Æ��Bθ = B���6.6��� ���(6.19)�����DZ

dP (r)

dr= − B

4πr

d(rB)

dr. (6.24)

�������� r2��� r� r = 0����������� r = a��

(r2P )r=a − 2

∫ a

0

rPdr = − 1

8π(rB)2r=a.

�������� �DZ����

2

∫ a

0

rPdr =1

8π(rB)2r=a. (6.25)

����������(6.18)��

cj =

1

r

d

dr(rB),

�������� r��� r� r = 0�����������r = a��

(rB)r=a =4π

c

∫ a

0

rj(r)dr. (6.26)

��(6.26)���������������

I0 = 2π

∫ a

0

rj(r)dr. (6.27)

Page 176: final - USTC

168 ��������

����(6.25)�(6.26)�(6.27)����

2

∫ a

0

rPdr =I20

2πc2. (6.28)

�����

〈P 〉 = 1

πa2

∫ a

0

2πrPdr,

����(6.28)����DZI20 = 2πa2c2〈P 〉.

�������DZ� Z−Æ����������������������������������������

��������������������

P = ne(r)T + ni(r)T = ne(r)T (1 + 1/Z),

�� Z �������� ne,i����������������

I20 = 4πc2T (1 + 1/Z)

∫ a

0

ne(r)rdr = 2c2T (1 + 1/Z)Ne, (6.29)

�� Ne = 2π∫ a

0nerdr��������

6.2.6 Grad-Shafrnov��

����������������������������������

�Æ�� ������������� (R, φ, z)��Æ�� �����DZ

Ψ(R, z) =

∫ R

0

2πR′Bz(R′, z)dR′, (6.30)

�� Bz ���� z����������Bz ����DZ

Bz =1

2πR

∂Ψ

∂R. (6.31)

BRDZ����� �Ψ�� �����∇ ·B = 0������� ��

1

R

∂R(RBR) +

∂Bz

∂z= 0.

��(6.31)������

BR = − 1

2πR

∂Ψ

∂z. (6.32)

Page 177: final - USTC

6.2 ������ 169

����(6.31)�(6.32)������������������ �����

B · ∇Ψ = 0. (6.33)

�������������Ψ =���������DZ���Ψ��Æ���

��� � ������������� �����DZ

I(R, z) =

∫ R

0

2πR′jz(R′, z)dR′. (6.34)

���������

jz =1

2πR

∂I

∂R. (6.35)

�������������������������������∇ · j = 0��

������(6.35)���DZ�� jR��DZ I � ��

jR = − 1

2πR

∂I

∂z. (6.36)

�������������� I =������DZ

j · ∇I = 0. (6.37)

����������������DZ���������DZ

jR = − c

∂Bφ

∂z, (6.38a)

jφ =c

(∂BR

∂z− ∂Bz

∂R

)(6.38b)

jz =c

4πR

∂R(RBφ) . (6.38c)

�(6.31)�(6.32)��(6.38b)����������DZ� ��

jφ = − c

8π2R

[∂2Ψ

∂R2− 1

R

∂Ψ

∂R+∂2Ψ

∂z2

]. (6.39)

���(6.38c)����� 2πR�� R�����������Bφ ����DZ I �

��

Bφ =2I

cR. (6.40)

�������������������DZ� I � �����������

jR = − 1

2πR

∂I

∂z, jφ = − c

8π2RΔΨ, jz =

1

2πR

∂I

∂R, (6.41)

Page 178: final - USTC

170 ��������

BR = − 1

2πR

∂Ψ

∂z, Bφ =

2I

cR, Bz =

1

2πR

∂Ψ

∂R, (6.42)

��

Δ∗Ψ ≡ ∂2Ψ

∂R2− 1

R

∂Ψ

∂R+∂2Ψ

∂z2.

�� �������������B��� j����������

B · ∇P = 0, j · ∇P = 0.

�(6.35)�(6.36)����������� j · ∇P = 0��

jR∂P

∂R+ jz

∂P

∂z=

1

2πR

(−∂I∂z

∂P

∂R+∂I

∂R

∂P

∂z

)= 0.

��

∇I ×∇P = eφ

(∂I

∂z

∂P

∂R− ∂I

∂R

∂P

∂z

)= 0.

������∇Ψ×∇P = 0��������

∇Ψ ‖ ∇P, ∇I ‖ ∇P. (6.43)

�����������DZ���� �������� ����� P� � I

��������������������������� P ����

� � I ��DZÆ�� �Ψ� ��

P = P (Ψ), I = I(Ψ). (6.44)

�������������������(6.8)�����DZ

jφBz − jzBφ = c∂P

∂R, (6.45a)

jRBφ − jφBR = c∂P

∂z, (6.45b)

jzBR = jRBz. (6.45c)

�DZ�� B��� j��� P �����DZ Ψ� ��������(6.45)������DZ��Æ�� �Ψ�������(6.39)�(6.40)������(6.45a)��� I

� P �� � ���������������

Δ∗Ψ+8π2

c2dI2

dΨ+ 16π3R2dP

dΨ= 0. (6.46)

Page 179: final - USTC

6.3 ����������� 171

����� Grad-Shafranov�������� ���������������������� jφBz�� ���Æ��������������

��� �������� jzBφ��Æ��� ������������

����� ������������

Grad-Shafranov ������� Ψ �������������� Grad-Shafranov �� ���������� Grad-Shafranov �����������I � P ���� Ψ� ���6.7�������� ������� �������� ���

� 6.7: ���������� �������� ������

6.3 �����������

���������������������������������

������ ����������������� �������

��������������������� �������������� �

��������������������������������DZ

��������������������������������

�������������� ��������������������

����������

6.3.1 ��������

����� ������� ����������� ������

Page 180: final - USTC

172 ��������

������������ �������������������������

�������������������������������������

��������� �����������������

�������������������

∂ρ1∂t

= −∇ · (ρ0u), (6.47a)

ρ0∂u

∂t= −∇P1 +

1

4π[(∇×B0)×B1 + (∇×B1)×B0] , (6.47b)

∂B1

∂t= ∇× (u×B0), (6.47c)

∂P1

∂t= −u · ∇P0 − γP0∇ · u, (6.47d)

�� γ = cp/cv ���������������������� r0����

��� � ��DZ ξ(r0, t)����������������������

����������DZ

u(r, t) =∂

∂tξ(r0, t), (6.48)

�� r = r0 + ξ(r0, t)������(6.48)���������(6.47a)�������(6.47c)����(6.47d)�����������������������������DZ � ξ� ��

ρ1 = −∇ · (ρ0ξ), (6.49a)

B1 = ∇× (ξ ×B0), (6.49b)

P1 = −ξ · ∇P0 − γP0∇ · ξ. (6.49c)

���(6.49)��(6.47b)���������� ����

ρ0∂2ξ

∂t2= ∇ (ξ · ∇P0 + γP0∇ · ξ) + 1

4π(∇×B0)× [∇× (ξ ×B0)]

+1

4π{∇ × [∇× (ξ ×B0)]} ×B0. (6.50)

����

�������(6.50) ������ ����������������������� �������������������������

������������ S0DZ������������ ���������

� ��������������������� �����������

Page 181: final - USTC

6.3 ����������� 173

� S0DZ ����������B0 · ∇P0 = 0��������������

�DZ�� S0���DZ n0��������(6.12)�����n0��

n0 · ∇(P0 +

B20

)=

1

4πn0· (B0 · ∇)B0. (6.51)

�� (B0 · ∇)B0�����������������������(6.51)������������(6.51)�� ���������������

P0 +B2

i0

8π=B2

e0

8π,

�� Bi0� Be0��� ���������������������������

��������������

��������������������� ������� �

S1�DZ������

P0 + P1 +1

8π(Bi0 +Bi1)

2 =1

8π(Be0 +Be1)

2 . (6.52)

���������������� ��������

r = r0 + ξnn0,

�� r0����� � S0����� n0���� ���� ξn = ξ · n0�����

�������������

P0(r) = P0(r0) + (ξ · ∇)P0(r0),

P1(r) = −(ξ · ∇)P0(r0)− γP0(r0)∇ · ξ,

[Bi0(r) +Bi1(r)]2 = B2

i0(r0) + (ξ · ∇)B2i0(r0) + 2Bi0(r0) ·Bi1(r0)

[Be0(r) +Be1(r)]2 = B2

e0(r0) + (ξ · ∇)B2e0(r0) + 2Be0(r0) ·Be1(r0)

��� �����(6.52)����

−γP0∇ · ξ +1

4πBi0 ·Bi1 +

1

8πξn∂B2

i0

∂n=

1

4πBe0 ·Be1 +

1

8πξn∂B2

e0

∂n, (6.53)

������������� � S0��

���� ��������������������� �����

�����

n ·Be = n ·Bi,

Page 182: final - USTC

174 ��������

��������� ������ �� S ��

d

dt

∫S

Be · df =d

dt

∫S

Bi · df .

��������������������DZ������

∫S

[∂Be

∂t−∇× (u×Be)

]· df = 0.

� S ��������

n · ∂Be

∂t= n · ∇ × (u×Be).

�������������� �����DZ

n0 ·Be1 = n0 · ∇ × (ξ ×Be0) (6.54)

�������

�������������������������

∇×Be1 = 0. (6.55)

���������� � ψ�����

Be1 = ∇ψ. (6.56)

����(6.55)��������DZ∇ ·B1e = 0��������

∇2ψ = 0. (6.57)

��������� ����(6.54)��

n0 · ∇ψ = n0 · ∇ × (ξ ×Be0). (6.58)

�������� ����

n0 · ∇ψ = 0. (6.59)

Page 183: final - USTC

6.3 ����������� 175

�����

����������������DZ����� ���������

������������������������������������DZ

exp(−iωt)������ ξ������������

ξ(r, t) =∑n

ξn(r)e−iωnt.

����������

−ω2nρ0ξn(r) = F[ξn(r)].

��������DZ���� ����Æ����� ωn ��Æ�� ξn ��

ωn����Æ����Æ� ω2n > 0���� ������������� �

������Æ� ω2n < 0���� �������������� ������

6.3.2 �������������

����������������������������������

��DZ a����������������DZ

B0i = (0, 0, B0), B0e = (0, Bφ(r), Bz),

�� B0 � Bz ���� Bφ(r)����������������Æ���

��������DZ I�����DZ

Bφ(r) =2I

cr.

������������������� ����������������

�DZ P0�DZ���������������DZ�����

����������������������(6.47b) ���DZ������������∇×B0 = 0����

ρ0∂2ξ

∂t2= −∇P1 +

1

4π(∇×B1i)×B0i. (6.60)

DZ����������������������∇ · ξ = 0������DZ

P1 = −(ξ · ∇)P0 − γP0∇ · ξ = 0,

Page 184: final - USTC

176 ��������

�������������������������������DZ

B1i = ∇× (ξ ×B0i) = (Bi0 · ∇)ξ = B0∂ξ

∂z.

��� �� ������

ξ(r, t) = ξ(r) exp (imφ+ ikz − iωt) , (6.61)

���������DZ

Bi1 = ikB0ξ.

������(6.60)�DZ

−ω2ρ0ξ =ikB0

4π(∇× ξ)×B0i. (6.62)

��(6.62)������������������

B0i · ∇2ξ = 0, (6.63)

��

∇2ξz = 0. (6.64)

��� ���(6.61)����(6.64)��������������[d2

dr2+

1

r

d

dr−(k2 +

m2

r2

)]ξz(r) = 0, (6.65)

��(6.65)������ ��1�������������������

� Im(x) � Km(x) ������ Im(x) � x = 0 ���� x 1�����

Im(x) ∼ exp(x)/√2πx�Km(x)� x = 0������

K0(x) ∼ ln2

γx, Km(x) ∼

(n− 1)!

2

(x2

)−m

,

x 1�����Km(x) ∼√π/2x exp(−x)����������������

�������������(6.65)����DZ

ξz(r) = ξz(a)Im(kr)

Im(ka). (6.66)

1�����DZ [d2

dr2+

1r

d

dr+(

1 − m2

r2

)]f(r) = 0.

Page 185: final - USTC

6.3 ����������� 177

����(6.62)����DZ

−ω2ρ0ξr = ikB2

0

4π(∇× ξ)φ. (6.67)

��

(∇× ξ)φ =∂ξr∂z

− ∂ξz∂r

= ikξr − kξz(a)I ′m(kr)Im(ka)

,

����(6.67)������������� �

ξr(r) = − ik2(B20/4π)ξz(a)

k2(B20/4π)− ρ0ω2

I ′m(kr)Im(ka)

. (6.68)

���������������� �ψDZ������

ψ(r, t) = ψ(r) exp (imφ + ikz − iωt) .

�� ψ(r)��� ξz(r)�����

[d2

dr2+

1

r

d

dr−(k2 +

m2

r2

)]ψ(r) = 0.

����������������� �

ψ(r) = ψ(a)Km(kr)

Km(ka). (6.69)

�� ��������������DZ���������� ���

����� �������(6.53)��

1

4πBi0(a) ·Bi1(a) =

1

4πBe0(a) ·Be1(a) +

1

8πξr(a)

∂B20e

∂r

∣∣∣∣r=a

.

������������∝ 1/r�������� ��

∂rB2

e0(r)

∣∣∣∣r=a

= −2B2

φ(a)

a.

Be0(a) ·Be1(a) = [Bez +Bφ] · ∇ψ = i[kBz +

m

aBφ

]ψ(a),

Bi0(a) ·Bi1(a) = ikB20ξz(a),

���ikB2

0

4πξz(a) =

i

[kBz +

m

aBφ(a)

]ψ(a)− 1

4πaξr(a)B

2φ(a). (6.70)

Page 186: final - USTC

178 ��������

���� ��(6.58)� ����������

n0 ·Be1 = er · ∇ψ = kψ(a)K ′

m(ka)

Km(ka),

n0 · [∇× (ξ ×Be0)] = er · ∇ × [(ξφBz − ξzBφ)er − ξrBzeφ + ξrBφez]

= i(kBz +

m

aBφ

)ξr(a).

�����

i(kBz +

m

aBφ

)ξr(a) = kψ(a)

K ′m(ka)

Km(ka)(6.71)

��� ���(6.70)�(6.71)���� �� ξz(a)� ψ(a)��������

������������������DZ��������������

4πρ0ω2

k2= B2

0 −[Bz +

m

kaBφ(a)

]2 I ′m(ka)Km(ka)

Im(ka)K ′m(ka)

−B2φ(a)

I ′m(ka)(ka)Im(ka)

. (6.72)

�� ω2 > 0����������

����(6.72)������������������DZ������������������������(�DZ I ′m/Im > 0�K ′

m/Km < 0)�DZ������� k · B0e = kBz + (m/a)Bφ = 0��DZ����������������DZ

�����������������������������DZ������

���������������������������������

�������

�����������������(6.72)��������������Bz = 0�m = 0��������(6.72)�DZ

ω2 =B2

0k2

4πρ0

[1−

B2φ(a)

B20

I ′0(ka)(ka)I0(ka)

]. (6.73)

������� �����

I ′0(x)xI0(x)

� 1/2,

���(6.54)����

ω2 � B20k

2

4πρ0

[1−

B2φ(a)

2B20

].

������

B20 >

1

2B2

φ(a) =2I2

c2a2, (6.74)

Page 187: final - USTC

6.3 ����������� 179

� 6.8: �������������������������

�����������������������������6.8� �����������

������Bz = 0�m = 1�������� �����

Kn−1(x)−Kn+1(x) = −2n

xKn(x),

Kn−1(x) +Kn+1(x) = −2K ′n(x),

����(6.72)�DZ

ω2 =B2

0k2

4πρ0

[1 +

B2φ

B20

I ′1(ka)K0(ka)

(ka)I1(ka)K ′1(ka)

]. (6.75)

��K0(ka)/K1(ka) < 0������������������� ka→ 0�����

�� ���� I1(x) ≈ (x/2)�K0(x) ≈ ln(2/γx)�K1(x) ≈ 1/x����

ω2 =B2

0k2

4πρ0

(1−

B2φ

B20

ln2

γka

). (6.76)

���������������������������DZ�������DZ��

� m = 1����������������������������� �

�����������DZ������������������������

���

Page 188: final - USTC

180 ��������

� 6.9: ������(kink instability).

������ Bz �= 0�������������������� ka � 1��

�� I ′m(x)/Im(x) ≈ m/x�K ′m(x)/Km(x) ≈ −m/x�������(6.72)����

4πρ0ω2 = k2B2

0 +(kBz +

m

aBφ

)2− m

a2B2

φ. (6.77)

�����

ω2 � ω2min =

B2φ

4πρ0a2

(m2B2

0

B2z +B2

0

−m

). (6.78)

���DZ ka = −mBzBφ/(B2z + B2

0)��� ω2����� ω2min���������

�������

P0 +B2

0

8π=B2

z +B2φ(a)

8π,

����������������Æ���Bz Bφ(a)���������

β = P0/[(B2z +B2

φ)/8π] ≈ P0/(B2z/8π)��������� ω2

min��DZ�����

ω2min =

B2φ

4πρ0a2m

(1− β

2− βm− 1

), (6.79)

��� ���� β ������� m = 1�m = 2�������������

�� Bz/Bφ�������������m = 1�m = 2������������

�����������������������������������

���� L�����������DZ kmin = 2π/L�����m = 1�������

Page 189: final - USTC

6.3 ����������� 181

������(6.77)DZ

4πρ0ω2 = k2min(B

20 +B2

z ) + 2kmin

aBzBφ.

�������Æ��� Bz Bφ�������� β ����������

�� B0 ≈ Bz���DZ����� ω2 > 0� ��

Bz

< kmina =2πa

L. (6.80)

������ Kruskal-Shafranov�������������������������� ���

6.3.3 ��—������

�������������������—���������������DZ

B0(z) = (Bx(z), By(z), 0),

�����DZ

g = (0, 0,−g).

��� x− y������

u(r, t) = u(z) exp(ikxx+ ikyy − iωt).

��������������

∇ · u = ik · u+duzdz

= 0,

���� k = (kx, ky, 0)�

������������DZ

ρ0∂u

∂t= −∇

(P1 +

1

4πB0 ·B1

)+

1

4π(B0 · ∇B1 +B1 · ∇B0) + ρ1g, (6.81)

�����������DZ

∂P1

∂t= −u · ∇P0 = −uzP ′

0,

∂B1

∂t= B0 · ∇u− u · ∇B0 = i(k ·B0)u− uzB

′0,

∂ρ1∂t

= −u · ∇ρ0 = −uzρ′0,

Page 190: final - USTC

182 ��������

���(6.81)����������������������

−ρ0ω2u = k

[iuzP

′0 +

1

4π(k ·B0)(B0 · u) +

i

4πuz(B0 ·B′

0)

]− 1

4π(k ·B0)

2u

+ ez

[(uzP

′0)

′ − i

4π[(k ·B0)(B0 · u)]′ +

1

4π[uz(B0 ·B′

0)]′ + uzρ

′0g

](6.82)

������� k��

−[ρ0ω

2 − (k ·B0)2/4π

](k · u) = k2

[iuzP

′0 +

1

4π(k ·B0)(B0 · u) +

i

4πuz(B0 ·B′

0)

].

������� k · u����

−iuz[ρ0ω

2 − (k ·B0)2/4π

]= k2

[iuzP

′0 +

1

4π(k ·B0)(B0 · u) +

i

4πuz(B0 ·B′

0)

],

����

1

4π(k ·B0)(B0 · u) = −iuz

k2[ρ0ω

2 − (k ·B0)2/4π

]− iuzP

′0 −

i

4πuz(B0 ·B′

0).

�����������(6.82)� z−����������� uz ������

d

dz

[(ρ0ω

2 − (k ·B0)2

)duzdz

]− k2

(ρ0ω

2 − (k ·B0)2

)uz − k2g

dρ0dz

uz = 0. (6.83)

�������� �������������������(6.83)�DZ

u′′z − k2uz = 0,

����������� ��������� ���DZ

uz =

{uz(0)e

−kz, z > 0

uz(0)ekz, z < 0

. (6.84)

�(6.84)����(6.83)��� z� z = 0−� z = 0+����

−k[(ρ1 + ρ2)ω

2 − (k ·B0)2

]uz(0)− k2g(ρ1 − ρ2)uz(0) = 0.

��������

ω2 = −kg(ρ1 − ρ2)

ρ1 + ρ2+

(k ·B0)2

2π(ρ1 + ρ2). (6.85)

� k ·B0 �= 0�����������

Page 191: final - USTC

6.4 �������� 183

6.4 ��������

�����������������������������������

����������������������DZ

Q = Q0 +Q1ei(k·r−ωt),

�� Q1 ������ Q0����� k� ω���������������

���������DZ���������������DZ�������DZ�

�������������

Q1/Q0 � 1.

�����DZ�����������������������������

�����

∂ρ1∂t

= −ρ0∇ · u, (6.86a)

ρ0∂u1

∂t= −∇P1 +

1

cj1 ×B0, (6.86b)

P1ρ0 = γP0ρ1, (6.86c)∂B1

∂t= ∇× (u×B0), (6.86d)

���������∂

∂t= −iω, ∇ = ik,

��������������DZ�������

ωρ1 = ρ0k · u, (6.87a)

ωρ0u1 = kP1 +i

cj1 ×B0, (6.87b)

P1ρ0 = γP0ρ1, (6.87c)

ωB1 = −k× (u×B0) (6.87d)

���������DZ

j1 = ic

4πk×B1, (6.88)

����(6.87c)��(6.87b)����

ωu1 = kc2s(ρ1/ρ0) +1

4πρ0B0 × (k×B1),

Page 192: final - USTC

184 ��������

z

y

x k

B0θ

� 6.10: �����������

�� c2s = (∂P/∂ρ)s = γP0/ρ0������������������������

�����������

ωB1 = −k× (u×B0), (6.89a)

ωρ1 = ρ0k · u, (6.89b)

ωu = kc2s(ρ1/ρ0) +B0 × (k×B1)/4πρ0. (6.89c)

�(6.89a)���������������(6.10)���������DZ x−���� k��� B0�����DZ x− y�����(6.89a)�����DZ

ωB1y = −kB0xuy + kB0yux,

ωB1z = −(k ·B0)uz.

�(6.89b)��(6.89c)�����������

ux = k2c2sux/ω2 − kB0yB1y/4πωρ0,

uy = −kB0xB1y/4πωρ0,

uz = −(k ·B0)B1z

4πωρ0.

��������DZ����������������

uz = −(k ·B0)B1z

4πωρ0, B1z = − 1

ω(k ·B0)uz; (6.90)

Page 193: final - USTC

6.4 �������� 185

ωB1y = −kB0xuy + kB0yux, (6.91a)

ux = k2c2sux/ω2 + kB0yB1y/4πωρ0, (6.91b)

uy = −kB0xB1y/4πωρ0. (6.91c)

�������(6.90)����

ω2 =(k ·B0)

2

4πρ0. (6.92)

��� k��������ÆDZ θ����

ω2 = k2v2A cos2 θ, (6.93)

�� vA =√B2

0/4πρ0 �� �������� ����E = u× B/c� �

������DZ�

E =1

cuzB0 (sin θex − cos θey) .

������ �������������DZ��������� �����

�������

�� �����������������������������

������� ��������������� ρ1 = 0� �������

DZ������������������������������

−∇B2

8π≈ − 1

8π∇(B2

0 + 2B0 ·B1) = 0.

��� ����

1

4πB · ∇B ≈ 1

(B0x

∂x+B0y

∂y

)Bz1ez =

i

4πkB0xB1z.

������������� θ = 0���

ω2 = k2v2A.

�� ������� ��� vA =√B0/4πρ0 ������� �DZ B2

0/4π�

���DZ ρ0��� ������� θ = 0������� y−��������������������������������� ���������

� z−������������������������� y−�������

Page 194: final - USTC

186 ��������

B = B0ex + B1ez

uz = −cEy/B0

� 6.11: ���������������� ��������DZ���� ������� ������ ��������������������

������������� ����� y−���������������� z−��������������(6.91)�����������

ω2

k2=

B20x

4πρ0+

B20y

4πρ0(1− k2c2s/ω2). (6.94)

����������

(ω/k)2f,s =1

2

{v2A + c2s ±

[(v2A + c2s

)2 − 4c2sv2A cos2 θ

]1/2}. (6.95)

����DZ��������������������������������

����������DZ�������DZ����������������

������������DZ

− 1

8π∇B2 = − 1

4π∇(B0 ·B1) = − ik

4πB0yB1yex,

� �DZ

1

4πB · ∇B =

1

(B0x

∂x+B0y

∂y

)(B1yey)

=ik

4πB0xB1yey.

���������(θ = 0)��

(ω/k)2f = max(v2A, c2s), (ω/k)

2f = min(v2A, c

2s),

���������DZ ����������DZ ����DZ��������

�����

ux = k2c2sux/ω2,

uy = −kB0B1y/4πωρ0, ωB1y = −kB0uy,

Page 195: final - USTC

6.5 ������� 187

���������DZ���������������������������

����������������������� ����������

����DZ ����������DZ ���

�����������(θ = π/2)����������DZ

(ω/k)2f = v2A + c2s, (ω/k)2s = 0.

�����������DZ

ωB1y = kB0ux,

ux = k2c2sux/ω2 + kB0B1y/4πωρ0,

uy = 0.

��� ����������������������������

��������������

6.5 �������

� ������������DZ �������������������

�������������������������(�������������)������������������������������������ ��������� ��DZ�������������

�����������������������������������

�����������������������

6.5.1 ����

����������DZ

∂ρ

∂t= −∂(ρuk)

∂xk,

∂(ρui)

∂t= − ∂

∂xk(Pδik + ρuiuk + δikB

2/8π − BiBk/4π),

∂t(ρu2/2 + ρε+ B2/8π) = − ∂

∂xk[(ρu2/2 + ρε+ P )uk + ukB

2/4π − Bk(B · u)/4π].

����� �����������������������������

��

[ρun]1 = [ρun]0 = j, (6.96)

Page 196: final - USTC

188 ��������

[(u2/2 + ε+ P/ρ)ρun + un(B2 − B2

n)/4π −Bn(Bt · ut)/4π]1

= [(u2/2 + ε+ P/ρ)ρun + un(B2 −B2

n)/4π − Bn(Bt · ut)/4π]0, (6.97)

[P + ρu2n + (B2t − B2

n)/8π]1 = [P + ρu2n + (B2t − B2

n)/8π]0, (6.98)

[ρunut − BnBt/4π]1 = [ρunut − BnBt/4π]0 (6.99)

�� n ������������ t��������������������

∇ ·B = 0����������������

[Bn]1 = [Bn]0 = Bn. (6.100)

������������DZ��������������E = −u × B/c�

������

[Bnut −Btun]1 = [Bnut −Btun]0. (6.101)

��(6.96)�(6.100)���(6.99)���DZ

(Bt1 −Bt0) =4π

Bn

j(ut1 − ut0). (6.102)

��(6.101)���DZ(V1Bt1 − V0Bt0) = (Bn/j)(ut1 − ut0), (6.103)

�� V = 1/ρ�����������(6.102)�(6.103)�������Bt1 −Bt0��

� V1Bt1 − V0Bt0������������ ��Bt1�Bt0�������B1�B0

� �����������

���(6.102)�(6.103)��������

j2(V1Bt1 − V0Bt0) =B2

n

4π(Bt1 − Bt0). (6.104)

���(6.97)��DZ

j(h1 − h0) +1

2j3(V 2

1 − V 20 ) +

1

2j(u2t1 − u2t0) +

j

4π(V1B

2t1 − V0B

2t0)

=Bn

4π(Bt1 · ut1 −Bt0 · ut0),

��������� (j/2)(u2t1 − u2t0)− (B2n/32π

2j)(B2t1 − B2

t0)��

j(h1 − h0) +1

2j3(V 2

1 − V 20 ) +

j

4π(V1B

2t1 − V0B

2t0)−

B2n

32π2j(B2

t1 − B2t0)

= −1

2j

[(ut1 −

Bn

4πjBt1

)2

−(ut0 −

Bn

4πjBt0

)2].

Page 197: final - USTC

6.5 ������� 189

���(6.102) ����DZ������

(h1 − h0) +1

2j2(V 2

1 − V 20 ) +

1

4π(V1B

2t1 − V0B

2t0)−

B2n

32π2j2(B2

t1 − B2t0) = 0. (6.105)

��(6.98)������������ ��� ��

j2 =P1 − P0 + (B2

t1 − B2t0)/8π

V0 − V1(6.106)

������(6.105)��������������������������

ε1 − ε0 =1

2(P1 + P0)(V0 − V1) +

1

16π(V0 − V1)(Bt1 −Bt0)

2. (6.107)

���������� ����

6.5.2 ����

������������������DZ�������Bt = 0� ut1 = 0�

����������������DZ�

[ρu]1 = [ρu]0 = j,

[P + ρu2]1 = [P + ρu2]0,

[(u2/2 + ε+ p/ρ)ρu]1 = [(u2/2 + ε+ p/ρ)ρu]0,

������� ��������������

6.5.3 ����

������������������DZ�������Bn = 0� Bt1� Bt0

�������DZ

[ρu]1 = [ρu]0 = j,

[(u2/2 + ε+ P/ρ)ρu+ uB2/4π]1 = [(u2/2 + ε+ P/ρ)ρu+ uB2/4π]0,

[P + ρu2 +B2/8π]1 = [P + ρu2 +B2/8π]0,

������������������DZ

[(u2/2 + ε+ P/ρ) +B2/4πρ]1 = [(u2/2 + ε+ P/ρ)ρu+B2/4πρ]0.

Page 198: final - USTC

190 ��������

r =ρ1ρ0,

��u1u0

=ρ0ρ1

=1

r,

������(6.101)��������������

[Bu]1 = [Bu]0,

��B1

B0=u0u1

= r.

���DZ����������DZ

ε =PV

γ − 1=

P

(γ − 1)ρ,

�����M�

M =u0cs,

�� c2s = (∂P/∂ρ)s = γP0/ρ0�����������������������

�M2

2(1− 1/r2) =

1

γ − 1(R/r − 1) + (r − 1)

v2Ac2s, (6.108)

�� R = P1/P0������������������������

M2(1− 1/r) =1

γ(R− 1) +

1

2(r2 − 1)

v2Ac2s

(6.109)

��������R���������

r2 − rM2(γ − 1) + 2 + γv2A/c

2s

(γ − 2)(v2A/c2s)

+γ + 1

γ − 2

M2

(v2A/c2s)

= 0. (6.110)

�����������DZ

r1r2 =γ + 1

γ − 2

M2

(v2A/c2s).

� γ < 2�� �����DZ��������������������� �

�r > 1���

γ + 1

2− γ

M2

(v2A/c2s)

= r2 + rM(γ − 1) + 2 + γv2A/c

2s

(2− γ)(v2A/c2s)

> 1 +M2(γ − 1) + 2 + γv2A/c

2s

(2− γ)(v2A/c2s)

Page 199: final - USTC

6.5 ������� 191

shock front

D

B1 B0

� 6.12: ������������������������������(c2s +

v2A)1/2��

�����

M2

(v2A/c2s)> 1 +

1

(v2A/c2s),

u20 > v2A + c2s. (6.111)

�� ��������������������� (v2A + c2s)1/2���(6.111)���

��������������������

6.5.4 ���

�����������Æ�� 0� π/2������������DZ����

���������� u��� B���������������DZ�

�������������������������

u0 ×B0 = 0.

Page 200: final - USTC

192 ��������

��������DZ x−�����DZ y−�����

u0y = u0xB0y/Bx.

�� B0x = B1x = Bx��������������DZ�

u1y = u1xB1y/Bx.

��������DZu1yu0y

=u1xu0x

B1y

B0y=

1

r

B1y

B0y. (6.112)

��������(6.99)����

u1yu0y

− 1 =v2Au20

(B1y

B0y

− 1

), (6.113)

�� v2A = B20/4πρ0 �������� �����(6.112)��(6.113)���

B1y/B0y��u1yu0y

=u20 − v2Au20 − rv2a

=1

r

B1y

B0y

, (6.114)

������������������������(6.97)���������

ρ1u1x

(u212

γ − 1

P1

ρ1

)= ρ0u0x

(u202

γ − 1

P0

ρ0

),

���

P2

P1= r +

(γ − 1)ru202c2s

(1− u21

u20

)

= r + r(γ − 1)

2

u20c2s

[1− cos2 θ

r2− sin2 θ

(u20 − v2Au20 − rv2a

)2]. (6.115)

���(6.114)�B1y

B0y= 1 +

(r − 1)u20(u20 − rv2A)

,

��� u20 > rv2A > v2A��� B1y > B0y��� B1x = B0x����������

B1 > B0�������������������������(6.114)DZ����DZ

B1y

B0y

=1

1 + (r − 1)u20/r(v2A − u20)

,

��� u20 < v2A < rv2A���� B1y < B0y��������������������

������������� u20 = rv2A� � B0y = 0� u20 = v2A� � B1y = 0��

��������DZswitch on�switch off����������� �����

Page 201: final - USTC

6.5 ������� 193

� 6.13: �������switch on�switch off��������

��

1. ����� �������������� �

Tik =

(P +

B2

)δik −

BiBk

��DZ����

⎛⎜⎜⎝

P +B2/8π 0 0

0 P +B2/8π 0

0 0 P − B2/8π

⎞⎟⎟⎠ .

2. ������DZ104G�������������β = 1%������

DZn = 1018m−3���DZ105eV������ ���������

3. �����n = 7 × 1021m−3����DZ������DZ1keV�10keV������ �������

4. ��DZ0.1m������1016������ ���������

�DZ107K�

Page 202: final - USTC

194 ��������

5. �����������

(B · ∇)j = (j · ∇)B, ∇ · (B×∇p) = 0.

6. 2 × 106A������DZ1m��������������������DZn =

1020m−3���DZT = 10keV���������� ��������(1) ���(2)j×B��

7. ������������������

∇×B = αB,

��α����� ���αDZ����B��Helmholtz��

(∇2 + α2)B = 0.

8. �� �Ψ/Ψ0 =

1

2

(bR2

0 +R2)z2 +

1

8(a− 1)(R2 − R2

0)2,

dP

dΨ= − a

16π3Ψ0,

dI2

dΨ= − c2

8π2bR2

0Ψ0

��Grad–Shafranov�����a�b�R0���Ψ =const���������������DZ������R = R0�z = 0���������� ����

�������������

9. �����������������DZb����������������(6.72)�DZ

4πρ0ω2

k2= B2

0 −[Bz +

m

kaBθ(a)

]2 I ′m(ka)Im(ka)

[Km(ka)I

′m(kb)− Im(ka)K

′m(kb)

K ′m(ka)I

′m(kb)− I ′m(ka)K ′

m(kb)

]

− B2θ(a)

ka

I ′m(ka)Im(ka)

.

[����������� �������DZ0��∂ψ/∂r|r=b = 0�]

10. ��������������������

11. � �DZ����������DZ

ε =1

γ − 1

P

ρ.

�����������u20/c2s > 1���������P1/P0 → ∞������

���DZρ1/ρ0 = (γ + 1)/(γ − 1)���c2s�������������

Page 203: final - USTC

��� ���������

�����������������������������������

���DZ���������������������������������

����������DZ��������������������������

�������������������DZ������������������

�����DZ������������������������������

�����

7.1 ����

7.1.1 ���

�������������������

∇×E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0, (7.1a)

∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj, ∇ · E = 4πρ. (7.1b)

�� ���� j�������� E� B����������������

������������������������������DZ������

���������������������

�����������������������������������

�� j(t, r)�����������DZ

j(t, r) =

⟨∑α

eαvαδ(r− rα)

⟩, (7.2)

�� vα������������ eα �������� δ(r)����δ−��� 〈· · · 〉��������������������������������������

Page 204: final - USTC

196 ���������

������������dvα

dt=

eαmα

E(t, r), (7.3)

������������������������������������

���������

vα(t) =eαmα

∫ t

E[t′, r(t′)]dt′. (7.4)

��(7.4)���������DZ t�����������������������

���������������������

�������(7.4)����(7.2)���������������������������DZ���������������������������

��������DZ�������������������������DZ

������������������������������DZ���

j(r, t) = σE(r, t).

�����������������������������������

�������������������DZ�������

ji(r, t) =

∫ ∫ t

−∞Sik(r, r

′, t, t′)Ek(r′, t′)dt′d3r′, (7.5)

�� ji ����� i���� Ek ����� k������� Sik ��������

�������������������DZ����������������

������������ Sik(r, r′, t, t′)��������� r − r′��������

� t− t′�� r− r′ = ρ� t− t′ = τ���(7.5)����DZ

ji(r, t) =

∫ ∞

0

∫Sik(ρ,τ)Ej(r− ρ, t− τ)d3ρdτ. (7.6)

����DZ��� Sik(ρ,τ)��������������

��������������������DZ��������������

�DZ��� Sik ��������������������������DZ�

���������������� j� E��DZ����������

j(r, t) =

∫j(k, ω)ei(k·r−ωt)dωd

3k

(2π)4, j(k, ω) =

∫j(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r,

E(r, t) =

∫E(k, ω)ei(k·r−ωt)dωd

3k

(2π)4, E(k, ω) =

∫E(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r,

Page 205: final - USTC

7.1 ���� 197

�� j(k, ω)� E(k, ω)��������������������������

��������DZ

ji(k, ω) = σik(k, ω)Ek(k, ω), (7.7)

�� σik(k, ω)������������ Sik(ρ,τ)��

σik(k, ω) =

∫ ∞

0

∫Sik(ρ, τ)e

i(ωτ−k·ρ)d3ρdτ. (7.8)

�����������DZ��DZ�������������������

����������������DZ��

�DZ�� j��� E������������� Sik(ρ, τ)��DZ������

����(7.8)�������������������

σik(−k,−ω) = σ∗ik(k, ω) (7.9)

7.1.2 ����

���������������������� ���������—���� P����������������������

∂P

∂t= j, (7.10a)

∇ ·P = −ρ, (7.10b)

���������������� ∂ρ/∂t + ∇ · j = 0���������

(7.10a)�(7.10b)���������� ������������—�����D��������

�� P���DZ

D = E+ 4πP. (7.11)

�������D��������(7.1)�������

∇× E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0 (7.12a)

∇×B =1

c

∂D

∂t, ∇ ·D = 0. (7.12b)

���(7.5)��������������������������(7.10)�������������DZ������������D��� E������

�������������������������������������

Page 206: final - USTC

198 ���������

���������DZ� �����������������������

�������������������������������DZ

Di(r, t) = Ei(r, t) +

∫ t

−∞

∫Kik(r, r

′, t, t′)Ek(r′, t′)d3r′dt′, (7.13)

�����Kij ������������������

��(7.13)���������D��� E��������������DZ t

���������������DZ�������������������

�������������������DZ������D(r,t)����� r

���������������������������������

����D��� E������������DZ�������������

����������DZ�������������������������

������������������������������������

���������������(7.13)�����Kik ���������

r− r′��������� t− t′�� r− r′ = ρ� t− t′ = τ���(7.5)���DZ

Di(r, t) = Ei(r, t) +

∫ ∞

0

∫Kij(ρ, τ)Ej(r− ρ, t− τ)d3ρdτ. (7.14)

��������D��� E��DZ����������

D(r, t) =

∫D(k, ω)ei(k·r−ωt)dωd

3k

(2π)4, D(k, ω) =

∫D(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r,

E(r, t) =

∫E(k, ω)ei(k·r−ωt)dωd

3k

(2π)4, E(k, ω) =

∫E(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r,

��D� E����������DZ

Di(k, ω) = εik(k, ω)Ek(k, ω), (7.15)

�� εik(k, ω)������������DZ

εik(k, ω) = δik +

∫ ∞

0

∫Kik(ρ, τ)e

i(ωτ−k·ρ)d3ρdτ. (7.16)

�������������������������������� k�

�DZ�����D��� E�������������Kik(ρ, τ)��DZ��

��������(7.16)����������������

εik(−k,−ω) = ε∗ik(ω,k). (7.17)

Page 207: final - USTC

7.1 ���� 199

���������������������DZ�����������

������������������������������������

��������� ����(7.7)�(7.10)��(7.11)���

Di = εikEk = Ei + 4πPi = Ei + i4π

ωji = δikEk + i

ωσikEk,

�����

εik(ω,k) = δik + i4π

ωσik(ω,k). (7.18)

7.1.3 ���������

���� εik(k, ω)����� k�������������������

������DZ�����������DZ��������DZ�� k����

���������������������������� k������

������������DZ

εik(k, ω) = εt(k, ω)(δik − kikk/k2) + εl(k, ω)kikk/k

2, (7.19)

� εt(k, ω)� εl(k, ω)��� ω��� k�������� ���

��������DZ��(7.19)����������E����� k��

������������DZ

D = εlE,

��� E����� k����������DZ

D = εtE.

������ εl � εt ���DZ�������������� k = 0��

���������������DZ��������������

εik(k = 0, ω)�����DZ������ εik(k = 0, ω)���DZ ε(ω)δik ����

� ε(ω)����������� k = 0������ εl� εt�����

εt(k = 0, ω) = εl(k = 0, ω) = ε(ω). (7.20)

�������������(7.17)��������� εl������

εt�������

εl(k,−ω) = ε∗l (k, ω), εt(k,−ω) = ε∗t (k, ω). (7.21)

Page 208: final - USTC

200 ���������

�������� εl� εt�������������DZ������

εl(k, ω) = ε′l(k, ω) + iε′′l (k, ω), εt(k, ω) = ε′t(k, ω) + iε′′t (k, ω).

���������(7.21)��������� εl,t ���������� ω ���

������

ε′l,t(k,−ω) = ε′l,t(k, ω), ε′′l,t(k,−ω) = −ε′′l (k, ω). (7.22)

�� ������������ �������������������

������������������������������������

������������������ �������������

�������������������������������������

���������� �������������DZ vT /νc��� vT �����

����� νc���������������DZ vT/ω��� ω�������

��������������DZ

L ∼ min (vT/νc, vT/ω) .

�� kL � 1����������� kL � 1���������������

���� νc � ω��� L ∼ vT/ω��������������� �����

������������������������������������

����� vT = 0�����������

������������������������� �������

�� 10−10 m���������������������������������������� ������������������ x—������������DZ�������

��������� ������������������DZ����

������D��������P�������P����������

������ EDZ���������B� �����������������

�������(7.12a)������� B����� E������������

��� E������DZ������DZ�����������������

��� ������������H�������M = 0� B = H�����

������������������������

�����������������E�������B������D�

����H��DZ���������������� ��������

��������DZ��DZ���DZ����DZ������DZ��������DZ

Page 209: final - USTC

7.2 ���������� 201

������M�DZ��������DZ����� P�DZ����������

���������������

j = c∇×M+∂P

∂t,

����H�DZ

B = H+ 4πM,

�����D�DZ

D = E+ 4πP,

�����������������������(7.1b)����DZ

∇×H =1

c

∂D

∂t, ∇ ·D = 0.

DZ�������������D�H� E� B�����DZ������

����������� �� �������������DZ�����

������ ε� μ������

D(k, ω) = ε(k, ω)E(k, ω), H(k, ω) =1

μ(k, ω)B(k, ω). (7.23)

�������������DZ���������������DZ����

�������� εl ������ εt���������������

���������������������� (εl(k, ω), εt(k, ω))���

(ε(k, ω), μ(k, ω))���

7.2 ����������

���������(7.12)��� ���������

−∇ ·( c

4πE×B

)=

1

(E · ∂D

∂t+B · ∂B

∂t

). (7.24)

������� �����(7.24)�����������������������������������������������������

����(7.24)�������DZ��������������DZ������DZ������������ �������������������� �DZ�

���������������������������� ��������

�����������������(7.24)�����DZ������������

Page 210: final - USTC

202 ���������

�� �������������� ����������������

������ ������������������������������

���������������������������������

�(7.24)����������������Q� �������������

����������������

��������������������DZ

E(r, t) =1

2

[E0e

i(k·r−ωt) + E∗0e

−i(k·r−ωt)],

�� E0 ������������������(7.15)����������������DZ

Di(r, t) =1

2

[εij(ω,k)E0je

i(k·r−ωt) + εij(−ω,−k)E∗0je

−i(k·r−ωt)]

=1

2

[εij(ω,k)E0je

i(k·r−ωt) + ε∗ij(ω,k)E∗0je

−i(k·r−ωt)],

��������������(7.17)�������������DZ

∂Di

∂t=

1

2

[−iωεij(ω,k)E0je

i(k·r−ωt) + iωε∗ij(ω,k)E∗0je

−i(k·r−ωt)].

�����DZ�� ��������������(7.24)��������������������������DZ�������

Q =iω

16π

[ε∗ij(ω,k)− εji(ω,k)

]E0iE

∗0j . (7.25)

������� εij ��DZ������������

εij = εHij + εAij ,

��

εHij =1

2

(εij + ε∗ji

), εAij =

1

2

(εij − ε∗ji

).

��

ε∗ij = εHji − εAji,

��(7.25)���DZ

Q = − iω

8πεAjiEiE

∗j , (7.26)

�������������������������������������

�����������������������

εij(ω,k) = εt(ω, k)(δij − kikj/k2) + εl(ω, k)kikj/k

2,

Page 211: final - USTC

7.3 ���������� 203

�������DZ

εAij(ω,k) = iε′′t (ω, k)(δij − kikj/k2) + iε′′l (ω, k)kikj/k

2.

�����������������������DZ

Q =ω

8πε′′l (ω, k)|El|2. (7.27)

�������������������DZ

Q =ω

8πε′′t (ω, k)|Et|2. (7.28)

�������������������������� ����Q > 0��

� ���DZ�����������������

ε′′l,t(ω, k) > 0, for ω > 0. (7.29)

��� ����������� ���±∞������� ω ��

��DZ����������

7.3 ����������

�������������������������(7.24)���DZ������������������������(7.24)������������������������

��������� �������������DZ������

�������������� ���������������������

���� ����������������DZ

E(t, r) = E0(t, r)ei(k0·r−ω0t), B(t, r) = B0(t, r)e

i(k0·r−ω0t), (7.30)

�� E0(t, r) � B0(t, r) ������������������(7.30)���(7.24)���DZ

1

16π

[(E+ E∗) ·

(∂D

∂t+∂D∗

∂t

)+ (B+B∗) ·

(∂B

∂t+∂B∗

∂t

)].

����������Æ � 2π/ω0�������

1

16π

[E · ∂D

∂t+ E∗ · ∂D

∂t+B · ∂B

∂t+B∗ · ∂B

∂t

].

Page 212: final - USTC

204 ���������

���������������������

∂Di(r, t)

∂t=

∂t

∫Dω,k;ie

i(k·r−ωt)d3kdω

(2π)4

=

∫−iωεik(ω,k)Eω,k;ke

i(k·r−ωt)d3kdω

(2π)4, (7.31)

�� Eω,k;k���������

Eω,k;k =

∫E0k(t, r)e

i(k0·r−ω0t)e−i(k·r−ωt)d3rdt

= E0k(ω − ω0,k− k0) (7.32)

�� E0k(ω − ω0,k − k0)����������������� ������

���������������� k0 � ω0 ����(7.31)�����ωεik(ω,k)� (ω0,k0) �����

∂Di(r, t)

∂t≈ −i

∫ [ω0εik(ω0,k0) + (ω − ω0)

∂(ωεik)

∂ω

+(k− k0) ·∂(ωεik)

∂k

]Eω,k;ke

i(k·r−ωt)d3kdω

(2π)4, (7.33)

�(7.32)����(7.33)�������∫E0k(ω − ω0,k− k0)e

i[(k−k0)·r−(ω−ω0)t]d3kdω

(2π)4= E0k(t, r),

���

∂Di(r, t)

∂t=

[−iω0εik(ω0,k0)E0k +

∂(ωεik)

∂ω

∂E0k

∂t− ∂(ωεik)

∂k· ∂E0k

∂r

]ei(k0·r−ω0t). (7.34)

����(7.34)����

E · ∂D∗

∂t= Ei

∂D∗i

∂t

= iω0ε∗ikE0iE

∗0k +

[∂(ωε∗ik)∂ω

]ω=ω0k=k0

E0i∂E∗

0k

∂t−[∂(ωε∗ik)∂k

]ω=ω0k=k0

· E0i∇E∗0k,

E∗ · ∂D∂t

= E∗i

∂Di

∂t

= −iω0εikE∗0iE0k +

[∂(ωεik)

∂ω

]ω=ω0k=k0

E∗0i

∂E0k

∂t−[∂(ωεik)

∂k

]ω=ω0k=k0

· E∗0i∇E0k.

Page 213: final - USTC

7.3 ���������� 205

�������������������

ε∗ik = εki,

�����

E · ∂D∗

∂t+ E∗ · ∂D

∂t=∂(ωεik)

∂ω

∂ (E∗0iE0k)

∂t− ω

∂εik∂k

· ∇ (E∗0iE0k) .

DZ���������������������������������

B · ∂B∗

∂t+B∗ · ∂B

∂t=

∂t(B0iB

∗0i) .

�������������������

1

16π

∂t

[∂(ωεik)

∂ωE∗

0iE0k +B0iB∗0i

]+∇·

[c

8πRe (E∗

0 ×B0)−ω

16π

∂εik∂k

E∗0iE0k

]= 0. (7.35)

��������������������������DZ

U =1

16π

[∂(ωεik)

∂ωE∗

i Ek +BiB∗i

], (7.36)

����DZ��������������� 0�����������DZ

S =c

8πRe (E∗ ×B)− ω

16π

∂εik∂k

E∗i Ek. (7.37)

�������������������DZ

∂U

∂t+∇ · S = 0. (7.38)

��DZ�������������������������

∂U

∂t+∇ · (Uvg) = 0. (7.39)

������� ���������������� ����������

��������������� vg ������������� vg ����

��������� ����������������(7.38)�(7.39)�����������������DZ

vg =S

U. (7.40)

��������������������������DZ

U =1

16π

∂(ωεl)

∂ω|El|2, (7.41)

Page 214: final - USTC

206 ���������

U =1

16π

∂ω

(εt −

k2c2

ω2

)]|Et|2. (7.42)

�������������DZ�����

∂(ωεl)

∂ω> 0,

∂ω

(εt −

k2c2

ω2

)]> 0. (7.43)

����������������DZ

S = − ω

16π

∂εl(ω, k)

∂k|El|2n, (7.44)

�� n = k/k��� ����������DZ

S = − ω

16π

∂k

[εt(ω, k)−

c2k2

ω2

]|Et|2n (7.45)

7.4 ��������������

����� εij(ω,k)��(7.16)������������� ����Kij ���� τ ����������������(7.16)����

εij(ω,k) = δij +

∫ ∞

0

∫Kij(τ,ρ)e

i(ωτ−k·ρ)d3ρdτ. (7.46)

�� Kij(τ,ρ) ���� τ ���� ����������������

�� τ → ∞ ��������� Kij(τ,ρ) ���������������

���������������������������� εij(ω,k) ���

ω = ω′ + iω′′ ����������������DZ����������

(7.46)��������������� exp(−ω′′τ)����� Kij(τ,ρ)���

����� ���� ω′′ > 0���(7.46)�����������������( ω′′ = 0 )DZ��� ����������������ω = 0������

������������������(7.46)����DZ�������������������������������������������

�����������������

�������������������������(7.13)�� t

�DZ���������� t�DZ���������DZ����������

���������������������DZ��������������

(7.46)���� τ ������� 0�∞�����−∞�∞�

Page 215: final - USTC

7.4 �������������� 207

�������(7.46)����

εij(−ω∗,−k) = ε∗ij(ω,k). (7.47)

��������(7.17)������������������������������

εl,t(−ω∗, k) = ε∗l,t(ω, k). (7.48)

������ �������

εl,t(iω′′, k) = ε∗l,t(iω

′′, k). (7.49)

��(7.49)������� εl,t���������

������������� ��������� εij �����

�� δij���

εij(|ω| → ∞,k) = δij, (Imω > 0). (7.50)

��������� ���� ω′′ → +∞�������������e−ω′′τ ����(7.46)����������������������� ω′�

�������� eiω′τ�(7.46)����DZ���

������ εl,t��������(1)������������(2)�����DZ����(3) εl,t(|ω| → ∞, k) = 1�������������� εl,t�����

�����������(1)�� ���� k� �������������

�������� εl,t���DZ���(2) ����������� εl,t(ω = 0, k)��

�� 1�(3) ��������������DZ�������������������

1

2πi

∫C

dα(ω)

α(ω)− a. (7.51)

�� α(ω) = εl,t(ω, k)− 1����� C DZ��������� ���������

��������������� εl,t(ω, k)− 1 − a�������������

�����1���� aDZ��� ���������� εl.t(ω,k)� ω���

����������� εl,t(ω, k)− 1 − a� ω ������DZ������

1����������������f(z)�����C��������������������

f(z)�C���������C������

1

2πi

∫C

f ′(z)

f(z)dz = N − P,

��N�P����f(z)�C������������(����k�������k������)�

Page 216: final - USTC

208 ���������

�(7.51)�� εl,t(ω, k)− 1− a����������������������DZ

�� a����

Re ω

Im ω

0

C

a a0

Im α

Re α

C ′

0

� 7.1: ���������� C (��)������� α����� C ′�

DZ�����(7.51)�������DZ���

1

2πi

∫C

dα(ω)

α(ω)− a=

1

2πi

∫C′

α− a.

�� C ′��� α���������������C ��� α���� α : C → C ′�

���������(7.50)�� ω ������� ������ α = 0��

ω = 0�����������α0 = εl,t(ω = 0, k)−1�ω������������

� α���� ����������α�������������� 7.1����DZ�������������� ε′l,t(−ω, k) = ε′(ω, k)� ε′′l,t(−ω, k) = −ε′′l,t(ω, k)�� ε′′l,t(ω > 0, k) > 0��� � α = 0�� α = α0 ��������� C ′ �� α

��������������(7.51)����DZ 1 ( 0 < a < α0 )���DZ 0 (a < 0� a > α0 )�������� 0� α0 ���� �� a��� εl,t(ω, k) = 1 + a

����������������������������� ����

���������������DZ�������������������

��������DZ��������������������������

� a��� εl,t(ω, k) = 1 + a�����������������������DZ

εl,t(ω = 0, k) > 1������������������� εl,t(ω = 0, k)�����

� 1������ εl,t(ω, k) = 0���������DZ������������

�����DZ���������DZ 1�

Page 217: final - USTC

7.5 Kramers-Kronig�� 209

Im z

Re z

C

ω

� 7.2: ��(7.52)�������

7.5 Kramers-Kronig��

��������� ∫C

εij(z,k)− δijz − ω

dz, (7.52)

�� ω�� ������� C �� ω′����� ωDZ�����������

�� �����������������������������C ���

���� ∫C

εij(z,k)− δijz − ω

dz = 0. (7.53)

������� εij(|ω| → ∞,k) → δij���(7.53)�����������DZ 0�

�����

P

∫ ∞

−∞

εij(z,k)− δijz − ω

dz − iπ [εij(ω,k)− δij ] = 0,

�� P ��������������������� ε′ij(ω,k)��� ε′′ij(ω,k)�

������

ε′ij(ω,k)− δij =1

πP

∫ ∞

−∞

ε′′ij(z,k)

z − ωdz, (7.54a)

ε′′ij(ω,k) = −1

πP

∫ ∞

−∞

ε′ij(z,k)− δij

z − ωdz, (7.54b)

������ Kramers-Kronig������������������������������������Kramers-Kronig��������������������������������������������������

��

Page 218: final - USTC

210 ���������

����� εij ����������������������

ε′l,t(ω, k)− 1 =1

πP

∫ ∞

−∞

ε′′l,t(z, k)

z − ωdz, (7.55a)

ε′′l,t(ω, k) = −1

πP

∫ ∞

−∞

ε′l,t(z, k)− 1

z − ωdz. (7.55b)

�� ε′′l,t(ω, k)� ω����������(7.55a)����DZ�

ε′l,t(ω, k)− 1 =2

πP

∫ ∞

0

zε′′l,t(z, k)

z2 − ω2dz. (7.56)

�������������������������DZ��������

���

ω → ∞����������������� �

εt,l ∼ 1− 4πnee2

meω2= 1−

ω2pe

ω2,

���(7.56)��DZ

2

πP

∫ ∞

0

zε′′l,t(z, k)

z2 − ω2dz = − 2

πω2

∫ ∞

0

zε′′l,t(z, k)dz.

��������������

∫ ∞

0

ωε′′l,t(ω, k)dω =π

2ω2pe. (7.57)

��������� ∫ ∞

0

ω Im1

εl,t(ω, k)dω = −π

2ω2pe (7.58)

������������������������������

• ����εik����DZ

εik(ω,k) = εl(ω, k)kikkk2

+ εt(ω, k)

(δik −

kikkk2

).

• ������������������εl,t(|ω| → ∞, k) = 1�

•εl,t(−ω, k) = ε∗l,t(ω, k).

Page 219: final - USTC

7.6 ��������������� 211

ε′l,t(ω, k)− 1 =1

πP

∫ ∞

−∞

ε′′l,t(z, k)

z − ωdz,

ε′′l,t(ω, k) = −1

πP

∫ ∞

−∞

ε′l,t(z, k)− 1

z − ωdz.

∫ ∞

0

ωε′′l,t(ω, k)dω =π

2ω2pe,∫ ∞

0

ω Im1

εl,t(ω, k)dω = −π

2ω2pe

• �����������ε′′l,t(ω > 0, k) > 0

• ���������������

∂(ωε′l)∂ω

> 0,∂

∂ω

(ε′t −

k2c2

ω2

)]> 0.

�������������

• �������������������������������������������������������

7.6 ���������������

�������������������������������

����������������������������������

���� ���������������������

����������������������������������

����������������������������������

��������������������DZ�����������DZ��

������������������������������������

������������������������������������

����������������������������������

Page 220: final - USTC

212 ���������

���������������DZ v�������DZ E�����������

�����������DZdEdt

= eE · v.

����� E����������������������������

�������������������EDZ 0�������������

�����������������DZ 0�

����������������������������������

�����������������DZ

F ≡ −dEdl

= −dEdt

dt

dl= −e

vE · v. (7.60)

DZ������������ ������������E���������DZ

���������������������������� �������

�������������������

DZ����������������������������

∇× E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0 (7.61a)

∇×B =1

c

∂D

∂t+

cjext, ∇ ·D = 4πρext, (7.61b)

�� jext� ρext������������������DZ

jext = qvδ(r− vt), ρext = qδ(r− vt). (7.62)

��������������������DZ�������

Eω,k = Elω,k + Et

ω,k. (7.63)

���

k× Etω,k =

ω

cBω,k, k ·B = 0, (7.64a)

k×Bω,k = −ωcDω,k − i

cjω,k, k ·Dω,k = −i4πρω,k, (7.64b)

�� jω,k� ρω,k����������������

jω,k =

∫jext(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r = 2πqvδ(ω − k · v),

ρω,k =

∫ρext(r, t)ei(ωt−k·r)dtd3r = 2πqδ(ω − k · v).

Page 221: final - USTC

7.6 ��������������� 213

���������������Dω,k;i = εij(ω,k)Eω,k;j���(7.63)����

εij =kikjk2

εl(ω, k) +

(δij −

kikjk2

)εt(ω, k),

�����DZ

Dω,k = εlElω,k + εtE

tω,k. (7.65)

���(7.65)����(7.64)����

Elω,k = −i 4π

kεlρω,k,

Etω,k = −i4π

c

ω

c

jω,k − (k · jω,k)k/k2εtω2/c2 − k2

���DZ

Eω,k = Elω,k + Et

ω,k

= −i2(2π)2qδ(ω − k · v)[ω

c2v

εtω2/c2 − k2− ω2

c2k/k2

εtω2/c2 − k2+

k/k2

εl

].

���������������������������

E(r, t) =

∫Eω,ke

i(k·r−ωt)dωd3k

(2π)4.

���������DZ

F = −qv

∫v · Eω,ke

i(k·r−ωt)dωd3k

(2π)4

= i2(2π)2q2

v

∫ [ω

c2v2

εtω2/c2 − k2− ω2

c2(k · v)/k2εtω2/c2 − k2

+(k · v)/k2

εl

]

× δ(ω − k · v)ei(k·r−ωt)dωd3k

(2π)4.

������������������������r = vt����� ω ���

���

F = i2q2

(2π)2v

∫v2 − (k · v)2/k2

εt(k · v, k)(k · v)2 − k2c2(k · v)d3k

+ i2q2

(2π)2v

∫(k · v)

k2εl(k · v, k)d3k. (7.66)

������������������������������

Page 222: final - USTC

214 ���������

��������������������DZ������DZ�����

�(7.66)�����������������������������DZ����� ��������������������DZ�����������

�������������������������������������

������������������������������������

� ω = kvμ��� μ��� k��� v���Æ�������

F = iq2

πv2

∫dk

k

∫ kv

−kv

ω

εl(ω, k)dω.

��������������������������������DZ

F = − q2

πv2

∫dk

k

∫ kv

−kv

Im

[1

εl(ω, k)

]ωdω.

��������������������� v � (T/m)1/2�������

�� ���±∞ ��������(7.58)����

F =q2ω2

pe

v2

∫ kmax

kmin

dk

k. (7.67)

��������(7.67)������ �� ������������� ������� ���� ��������������������

����������������DZ������������������

����������������������������������

�������������DZ����DZ�����������������

����������������� �������

ωp − k · v = 0,

�� ωp����������� kmin = ωp/v��������������DZ

Fcollective =q2ω2

pe

v2

∫ kD

ωp/v

dk

k=q2ω2

pe

v2lnkDv

ωp,

�� kD = 2π/λD� λD �����

k > kD ������DZ������������������DZ�����

��������������������������� kmax�����

���������������� ���

kmax = αmv2/|qe|2,

Page 223: final - USTC

7.7 ��������������� 215

��m������ ����DZ1��������

Findividual =q2ω2

pe

v2lnkmax

kD,

������DZ

F = Fcollective + Findividual =q2ω2

pe

v2lnkmaxv

ωp. (7.68)

7.7 ���������������

��������������� ���������������

��������������������(7.12)���

ik×E = iω

cB, ik ·B = 0,

ik×B = −iωcD, ik ·D = 0,

����� ���

Di = εij(ω,k)Ej.

����������������

k(k · E)− k2E+ω2

c2ε : E = 0,

��ε���������������������������(kikj − k2δij +

ω2

c2εij

)Ej = 0. (7.69)

�������������������� ������DZ�������

����������(7.69)����DZ���

det

(kikj − k2δij +

ω2

c2εij

)= 0. (7.70)

������������������������������������

�������������������������(7.69)��������������

��������������������������������

��� εl(ω, k)������ εt(ω, k)�������

εij(ω,k) = εt(ω, k)(δij − kikj/k2) + εl(ω, k)kikj/k

2

Page 224: final - USTC

216 ���������

����(7.69)���{[

ω2

c2εt(ω, k)− k2

] (δij − kikj/k

2)+ω2

c2εl(ω, k)kikj/k

2

}Ej = 0. (7.71)

��� k��DZ��������E��DZ�����������������

����

E = El + Et, El · k = Elk, Et · k = 0.

���������(7.71)��DZ������

ω2

c2εl(ω, k)El = 0,[

ω2

c2εt(ω, k)− k2

]Et = 0.

����������������DZ

εl(ω, k) = 0, (7.72a)

ω2

c2εt(ω, k)− k2 = 0. (7.72b)

���(7.72a)�����������(7.72b)������������

Page 225: final - USTC

7.7 ��������������� 217

��

1. �����������DZ εij(ω,k)����������� q ��

�����DZ

φ(r) =q

∫exp(ik · r)kikjεij(0,k)

d3k.

2. ��������������������

εij = εt(δij − kikj/k2) + εl(kikj/k

2),

�� kikjεij = k2εl�

3. ����������������ω = 0�DZ

εl(0,k) = 1 +1

(kλD)2,

������� q����������

4. ��������(7.23)����� ε(ω, k)��� μ(ω, k)�DZ������

DZ����������� εl(ω, k)������ εt(ω, k)������

��

ε(ω, k) = εl(ω, k),

1

μ(ω, k)= 1 +

ω2

c2k2[εl(ω, k)− εt(ω, k)] .

5. ���(7.33)����(7.34)�

6. ������������� ω → ∞��������

εt,l = 1−ω2pe

ω2,

�������� ∫ ∞

−∞ω Im

[1

εl,t(ω, k)

]dω = −πω2

pe.

[���� ���� ∫C

1/εl,t − 1

z − ωdz,

������ C �����������������ω�����]

Page 226: final - USTC

218 ���������

7. ��������������∫ ∞

0

[εl,t(iω, k)− 1] dω =

∫ ∞

0

ε′′l,t(ω, k)dω.

[����� z−���� ����∫C

z [εl,t(z, k)− 1]

z2 + ω2dz,

���� C DZ������������]

8. ������������������������DZ

U =1

16π

∂(ωεl)

∂ω|El|2,

S = − ω

16π

∂εl(ω, k)

∂k|El|2n,

�� n�� �����������DZ

vg = ndω(k)

dk

∣∣∣∣εl[ω(k),k]=0

.

9. �������������������������DZ

U =1

16π

∂ω

(εt −

k2c2

ω2

)]|Et|2,

S = − ω

16π

∂k

[εt(ω, k)−

k2c2

ω2

]|Et|2n,

�� n�� �������������DZ

vg = ndω(k)

dk

∣∣∣∣εl[ω(k),k]−c2k2/ω2=0

.

Page 227: final - USTC

��� �������(����)

������������DZ����������������������

�������������������������������������

��DZ����������������������������������

������������

8.1 ������������

�����������������������������������

��������������������������������������

������������������

8.1.1 �����

DZ�������������DZ��������������������

������������DZ������������������������

���DZ���������������������DZ���������

�������������������������������������

������DZ��������������������

����������������������������������DZ

������������������������������������

��������������

∂nα

∂t+∇ · (nαuα) = 0, (8.1a)

mαnα

(∂uα

∂t+ uα · ∇uα

)= −∇Pα + eα

(E+

1

cuα ×B

), (8.1b)

d

dt

(Pαn

−γαα

)= 0, (8.1c)

Page 228: final - USTC

220 �������(����)

� α����������� nα������ uα������ Pα�

���� γα�������

�������������������������������(8.1)��������������������DZ����������������

�������������������������������

�����������������������������������

�������������

����������������������������������

� �����������������������

∇× E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0 (8.2a)

∇×B =1

c

∂D

∂t, ∇ ·D = 0. (8.2b)

8.1.2 ��������������

���� ��DZ�������������������������

����� εij��DZ��������������������������DZ�

������� �����������������������������

��������(8.1)��������

∂nα1

∂t+ nα0∇ · uα = 0,

nα0mα∂uα

∂t= nα0eαE−∇Pα1,

Pα1/Pα0 = γαnα1/nα0.

�������������������∂/∂t = −iω�∇ = ik������

nα1

nα0=

k · uα

ω,

uα = ieαmαω

E+ kγαPα0

nα0mαωnα1,

������������������������

uα − γαv2Tαk(k · uα)/ω

2 = ieαmαω

E,

� vTα = (Tα/mα)1/2����Æ����������� DZ����(

δij − γαv2Tα

ω2/k2kikjk2

)uαj = i

eαmαω

Ei,

Page 229: final - USTC

8.1 ������������ 221

������������

uαi = ieαmαω

(δij +

γαv2Tα

ω2/k2 − γαv2Tα

kikjk2

)Ej.

����������DZ

ji =∑α

eαnα0uαi = i∑α

nα0e2α

mαω

[(δij −

kikjk2

)+

ω2/k2

ω2/k2 − γαv2Tα

kikjk2

]Ej

����������� ∂P/∂t = j���� P = ij/ω������������

Pi = −∑α

nα0e2α

mαω2

[(δij −

kikjk2

)+

ω2/k2

ω2/k2 − γαv2Tα

kikjk2

]Ej.

��������D = E+ 4πP����

Di = δijEj −∑α

4πnα0e2α

mαω2

[(δij −

kikjk2

)+

ω2/k2

ω2/k2 − γαv2Tα

kikjk2

]Ej .

��������������������

εij = δij −∑α

ω2pα

ω2

(δij −

kikjk2

)−∑α

ω2pα

ω2

ω2/k2

ω2/k2 − γαv2Tα

kikjk2

=

[1−

∑α

ω2pα

ω2

](δij −

kikjk2

)+

[1−

∑α

ω2pα

ω2 − γαk2v2Tα

]kikjk2

�������������������

εl(ω, k) = 1−∑α

ω2pα

ω2 − γαk2v2Tα

, (8.3a)

εt(ω, k) = 1−∑α

ω2pα

ω2. (8.3b)

�� ω → ∞�����

εl,t ∼ 1−∑

α ω2pα

ω2≈ 1−

ω2pe

ω2,

��� k → 0�����

εl = εt = 1−∑

α ω2pα

ω2≈ 1−

ω2pe

ω2.

��������� ω2������������� �������������

���������������

������������������������������ ���

�����������������������������������

��������������

Page 230: final - USTC

222 �������(����)

8.1.3 ����������

��������������������������(8.3)�����(7.72)�������������������������������� ���

��

���������������������������

ω2pi =

4πni0Z2e2

mi=Zme

miω2pe,

���

c2i = γiv2i , c

2e = γev

2e ,

�������DZ

εl(ω, k) = 1−ω2pi

ω2 − k2c2i−

ω2pe

ω2 − k2c2e= 0. (8.4)

�����������DZ �����������������

�∂E/c∂t�������������������� ����������

��(8.4)����

ω2 = ±

√(ω2pi + k2c2i + ω2

pe + kc2e2

)2

− k4c2i c2e − k2ω2

pic2e − k2ω2

pec2i

+ω2pi + k2c2i + ω2

pe + kc2e2

. (8.5)

���������������(8.5)��DZ�� �����������������������(8.4)��� ������ ωpi � ωpe����(8.4)���������������(8.4)�DZ

1−ω2pe

ω2 − k2c2e= 0.

�������������

ω2 = ω2pe + k2c2e = ω2

pe

(1 + γek

2λ2De

). (8.6)

��������(8.5)����������DZ�������������(8.6)�������������������������������������

Page 231: final - USTC

8.1 ������������ 223

���DZ�������������������������������

������ueui

= − mi

Zme

1− k2c2i /ω2

1− k2c2e/ω2≈ − mi

Zme

.

���������������������DZ�������������

�����������������DZ���������(8.6)��γe��DZ3.���������DZ�����(8.4)�DZ

−ω2pi

ω2 − k2c2i−

ω2pe

ω2 − k2c2e= 0.

�������������

ω2 = k2ω2pec

2i + ω2

pic2e

ω2pe + ω2

pi

≈ k2(ZγeTe + γiTi

mi

). (8.7)

����������DZ��������������������� ��

cs =

√ZγeTe + γiTi

mi. (8.8)

���(8.7)�����������������∣∣∣∣ ω2

pi

ω2 − k2c2i

∣∣∣∣� 1.

�����(8.7)������������������

k2λ2De � 1,

����������������� ����������������

�� ����������������������������

�������DZ��� ��DZ�������������������

��������DZ

ueui

= − mi

Zme

1− k2c2i /ω2

1− k2c2e/ω2= 1.

�������������

������������������ �����������

����DZ�������������������

γe = 1, γi = 3.

Page 232: final - USTC

224 �������(����)

���������������������������������

�������(8.4)�DZ

1−ω2pi

ω2 − k2c2i= 0.

��������

ω2 = ω2pi + k2c2i = ω2

pi

(1 + γik

2λ2Di

). (8.9)

����������DZ�������������������� ���

�(8.9)����� ∣∣∣∣ ω2pe

ω2 − k2c2e

∣∣∣∣� 1.

�����(8.9)������

k2λ2De � 1,

�������������������������������

���������� ���������������������

�DZ

ueui

= − mi

Zme

1− k2c2i /ω2

1− k2c2e/ω2≈ 1

γek2λ2De

� 1,

����������������

��7.3�����������DZ

U =1

16π

∂(ωεl)

∂ω|El|2

=ω2

∑α

ω2pα

(ω2 − k2c2α)2|El|2 .

�������������������(8.6)��

U =1

16π

[1 +

(1 + 2γek

2λ2De

)]|El|2 ,

��������������������������DZ |El|2/16π� �������������DZ (1 + 2γek

2λ2De) |El|2 /16π�� k → 0���������

�������

Page 233: final - USTC

8.2 ������������ 225

��

��������������������������(7.72)�(8.3b)����������

ω2

c2

[1−

∑α ω

2pα

ω2

]− k2 = 0,

��������

ω2 = k2c2 +∑α

ω2pα ≈ k2c2 + ω2

pe. (8.10)

������������DZ����������������������

��������������������������������

��7.3�����������DZ

U =1

16π

∂ω

(εt −

k2c2

ω2

)]|Et|2

=1

16π

(1 +

ω2pe

ω2+k2c2

ω2

)|Et|2 .

����������������������������������

�����DZ |Et|2 /16π������������������DZ (ωpe/ω)2 |Et|2 /16π�

����������DZ (kc/ω)2 |Et|2��������������

U =1

8π|Et|2 .

��������������� k → 0�����������������

��������

8.2 ������������

���������������������������������

����������������������������DZ������DZ�

�������������������������������������

���������DZ�������DZ�������������������

������� k�DZ����������B0�

Page 234: final - USTC

226 �������(����)

8.2.1 �����������

����������������������������������

�����������������������������DZ

∂nα

∂t+ nα0∇ · uα = 0, (8.11a)

mα∂uα

∂t= eα

(E+

1

cuα ×B0

)− 1

nα0

∇Pα1, (8.11b)

Pα1

Pα0= γα

nα1

nα0. (8.11c)

�������� �����������������

uα = ieαE

mαω+ i

ωcα

ωuα × b+

c2eω2/k2

n(n · uα), (8.12)

� b������� n������� ωca����������

ωcα =eαB0

mαc,

��������� �

DZ���������������� z−���� k�x− z��������

���� �����

Δα;ijuα;j = ieαmαω

Ei, (8.13)

���Δα��DZ

Δα;ij =

⎛⎜⎜⎝

1− k2xc2α/ω

2 −iωcα/ω −kxkzc2α/ω2

iωcα/ω 1 0

−kxkzc2α/ω2 0 1− k2zc2α/ω

2

⎞⎟⎟⎠ . (8.14)

������(8.13)�����������DZ

uα;i = ieαmαω

Δ−1α;ijEj , (8.15)

�Δ−1α �Δα������ ���DZ

Δ−1α;ij =

1

|Δα|

⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎝

1− k2zc2α

ω2iωcα

ω

(1− k2zc

ω2

)kxkzc

ω2

−iωcα

ω

(1− k2zc

ω2

)1− k2c2α

ω2−iωcα

ω

kxkzc2α

ω2

kxkzc2α

ω2iωcα

ω

kxkzc2α

ω21− ω2

ω2− k2xc

ω2

⎞⎟⎟⎟⎟⎟⎠, (8.16)

Page 235: final - USTC

8.2 ������������ 227

|Δα|� Δα�����

|Δα| =(1− ω2

ω2

)(1− k2zc

ω2

)− k2xc

ω2. (8.17)

�����DZ

ji =∑α

eαnα0uα;i =∑α

ie2αnα0

mαωΔ−1

α;ijEj ,

����������������

εij = δij −∑α

ω2pα

ω2Δ−1

α;ij , (8.18)

8.2.2 ������������������

����

��������������������������������

�����Æ�cαDZ�������Δ−1α ����DZ���

Δ−1α;ij =

1

1− ω2cα/ω

2

⎛⎜⎜⎜⎝

1 iωcα

ω0

−iωcα

ω1 0

0 0 1− ω2cα

ω2

⎞⎟⎟⎟⎠ . (8.19)

������������� DZ����

εij =

⎛⎜⎜⎝

S −iD 0

iD S 0

0 0 P

⎞⎟⎟⎠ , (8.20)

��

S = 1−∑a

ω2pα

ω2 − ω2cα

, D =∑α

ω2pαωcα

ω(ω2 − ω2cα)

, P = 1−∑α

ω2pα

ω2. (8.21)

�����B0 → −B0���� ωcα → −ωcα����

εij(ω,k;B0) = εji(ω,k;−B0).

������������������������� �����������

��������������� εij = ε∗ji�

Page 236: final - USTC

228 �������(����)

� ω → ∞�������������

S ∼ 1−∑

α ω2pα

ω2≈ 1−

ω2pe

ω2, (8.22a)

D ∼∑

α ω2pαωcα

ω3∼ 0, (8.22b)

P = 1−∑α

ω2pα

ω2≈ 1−

ω2pe

ω2, (8.22c)

�� εij ∼ (1− ω2pe/ω

2)δij��� ω → 0�����

limω→0

S = 1 +∑α

ω2pα

ω2cα

= 1 +4πρc2

B20

= 1 +c2

v2A, (8.23a)

limω→0

D = − limω→0

∑α

ω2pα

ωωcα

= −4πc

B0

limω→0

∑α nαeαω

= 0, (8.23b)

limω→0

P = − limω→0

ω2pα

ω2= −∞. (8.23c)

����

���������ÆDZ θ���������������(??)���������������∣∣∣∣∣∣∣∣

S − n2 cos2 θ −iD n2 sin θ cos θ

iD S − n2 0

n2 sin θ cos θ 0 P − n2 sin2 θ

∣∣∣∣∣∣∣∣= 0, (8.24)

� n = ck/ω����������(8.24) ����������

An4 − Bn2 + C = 0, (8.25)

��

A = P cos2 θ+ S sin2 θ, B = SP (1+ cos2 θ) + (S2 −D2) sin2 θ, C = P (S2 −D2). (8.26)

DZ������������ �

R = S +D = 1−∑α

ω2pα

(ω + ωcα)ω, (8.27a)

L = S −D = 1−∑α

ω2pα

(ω − ωcα)ω. (8.27b)

Page 237: final - USTC

8.2 ������������ 229

�����(8.25)���(8.26)��� �

A = P cos2 θ + S sin2 θ, B = SP (1 + cos2 θ) +RL sin2 θ, C = PRL. (8.28)

��������(8.25)��� DZ�����

tan2 θ = − P (n2 −R)(n2 − L)

(n2 − P )(Sn2 − RL).(8.29)

���(8.25)����������������������������

n2 =1

2A

(B ±

√B2 − 4AC

). (8.30)

� n2 > 0����� �������������������� n2 < 0����

���������DZ�����n2 = 0������DZ�����������

���������������������� n2 = ∞������DZ��������������������������� ��

8.2.3 ����������

�������������������������������

���(8.25)����� C = 0����������������C = PRL����

�����DZ

P = 0, R = 0, or L = 0.

�������������� �������� ��������

� P = 0�����DZ��������

ωp =√ω2pe + ω2

pi ≈ ωpe. (8.31)

� R = 0������DZ������

ωR ≈√ω2pe + ω2

ce/4 + |ωce|/2. (8.32)

� L = 0������DZ�������

ωL ≈√ω2pe + ω2

ce/4− |ωce|/2. (8.33)

����������������������DZ�����������

��������������(8.32)�(8.33)�� ωR ���������

|ωce|� ωL����������� |ωce|�

Page 238: final - USTC

230 �������(����)

������ n → ∞����(8.30)�� A → 0 ������������

�(8.28)�� A�����A = 0��������

tan2 θ = −PS. (8.34)

����������������DZ��(8.34)����������������� P � S � ���������� ������� �����

� ����������������� θ = 0���������������

DZ P = 0� S = ∞������DZ

ωres = ωpe, |ωci|, |ωce|, (8.35)

���DZ����������������������� θ = π/2������

���������DZ P = ∞� S = 0������DZ

ωres = 0, ωLH, ωHH , (8.36)

��

ωLH =ω2pe + ω2

pi + ω2ce + ω2

ci

2−

√(ω2pe + ω2

pi + ω2ce + ω2

ci

2

)2

− ω2peω

2ci − ω2

piω2ce − ω2

ceω2ci

≈ [ω2ci + ω2

piω2ce/(ω

2pe + ω2

ce)]1/2, (8.37)

ωHH =ω2pe + ω2

pi + ω2ce + ω2

ci

2+

√(ω2pe + ω2

pi + ω2ce + ω2

ci

2

)2

− ω2peω

2ci − ω2

piω2ce − ω2

ceω2ci

≈ (ω2pe + ω2

ce)1/2. (8.38)

���DZ ����������������������������

������������

ωLH =

{(ω2

ci + ω2pi)

1/2, when ω2ce � ω2

pe,

(|ωceωci|)1/2, when ω2ce � ω2

pe.

������������������������������ x−���������������������������������������

�� ωpe �������������������������B0���

���������� y−������������������������

Page 239: final - USTC

8.2 ������������ 231

x

y

B0

E1

� 8.1: ���� ����������������������DZ�������DZ���

����������������������������������

����������������������������������

���

�����������������������������������

������������ B0 ��DZ ω � �����������

��DZ���������� x−��������DZ�������������������������� y−�������� x−��DZ�������ω = (|ωceωci|)1/2 ������������ x−����������������������DZ���� ������� �����������

�������� ��������������������������DZ

���

�������� �������DZ

0 < ωres1 < |ωci|,

ωLH < ωres2 < min(|ωce|, ωpe),

max(|ωce|, ωpe) < ωres3 < ωHH .

������������������������������������

���������������DZ������������

��� �������� ����������������

Page 240: final - USTC

232 �������(����)

����������(8.25)�� n = n(ω, θ)�������⎛⎜⎜⎝

S − n2 cos2 θ −iD n2 sin θ cos θ

iD S − n2 0

n2 sin θ cos θ 0 P − n2 sin2 θ

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

Ex

Ey

Ez

⎞⎟⎟⎠ = 0. (8.39)

�����������������������������������

�����������

uα;i = ieαmαω

Δ−1α;ijEj ,

��� �����������������

������������ ���(8.39)���������

limn→∞

Ex

Ez

= − limn→∞

P − n2 sin2 θ

n2 sin θ cos θ=

sin θ

cos θ=kxkz,

limn→∞

Ey

Ex

= − limn→∞

iD

S − n2= 0,

���������������������������������

�����������������������������������

���� θ = 0������������������������������

�������������������

����������������������������DZ����

��(������)���������������������������� �����������DZ�����

8.2.4 ���������

��������������� θ = 0���(8.39)DZ⎛⎜⎜⎝

S − n2 −iD 0

iD S − n2 0

0 0 P

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

Ex

Ey

Ez

⎞⎟⎟⎠ = 0. (8.40)

��������������������� �����(8.40)������������ (

S − n2 −iDiD S − n2

)(Ex

Ey

)= 0, (8.41a)

PEz = 0. (8.41b)

Page 241: final - USTC

8.2 ������������ 233

z

y

xR L

B0

kR kL

� 8.2: ��������������

������������������������������������

P = 0, or ω2 =∑α

ω2pα.

���������������������������DZ��������

��������DZ�������������� �������������

��������������������������������������

������������ ���������

������DZ

n2 = S ±D. (8.42)

��������(8.41a)�������������������8.2����������������������������������DZ����

���

Ey

Ex= −i, for n2 = S +D = R,

Ey

Ex= i, for n2 = S −D = L.

�����(8.42)�����������������������������������������

Page 242: final - USTC

234 �������(����)

����

��� ���� ω → 0�����(8.22)���������

ω2 = k2v2A

1 + v2A/c2, (8.43)

���� ����������������������(8.43)������� 1DZ 1 + v2A/c

2��������������������������

� ����������� v2A/c2�����

�� ������������������������������

���������� uαi = i(eα/mαω)Δ−1α;ijEj ������ �� ω → 0�

���

limω→0

(eα/mαω)Δ−1α;ij =

⎛⎜⎜⎝

0 c/B0 0

−c/B0 0 0

0 0 ieα/maω

⎞⎟⎟⎠ ,

����������������DZ(uαx

uαy

)=

(0 c/B0

−c/B0 0

)(Eαx

Eαy

),

�� uα = cE×B0/B20�

� ����� �����������DZ��� ���������

���������������������� ��D → 0�����

������������������� ��DZ���������

���

����������������

R = 1−ω2pe + ω2

pi

(ω − |ωce|)(ω + ωci).

��������������������� |ωci|�� ������ |ωce|�� ω2

pe/|ωce|���������

ω =k2c2|ωce|ω2pe

, for |ωci| � ω � |ωce|, ω2pe/|ωce|. (8.44)

��������DZ�������������������

vg =dω

dk=

2c

ωpe

√|ωce|ω, (8.45)

Page 243: final - USTC

8.2 ������������ 235

�������������������� ���������������

����������� ������������������

���������� ������������������������

��

�������� ����������������������

����������������������� ������� �����

����������

���������������������������������

���������������DZω������� s������DZ

t =

∫s

ds

vg=

∫s

ωpe(s)ds

2c√ω|ωce(s)|

.

�����

�����������������

ω2 = k2c2 + ω2pe

(1± ωce√

k2c2 + ω2pe

), for ω � |ωce|, (8.46)

� +����� −������������������������������������������������������������

������������

�������������������������� x−���

E(z = 0, t) = E0exe−iωt =

1

2E0 [(ex + iey) + (ex − iey)] e

−iωt.

��������DZ d�����������DZ

E(z = d, t) =E0

2(ex + iey)e

ikRd−iωt +E0

2(ex − iey)e

ikLd−iωt.

����������������������E� x� y���DZ

Ex(z = d)

Ey(z = d)= −iexp(ikRd) + exp(ikLd)

exp(ikRd)− exp(ikLd)

=1

tan[(kL − kR)d/2],

������ x−���ÆDZ

ϕ = arctanEy

Ex

=kL − kR

2d. (8.47)

Page 244: final - USTC

236 �������(����)

+ =

⊗ B0

EL ER Eout

� 8.3: ����������������������

� 8.4: �����������

����������������������������������

� �� ���������������������������

����������

kL − kR =ω

c(nL − nR) ≈

ω2pe|ωce|

cω2√1− ω2

pe/ω2.

���ÆDZ

ϕ =(ne/nc)

2√

1− ne/nc

eB0d

mec2. (8.48)

����������������

Page 245: final - USTC

8.2 ������������ 237

8.2.5 ���������

� θ = π/2����������������(8.39)DZ⎛⎜⎜⎝

S −iD 0

iD S − n2 0

0 0 P − n2

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

Ex

Ey

Ez

⎞⎟⎟⎠ = 0. (8.49)

�����DZ

n2 = P

n2 = RL/S.

������������������� n2 = P �������������

�������������������������������������

�������������������������������������

��DZ�����������DZ

ω2 = ω2pe + c2k2.

����� n2 = RL/S �����������������������

������DZ��Ex

Ey

= iS − n2

S= i

D

S.

����� ���DZ�� ��������DZ����

���

����� ���� ω → 0������

R → S, L→ S, S → 1 +c2

v2A, D → 0

������ �������

ω2 = k2v2A

1 + v2A/c2. (8.50)

�� �����DZ����

������� �������������� ���������

����� �����������������������������

�(8.49)������ ��� x−���������DZ����������y−���� ������������ x−������������� �����������DZ�������������

Page 246: final - USTC

238 �������(����)

� 8.5: ���������

����

������

D → 0, S → 1, R→ 1, L→ 1,

��������������������������

���� tan2 θ = −P/S�� S = 0���DZ Ey/Ex = −iS/D = 0�����

������DZ������ S = 0�

1−ω2pe

ω2 − ω2ce

−ω2pi

ω2 − ω2ci

= 0.

�������������� ����DZ�( )���� DZωHH � ωLH�

�������������������� �����������

ω < ωLH �����DZ� ���� ����DZ ������ ωL < ω < ωHH

�����DZ�������DZ��DZ������ ω > ωR����DZ��� �

�����DZ���������

8.3 ������������

�������������������������������

��������������������������������

��������DZ��������������� �����DZ�

Page 247: final - USTC

8.3 ������������ 239

8.3.1 ���

�������������� ����(8.16)�� kz = 0����

Δ−1α;ij =

1

1− ω2cα/ω

2 − k2c2α/ω2

⎛⎜⎜⎜⎜⎝

1 iωcα

ω0

−iωcα

ω1− k2c2α

ω20

0 0 1− ω2cα

ω2− k2c2α

ω2

⎞⎟⎟⎟⎟⎠ (8.51)

�(8.51)����(8.18)��

εij =

⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎝

1−∑α

ω2pα

ω2 − ω2cα − k2c2α

−i∑α

ωcαω2pα

ω(ω2 − ω2cα − k2c2α)

0

i∑α

ωcαω2pα

ω(ω2 − ω2cα − k2c2α)

1−∑α

ω2pα(ω

2 − k2c2α/ω2)

ω2(ω2 − ω2cα − k2c2α)

0

0 0 1−∑α

ω2pα

ω2

⎞⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

S ′ −iD′ 0

iD′ S ′′ 0

0 0 P

⎞⎟⎟⎠ .

�����DZ ⎛⎜⎜⎝

S ′ −iD′ 0

iD′ S ′′ − n2 0

0 0 P − n2

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

Ex

Ey

Ez

⎞⎟⎟⎠ = 0 (8.52)

���DZ

(P − n2)[S ′(S ′′ − n2)−D′2] = 0.

�����������DZ�������

n2 = (S ′S ′′ −D′2)/S ′,

� ����

S ′ = 1−∑α

ω2pα

ω2 − ω2cα − k2c2α

≈ 1 +∑α

ω2pα

ω2cα

= 1 +c2

v2A,

S ′′ = 1−∑α

ω2pα(ω

2 − k2c2α)

ω2(ω2 − ω2cα − k2c2α)

≈ 1 +∑α

ω2pα

ω2cα

− k2

ω2

∑α

ω2pαc

ω2cα

= 1 +c2

v2A− c2sv2An2

Page 248: final - USTC

240 �������(����)

D′ =∑α

ωcαω2pα

ω(ω2 − ω2cα − k2c2α)

≈ −∑α

ω2pα

ωω2cα

= 0.

����DZ

ω2 = k2(v2A + c2s)/(1 + v2A/c2),

� c2s = [(Z +1)γT/mi]1/2������������������������

���������������������

8.3.2 ���

����������������������������������

���������������������(8.52)���

S ′ = 1−∑α

ω2pα

ω2 − ω2cα − k2c2α

= 0 (8.53)

��� D′ � S ′ DZ������DZ������ Ey = 0�� Ex ����DZ 0�

����������� x−�����������(8.53)�������DZ����� �������������������DZ������DZ����

�(8.53)����������DZ���������������

ω2 = ω2ce + ω2

pe + k2c2e = ω2HH + k2c2e. (8.54)

������ ����������ω2 � ω2ce����

S ′ ≈ 1 +ω2pe

ω2ce + k2c2e

−ω2pi

ω2 − ω2ci − k2c2i

= 0

����� ��������

ω2 = ω2ci + k2c2i +

ω2ce + k2c2e

ω2HH + k2c2e

ω2pi. (8.55)

� ω2pe � ω2

ce�

ω2 ≈ ω2ci + k2c2i +

ω2ce + k2c2e

ω2pe + k2c2e

ω2pi = ω2

LH + k2c2s.

� ω2pe � ω2

ce�

ω2 ≈ ω2ci + ω2

pi + k2c2i = ω2LH + k2c2i .

Page 249: final - USTC

8.3 ������������ 241

z,B0

x

k

wave front

� 8.6: �������������������������������������������DZ������DZ��������

8.3.3 �������

�� ��������������������DZ���������

�����������DZ ωci� ��������������������

����������������� ω2 ≈ ω2ci �����������

��

tan2 θ = −PS

= −1−

∑a ω

2pα/ω

2

1 −∑

a ω2pα/(ω

2 − ω2cα)

≈ −ω2pe/ω

2ci

ω2pi/(ω

2 − ω2ci)

=ω2pe

ω2pi

ω2ci − ω2

ω2≈ 2mi

Zme

ωci − ω

ω.

�� θ �= π/2�������������������� (Zme/2mi) tan2 θ � 1��

���DZ ω ≈ ωci����� θ �= π/2�����������������

����������������DZ�������������������

��������������������������������

����DZ�����������������������������

���

∇ ·D = 0.

� ������� ��������������

kiDi(ω,k) = 0.

�������������Di = εijEj��������

εijkiEj = 0.

Page 250: final - USTC

242 �������(����)

������������������Ej = (kj/k)E������

εijkikjE = 0.

�� E �= 0����������

εijkikj = 0.

�DZ��� x− z�����������DZ

εxxk2x + εzzk

2z + 2εxzkxkz = 0.

DZ������������������ k2zc2e/ω

2ci � 1����

εzz = 1−ω2pi

ω2−ω2pe

ω2

1− ω2ce/ω

2 − k2xc2e/ω

2

(1− ω2ce/ω

2)(1− k2zc2e/ω

2)− k2xc2e/ω

2

≈ 1−ω2pi

ω2+

ω2pe

k2zc2e

,

εxx = 1−ω2pi

ω2 − ω2ci

−ω2pe

ω2

1− k2zc2e/ω

2

(1− ω2ce/ω

2)(1− k2zc2e/ω

2)− k2xc2e/ω

2

≈ 1−ω2pi

ω2 − ω2ci

+ω2pe

ω2ce

≈ 1−ω2pi

ω2 − ω2ci

,

εxz = −ω2pe

ω2

kxkzc2e/ω

2

(1− ω2ce/ω

2)(1− k2zc2e/ω

2)− k2xc2e/ω

2

≈ −ω2pe

ω2ce

kxkz,

����DZ (1−

ω2pi

ω2 − ω2ci

)k2x +

ω2pe

c2e= 0.

��� ω2pe/k

2xc

2e � 1�����������������

ω2 = ω2ci + k2xc

2s.

Page 251: final - USTC

8.4 ������� 243

8.4 �������

����������������������������������

�������� �������������������������

����—����������������������—�������

�������������� z = 0������������DZ

ε =

{ε2 = 1− ω2

pe/ω2, when z < 0,

ε1 = 1, when z > 0.

������������������������������������

�������������������

�������������

∇×E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0, (8.57a)

∇×B =1

c

∂D

∂t,∇ ·D = 0. (8.57b)

��������������������

E = (Ex, 0, Ez)e−κ|z|eiqx−iωt, (8.58a)

B = (0, By, 0)e−κ|z|eiqx−iωt, (8.58b)

��������DZ ω������� x−��������DZ q������

�������DZ ���(8.58)���������(8.57)�������

iqB1y = −iωcε1E1z, (8.59a)

iqB2y = −iωcε2E2z, (8.59b)

κ1B1y = −iωcε1E1x, (8.59c)

−κ2B2y = −iωcε2E2x, (8.59d)

�(8.57b)��������

−κ1E1x − iqE1z = iω

cB1y, (8.60a)

κ2E2x − iqE2z = iω

cB2y, (8.60b)

Page 252: final - USTC

244 �������(����)

������

iqE1x − κ1E1z = 0, (8.61a)

iqE2x + κ2E2z = 0. (8.61b)

����������������� ���� ����������

���������

B1y = B2y, (8.62a)

E1x = E2x, (8.62b)

ε1E1z = ε2E2z. (8.62c)

���(8.59a)�(8.59c)�(8.60a)����

κ1 =

√q2 − ε1

ω2

c2=√q2 − ω2/c2. (8.63)

������(8.59b)�(8.59d)�(8.60b)����

κ2 =

√q2 − ε2

ω2

c2=√q2 − εω2/c2. (8.64)

���(8.61)����(8.60)����(−κ1 +

q2

κ1

)E1x = i

ω

cB1y,(

κ2 −q2

κ2

)E2x = i

ω

cB2y.

������(8.62)�����������

κ1(1− q2/κ21) + κ2(1− q2/κ22) = 0. (8.65)

�(8.63)�(8.64)����(8.65)����������������ε1κ1

+ε2κ2

= 0. (8.66)

����������������������(8.67)�������������������

ω2 =ω2pe + 2q2c2 −

√ω4pe + 4q4c4

2. (8.67)

�������������(8.7)�����������8.8����������������������� �����������������

���������

Page 253: final - USTC

8.4 ������� 245

0 2 4 6 80

0.2

0.4

0.6

0.8

q/(ωpe

/c)

ω/ω

pe

� 8.7: ������������

� 8.8: ������������

Page 254: final - USTC

246 �������(����)

8.5 ���

��������������������������������

��������������������������������DZ�

��

�������B0� z−����������� x−��������������������������������������� k� y − z�

��� k = kyey + kzez�� ky � kz��������������

��������� ��� �����

ω/kz � vA,

������������������DZ����������DZϕ��

E = −∇φ.

������DZ

me∂ue

∂t= e∇φ− e

cue ×B0 −

∇Pe

n0(x).

� ���z���

me∂uez∂t

= e∂φ

∂z− Te∂n1e/∂z

n0(x).

������� ��������������������������

n1e = n0eφ

Te.

����������∂n1i

∂t+ ui · ∇n0 + n0∇ · ui = 0,

min0∂ui

∂t= −en0∇φ+ n0

e

cui ×B0.

����DZ����� exp[i(kyy + kzz − ωt)]��������DZ

−iωn1i + uixdn0(x)

dx+ in0k · ui = 0,

−imin0ωui = −ien0φk+ en0ui ×B0/c.

��� x−������ uix = cEy/B0����� y−������ ����������������� kz �������������� z−������������������� z−���������������������DZ

0 = −iωn1i + uixdn0(x)

dx+ in0k · ui ≈ −iωn1i +

−ikycϕB0

dn0(x)

dx,

Page 255: final - USTC

8.5 ��� 247

��������DZ

n1i = −kycφωB0

dn0

dx

��������������������� n1e = n1i����

n0eφ

Te= −kycφ

ωB0

dn0

dx,

���������� φ�DZ����������

ωi = − kyTec

en0B0

dn0

dx=

kyv2Te

|ωce|Ln

,

�� Ln�������

Ln = −(

1

n0

dn0

dx

)−1

> 0.

�� ����������������������DZ

VD =c(−∇Pe/n0)×B0

(−e)B20

= −cTedn0/dx

eB0n0ey =

v2Te

|ωce|Lney,

������� �

ω = k ·VD = ωi.

����������� ωi = kyvD �DZ���

Page 256: final - USTC

248 �������(����)

��

1. ��������������������

(1) ω2 = k2c2/(1 + c2/v2A) (� ��)�

(2) ω = k2c2ωcl/ω2p (���)�

(3) ω2 − ωω2p/(ω − ωce) = k2c2, ω → ωce (�����)�

2. ��� ����������������������������

3. ����Ti = 0������������� ��������DZ

ω = kcs(1 + k2λ2De)−1/2.

4. �������������������� DZ

E21

4π=

1

2w,

B21

4π=

1

2w(1− ω2

pe/ω2),

1

2meneu21 =

1

2wω2pe

ω2,

��

w =E2

1

4π+B2

1

4π+

1

2mnu21.

�E1�B1�u1��������������������

5. ��������������������������������������������

6. ������u0����������������

7. ���(5)��������������� �����

∇ · (εE) = 0,

���ε� �������������������

8. ��������������−mnνev����� ������������ ���DZ����Im(ω)������

Page 257: final - USTC

8.5 ��� 249

9. ���������������������������������DZn0�

(1) ��������������������������������

(2) ��Ti = 0�Te �= 0���������Boltzmann����Poisson�������������

10. �����������������������������DZ�m3�

������n0�����K+�κn0�����Cl−�1 − κn0������κ =

0.6�����0.03m������n0�����

11. �8cm��������������8mm�����������������

(1) ��������������1/10�������������

����(�������2π��)�

(2) ����������������������

12. �������������������������������������ξ������������ω2 = ω2

pe + ω2ce�

13. ��������������������������

14. ����B���Æθ���������

(1) ���������

(2) ������ω2��������θ → 0�θ → π/2�������

�ω��������������������������

(3) ��x = cos θ�y = 2ω2/ω2HH�a = ω2

HH/2ωcωp������DZ����

�(y − 1)2

12+x2

a2= 1.

(4) �����ωc > ωp�������ω1(�����)����ωp(����θ > 0)��ω2(�����)���ωc�ωHH�����ωp > ωc�

�ω1 �ωc�ω2�ωp�ωHH��

Page 258: final - USTC

250 �������(����)

15. ���������������x = 0����x��������� �

��������x = 0������������������

16. ����������� �������

17. ����������������������������� ��������������� ����

18. �����������������������������

19. �����������DZ �����(ωceωci)1/2����������

�������������������������������

20. ����������������������������DZ

k2zc2

ω2=

ω2pi

ω2ci − ω2

− k2rc2

2ω2+

[ω4pi

(ω2ci − ω2)2

+

(k2rc

2

2ω2

)2]1/2

,

��kz�kr��DZ����������

21. ���������������������� ����

22. ������������������Ex�Ey���� �

F (ω)(Ex − iEy) = 0, G(ω)(Ex + iEy) = 0,

������R�F (ω) = 0�G(ω) �= 0���L�G(ω) = 0�F (ω) �= 0�

23. ���������ω = ωce/2������������������

24. ������ω � ωce����������ω1/2�

25. ������ (����������)�������������

26. �103G��������������8mm��������������100cm�������������π/4���������

27. ����������DZn0���M1����DZ(1− ε)n0���M2���

�DZεn0��Ti1 = Ti2 = 0�Te �= 0�

(1) ���������������

Page 259: final - USTC

8.5 ��� 251

(2) �εDZ�����ω2������

28. ��������������������������������k�����B0���ω0 = (ωceωci)

1/2����������������

�νe � ω0�νe � ω0���������

29. ����������� ����

(1) �����n ∼ 107m−3�B ∼ 10−3G�

(2) ��n ∼ 1012m−3�B ∼ 10G�

(3) ���n ∼ 1011m−3�B ∼ 1G�

(4) ����n ∼ 1020m−3�B ∼ 104G�

(5) ������n ∼ 1028m−3�B ∼ 103G.

30. ������������ ��������

31. ������������������� �������������������������M1�M2(M1 > M2)�������DZA1�A2(A1 +

A2 = 1)�

(1) ���� �������������������������ω2

pe�ωce(A1ωci+Aωci2)�ωciωci2(A1ωci2+A2ωci1)/(A1ωci1+A2ωci2)�

(2) �(1)��� �����������������������������������

32. �� ���� �������DZ100G.

33. ��� �������������������������

34. ������B0������������ �������

35. �������������DZ���DZ

q =ω

c

√ω2pe − ω2

ω2pe − 2ω2

.

36. �����������������ω/q < c�

Page 260: final - USTC

��� ����������

������������������������������������

�������������������������������������

��������������������������������������

����DZ��������������������������������

�������������������������������������

������������������—�����������������������������������DZ�����������������

��∂u

∂t+ u

∂u

∂x= F. (9.1)

�� F DZ���� u∂u/∂xDZ�������������������������

����������������������������DZ�������DZ

u = cos kx,

������������������������������

u∂u

∂x= −k cos kx sin kx = −k

2sin 2kx.

�������������������������������������

���

DZ���������������������������������

���(9.1)������������������� u0������ u0 ����

�(9.1)������∂u1∂t

+ u0∂u1∂x

= F.

F DZ 0�������DZ�������

u(x, t) = u0 + u1 cos k(x− u0t),

Page 261: final - USTC

9.1 ������� 253

����������� u0��������� u0���������������

��������������� �����������������

���������

9.1 �������

�����������������DZ����������������

��������������������DZ��������������

��� x−�������������������DZ∂u

∂t+ u

∂u

∂x= − e

me

E, (9.2)

�� u������ E�����������

∂E

∂x= 4πe(n0 − ne), (9.3)

�� n0������� ne������������

∂ne

∂t+∂(neu)

∂x= 0. (9.4)

��������

∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj,

� x−��������∂E

∂t= 4πeneu. (9.5)

�����(9.3)������� u������(9.5)����

∂E

∂t+ u

∂E

∂x= 4πen0u. (9.6)

��������d

dt=

∂t+ u

∂x,

��(9.2)�(9.6)�����DZ

du

dt= − e

meE,

dE

dt= 4πeneu. (9.7)

���������������

d2u

dt2+ ω2

peu = 0, (9.8)

Page 262: final - USTC

254 ����������

�� ω2pe = 4πn0e

2/me �����������������������

��������������DZ������������������

�(9.7)�(9.8) �DZ�����DZ������������DZ����������������������������������������

��������(9.2)�(9.3)�(9.4)�(9.6)�����������������DZ��������� (a, τ)������� (x, t)����DZ

t = τ, x = a + ξ(a, τ), (9.9)

�� ξ(a, t)����DZ���DZ a������DZ τ �����������

ξ(a, τ)� DZ

ξ(a, τ) =

∫ τ

0

u(a, τ ′)dτ ′, (9.10)

�� u(a, τ)�����DZ a���������� 5.2��������������������(9.5)�������(9.6)�����������DZ

∂τu(a, τ) = − e

meE(a, τ), (9.11)

∂E

∂τ= 4πen0u(a, τ). (9.12)

∂τ

{n(a, τ)

[1 +

∫ τ

0

∂u(a, τ ′)∂a

dτ ′]}

= 0. (9.13)

���(9.11)�(9.12) ���E�����������������

∂2

∂τ 2u(a, τ) + ω2

peu(a, τ) = 0. (9.14)

�����������������������DZ��������

�(9.14)������(9.14)����DZ

u(a, τ) = U(a) cosωpeτ + V (a) sinωpeτ. (9.15)

�(9.15)���(9.11)�������������

E(a, τ) =ωpeme

e[U(a) sinωpeτ − V (a) cosωpeτ ] . (9.16)

���(9.13)��� τ �����������

n(a, τ) =n(a, 0)[

1 +1

ωpe

∂U(a)

∂asinωpeτ +

1

ωpe

∂V (a)

∂a(1− cosωpeτ)

] . (9.17)

Page 263: final - USTC

9.1 ������� 255

��(9.15)�(9.16)�(9.17)�����������������������U(a)� V (a)����������U(a)�����DZ���������(9.15)��

U(a) = u(a, 0). (9.18)

V (a)������DZ������� t = 0������DZ

∂E(a, 0)

∂a= 4πe [n0 − n(a, 0)] .

���(9.16)� ���

∂V (a)

∂a= ωpe

[n(a, 0)

n0

− 1

]. (9.19)

�������������������������DZ�����

t = τ, x = a+ ξ(a, τ), (9.20a)

ξ(a, τ) =U(a)

ωpesinωpeτ +

V (a)

ωpe(1− cosωpeτ). (9.20b)

����(9.20)��� ���������� (a, τ) DZ���� (x, t)��

������(9.15)�(9.16)�(9.17)��������������������������������(9.20)������������������� a���

����������� x���������

������� �� ���������������������DZ

����������DZ������������DZ

n(a, 0) = n0(1 + Δcos ka). (9.21)

u(a, 0) = U(a) = 0. (9.22)

�(9.21)�(9.22)�(9.15)�(9.16)�(9.17)��������������������������

u(a, τ) =ωpe

kΔsin ka sinωpeτ, (9.23a)

E(a, τ) = −me

eω2pe

Δ

ksin ka cosωpeτ, (9.23b)

n(a, τ) = n01 + Δcos ka

1 + Δcos ka(1− cosωpeτ). (9.23c)

Page 264: final - USTC

256 ����������

���������������DZ

t = τ, kx = ka+ α(τ) sin ka, (9.24)

��

α(τ) = 2Δ sin2(ωpeτ/2).

���� ��� |Δ| � 1����� a ≈ x�����(9.23)� Δ���

�����������

u(x, t) =ωpe

kΔsin kx sinωpet,

E(x, t) = −me

eω2pe

Δ

ksin kx cosωpet,

n(x, t) = n0(1 + Δcos kx cosωpet).

���������������DZDZ��������������

���������������������������������

�� ωpet = π/2� 3π/2�� n(x, t) = n0� ωpet = π �� α(τ) = 2Δ����

kx = ka + 2Δ sin ka��� �� Δ > 0�� kx = (2n + 1)π����������

� ���

nmax(ωpet = π) =1−Δ

1− 2Δn0.

Δ = 0.45��� ����5.5n0���������������������

������� �����9.1��������������������

���������������������������������

����������(9.24)��� sin ka� cos ka� kx�����������

sin ka�DZ kx�� ��

sin ka(x, t) =

∞∑n=1

an(t) sinnkx. (9.25)

����DZ

an(t) = (−1)n+1 2

nα(t)Jn[nα(t)], (9.26)

�� Jn(x)��������� �������������

Page 265: final - USTC

9.1 ������� 257

� 9.1: Δ = 0.45������������������������

�(9.25)�(9.26)�(9.23)��������������������

u(x, t) =ωpe

∞∑n=1

(−)n+1 2

nα(t)Jn[nα(t)] sinnkx sinωpet, (9.27a)

E(x, t) = −me

e

ω2pe

∞∑n=1

(−)n+1 2

nα(t)Jn[nα(t)] sinnkx cosωpet, (9.27b)

n(x, t) = n0 +2n0Δ

α(t)

∞∑n=1

(−)n+1Jn[nα(t)] cosnkx cosωpet (9.27c)

������ ���������������������������

DZ k���������������������������������

� �� ������DZ�� t > 0������������������

��������� 50%�������������DZ�� �������

��������� 1 > |Δ| > 1/2�����DZ� |Δ| > 1/2����� ����

���������������������������DZ������

������������������� |Δ| > 1/2����������

� ����� �������DZ�������������������

��—��������������������������������������������������Æ��������������

�9.2����Δ = 0.45� Δ = 0.6���������������������

���������������������������

��������DZ���������� ���������������

Page 266: final - USTC

258 ����������

� 9.2: Δ = 0.45�Δ = 0.6�����������

��������������������������������DZ

�������������a < b�������������������

�����DZ���

a + ξ(a, τ) < b+ ξ(b, τ).

�������������������

∂ξ(a, τ)

∂a> −1. (9.28)

�����(9.28)�����������������������(9.28)���������� ��

9.2 �������

����������������������DZ����������

����� ����������� �������������������

�������������������������������������

������������������������������������

����

������������������(9.9)�(9.10)����������������������DZ

∂p

∂τ= −eE. (9.29)

���(9.29)���� τ �������� �(9.12)����

∂2p

∂τ 2= −4πe2n0u = −ω2

pe

p√1 + (p/mc)2

. (9.30)

Page 267: final - USTC

9.2 ������� 259

���������������� u = p/me

√1 + (p/mec)2�DZ��������

�����������������

ωpeτ → τ, p/mec→ p,

����(9.30)�DZ∂2p

∂τ 2+

p√1 + p2

= 0. (9.31)

�������������������� �� p � 1���(9.31)���������

∂2p

∂τ 2+ p = 0.

���(9.31)���������

1

2

(∂p

∂τ

)2

+√

1 + p2 = C(a), (9.32)

�� C(a)������������� a��������DZC =√1 + p2m(a)�

�� pm(a)�������������DZ������� a������(9.32)������������

∫dp√

(1 + p2m)1/2 − (1 + p2)1/2

=√2τ.

������DZ

T =√2

∫ pm

−pm

dp√(1 + p2m)

1/2 − (1 + p2)1/2, (9.33)

����DZ

ω =2π

T=

π√2∫ pm0

dp/√(1 + p2m)

1/2 − (1 + p2)1/2. (9.34)

���

I[pm(a)] =

√2

π

∫ pm

0

dp√(1 + p2m)

1/2 − (1 + p2)1/2, (9.35)

����������� pm(a)����������� ω = 1/I(pm)�������

�����������������������������������

Page 268: final - USTC

260 ����������

������(9.35)������ �������������������� �������������� 1� pm � 1������

I[pm(a)] ≈2

π

∫ pm(a)

0

dp

(p2m − p2)1/2[1− (p2m + p2)/4]1/2

≈ 2

π

∫ pm

0

1 + (p2m + p2)/8

(p2m − p2)1/2dp

= 1 +3

16p2m(a).

������DZ

ω = 1− 3

16p2m(a). (9.36)

��������������� ���������������������

�������� ��

��� ��� pm � 1����

I(pm) ≈√2

π

∫ pm

0

dp√pm − p

=2√2

πp1/2m

������DZ

ω =π

2√2p

1/2m

. (9.37)

���������������DZ���

���������� ����������� ����������

����������������������� ������������

n =n0(1 + Δcos ka)

1 + Δcos ka[1− cosωτ − (3/8)Δ2τ sin2 ka sinωτ ], (9.38)

��

ω = 1− 3

16Δ2 sin2 ka,

kx = ka+ 2Δ sin2 ωτ sin ka.

���(9.38)�������������������������������

������������������������������������

����������������

Page 269: final - USTC

9.3 ������� 261

9.3 �������

9.3.1 �����

�������������������������������(�� ����)�����������������������������������������������������

�������������������������������� �

�����DZ���������������� x−�������������DZ

0 = e∂φ

∂x− 1

ne

∂Pe

∂x.

������������������������������ ∂Pe/∂x =

Te∂ne/∂x� �������

ne = n0 exp

(eφ

Te

). (9.39)

��� ������� φ���������������DZ

∂ni

∂t+

∂x(niui) = 0, (9.40a)

∂ui∂t

+ ui∂ui∂x

= − e

mi

∂φ

∂x. (9.40b)

����DZ�������������������������������

���∂2φ

∂x2= −4πe(ni − ne). (9.41)

���������

x

λDe→ x, ωpit→ t,

ni

n0→ n,

Te→ φ,

uics

→ u,

�����(9.40)�����(9.41)�DZ

∂2φ

∂x2= eφ − n, (9.42a)

∂n

∂t+∂(nu)

∂x= 0, (9.42b)

∂u

∂t+ u

∂u

∂x= −∂φ

∂x. (9.42c)

Page 270: final - USTC

262 ����������

������ (φ, n, u)�������� η = x−Mt���M ������

���������� ∂/∂z = d/dη� ∂/∂t = −Md/dη���(9.42)�DZ

φ′′ = exp(φ)− n, (9.43a)

−Mn′ + (nu)′ = 0, (9.43b)

−Mu′ + uu′ = −φ′. (9.43c)

���(9.43b)������n(u−M) = −M. (9.44)

���������������� |η| → ∞� n = 1� u = 0����(9.43c)������

1

2(u−M)2 = −φ+

1

2M2. (9.45)

����������� φ(|η| → ∞) = 0�����(9.44)�(9.45)��� ��� u�

n =M

(M2 − 2φ)1/2. (9.46)

���(9.46)�(9.43a)��������� φ�����

d2φ

dη2= exp(φ)− M

(M2 − 2φ)1/2. (9.47)

���������������� φ′(|η| → ∞) = 0����

1

2φ′2 + V (φ) = 0, (9.48)

�� V (φ)DZ

V (Φ) = 1− eφ +M2[1−

√1− 2φ/M2

], (9.49)

��(9.48)�����DZ 1����DZ 0�������� V (x)�������

�����������DZ1

2x2 + V (x) = 0.

���� |t| → ∞������� x → 0��� V (x)��������������

�����DZ������� V (x)������������������

�� x � M2/2���DZ x(|t| → ∞) = 0������������ (0,M2/2)��

�������� (0,M2/2)������ V (x)��������������

��

V (x = 0) =dV (x)

dx

∣∣∣∣x=0

= 0,d2V (x)

dx2

∣∣∣∣x=0

= 1/M2 − 1

Page 271: final - USTC

9.3 ������� 263

−0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2−0.4

−0.35

−0.3

−0.25

−0.2

−0.15

−0.1

−0.05

0

0.05

x

V(x

)

� 9.3: M = 1.58���� V (x)�

���M > 1�� x = 0��� V (x) � ����M < 1�� x = 0��

� V (x)� ����M < 1���� V (x)� (0,M2/2)��������

���� 0������M ���� 1�M > 1����� (0,M2/2)����

��������9.3�M = 1.58�����DZ�������������

DZ 0���������� V (M2/2) � 0������������M � ���

M � 1.5852�

���� ���������������������������

(1, 1.5852)����������� � 1.2564�

������������������� 1� δM = M − 1������

δM � 1������ V (φ)��

V (φ) ≈ −φ2δM +1

3φ3,

��(9.48)�DZ1

2φ′2 =

1

3φ2(3δM − φ).

���������������������� �

φ = 3δMsech2(√δM/2η). (9.50)

��������DZ 3δM�������DZ (δM)−1/2��� ����������

���������������������9.4����������

9.3.2 ��� K-dV��

��������������������������������

��������K-dV����� ε ≡ δM���������������

Page 272: final - USTC

264 ����������

−20 −10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

η

Φ(η

)

� 9.4: δM = 0.1������������

����� (ε� 1)������(9.50)����� DZ√2

2

[ε1/2(x− t)− ε3/2t

].

������ �����(9.42)��������

ξ = ε1/2(x− t), τ = ε3/2t, (9.51)

��������DZ�

∂x= ε1/2

∂ξ,∂

∂t= ε3/2

∂τ− ε1/2

∂ξ. (9.52)

��� n�φ� u��������� εDZ����

n = 1 + εn1 + ε2n2 + · · · , (9.53a)

φ = εφ1 + ε2φ2 + · · · , (9.53b)

v = εu1 + ε2u2 + · · · . (9.53c)

��(9.52)���(9.53)���(9.42a)�DZ

ε∂2

∂ξ2(εφ1 + ε2φ2 + · · ·

)= 1+(εφ1+ε

2φ2+· · · )+ 1

2!(εφ1+· · · )2+· · ·−(1+εn1+ε

2n2+· · · ).

�����

ε(n1 − φ1) + ε2(∂2φ1

∂ξ2+ n2 − φ2 −

1

2φ21

)+ · · · = 0.

ε� ε2����DZ�����

n1 = φ1,

Page 273: final - USTC

9.3 ������� 265

∂2φ1

∂ξ2+ n2 − φ2 −

1

2φ21 = 0.

�����(9.42b)��DZ

ε5/2∂n1

∂τ− ε3/2

∂n1

∂ξ− ε5/2

∂n2

∂ξ+ ε3/2

∂u1∂ξ

+ ε5/2∂(n1u1)

∂ξ+ ε5/2

∂u2∂ξ

+ · · · = 0.

�����

ε3/2(∂u1∂ξ

− ∂n1

∂ξ

)+ ε5/2

[∂n1

∂τ− ∂n2

∂ξ+∂(n1u1)

∂ξ+∂u2∂ξ

]+ · · · = 0.

ε3/2� ε5/2����DZ������

∂u1∂ξ

− ∂n1

∂ξ= 0,

∂n1

∂τ− ∂n2

∂ξ+∂(n1u1)

∂ξ+∂u2∂ξ

= 0.

��(9.42c)��DZ

ε5/2∂u1∂τ

− ε3/2∂u1∂ξ

− ε5/2∂u2∂ξ

+ ε5/2u1∂u1∂ξ

+ · · · = −ε3/2∂φ1

∂ξ− ε5/2

∂φ2

∂ξ+ · · · ,

�����

ε3/2(∂φ1

∂ξ− ∂u1

∂ξ

)+ ε5/2

(∂u1∂τ

+ u1∂u1∂ξ

− ∂u2∂ξ

+∂φ2

∂ξ

)+ · · · = 0.

ε3/2� ε5/2����DZ������

∂φ1

∂ξ− ∂u1

∂ξ= 0,

∂u1∂τ

+ u1∂u1∂ξ

− ∂u2∂ξ

+∂φ2

∂ξ= 0.

��������������

φ1 = n1,∂n1

∂ξ=∂u1∂ξ

,∂u1∂ξ

=∂φ1

∂ξ, (9.54)

∂2φ1

∂ξ2− φ2 −

1

2φ21 + n2 = 0, (9.55a)

∂n1

∂τ− ∂n2

∂ξ+∂(n1u1)

∂ξ+∂u2∂ξ

= 0, (9.55b)

∂u1∂τ

− ∂u2∂ξ

+ u1∂u1∂ξ

+∂φ2

∂ξ= 0. (9.55c)

Page 274: final - USTC

266 ����������

����(9.54)������

φ1 = n1 = u1. (9.56)

��� �������������������������������

�(9.56)����(9.55)��

∂2n1

∂ξ2− φ2 −

1

2n21 + n2 = 0, (9.57a)

∂n1

∂τ− ∂n2

∂ξ+ 2n1

∂n1

∂ξ+∂u2∂ξ

= 0, (9.57b)

∂n1

∂τ− ∂u2

∂ξ+ n1

∂n1

∂ξ+∂φ2

∂ξ= 0. (9.57c)

���(9.57a)� �����

∂3n1

∂ξ3=∂(φ2 − n2)

∂ξ+ n1

∂n1

∂ξ. (9.58)

���(9.57b)���(9.57c)����

2∂n1

∂τ+∂(φ2 − n2)

∂ξ+ 3n1

∂n1

∂ξ= 0. (9.59)

���(9.58)�(9.59)������� n1���

∂n1

∂τ+ n1

∂n1

∂ξ+

1

2

∂3n1

∂ξ3= 0. (9.60)

������ K-dV���� D. J. Korteweg� G. de Vries� 1895���������������(9.56)���������������������DZ������������ ���(9.60)����.

K-dV��(9.60)������DZ��������

η = ξ −Mτ,

��K-dV����DZ

−Mn′ + nn′ +1

2n′′′ = 0.

�����������

−Mn +1

2n2 +

1

2n′′ = A.

Page 275: final - USTC

9.4 ������ 267

�������� η = ±∞�� n1 = n′1 = n′′

1 = 0������A = 0� ����

������

1

4

(dn

)2

+1

6n3 − 1

2Mn2 = 0.

����������������������

∫dn

n√M − n/3

=√2η.

�������DZ−2arc tanh(√

1− n/3M)/√M������

n = 3Msech2

(√M

).

�� �����������������������

9.4 ������

�������������� ������ 1015 W����� ���� ���������� 1021 W/cm2� �������� ����

��������� �������������������� ������

������� ��DZ���������������������DZ���

���

� ������������

∇× E = −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0 (9.61a)

∇×B =1

c

∂E

∂t− 4π

cenu, ∇ · E = 4πe(n0 − n). (9.61b)

�������DZ∂p

∂t+ (u · ∇)p = −eE− e

cu×B. (9.62)

���������(9.61)�(9.62)��������DZ������������������ x− V t������������ x−���� V DZ������DZ

�����������

ωpe

c(x− V t) = η, V/c = β, (9.63)

Page 276: final - USTC

268 ����������

�� ωpe = 4πn0e2/meDZ������������������

∂x=ωpe

c

d

dη,∂

∂t= −ωpeβ

d

dη.

����������������DZ

ωpe

cex × E′ =

ωpe

cβB′,

ωpe

cex ·B′ = 0. (9.64a)

ωpe

cex ×B′ = −ωpe

cβE′ − 4π

cenu,

ωpe

cex ·E′ = 4πe(n0 − n). (9.64b)

���� ��� ����������DZ

−ωpeβp′ +

ωpe

c(ex · u)p′ = −eE− e

cu×B. (9.65)

��������������� E� � B DZ�����������

�������(9.62)������������ ������(9.64a)������������

B =1

βex × E, (9.66)

���(9.64b)������� ex��

ωpe

cβ(ex · E′) = −4π

cen(ex · u). (9.67)

���(9.64b)����(9.67)�����������������

n =n0β

β − (ex · u)/c. (9.68)

���(9.64b)������� ex��

ωpe

cex × (ex ×B′) = −ωpe

cβ(ex × E′)− 4π

cen(ex × u)

���(9.64a)����� �����������

B′ = −4πen(ex × u)

ωpe(β2 − 1). (9.69)

���(9.65)��� ex��

−ωpe(β − ex · u/c)(ex × p′) = −e(ex × E)− e

cex × (u×B)

= −eβB− e

c[(ex ·B)u− (ex · u)B]

= −e(β − ex · u/c)B,

Page 277: final - USTC

9.4 ������ 269

B =ωpe

eex × p′. (9.70)

�����(9.70)� ���������(9.69)��

(ex × p)′′ =e

ωpe

B′ = − 4πne2

ω2pe(β

2 − 1)(ex × u). (9.71)

���(9.68) ��� n����

(ex × p)′′ = −mc β

β2 − 1

ex × u/c

β − ex · u/c. (9.72)

���(9.65)��� ex��� ����

−ωpe[(β − ex · u/c)(ex · p′)]′ = −e(ex · E′)− e

cex · (u×B)′. (9.73)

����(9.70)���(9.73)����DZ

−ecex · (u×B)′ = −ωpe

c[u · p′ − (u · ex)(ex · p′)]′ ,

������(9.73)��������

[β(ex · p′)− (u · p′)/c]′ =e

ωpe(ex · E′). (9.74)

��(9.67)���(9.74)������(9.68) ��� n�����

[β(ex · p′)− (u · p′)/c]′ = −mc ex · u/cβ − ex · u/c

. (9.75)

��(9.72)�(9.75)�������� �������������p/mec→ p����������������DZ�

d2

dη2

(βpx −

√1 + p2

)+

px

β√1 + p2 − px

= 0, (9.76a)

d2pydη2

β2 − 1

py

β√1 + p2 − px

= 0, (9.76b)

d2pzdη2

β2 − 1

pz

β√1 + p2 − px

= 0. (9.76c)

����������������Ex = 0�����������(9.67)��������� �����DZDZ������������ ���DZDZ�����

��(9.76a)����d2

dη2

√1 + p2 = 0.

Page 278: final - USTC

270 ����������

�������DZ√1 + p2 = C1η + C2��� C1 � C2 ������������

������

p2 = p20 = const., (9.77)

�����(9.76b)�(9.76c)����

d2pydη2

+1

(β2 − 1)√

1 + p20py = 0, (9.78a)

d2pzdη2

+1

(β2 − 1)√1 + p20

pz = 0. (9.78b)

����(9.77)���(9.78)��� DZ

px = p0 cos(ωη + α), py = ±p0 sin(ωη + α), (9.79)

���� α�������� ω�DZ

ω =1

(β2 − 1)1/2(1 + p20)1/4. (9.80)

�������������������(9.63)����������

ω =β

(β2 − 1)1/2(1 + p20/m2c2)1/4

ωpe. (9.81)

�� p0��������

��������������

ω

k=

c

ε1/2, (9.82)

������ �����DZω

k= V = βc,

����(9.81)� β DZ�� ω� ωpe�� p0���

β2 =1

1− (ω2pe/ω

2)(1 + p20/m2c2)1/2

,

����������������DZ�

ε = 1−ω2pe

ω2(1 + p20/m2c2)1/2

. (9.83)

Page 279: final - USTC

9.4 ������ 271

���������������DZ�������������(9.64a)���� ���(9.70)����

E = βωpe

ep′,

����� �(9.79)� ���

Ex = −ωep0 sin[ω(x/V − t)], (9.84a)

Ey = ±ωep0 cos[ω(x/V − t)], (9.84b)

��������� p0 ���������DZ p20 = e2E20/m

2��� E0 DZ�����

����������������� �DZ

ε = 1−ω2pe

ω2[1 + (eE0/mωc)2]1/2. (9.85)

���(9.84)������� ���DZ���������� �����������������������������������������

�����������������������

������ ������������������� ε > 0� ε = 0��

���������������������� ne = nc������������

����� ���������������������(9.85)��DZ

εt = 1− ne

nc

√1 + Iλ2/1.38× 1018

,

�� I DZ ���������DZW/cm2� λDZ ������DZ μm����DZ 1μm�� ����� � 1.38 × 1020W/cm2��� ��� 10�����������������DZ�����(relativistic transparency)��DZ����� ε��

����������������� �������������������

������������������� ����������������DZ

�������

�������� ������� �����������������

��DZ�����������������DZ�������� ux = 0����

����(9.67)� Ex = 0����������� ������ �������

����������������������� x− y�����������

�DZ��� x− y����� ��������������� p� 1�� ��

Page 280: final - USTC

272 ����������

� py �� px�����������������DZ

d2pxdη2

+pxβ2

=1

β

[pyd2pydη2

+

(dpydη

)2], (9.86a)

d2pydη2

+1

β2 − 1py = 0. (9.86b)

��

px = − p20β

(3β2 + 1)cos[2η/(β2 − 1)1/2

], (9.87a)

py = p0 sin[η/(β2 − 1)1/2

], (9.87b)

���(9.86)������

9.5 ��

��φ�ϕ�����DZ

φ = ϕ+ z sinϕ, (9.88)

��ϕ�0���2π��φDZ�0���2π�������sinϕ�φ�������

DZ2π�������sinϕ�DZφ��� ��

sinϕ =

∞∑n=1

fn(z) sin nφ. (9.89)

�������fn��������

�DZ���������������� ��

eiz sinϕ =

∞∑n=−∞

Jn(z)einϕ, (9.90)

Jn−1(x) + Jn+1(x) =2n

xJn(x), (9.91)

��������� �

Jn(x+ y) =∞∑

k=−∞Jk(x)Jn−k(y). (9.92)

Page 281: final - USTC

9.5 �� 273

�� �(9.92)�������

Jn

(m∑i=1

xi

)=

∞∑k1=−∞

· · ·∞∑

km−1=−∞Jn−k1−...−km−1(x1)Jk1(x2) . . . Jkm−1(xm) (9.93)

eiϕ =

∞∑n=−∞

aneinφ, (9.94)

����DZ

an =1

∫ 2π

0

eiϕe−inφdφ =1

∫ 2π

0

eiϕe−inφ dφ

dϕdϕ, (9.95)

��φ�ϕ�����(9.88)����

dϕ= 1 + z cosϕ = 1 +

z

2eiϕ +

z

2e−iϕ,

����(9.95)��

an =1

∫ 2π

0

eiϕ(1 +

z

2eiϕ +

z

2e−iϕ

)e−inφdϕ

=1

∫ 2π

0

[z2+ eiϕ +

z

2ei2ϕ]e−inφdϕ.

��

eiφ = ei(ϕ+z sinϕ) = eiϕeiz sinϕ = eiϕ∞∑

n=−∞Jk(z)e

ikϕ =∞∑

k=−∞Jk−1(z)e

ikϕ,

n > 0����

e−inφ =

[ ∞∑k=−∞

Jk−1(z)e−ikϕ

]n

=∞∑

m=−∞e−imϕ

∞∑k1,...kn−1=−∞

Jm−n−(k1−1)−···−(kn−1−1)(z)Jk1−1(z) . . . Jkn−1(z)

=∞∑

m=−∞e−imϕJm−n(nz).

Page 282: final - USTC

274 ����������

n < 0����

e−inφ = ei|n|φ =

[ ∞∑k=−∞

Jk−1(z)eikϕ

]|n|

=∞∑

m=−∞eimϕ

∞∑k1,...kn−1=−∞

Jm−|n|−(k1−1)−···−(kn−1−1)(z)Jk1−1(z) . . . Jk|n|−1(z)

=∞∑

m=−∞eimϕJm−|n|(|n|z)

���n > 0���DZ

an =[z2J−n(nz) + J1−n(nz) +

z

2J2−n(nz)

]

=(1− n)

nJ1−n(nz) + J1−n(nz)

= (−)n−1 1

nJn−1(nz)

n < 0���DZ

an =[z2J−|n|(|n|z) + J−1−|n|(|n|z) +

z

2J−2−|n|(|n|z)

]

=(−1− |n|)

|n| J−1−|n| + J−1−|n|

= (−)|n|1

|n|J|n|+1(|n|z)

���(9.94)�������

sinϕ =

∞∑n=1

an sinnφ+

−∞∑n=−1

an sin nφ

=∞∑n=1

(−)n−1 1

nJn−1(nz) sin nφ−

∞∑n=1

(−)n1

nJn+1(nz) sin nφ

=∞∑n=1

(−)n−1 1

n[Jn−1(nz) + Jn+1(nz)] sin nφ

=

∞∑n=1

(−)n−1 2

nzJn(nz) sin nφ.

����(9.89)����DZ

fn(z) = (−)n−1(2/nz)Jn(nz). (9.96)

Page 283: final - USTC

9.5 �� 275

��

1. ���� �B = B0ez����������� ���� �������

�����������������x���t� �����������

���x−��������∂2

∂τ 2ux(a, τ) + ω2

HHux(a, τ) = 0,

��ω2HH = ω2

pe + ω2ce�������(a, τ)�����(9.9)�(9.10)����

����

2. �������������� �����������������������DZ

ω = ωpe

(1− 3

16u2m

),

��um�����������

3. ��������x − y���� �����������������

�(9.76)���DZ

d2pxdη2

+pxβ2

=1

β

[pyd2pydη2

+

(dpydη

)2],

d2pydη2

+1

β2 − 1py = 0.

�������������

px(0) = − p20β

(3β2 + 1), px(0) = 0,

py(0) = 0, py(0) = p0(β2 − 1)−1/2,

���

4. K-dV�������������������V (x, τ)DZ����������

∂2

∂x2ψ(x, τ) + [E − V (x, τ)]ψ(x, τ) = 0,

��EDZ�����V (x/τ)�����Æ���������Æ�E�����

�τ� ����V (x, t)�������K-dV���

∂V

∂τ− 6V

∂V

∂x+∂3V

∂x3= 0,

Page 284: final - USTC

276 ����������

�ψ(x, τ)���x�����|x| → ∞������������Æ�E�������τ�[ �����������V (x, τ) DZψ(x, τ)�����K-dV��������������

dE

dτψ2 =

∂Q

∂x,

��Q�ψ���]

Page 285: final - USTC

��� �������������

�����������������������������������

��������������������������������������

��������������������������������������

�������������������������������������

�������������������������������������

��������������������������������

10.1 ������������������

�����������������������������������

�������������������������������������

������������DZ������������������������

���������������Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB)������DZ���������������

10.1.1 �������������

�����������������������������������

����������DZ��������������������������

������������DZ

E = E(r) exp (−iωt) , B = B(r) exp(−iωt). (10.1)

�������������������������������������

��DZ���������������

∂ue

∂t= − e

mE(r)e−iωt. (10.2)

Page 286: final - USTC

278 �������������

����������������������������

j = −ene(r)ue =iω2

pe(r)

4πωE, (10.3)

������� ωpe(r)����������� r��������������

����������

∇×E = iω

cB, (10.4a)

∇×B = −iωcε(r)E, (10.4b)

��

ε(r) = 1−ω2pe(r)

ω2= 1− ne(r)

nc

, (10.5)

�����������DZ��������

nc = ω2me/4πe2 (10.6)

���DZ ω����� �� ������(10.4)�������������������

∇2E−∇(∇ · E) + ω2

c2εE = 0, (10.7a)

∇2B+ω2

c2εB+

1

ε∇ε× (∇×B) = 0. (10.7b)

������������������������������ ��

�(10.7)�������(1)�������������������(2)���������������������

����������������������������������

������������������� �������������

��(10.3)���������

∇ · j = i

4πω∇ ·[ω2pe(r)E

].

��������∂

∂t(−eδne) +∇ · j = 0,

�� δne����������

eδne = −∇ ·[ω2pe(r)

4πω2E

]= −∇ ·

[ne

4πncE

].

Page 287: final - USTC

10.1 ������������������ 279

�� ����∇ · E = −4πeδne����

∇ · (εE) = 0.

������DZ

∇ · E = −E · ∇εε

=E · ∇ne

nc(1− ne/nc). (10.8)

�����������������������������������

��������������������������� δne������

������������� ω�� ω = ωpe(r)�������������

����������������������������������

���������� ��������DZ���������������

10.1.2 ���������

����������������DZ��������������

������������� z����� z−��������������x−������

ne(r) = ne(z), ε = ε(ω, z),

E = exE(z) exp (−iωt) , B = eyB(z) exp(−iωt).

�(10.7a)������DZd2

dz2Ex +

ω2

c2εEx = 0. (10.9a)

�(10.7b)������DZ

d2

dz2By +

ω2

c2εBy −

1

ε

dz

dBy

dz= 0, (10.10a)

������ ������(10.9a)�������

�����WKB���

����������������������������WKB����������������������� x−��� Ex = E�

�(10.9a)���d2E

dz2+ω2

c2ε(ω, z)E = 0. (10.11)

Page 288: final - USTC

280 �������������

������(10.11)������

E(z) = E0(z) exp

[iω

c

∫ z

ψ(z′)dz′]. (10.12)

�(10.12)����(10.11)����

c2

ω2

d2E0

dz2+ i

2c

ωψdE0

dz− ψ2E0 + i

c

ω

dzE0 + εE0 = 0 (10.13)

�� c/ω = λ0/2π��� λ0 ������������ d/dz ∼ 1/L��� L��

���������������(10.13)�������

c2

ω2

d2E0

dz2∼(λ0L

)2

E0,c

ωψdE0

dz∼(λ0L

)ψE0,

c

ω

dzE0 ∼

(λ0L

)ψE0.

�����������Æ� L������������ λ0 ���� λ0/L

������� ε = λ0/L������(10.13)��� ε0�DZ �������

��� ψ����

−ψ2E0 + εE0 = 0. (10.14)

�����

ψ(z) =√ε(ω, z). (10.15)

������ ε1�DZ ����������������

2ψdE0

dz+dψ

dzE0 = 0. (10.16)

�����DZ

E0(z) =const√ψ. (10.17)

� �������(10.15)�(10.17)���(10.12)���������(10.36)�WKB���

E(z) =EFS

ε1/4exp

(iω

c

∫ z√ε(ω, z′)dz′

), (10.18)

�� EFS �������������������������DZ

B = −i cω∇× E ≈ eyEFSε

1/4 exp

(iω

c

∫ z√ε(ω, z′)dz′

). (10.19)

�������������������DZ�����������������

����������������

Page 289: final - USTC

10.1 ������������������ 281

����(10.18)� ε−1/4 �������� ���������������

�������������������(�7.3����)�����������DZ

S =1

kc2

ω|E|2. (10.20)

�������� ε− c2k2/ω2 = 0�� kc2/ω = ε1/2c���������������

��DZ

S =c

8πε1/2|E|2. (10.21)

�DZ���������������������������������

���c

8πε1/2|E|2 = c

8πE2

FS,

������ |E| = EFS/ε1/4�

���WKB��������(10.11)������������ (λ0/L)2

� (c2/ω2)(d2E0/dz2)����WKB������� DZ

∣∣∣∣d2E0

dz2

∣∣∣∣�∣∣∣∣ωc

dzE0

∣∣∣∣ =∣∣∣∣2ωc ψ

dE0

dz

∣∣∣∣ (10.22)

� E0(z)������(10.18)���(10.22)����

∣∣∣∣∣5

16

1

ε2

(dε

dz

)2

− 1

4

1

ε

d2ε

dz2

∣∣∣∣∣�∣∣∣∣ ω2c

1

ε1/2dε

dz

∣∣∣∣ . (10.23)

�������� ��

∣∣∣∣∣5

16

1

ε2

(∂ε

∂z

)2∣∣∣∣∣�

∣∣∣∣ ω2c1

ε1/2∂ε

∂z

∣∣∣∣ , (10.24a)

∣∣∣∣141

ε

∂2ε

∂z2

∣∣∣∣�∣∣∣∣ ω2c

1

ε1/2∂ε

∂z

∣∣∣∣ , (10.24b)

����(10.23)������������������� λ(z) = 2π/(ωε1/2/c)��

�(10.24)��� ∣∣∣∣λ∂ε∂z∣∣∣∣� 2π|ε|. (10.25)

��(10.25)�WKB������ �

Page 290: final - USTC

282 �������������

��������

�������������� z0���� ε(ω, z0) = 0����DZDZ��

����WKB����� (10.25)���������WKB������������������ z0������(10.11)�����������DZ������� ε(ω, z)�����������

����������� ε(ω, z)��������

ε(ω, z) = ε(ω, z0) + (z − z0)∂ε/∂z + · · · ,

� ∂ε(z0)/∂z �= 0���������������������DZ��� ��

�����������DZ������

ne =

{0, z < 0,

nczL, z > 0,

����������DZ

ε = 1− z

L. (10.26)

�����(10.11)DZd2E

dz2+ω2

c2

(1− z

L

)E = 0. (10.27)

�� ��� ξ�

ξ = (ω2/c2L)1/3(z − L),

���(10.27)�DZd2E

dξ2− ξE = 0. (10.28)

����DZ������������������������������

�������

������������(10.28)������ DZ������� Ai(x)��

����� Bi(x)������

E(ξ) = αAi(ξ) + βBi(ξ).

���� α� β �� ���� ξ → ∞�� Bi(ξ) → ∞�����������DZ�������� ����������������� β = 0�����DZ

E(ξ) = αAi(ξ).

Page 291: final - USTC

10.1 ������������������ 283

���������������� ������������(10.26)������������ � z = 0���� ξ = −(ωL/c)2/3�� (ωL/c) 1����

�������������������Ai(ξ)������

Ai(−ξ) ∼ |ξ|−1/4

√π

cos

(2|ξ|3/2

3− π

4

), when ξ 1,

���

Ez=0 =α√

π(ωL/c)1/6

{exp

[i

(2

3

ωL

c− π

4

)]+ exp

[−i(2

3

ωL

c− π

4

)]}

2√π(ωL/c)1/6

ei(2ωL/3c−π/4)

[1 + exp

{−i(4

3

ωL

c− π

2

)}].

������ z = 0�����DZ����������DZ���������

�������������������������� �����

����DZ

Ez=0 = EFS {1 + exp (−iΦ)} ,

�� EFS ����������� ��������

α = 2√π(ωL/c)1/6EFSe

−i(2ωL/3c−π/4),

Φ =4

3

ωL

c− π

2.

�������� ������DZ

E(ξ) = 2√π(ωL/c)1/6EFSe

−i(2ωL/3c−π/4)Ai(ξ). (10.29)

����������������� ξ ≈ −1� (z − L) = −(c2L/ω2)1/3 ����

����������DZ

∣∣∣∣Emax

EFS

∣∣∣∣2

≈ 3.6(ωL/c)1/3.

��������������DZB = −i(c/ω)(∂E/∂z)ey��

B(ξ) = −i2√π(c/ωL)1/6EFSAi

′(ξ). (10.30)

������ � ξ = 0������DZ

|B (ξ = 0) | = 2√π(c/ωL)1/6EFSAi

′(0) = 0.9175(c/ωL)1/6. (10.31)

Page 292: final - USTC

284 �������������

10.1.3 ���������

�����������������������������

���������������������������DZ����

�������������������DZ������ s����

������������� p�����������

�����DZ s��

������������������ z�������DZ� y − z �

���������� x−����������DZ

∂2Ex

∂y2+∂2Ex

∂z2+ω2

c2ε(ω, z)Ex = 0 (10.32)

�DZ���������� z−������ y−�������������ky = (ω/c) sin θ��� θ������Æ��

Ex = E(z) exp

(iω sin θ

cy

),

���������

d2E(z)

dz2+ω2

c2[ε(z)− sin2 θ

]E(z) = 0. (10.33)

�������(10.11)���������� ε(z)− sin2 θ = 0�������

����������� ���� ε = 1 − ne(z)/nc��������

��DZ

ne(z)/nc = cos2 θ,

������DZ����� ne = ncz/L����������������

� z = L cos2 θ�

�����DZ p��

� p��������������E · ∇ne �= 0����������

�����DZ ����������������������������

�����������������������������

��������DZ������� ���������� p������

���������������������

Page 293: final - USTC

10.1 ������������������ 285

���� y − z�����DZ�� p���������DZ

E = Eyey + Ezez.

������DZ

∂2Ey

∂y2+∂2Ey

∂z2+ω2

c2ε(ω, z)Ey +

∂ ln ε(z)

∂z

∂Ey

∂y= 0, (10.34)

∂2Ez

∂y2+∂2Ez

∂z2+ω2

c2ε(ω, z)Ez +

∂z

[Ez∂ ln ε(z)

∂z

]= 0. (10.35)

����� x−���������DZ∂2Bx

∂y2+∂2Bx

∂z2− ∂ ln ε

∂z

∂Bx

∂z+ω2

c2ε(ω, z)Bx = 0. (10.36)

���������(10.36)����

Bx = B(z) exp [i(ωt− sin θωy/c)] ,

���������

d2B

dz2− ∂ ln ε(z)

∂z

dB

dz+ω2

c2[ε(ω, z)− sin2 θ

]B = 0. (10.37)

���������∇×B = iωεE�������������

Ez =sin θB(z)

ε(z).

���� ε(z) = 0������ ε→ 0������

�������� ��� �������������������

�����������������������B(z = L)����� ��

���B(z = L cos2 θ)���������� ��� ��������DZ s

������

B(z = L) ≈ e−βB(z = L cos2 θ) = 0.9EFS(c/ωL)1/6e−β,

������ �DZ

β =

∫ L

L cos2 θ

ω

c

√z

L− cos2 θdz = (2ωL/3c) sin3 θ.

����������DZ

B(z = L) = 0.9EFS(c/ωL)1/6 exp

(−2ωL sin3 θ

3c

).

Page 294: final - USTC

286 �������������

�����������DZ

Ez(z = L) =Ed

ε(z),

�����

τ = (ωL/c)1/3 sin θ,

���

Ed =EFS√2πωL/c

φ(τ).

�� φ(τ) = 2.3τ exp(−2τ 3/3)�

������������������������������� DZ

ε = 1−ω2pe

ω(ω + iν),

�� ν�������� ν � ω�������DZ

Iabs = limν→0

∫ ∞

0

νE2

z

8πdz =

1

8πlimν→0

∫ ∞

0

νsin2 θB2(z)

|ε|2 dz

=1

8πlimν→0

∫ ∞

0

ν

(1− z/L)2 + (z/L)2(ν/ω)2sin2 θB2(z)dz

=ωL

8πlimν→

∫(ν/ω)2

(1− z/L)2 + ν2sin2 θB2(z)d(z/L)

=ωL

∫πδ(z/L− 1) sin2 θB2(z)d(z/L)

=ωL

8E2

d .

�����DZ I = cE2FS/8����������DZ

fabs =IabsI

=φ2(τ)

2.

10.1����������� (ωL/c)1/3 sin θ��������������Æ

DZ ���������DZ ��DZ������������������

����������������������������������

����DZ���� �������������������������

10.2 �����

���������������������������������

����������������������������������

Page 295: final - USTC

10.2 ����� 287

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

(ωL/c)1/3 sinθf ab

s

10.1: ���������(ωL/c)1/3 sin θ������

�� z−�������������������������������������� ����������������������������

��������� ��� ������������������

���DZ��������������DZ�����������������

������� vg = c(1− ne/nc)1/2�������������������

��������

vph = c(1− ne/nc)1/2.

��������������� �� ne/nc � 1��������

������������������������������������

�����DZ

γ =1√

1− v2ph/c2=

ωl

ωpe,

�� ωl ��������� ωl/ωpe 1�������������������

�������������������������������������

��DZ��������������������������������

�����

����������������������������DZ

∂δn

∂t+ ne∇ · u = 0, (10.38a)

me∂u

∂t= −eE+ Fp, (10.38b)

∇ · E = −4πeδn, (10.38c)

Page 296: final - USTC

288 �������������

�� δn����� ne �������� Fp ���������(�3.10�)�

Fp = − e2

4meω2∇E2

l , (10.39)

�� El���������������������������DZ

I =c

8πE2

l ,

�������� DZ

Fp = −∇ I

2cnc

.

����� φp�����������

φp = − I

2cenc, (10.40)

��������DZ

Fp = e∇φp. (10.41)

����� φ������������ E = −∇φ� ��(10.38b)������

me∂

∂t∇ · u = −e∇ · E+∇ · Fp

= e∇2φ+ e∇2φp.

�������(10.38a)� ���(10.38c)� ���� u���� δn��

�� (∂2

∂t2+ ω2

pe

)∇2φ = −ω2

pe∇2φp.

������������� φ�����

(∂2

∂t2+ ω2

pe

)φ = −ω2

peφp. (10.42)

��(10.42)�����������������������

������ z−��������������������� φp �����

���� z − vgt���� z ��� t�DZ������������ φp���

��

φp(r, z, t) = φ0(r)f0(z − vgt) (10.43)

Page 297: final - USTC

10.2 ����� 289

�� f0����������� φ0���������������(10.43)���(10.42)��������������

φ = φ0(r)f(z − vgt), (10.44)

�� f ������ (∂2

∂t2+ ω2

pe

)f = −ω2

pef0. (10.45)

�� ���

ξ = z − vgt, τ = t,

����(10.45)�DZ (d2

dξ2+ k2p

)f(ξ) = −k2pf0(ξ). (10.46)

�� kp = ωpe/vg��������������� ξ → +∞�� f0(ξ) = 0�����

���������������DZ����������� f(ξ) → 0����

� �DZ

f(ξ) = kp

∫ ∞

ξ

f0(ξ′) sin[kp(ξ − ξ′)]dξ′. (10.47)

��������������������

f0(ξ) = Imax exp

(− ξ2

2L2

).

������(10.47)�������

f(ξ) = i

√2π

4(kpL)Imaxe

−ikpξ−(kpL)2/2

×[ei2kpξ erf

(ξ/L+ ikpL√

2

)+ erf

(−ξ/L+ ikpL√

2

)− ei2kpξ + 1

].

�� erf(x)�� ���� ξ → −∞��

f(ξ) =√2πImaxkpLe

−(kpL)2/2 sin kpξ. (10.48)

�(10.48)������������������������������������� kpL��������� kpL = 1������������DZ

fmax/Imax =√2πe−1/2 = 1.52.

10.2������ kpL = 1��������������������

Page 298: final - USTC

290 �������������

-3 -2 -1 0 1

-1

0

1

kpξ/2π

f(ξ)

/I max

激激激激

10.2: kpL = 1����������������������� ����

����

10.3 ������

��������������������kpL 1������

�����������������������������������

��������������������DZ��������������

����������������������������������

��������������������������������

��������������������(������������)�

10.3.1 ����������

����������������� ���������������

������(������������)����������������������������

���������������������������������

������������������������������

������������

B = ∇×A, (10.49a)

E = −∇φ− 1

c

∂A

∂t. (10.49b)

Page 299: final - USTC

10.3 ������ 291

�� ������

∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj,

����������������

(1

c2∂2

∂t2−∇2

)A = −1

c

∂t∇φ+

cj. (10.50)

���������DZ���������������� �������

�������

j = jt + jl.

����������

∇ · jt = 0. (10.51)

���������DZ

0 =∂ρ

∂t+∇ · j = ∂ρ

∂t+∇ · jl.

����������������

∇2φ = −4πρ.

� ��� ���������������

∇ ·(∂

∂t∇φ− 4πjl

)= 0.

�����∂

∂t∇φ = 4πjl. (10.52)

����(10.50)�DZ (1

c2∂2

∂t2−∇2

)A =

cjt. (10.53)

DZ�������������A · ∇ne = 0������ ��������

�������������

∂ut

∂t≈ − e

mE =

e

mc

∂A

∂t,

����� ut = (e/mc)A�������DZ

jt = −eneut = −e2ne

mcA, (10.54)

Page 300: final - USTC

292 �������������

����A�����DZ

(1

c2∂2

∂t2−∇2

)A = −4πe2

mc2neA. (10.55)

�������DZ�����

A = A0 +As,

����������������������

ne = ne0 + δne,

�������DZ

(∂2

∂t2− c2∇2 + ω2

pe

)As = −4πe2

mδneA0. (10.56)

���������������� �������������

��

���������������������������������

�������������������������������������

��� ���������������

10.3.2 ������������

�������������������DZ��������������

����������DZ���������DZ

∂ne

∂t+∇ · (neue) = 0,

∂ue

∂t+ ue · ∇ue = − e

me

(E+

1

cue ×B

)− ∇Pe

neme

.

�������DZDZ���DZ��������ue = uet + uel���

B =∇×A =mec

e∇× uet =

mec

e∇× ue,

����������������∇× vel = 0��������

−ue · ∇ue − ue × (∇× ue) = −1

2∇ (ue · ue) ,

Page 301: final - USTC

10.3 ������ 293

������������DZ

∂uel

∂t=

e

me∇φ− 1

2∇(uel +

eA

mec

)2

− ∇Pe

neme.

�������������������

∂ne1

∂t+ ne0∇ · uel = 0,

∂uel

∂t=

e

me∇φ− e2

m2ec

2∇ (A0 ·As)

2 − 3v2Te

ne0∇δne.

������������DZ γ = 3� v2Te = Te/meDZ�����������

���������� ��� ��� φ����������������

�� (∂2

∂t2− 3v2Te∇2 + ω2

pe

)δne =

n0e2

m2ec

2∇2(A0 ·As).

��������������������������������

��

10.3.3 ���������

����������������������������������

�e

m∇φ− e2

m2c2∇ (A0 ·As)

2 − v2Te

n0∇δne = 0,

�������������������������������������

��DZ γ = 1������������������������������

�������DZ∂δni

∂t+ ni0∇ · uil = 0,

∂uil

∂t= −Ze

mi

∇φ,

���������������� ����DZ������DZ��������

������������������������� ���������

∂2δni

∂t2− ni0Ze

mi∇2φ = 0

����������

δne = Zδni

Page 302: final - USTC

294 �������������

���������������DZ(∂2

∂t2− c2s∇2

)δne =

Zn0e2

memic2∇2(A0 ·As).

������������������DZ�����������

������DZ�������

10.3.4 ������

������������������������������

������� ��������������������������

���� �������������������� �������

DZ�������� ��

������������DZ(∂2

∂t2− c2∇2 + ω2

pe

)As = −4πe2

meδneA0,(

∂2

∂t2− 3v2Te∇2 + ω2

pe

)δne =

n0e2

m2ec

2∇2(A0 ·As).

��������DZ

A0 = A0 cos(k0 · r− ω0t),

�������������������������

(ω2 − k2c2 − ω2pe)As(k, ω) =

4πe2

2me

A0[δne(k− k0, ω − ω0) + δne(k+ k0, ω + ω0)],

(ω2 − 3k2v2Te − ω2pe)δne(k,ω) =

k2e2n0

2m2ec

2A0 · [As(k− k0, ω − ω0) +As(k+ k0, ω + ω0)].

��������������DZ (k, ω)���������DZ (k− k0, ω − ω0)

� (k + k0, ω + ω0)������������������������DZ

�����������������������DZ�����������

������������������������ δne(k− 2k0, ω − 2ω0)�

δne(k+ 2k0, ω + 2ω0)��������

ω2 − ω2epw =

ω2pek

2v2osc4

[1

D(ω − ω0,k− k0)+

1

D(ω + ω0,k+ k0)

].

��

D(ω,k) = ω2 − k2c2 − ω2pe,

Page 303: final - USTC

10.3 ������ 295

vosc =eE0

meω0c=

eA0

mec2.

����������������� ���������������

��� 1/D(ω + ω0,k+ k0)����

(ω2 − ω2epw)[(ω − ω0)

2 − (k− k0)2 − ω2

pe] =ω2pek

2v2osc4

.

�����������

ω = ωepw + iγ, γ � ωepw

������

(ωepw − ω0)2 − (k− k0)

2 − ω2pe = 0.

���������

γ =kvosc4

[ω2pe

ωepw(ω0 − ωepw)

]1/2.

����������������������������������

����������������������������������

DZ νe��������DZ νs������

(γ + νe)(γ + νs) = γ20 .

���������������DZ

γ0 ≥√νeνs.

10.3.5 �������

�������������������������� ����

����������������DZ(∂2

∂t2− c2∇2 + ω2

pe

)As = −4πe2

meδneA0,(

∂2

∂t2− c2s∇2

)δne =

Zn0e2

memic2∇2(A0 ·As).

�������� ����������������

ω2 − k2c2s =k2v2oscω

2pi

4

[1

D(ω − ω0,k− k0)+

1

D(ω + ω0,k+ k0)

].

Page 304: final - USTC

296 �������������

����������DZ

γ =1

2√2

k0voscωpi√ω0k0cs

.

�������������������DZ

γ >√νiνs.

���������������������������������

����������������������(two plasmon decay instability)����������(Langmuir decay instability)�����������(ion-acousticdecay instability)����������������������DZ���������������������������������DZ��������

�����������������������������DZ������

����������������������� DZ

EM → EM + IAW (stimulated Brillouin scattering);

EM → EM + EPW (stimulated Raman scattering);

EM → EPW + EPW (two plasmon decay instability);

EM → EPW + IAW (ion-acoustic decay instability);

EPW → EPW + IAW (Langmuir decay instability).

��������������������������������������

������������������������������� ���

���������������������������������

��� � �����������������������������

��������� ���������������������������

�������������

��

�����������������(10.28)��

E(ξ) =

∫C

F (s)esξds. (10.57)

�����������(10.28)����∫C

(s2 − ξ)F (s)esξds = 0. (10.58)

Page 305: final - USTC

10.3 ������ 297

�����

− F (s)esξ∣∣C+

∫C

[s2F (s) +

dF (s)

ds

]esξds = 0. (10.59)

�����������������F (s)������

dF

ds+ s2F = 0.

�����DZ

F (s) = exp(−s3/3). (10.60)

�������������������

F (s)esξ∣∣C= exp(−s3/3 + sξ)

∣∣C= 0. (10.61)

������������ s−��������������

−π6< arg(s) <

π

6,π

2< arg(s) <

6, − 5π

6< arg(s) < −π

2, (10.62)

� |s| → ∞��exp(−s3/3 + sξ)�������DZ �������������

�� �������������������������������

�������������������������DZ

fn(ξ) =1

2πi

∫Cn

e−s3/3+sξds, n = 1, 2, 3. (10.63)

n = 1����DZAi(ξ)�DZ��������� ξ��������������

������

Ai(ξ) =2

π

∫ ∞

−∞cos

(x3

3+ ξx

)dx. (10.64)

�������(10.63)���������������DZ���������

f2(ξ) = e−i2π/3Ai(ξe−i2π/3),

f2(ξ) = ei2π/3Ai(ξei2π/3).

���������

Bi(ξ) = i[f2(ξ)− f3(ξ)],

DZ���������Ai(ξ)��������������10.3���������

Page 306: final - USTC

298 �������������

−15 −10 −5 0 5

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

x

Ai(x

)

−15 −10 −5 0 5−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

x

Bi(x

)

10.3: �������Ai(x)�������Bi(x)����

����DZ��������� �

Ai(ξ) =

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

√ξ

3

[I−1/3

(2

3ξ3/2)− I1/3

(2

3ξ3/2)]

, for ξ > 0,√|ξ|3

[J1/3

(2

3|ξ|3/2

)+ J−1/3

(2

3|ξ|3/2

)], for ξ < 0,

Bi(ξ) =

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

√ξ

3

[I−1/3

(2

3ξ3/2

)+ I1/3

(2

3ξ3/2)]

, for ξ > 0,√|ξ|3

[J−1/3

(2

3|ξ|3/2

)− J−1/3

(2

3|ξ|3/2

)], for ξ < 0.

� ξ → +∞������������

Ai(ξ) ∼ ξ−1/4

2√πexp

[−2ξ3/2

3

],

Bi(ξ) ∼ ξ−1/4

2√πexp

[2ξ3/2

3

].

� ξ → −∞������������

Ai(ξ) ∼ |ξ|−1/4

√π

cos

(2|ξ|3/2

3− π

4

),

Bi(ξ) ∼ |ξ|−1/4

√π

sin

(2|ξ|3/2

3− π

4

).

�������� ξ = −1.018793��������DZ

Aimax = 0.5356.

Page 307: final - USTC

���� ����������

�����������������������������������

������DZ�����������������DZ�������������

��������������������DZ����������������

��������������������������������������

�������������������������������������

������������������������� g��DZ��������

��������������

11.1 �����������������

�����������N ����������������������

����

wN = AN exp(−EN/T ), (11.1)

�� EN � N �������� T ������� AN ��������������

���������DZ����

EN =

N∑i=1

p2i

2m+ ΦN , (11.2)

�� pi ������� ΦN �������������������������

���N ��������������DZ

wN =1

N !

1

(2π�)3N1

QN(V, T )exp

[−(

N∑i=1

p2i2m

+ ΦN

)/T

], (11.3)

�� �DZ�����QN(V, T )������� �DZ

QN(V, T ) =1

N !

∫exp

[− 1

T

(N∑i=1

p2i /2m+ ΦN

)]d3Npd3Nr

(2π�)3N, (11.4)

Page 308: final - USTC

300 ����������

����� d3Npd3Nr � d3p1d3r1 · · · d3pNd3rN ������(11.4)��������

�����DZ�������������

∫ ∞

−∞exp

(− p2

2mT

)dp =

√2πmT,

����������DZ

QN(V, T ) =(2πmT )3N/2

N !(2π�)3N

∫exp [−ΦN/T ] d

3Nr =1

N !λ3NTZN(V, T ), (11.5)

��

λT =2π�√2πmT

(11.6)

��������������ZN(V, T )�DZ������ �DZ

ZN(V, T ) =

∫e−ΦN/Td3Nr. (11.7)

�������������QN(V, T )�������������DZ

F (V, T ) = −T lnQN (V, T ). (11.8)

���������������������DZ

dF (V, T ) = −SdT − PdV, (11.9)

�� S ������ P �����������(11.8)(11.9)��������������

S = −(∂F

∂T

)V

, P = −(∂F

∂V

)T

. (11.10)

�������������������������������������

���������������

����������������������������������

��������������DZ

ΦN = 0,

����(11.7)����������DZZ idN = V N

������������DZ

QidN(V, T ) =

V N

N !λ3NT.

Page 309: final - USTC

11.2 ������������ 301

�������� lnN ! ≈ N lnN −N ������������������

F id = −NT[ln

V

λ3TN+ 1

]. (11.11)

����������(11.10)��������������

S = N

(ln

V

λ3TN+

5

2

), P =

NT

V= nT. (11.12)

�� n = N/V ��������

���������������DZ

QN (V, T ) = QidN(V, T )

ZN(V, T )

V N. (11.13)

������������������DZ

F = F id + F ex, (11.14)

�� F ex��������������������������� �DZ

F ex = −T lnZN(V, T )

V N. (11.15)

11.2 ������������

�������������N ���������������������

�����������������������������

� N �����������(11.3)�������������������N ��������������

DN(r1, · · · , rN) =∫wN

N∏i=1

d3pi=exp(−ΦN/T )

ZN(V, T ). (11.16)

���������N ��������DN �����������������

������DZ����������������������

������������� ������������������

�� s���������

Gs(r1, · · · rs), s = 1, 2, · · · (11.17)

Page 310: final - USTC

302 ����������

������� ��������

1

V sGs(r1, · · · rs)d3r1 · · ·d3rs

��� s�������������� r1 → r1 + d3r1, · · · , rN → rs + d3rs����

��� �������Gs���������DN �����DZ

Gs(r1, · · · rs) = V s

∫V

· · ·∫V

DN (r1, · · · , rN)N∏

i=s+1

d3ri. (11.18)

������������Gs��������������������

A =∑

1≤i1<···<is≤N

a(ri1 , · · · ris), (11.19)

�� a � N ������� s ��� �������(11.19)����N !/s!(N − s)! ��� s ������������ DN ��������

�(11.19)�����DZ

〈A〉 =∫V

· · ·∫V

ADN(r1, · · · , rN)N∏i=1

d3ri

=N !

V ss!(N − s)!

∫V

· · ·∫V

a(r1, · · · rs)Gs(r1, · · · rs)s∏

i=1

d3ri. (11.20)

�DZ������������������������ �������

�������������������������DZ

Φ =∑

1�i<j�N

φ(rij), (11.21)

�� φ(rij)� i���� j ������������ rij ������ ���

������(11.20)�������������DZ

U = 〈Φ〉 = N(N − 1)

2V 2

∫V

∫V

φ(r12)G2(r1, r2)d3r1d

3r2

= Vn2

2

∫φ(r)G2(r)d

3r.

������������������������������������

�������������������� ���G2(r1, r2) = G(r12)��

�������� ��

N, V → ∞, limN,V→∞

N

V= n. (11.22)

Page 311: final - USTC

11.2 ������������ 303

���� ����������������������������

�����������G2������������������

11.2.1 ��������

����������������(11.14)(11.15)�������������������DZ��������������������������

���������� ��� 0� 1���������������

�����������DZ

λΦ = λ∑

1�i<j�N

φ(rij). (11.23)

�� λ = 0����������� λ = 1������������������

����(11.8)���(11.23)��������DZ

F (V, T ;λ) = −T ln

[1

N !λ3NT

∫V

· · ·∫V

exp (−λΦ/T )N∏i=1

d3ri

], (11.24)

�����(11.24)����� ���

∂F (λ)

∂λ=

∫V· · ·∫VΦexp (−λΦ/T )

∏i

d3ri

∫V· · ·∫Vexp (−λΦ/T )

∏i

d3ri=V

2n2

∫φ(r)G2(r;λ)d

3r, (11.25)

�� G2(λ; r)�����DZ(11.23)������������

G2(r;λ) = V 2

∫V· · ·∫Vexp (−λΦ/T )

N∏i=3

d3ri

∫V· · ·∫Vexp (−λΦ/T )

N∏i=1

d3ri

.

��(11.25)���� λ������� F (V, T ;λ = 0)������������

���� F id���(11.23)����DZ

F = F id +V

2n2

∫ 1

0

∫V

φ(r)G2(r;λ)d3r. (11.26)

����(11.15)����

F ex =V

2n2

∫ 1

0

∫V

φ(r)G2(r;λ)d3r. (11.27)

Page 312: final - USTC

304 ����������

11.2.2 ���������

����������������G2(r;λ)����� P = −(∂F/∂V )T �

���(11.26)������������������������� ����DZ����������������������������������DZ�

�����

���������QN ����(11.8)��������(11.10)������������������DZ

P = T∂ lnQN

∂V= T

1

QN

∂QN

∂V. (11.28)

DZ������ ∂QN/∂V����������

QN (V, T ;λ) = λ3N∫

· · ·∫

V

exp

[−

∑1�i<j�N

φ(λrij)/T

]N∏i=1

d3ri, (11.29)

�� λ�������������� λ = 1��� QN(V, T ;λ = 1) = QN(V, T )�

�λ �= 1����(11.29)�����������r→ λr����

QN(V, T ;λ) =

∫· · ·∫

V ′

exp

[−

∑1�i<j�N

φ(rij)/T

]N∏i=1

d3ri = QN (V′, T ).

���V ′ ���V �������V ′

V= λ3.

��

∂QN (V, T )

∂V= lim

V ′→V

QN (V′, T )−QN(V, T )

V ′ − V= lim

λ→1

QN (V, T ;λ)−QN(V, T ; 1)

V λ3 − V

= limε→0

QN (V, T ; 1 + ε)−QN (V, T ; 1)

V (1 + 3ε)− V=

1

3V

[∂QN (V, T ;λ)

∂λ

]λ=1

. (11.30)

�QN(V, T ;λ) ���λ ����

∂QN (V, T ;λ)

∂λ=

3N

λQN − λ3N

T

∫· · ·∫

V

∑1�i<j�N

rijφ′(λrij)e−

∑1�i<j�N φ(λrij)/T

N∏i=1

d3ri.

���� λ = 1����

∂QN (V, T ;λ)

∂λ

∣∣∣∣λ=1

= 3NQN − N(N − 1)

2T

∫· · ·∫

V

rijφ′(rij)e−

∑1�i<j�N φ(rij)/T

N∏i=1

d3ri

= 3V QN

[n− n2

6T

∫rdφ(r)

drG2(r)d

3r

],

Page 313: final - USTC

11.2 ������������ 305

���������DZ

P =T

3V QN

[∂QN (V, T ;λ)

∂λ

]λ=1

= nT − n2

6

∫rdφ(r)

drG2(r)d

3r. (11.31)

11.2.3 ������

������DZ������������W ����� V �����

���������W ������������������

fW (r) =

{1, if r ∈ W,

0, if r /∈ W.(11.32)

�����W �����DZ

NW =

N∑i=1

fW (ri). (11.33)

��������DZ

〈NW 〉 = N

V

∫V

fW (r)G1(r)d3r = n

∫W

G1(r)d3r.

�� G1 ��������������������������� ��

����� V �����������������G1 = 1��������

〈NW 〉 = nW�

�W �������DZ

⟨(NW − 〈NW 〉)2

⟩=

∫V

· · ·∫V

{N∑i=1

[fW (ri)− α]

}2

DN

N∏i=1

d3ri, (11.34)

�� α =∫WG1d

3r/V����(11.34)������������

⟨(NW − 〈NW 〉)2

⟩= 2

∫V

· · ·∫V

DN

∑1�i<j�N

[fW (ri)− α] [fW (rj)− α]

N∏i=1

d3ri

+

∫V

· · ·∫V

DN

N∑i=1

[fW (ri)− α]2N∏i=1

d3ri

=N(N − 1)

V 2

∫V

∫V

G2(r1, r2) [fW (r1)− α] [fW (r2)− α] d3r1d3r2

+N

V

∫V

G1(r) [fW (r)− α] d3r,

Page 314: final - USTC

306 ����������

� ����������������

N(N − 1)

V 2

∫V

∫V

G2(r1, r2) [fW (r1)− α] [fW (r2)− α] d3r1d3r2

=N(N − 1)

V 2

∫W

∫W

[G2(r1, r2)−G1(r1)G1(r2)]d3r1d

3r2,

N

V

∫V

G1(r) [fW (r)− α] d3r = 〈NW 〉(1− 〈NW 〉

N

),

����W ������DZ

⟨(NW − 〈NW 〉)2

⟩=N(N − 1)

V 2

∫W

∫W

[G2(r1, r2)−G1(r1)G1(r2)]d3r1d

3r2+〈NW 〉(1− 〈NW 〉

N

).

��W DZ�������������������������������

��

〈δn2〉 = n + n2

∫[G2(r)− 1]d3r. (11.35)

11.3 Yvon-Born-Green���

������������������������������

�����������������������������������

�����������������������������������

���������������������������

�����(11.16)����� ri (1 � i � s)�����

∂DN

∂ri+

1

T

∂ΦN

∂riDN = 0. (11.36)

���������� V s����� rs+1, · · · , rN �����������

� �(11.18)����

∂Gs

∂ri+

1

TV s

∫V

· · ·∫V

∂ΦN

∂riDN

N∏i=s+1

d3ri = 0, (1 � i � s). (11.37)

��� ∂ΦN/∂ri�������

∂ΦN

∂ri=

∂ri

∑1�k<j�s

φ(|rk − rj|) +∂

∂ri

∑s+1�j�N

φ(|ri − rj |)

≡ ∂Φs

∂ri+

∂ri

∑s+1�j�N

φ(|ri − rj|),

Page 315: final - USTC

11.3 Yvon-Born-Green��� 307

�� Φs =∑

1�k<j�s φ(|rk − rj|)� s��������������(11.37)������DZ

V s

∫V

· · ·∫V

∂ΦN

∂riDN

N∏i=s+1

d3ri = V s

∫V

· · ·∫V

[∂Φs

∂ri+

∂ri

∑s+1�j�N

φ(|ri − rj|)]DN

N∏i=s+1

d3ri

=∂Φs

∂riGs +

N − s

V

∫V

∂φ(|ri − rs+1|)∂ri

Gs+1d3rs+1.

����(11.37)��DZ

∂Gs

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riGs +

1

T

N − s

V

∫V

∂φ(|ri − rs+1|)∂ri

Gs+1d3rs+1 = 0, (1 � i � s). (11.38)

��������� ��(11.36)���������� s���������

�����������(11.38)����� s���������� s + 1��

������������ s = 1, · · · , N������� N ��������

������������DN ��� �� ����������

�����������(11.38)������������(11.38)�����������������������������

�������������������(11.38)� DZ�����������������������������������(11.38)� ��DZ����� ����������������������� (11.38)��������������

���������������������N �������������

���������������������������(11.38)����� ������������������

∂Gs

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riGs +

n

T

∫V

∂φ(|ri − rs+1|)∂ri

Gs+1d3rs+1 = 0, (1 � i � s). (11.39)

�����DZ Yvon-Born-Green�� ���DZ YBG�� ����� (11.39)�������������������������

�������� �������������������������

���������

Gs(r1, · · · rs)−s∏

i=1

G1(ri) → 0, for all the |ri − rj | → ∞. (11.40)

������

limV→∞

1

V

∫V

G1(r)d3r = 1, (11.41)

Page 316: final - USTC

308 ����������

limV→∞

1

V

∫V

Gs+1(r1, · · · rs+1)d3rs+1 = Gs(r1, · · · rs). (11.42)

11.4 ����

�DZ YBG���������������������������—������������������������������ �������

�� r0���������������� �������������

��� �����������������Lennard-Jones�������

φ(r) = 4u(R−12 − R−6), R = r/r0.

�� u��������������������� ������������

��� ��������� ����������� ��� 1/r6������

����� �������������������� ���������

�������������������������������������

������������������ � r0������ � n1/3 ���DZ��

nr30 � 1�������� 1��� ���������������������

����(11.39)� ���nr30�������� nr30DZ�����������

����(11.39)��������������(11.31)�������������������������������

11.4.1 �������

�������������DZ��(������ nr30 )���������������

Gs = G(0)s + nG(1)

s + n2G(2)s + · · · (11.43)

����(11.43)��YGB�� (11.39)�� ���� n�������

∂G(0)s

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riG(0)

s = 0, (1 � i � s) (11.44)

∂G(1)s

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riG(1)

s +1

T

∫∂φ(|ri − rs+1|)

∂riG

(0)s+1d

3rs+1 = 0, (1 � i � s) (11.45)

���������DZ

G(0)s (r1, · · · rs)−

s∏i=1

G(0)1 (ri) → 0, for all the |ri − rj| → ∞, (11.46)

Page 317: final - USTC

11.4 ���� 309

G(1)s (r1, · · · rs)−

s∑i=1

G(1)1 (ri)

∏j �=i

G(0)1 (rj) → 0, for all the |ri − rj| → ∞, · · · (11.47)

��

limV→∞

1

V

∫V

G(0)1 (r)d3r = 1, lim

V→∞1

V

∫V

G(1)1 (r)d3r = 0. (11.48)

��������������

G(0)s = C(0)

s (r1, . . . , rs) exp (−Φs/T ) ,

�������(11.44)��

∂C(0)s

∂ri= 0, (1 � i � s).

������ C(0)s ��������(11.46)���� C

(0)s = [C

(0)1 ]s������

�(11.48)���� C(0)1 = 1�������������������

G(0)s = exp (−Φs/T ) , G

(0)1 = 1. (11.49)

������(11.49)������(11.45)����

∂G(1)s

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riG(1)

s +1

T

∫∂φ(|ri − rs+1|)

∂riexp (−Φs+1/T ) d

3rs+1 = 0. (11.50)

����������DZ�����

1

T

∂φ(|ri − rs+1|)∂ri

e−Φs+1/T = −e−Φs/T∂

∂riexp

{− 1

T

s∑j=1

φ(|rj − rs+1|)}

= −e−Φs/T∂

∂ri

s∏j=1

[1 + f(|rj − rs+1|)] ,

����������

Φs+1 = Φs +

s∑j=1

φ(|rj − rs+1|), (11.51)

������

f(r) = exp [−φ(r)/T ]− 1. (11.52)

����(11.50)��DZ

∂G(1)s

∂ri+

1

T

∂Φs

∂riG(1)

s = e−Φs/T∂

∂ri

∫ s∏j=1

[1 + f(|rj − rs+1|)] d3rs+1. (11.53)

Page 318: final - USTC

310 ����������

��(11.53)�������������

1 +

s∑j=1

f(|rj − rs+1|)

����������� f(r)� � r����������∫f(r)d3r����

���������������

∂ri

∫ [1 +

s∑i=j

f(|rj − rs+1|)]d3rs+1 = 0.

����(11.53)�������

∂G(1)s

∂ri+1

T

∂Φs

∂riG(1)

s = e−Φs/T∂

∂ri

∫ { s∏j=1

[1 + f(|rj − rs+1|)]− 1−s∑

j=1

f(|rj − rs+1|)}d3rs+1.

(11.54)�����������������

G(1)s = C(1)

s (r1, · · · , rs) exp (−Φs/T ) , (11.55)

������(11.54)���������C(1)s ���

∂C(1)s

∂ri=

∂ri

∫ { s∏j=1

[1 + f(|rj − rs+1|)]− 1−s∑

j=1

f(|rj − rs+1|)}d3rs+1.

����������

C(1)s =

∫ { s∏i=1

[1 + f(|ri − rs+1|)]− 1−s∑

i=1

f(|ri − rs+1|)}d3rs+1 + ks,

�� ks DZ�����������������������������

���DZ������������DZ

G(1)s = e−Φs/T

∫ { s∏i=1

[1 + f(|ri − rs+1|)]− 1−s∑

i=1

f(|rs − rs+1|)}d3rs+1. (11.56)

��(11.49)(11.56)��������������������

Gs = e−Φs/T

{1 + n

∫ [ s∏i=1

[1 + f(|ri − rs+1|)]− 1−s∑

i=1

f(|ri − rs+1|)]d3rs+1

}

(11.57)����������������G2����(11.57)��s = 2����

G2(r) = e−φ(r)/T

[1 + n

∫f(|r− r′|)f(r′)d3r′

]. (11.58)

Page 319: final - USTC

11.5 ������ 311

11.4.2 ����

������������������������������(11.58)����(11.31)����

P

nT= 1− n

6T

∫rdφ

dre−φ/T

[1 + n

∫f(|r− r′|)f(r′)d3r′

]d3r. (11.59)

���

− 1

T

dre−φ/T =

d

dre−φ(r)/T =

d

drf(r),

��(11.59)������DZ

− n

6T

∫rdφ

dre−φ(r)/T d3r = −n

2

∫f(r)d3r.

��(11.59)������DZ

− n2

6T

∫∫rdφ

dre−φ(r)/T f(|r− r′|)f(r′)d3rd3r′ = n2

6

∫∫rdf(r)

drf(|r− r′|)f(r′)d3rd3r′.

� r������∫∫rdf(r)

drf(|r− r′|)f(r′)d3rd3r′ = −2

∫∫f(r)f(|r− r′|)f(r′)d3rd3r′,

��������������������������

p

nT= 1− β1

2n− 2β2

3n2 − · · · , (11.60)

���� β1 β2DZ

β1 =

∫f(r)d3r, β2 =

1

2

∫∫f(|r− r′|)f(r)f(r′)d3rd3r′. (11.61)

�� β1 β2�DZ����� �����

11.5 ������

����������������������������������

�����DZ���

φ(r) ∝ 1

r.

����� ������������������������������

���∫f(r)d3r����������������������������

��������

Page 320: final - USTC

312 ����������

11.5.1 �������

���������� ������������DZ����������

� ����DZ������������������������DZ�

���������DZ��������

��������(11.39)����DZ���������������(11.39)��� s = 2 i = 1��� s = 2�� Φ2 = φ(r12) = e2/r12�����������

∂G2

∂r1+

1

T

∂φ(r12)

∂r1G2 +

n

T

∫V

∂r1φ(r13)G3d

3r3 = 0. (11.62)

DZ����������������������������

G2(r1, r2) = G1(1)G1(2) + C(1, 2)

G3(r1, r2, r3) = G1(1)G1(2)G1(3) + C(1, 2) + C(2, 3) + C(1, 3) +R(1, 2, 3),

�� C ��������� R� ����������������� ���

������������� ���������� C → 0� �������

����������� ���� ������R → 0�

�����������G1 = 1��������������������

∂C(1, 2)

∂r1+

1

T

∂φ(r12)

∂r1[1 + C(1, 2)] +

n

T

∫V

∂φ(r13)

∂r1[C(2, 3) +R(1, 2, 3)]d3r3 = 0.

DZ������������������ ���������������

��������� ���������������������

∂C(1, 2)

∂r1+

1

T

∂φ(r12)

∂r1[1 + C(1, 2)] +

n

T

∫V

∂φ(r13)

∂r1C(2, 3)d3r3 = 0. (11.63)

�����������

∂2C

∂2r1+

1

T

∂2φ(r12)

∂r21[1 + C(1, 2)] +

1

T

∂φ

∂r1· ∂C∂r1

+n

T

∫V

∂2φ(r13)

∂r21C(2, 3)d3r3 = 0.

����∂2φ(r12)

∂r21= −4πe2δ(r1 − r2),

∂2φ(r13)

∂r21= −4πe2δ(r1 − r3),

���

∂2C(1, 2)

∂2r1+

1

T

∂φ

∂r1· ∂C(1, 2)

∂r1− 4πne2

TC(1, 2) =

4πe2

T[1 + C(1, 2)]δ(r1 − r2).

Page 321: final - USTC

11.5 ������ 313

�� C(1, 2)�������� ��C(1, 2) = C(r12)������DZ

∂2C(r)

∂2r+

1

T

∂φ(r)

∂r· ∂C(r)

∂r− 4πne2

TC(r) =

4πe2

T[1 + C]δ(r).

������������

1

r2d

dr

(r2dC

dr

)− e2

T

1

r2dC

dr− C

λ2D=

4πe2

T[1 + C]δ(r). (11.64)

�� λD ��������

������ ������������� � e2/T��������

n−1/3������� λD����� �����������������

� r > λD���� r�������� r/λD → r����

d2C

dr2+

2

r

dC

dr− g

1

r2dC

dr− C = 0.

�� g = 1/4πnλ3D �����������������������������

������ g � 1���� ����� g������������

d2C

dr2+

2

r

dC

dr− C = 0.

�������� C(r → ∞) = 0�DZ

C(r) = const × e−r

r.

������������� �����������������������

����

� r ∼ n−1/3����� r�������� r/n−1/3 → r����

d2C

dr2+

2

r

dC

dr− g2/3

(4π)1/31

r2dC

dr− (4π)2/3g2/3C = 0.

����� g2/3�������

C(r) = const × 1

r.

� r ∼ e2/T ����� r�������� r/(e2/T ) → r����

d2C

dr2+

2

r

dC

dr− 1

r2dC

dr− g2C = 0.

Page 322: final - USTC

314 ����������

����� g2�������

C = const + const × e−1/r.

������������� �����������������������

���������DZ����������� ���������������

��������������

�������������������������������

����DZ

C(r) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩

−1 + exp(−e2/Tr) +O(g2), r � e2

T,

− e2

Tr+O(g2/3), r ∼ n−1/3,

− e2

Trexp(−r/λD) +O(g), r � λD.

(11.65)

����(11.65)��������������

C(r) = −1 + exp

[− e2

Tre−r/λD

]. (11.66)

���������O(g)����(11.66)����� �����(11.65)�������(11.66)��������DZ

G2(r) = exp

[− e2

Tre−r/λD

]. (11.67)

��(11.1)��������(11.67)���� g = 10−4��������������

����������� ���� ����������������0� 1�

��������DZ��������� C(r)��� �� �������

��������������������O(g)���������������

����������������������� ������������

���������� ��� ��������� g2������ g������

������������������������������ g����

������(11.65)�(11.66)������� r ∼ n−1/3 � �����(11.65)��������� O(g2/3)���������������������������

���� g����������������DZ�

11.5.2 �����

������������������������������DZ���

�������������������������������������

Page 323: final - USTC

11.5 ������ 315

10−4

10−2

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

r/λD

G2(r

)

� 11.1: ������g = 10−4���������������� ��� �

��(11.31)���������� � g�������������������

��

G2 � 1− e2

Trexp(−r/λD). (11.68)

������������������������

P = nT − n2

6

∫r∂φ

∂rG2(r)d

3r

= nT − T

24πλ3D.

�����P

nT= 1− 1

24πnλ3D= 1− g

6. (11.69)

�������������������������������������

�������� g � 1������������������������� �

�������������������������������������

������������������ g�����������������DZ�

���������������������������������

��������������DZ��������������������

�����������DZ

E =3

2NT

(1− g

3

), (11.70)

Page 324: final - USTC

316 ����������

�DZ

S = N

[(ln

V

λ3TN+

5

2

)+

5

6g

], (11.71)

�������DZ

F = −NT[(

lnV

λ3TN+ 1

)+

1

3g

]. (11.72)

11.6 ����������

� ���������������� ����������������

��� g � 1�������������������������������

������������������������������������

������������������������������������

�����

DZ������������������������� �����

��������DZZe��������DZ a��� �� ����� a��

������ ���� �DZ

4

3πa3 =

V

Ni

=1

ni

(11.73)

��ni ���������������������������������

3a3ne = Z,

������DZ

ne =3Z

4πa3.

�������������DZZe��������DZ a� ��������

����������DZ

φe(r) = − 3Ze

4πa3

∫r′<a

d3r′

|r− r′| = −3Ze

2a+Ze

2a

(ra

)2.

�������������DZ

−1

2

∫r<a

3Ze

4πa3φe(r)d

3r =3

5

(Ze)2

a.

�����������DZ

−∫r<a

Ze

rned

3r = −3

2

(Ze)2

a

Page 325: final - USTC

11.7 �� 317

������������DZ

U =3

5

(Ze)2

a− 3

2

(Ze)2

a= −0.9

(Ze)2

a. (11.74)

�DZ�������������������

����(11.74)��������������������������������������

11.7 ��

1. ���������� V ��������������� �

2Ekin +

N∑i=1

ri · Fi = 0,

�� ri� i���� � Fi� i��������� Ekin�������

Ekin =

N∑i=1

1

2mv2i ,

� (· · · )�������

(· · · ) = limτ→∞

∫ τ

0

(· · · )dt.

2. �����������������������������������1������ �������������[�������������������⟨

N∑i=1

ri · Fi

⟩= −

⟨N∑i=1

ri ·∂ΦN

∂ri

⟩− P

∮∂V

r · df ,

�� ΦN ��������������]

3. �������������������������DZ����������������DZ

φ(r) =

{+∞ for r < r0,

0 for r > r0.

�������� �����

Page 326: final - USTC

318 ����������

4. �����������������DZ

ε =3

2nT(1− g

3

).

5. �����������������DZ

F = −NT[ln

V

λ3TN+ 1 +

g

3

].

Page 327: final - USTC

���� ���������

������������������������������������

�������������������������������������

��������������������������������������

���������������������

12.1 �����

�����������������������������������

������������������������������������

���������

�����������N��������������� �N(t; r1,p1; . . . rN ,pN )

�������

∂�N∂t

+

N∑i=1

{∂�N∂ri

· ∂HN

∂pi− ∂�N∂pi

· ∂HN

∂ri

}= 0, (12.1)

��

HN =N∑i=1

p2i2m

+∑

1�i<j�N

φ(|ri − rj|), (12.2)

���������(12.2)��(12.1)��

∂�N∂t

+

N∑i=1

vi ·∂�N∂ri

−N∑i=1

∂ri

[ ∑1�k<j�N

φ(|rk − rj|)]· ∂�N∂pi

= 0. (12.3)

������������ s��������������Fs(t; r1,p1; · · · ; rs,ps)�

�� �N ���DZ

Fs(t; r1,p1; · · · ; rs,ps) = V s

∫Ω

· · ·∫Ω

�N(t; r1,p1; · · · ; rN ,pN)N∏

i=s+1

d3rid3pi, (12.4)

Page 328: final - USTC

320 ���������

�� Ω������������(12.3)�N − s��������������

∂Fs

∂t+

s∑i=1

vi ·∂Fs

∂ri−

s∑i=1

∂ri

( ∑1�k<j�s

φ(|rk − rj|))

· ∂Fs

∂pi

=N − s

V

s∑i=1

∫∂φ(|ri − rs+1|)

∂ri· ∂Fs+1

∂pi

d3rs+1d3ps+1,

�����������

∂Fs

∂t+

s∑i=1

vi ·∂Fs

∂ri−

s∑i=1

∂Φs

∂ri· ∂Fs

∂pi

= n

s∑i=1

∫∂φ(|ri − rs+1|)

∂ri· ∂Fs+1

∂pid3rs+1d

3ps+1. (12.5)

��

Φs =∑

1�i<j�s

φ(|ri − rj|),

� s�������������(12.5)�������������� Bogoliubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon���������������������������DZBBGKY����������������������� s = 1��

∂F1

∂t+ v1 ·

∂F1

∂r1= n

∫∂φ(|r1 − r2|)

∂r1· ∂F2

∂p1

d3r2d3p2. (12.6)

� s = 2��

∂F2

∂t+ v1 ·

∂F2

∂r1+ v2 ·

∂F2

∂r2− ∂φ(|r1 − r2|)

∂r1· ∂F2

∂p1

− ∂φ(|r1 − r2|)∂r2

· ∂F2

∂p2

= n

∫ [∂F3

∂p1· ∂φ(|r1 − r3|)

∂r1+∂F3

∂p2· ∂φ(|r2 − r3|)

∂r2

]d3r3d

3p3. (12.7)

12.2 ������

�����������������������������������

������������� r0��������� n−1/3 ���� nr30 � 1�

�������(12.7)�����������∫∂F3

∂p1· ∂φ(|r1 − r3|)

∂r1d3r3d

3p3 ∼ (nr30)∂φ(r)

∂r

∂F2

∂p1.

Page 329: final - USTC

12.2 ������ 321

���������������� �������������

∂F2

∂t+ v1 ·

∂F2

∂r1+ v2 ·

∂F2

∂r2− ∂φ(|r1 − r2|)

∂r1· ∂F2

∂p1

− ∂φ(|r1 − r2|)∂r2

· ∂F2

∂p2

= 0.

�����DZdF2(t; r1,p1; r2,p2)

dt= 0, (12.8)

��������� (r1,p1)� (r2,p2)������������������

H2 =p21

2m+

p22

2m+ φ(|r1 − r2|).

����(12.8)����DZ

F2[t; r1(t),p1(t); r2(t),p2(t)] = F2[t0; r10,p10; r20,p20].

�� {r1(t),p1(t); r2(t),p2(t)}�������DZ t������ {r10,p10; r20,p20}�����DZ t0 �������������DZ����������DZ����

�������������������DZ t0��������������

�������������������

F2(t0; r10,p10; r20,p20) = F1(t0; r10,p10)F1(t0; r20,p20). (12.9)

���������������������������(12.6)��� �������������

∂F1

∂t+ v1 ·

∂F1

∂r1= C(F ), (12.10)

�� C(f)DZ���������������

C(F ) = n

∫∂φ(|r1 − r2|)

∂r1· ∂

∂p1{F1(t0; r10,p10)F1(t0; r20,p20)}d3r2d3p2. (12.11)

������� ��������DZ���������� r0�����

� 10−10������������������������������

��������������(12.11)������������������������������������DZ

C(F ) = n

∫∂φ(|r1 − r2|)

∂r1· ∂

∂p1{F1(t0;p10)F1(t0;p20)}d3r2d3p2. (12.12)

����� ���� F1(t0;p10)F1(t0;p20)�������DZ��� ����

��������������

Page 330: final - USTC

322 ���������

��� ���(12.8)�

d

dtF1(t0;p10)F1(t0;p20)

=d

dtF1[t0;p10(r1,p1; r2,p2)]F1[t0;p20(r1,p1; r2,p2)]

=

(v1 ·

∂r1+ v2 ·

∂r2− ∂φ(r12)

∂r1· ∂

∂p1

− ∂φ(r12)

∂r2· ∂

∂p2

)F1(t0;p10)F1(t0;p20)

= 0.

�������(12.12)�� ∂/∂p2 ��������DZ������� p10 �

p20������������� (r1 − r2)������

C(F ) =

∫vrel ·

∂r{F1(t0;p10)F1(t0;p20)}d3rd3p2,

�� vrel = v1 − v2����������������������DZ z−��������

vrel ·∂

∂r= vrel

∂z,

� z�����

C(F ) =

∫{F1(t0;p10)F1(t0;p20)}z=∞

z=−∞vrelρdρdφd3p2.

� z = −∞�����������

p10 = p1, p20 = p2,

� z = ∞��������� ���� (p10,p20)���� ���������

��DZ (p1,p2)���� (p10,p20)��DZ���� ��

p10 = p′1(ρ), p20 = p′

2(ρ),

��� ����������DZ

ρdρdφ = dσ,

r0v

� t− t0 �L

v,

���� L������������������������ t0� t���

�����������

C(F ) =

∫[F1(t,p

′1)F1(t,p

′2)− F1(t,p1)F1(t,p2)] vreldσd

3p2. (12.13)

Page 331: final - USTC

12.3 ������ 323

��� ������

∂F1(t, r1,p1)

∂t+ v1 ·

∂F1(t, r1,p1)

∂r1=

∫[F1(t,p

′1)F1(t,p

′2)− F1(t,p1)F1(t,p2)] vreldσd

3p2

(12.14)

12.3 ������

�����������������������������������

���������� ��������������

F αβ2 (t; ra,pa; rβ,pβ) = fα(t; r,p)fβ(t; r

′,p′) + P αβ2 (t; r,p; r′,p′), (12.15)

�� fα(t, r,p)� α����������������������������

������������ g = 1/4πnλ3D �����������������

�� DZ��������������� g�����������������

�������������������

∂fα∂t

+ v · ∂fα∂r

− ∂

∂r

∑β

[∫φαβ(|r− r′|)fβ(t; r′,p′)d3r′d3p′

]· ∂fα∂p

= 0.

�����

Φ(t, r) =1

∑β

∫φαβ(|r− r′|)fβ(t; r′,p′)d3r′d3p′,

=∑β

∫eβ

|r− r′|fβ(t; r′,p′)d3r′d3p′ (12.16)

������������� �������������������

������∂fα∂t

+ v · ∂fα∂r

− eα∂Φ

∂r· ∂fα∂p

= 0, (12.17)

���(12.16)�����∇2� ���������

∇2

(1

r

)= −4πδ(r),

���

∇2Φ = −4π∑β

eβnβ

∫fβ(t; r,p)d

3p. (12.18)

Page 332: final - USTC

324 ���������

�����(12.17)���������—�����

��������������������������������

�����������������������������������

������ ���������������DZ

∂fα∂t

+ v · ∂fα∂r

− eα

(E+

1

cv×B

)· ∂fα∂p

= 0, (12.19)

�� E� B�����������������������

∇×B =1

c

∂E

∂t+

cj, ∇ · E = 4πρ, (12.20a)

∇× E= −1

c

∂B

∂t, ∇ ·B = 0. (12.20b)

����������������������

j =∑α

eαnα

∫vfα(t, r,p)d

3p, ρ =∑α

eαnα

∫fα(t, r,p)d

3p. (12.21)

�������������������������� Te � mec2���

����������������������������DZ�

∂fα∂t

+ v · ∂fα∂r

− eαmα

(E+

1

cv×B

)· ∂fα∂v

= 0, (12.22)

������ f�� t��� r����� v���������������

������DZ

j =∑α

eαnα

∫vfα(t, r,v)d

3v, ρ =∑α

eαnα

∫fα(t, r,v)d

3v. (12.23)

�� BBGKY������������������������DZ��������������������DZ�����������

�������� �� ���������������������

�������������

12.4 ��������

�������������(12.19)�(12.20)�(12.21)���������������������������������������������

Page 333: final - USTC

12.4 �������� 325

���������������� εl(ω, k)�������������

������������������DZ���������������

����������������������DZ

fa(t, r,v) = fαM(v) + δfα(t, r,v), (12.24)

��

fαM =1

(2π)3/2v3αexp

(− v2

2v2α

), (12.25)

DZ�� ������������������ vα = (Tα/mα)1/2 �����

���� δfα���������������� ������

|δfα/fαM | � 1. (12.26)

�����������������������������

∂δfα∂t

+ v · ∂δfα∂r

+eαmα

E · ∂fαM∂v

= 0, (12.27)

∇ · E = 4π∑α

eαnα

∫δfαd

3v. (12.28)

�������(12.27)�(12.28)�����

δfα,E ∝ eik·r−iωt.

������(12.27)��

δfα = − eαmα

E · ∂fαM/∂vi(k · v − ω)

, (12.29)

������� �������������

δρ =∑α

eαnα

∫δfαd

3p = −[∑

α

e2αnα

∫∂fαM/∂v

i(k · v − ω)d3v

]· E.

���������������∇ · P = −δρ���� ik · P = −δρ�� ������������

D(ω,k) = E(ω,k) + 4πP = εl(ω, k)E(ω,k),

���������DZ

εl(ω, k) = 1−∑α

ω2pα

k2

∫k · ∂fαM/∂vk · v − ω

d3v, (12.30)

Page 334: final - USTC

326 ���������

�� ω2pα = 4πnαe

2α/mα � α ������������������(12.30)�

��������������������� k ��DZ z−������(12.25)��(12.30)����������� k����������

εl(ω, k) = 1−∑α

ω2pα

k

∫ ∞

−∞

∂FαM/∂vzkvz − ω

dvz, (12.31)

��

FaM (vz) =

∫fαM(v)dvxdvy =

1

(2π)1/2vαexp

(− v2z2v2Tα

), (12.32)

�������������

�������(12.31)������� vz ����DZ��������

�������������

ω = kvz = k · v. (12.33)

������� ���� �� �� DZ������� �����

ω → ω + i0. (12.34)

���������� ������ ����� ������������

����

E ∝ e−iωt+δt → 0 as t→ −∞, .

�� δ → +0����������������� ����� ����

��������������������� eδt ��� t → +∞������� �����������DZ������� �� ��������� ���

���������������DZ

εl = 1−∑α

ω2pα

k

∫ ∞

−∞

∂FαM/∂vzkvz − ω − i0

dvz. (12.35)

�(12.32)������

εl(ω, k) = 1 +∑α

1

(kλDα)2

[1 +

ω√2kvα

1√π

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ω/

√2kvα − i0

dz

](12.36)

�� λDα = (Tα/4πnαe2α)� α�����������(12.36)����������

�������������������������������

Z(ξ) =1√π

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ − i0

dz. (12.37)

Page 335: final - USTC

12.5 �������� 327

���������������������������DZ

εl(ω, k) = 1 +∑α

1

(kλDα)2[1 + ξαZ(ξα)] , (12.38)

�� ξα = ω/√2kvα�

���������� εt(ω, k)DZ���������� ��������

������������������

εt(ω, k) = 1 +∑α

ω2pα

ω2ξαZ(ξα). (12.39)

12.5 ��������

�������� Z(ξ)�����������������������

�������������������������������������

��(12.37)�����������Z(ξ)��������������

������������������������������DZ

Z(ξ) =1√π

∫C

exp(−z2)z − ξ

dz, (12.40)

�� C �� z−������������������ ξ ��������

12.1������ (12.34)���DZ����C �� ξ �����������

����� C ����������������DZ

Z(ξ) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

1√π

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ

dz, if Im ξ > 0,

1√πP

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ

dz + i√πe−ξ2, if Im ξ = 0,

1√π

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ

dz + i2√πe−ξ2 , if Im ξ < 0,

(12.41)

�����������������(12.41)� �����������

�������������DZ����DZ���������������

�������������� ξ−���DZ����(������)�

Z(ξ) = i√π exp(−ξ2)− 2e−ξ2

∫ ξ

0

ep2

dp. (12.42)

�� ξDZ����������������� 12.2������������������������

Page 336: final - USTC

328 ���������

Re z

Im z

ξ

Im ξ > 0

C

(a)

Re z

Im z

ξ

Im ξ = 0

C

(b)

Re z

Im z

ξ

Im ξ < 0

C

(c)

12.1: ��������������������������Z(ξ)������

0 1 2 3 4-0.4

0

0.4

0.8

1.2

ξ

Re[Z(ξ)]Im[Z(ξ)]

12.2: �DZ�����������������

Page 337: final - USTC

12.6 ���� 329

12.5.1 �����������

���������������������������(12.36)��� ���������������DZ���mi → ∞�����������DZ

εl(ω, k) = 1 +1

(kλDe)2

[1 +

ω√2kve

Z

(ω√2kve

)].

������ω√2kve

→ xe, (kλDe)−1 → α,

������������DZ

εl = 1 + α2 [1 + xeZ(xe)] . (12.43)

���� ω ������� xe = iy� ����(12.48)�(12.43)������DZ

εl = 1 + α2{1−√πy exp(y2)[1− erf(y)]}.

������������������������������ y = 0���

εl(0, k) = 1 + α2.

� y 1�� ����������

erf(y) ∼ 1− exp(−y2)πy

∞∑k=0

(−1)kΓ(k + 1/2)

y2k,

���

εl ∼ 1 +α2

2y2+ · · · .

��� y → +∞�� εl → 1������������ � y �� ������

1 + α2���� 1������������������� 12.3������������� ������������������������ω��

ω → ±∞������DZ� 1�

12.6 ����

��������������������� �������������

�������DZ

εl = 1 + α2

[1− 2e−x2

e

∫ xe

0

ep2

dp

]+ iπ1/2α2xe exp(−x2e),

Page 338: final - USTC

330 ���������

12.3: ��������εl�����������

�� α = (kλDe)−1� xe = ω/

√2kvTe�����������������DZ���

���������������

ε′′l = π1/2α2xe exp(−x2e) > 0, when ω > 0.

��������������DZ��������������������

�������������� �DZ

Q =ω

8πε′′l |E|2 =

ω

8π1/2|E|2α2xe exp(−x2e).

������ �����������������������������

�����������������DZ�������������������

�����������DZ������� 1946��������������������������������DZ����������������

�����������������������

��� ��������������DZ

E(x, t) = ReE0ei(kz−ωt)eδt,

�� δ����� t = −∞����� ����� ������������

w = w0 + δw, z = z0 + δz,

�� w��������� z������� w0� z0� ���������� δw

� δz0�����������������������������

Page 339: final - USTC

12.6 ���� 331

����������������������������DZ

medδw

dt= −eE(t, z0) = −eReE0e

ikt(w0−ω/k)etδ,

����

δw = − e

meRe

E(t, z0)

ik(w0 − ω/k) + δ,

δz = − e

me

ReE(t, z0)

[ik(w0 − ω/k) + δ]2.

��������������� � ���DZ

q = −ewE(t, z) = −e(w0 + δw)E(t, z0 + δz)

= −ew0(∂E/∂z0)δz − eδwE(t, x0)

=e2

2me|E|2Re

{−iω + δ

[ik(w0 − ω/k) + δ]2

}

=e2

2me|E|2 δ(δ2 + ω2 − k2w2

0)

[k2(w0 − ω/k)2 + δ2]2

=e2

2m|E|2 d

dw0

w0δ

δ2 + k2(w0 − ω/k)2.

������������������ ��������������� ��

Q = ne

∫ ∞

−∞qf(w0)dw0

= − ne

2me

e2|E|2∫ ∞

−∞

w0δ

δ2 + k2(w0 − ω/k)2df(w0)

dw0

dw0,

���� ���

limδ→0

δ

δ2 + x2= πδ(x),

Q = − ne

2mee2|E|2π

∫1

kδ(w0 − ω/k)w0

df(w0)

dw0dw0

= −ω2pe

8|E|2 1

kw0df(w0)

dw0

∣∣∣∣w0=ω/k

8π1/2|E|2α2xe exp(−x2e).

������� �������� �����

�� �me

4πnee2

∫ ∞

0

ωε′′l (ω, k)dω =π

2.

Page 340: final - USTC

332 ���������

12.7 �������

���������������������������������DZ�

��������DZ������������DZ

εl(ω, k) = 1 + α2 [1 + xeZ(xe)]

����������������

εl(ω, k) = 0.

������������ ω ������������DZ������� εl ��

z = ρ exp(−iπ/4)���(������������)� ���������

Im εl =

√π

2α2ρ

{sin(ρ2)[1 + 2S(ρ)] + cos(ρ2)[1 + 2C(ρ)]

}= 0,

Re εl = 1 + α2{1 +

√π/2ρ[cos ρ2(1 + 2S(ρ))− sin2 ρ(1 + 2C(ρ))]

}= 0.

�����������

S(x) ∼ 1

2− 1√

2πxcos x2 +O(1/x2),

C(x) ∼ 1

2+

1√2πx

sin x2 +O(1/x2),

�������DZ

Im εl ∼ 2√πα2ρ sin(ρ2 + π/4) = 0.

���

ρ2 = 3π/4 + 2mπ,

���������DZ 0 (�����������DZ��������)���������

(kλD)2 = 2π(2m+ 3/4)1/2 − 1,

��������DZ������m��������������������

���� 12.4��������� �� k������

��������� α2 1�(������������)�����������

| Imω/Reω| � 1,

Page 341: final - USTC

12.7 ������� 333

12.4: ����εl(ω, k) = 0���������������

�������������������������������

ω = ωr + iγ, |γ/ω| � 1.

�����������

εl(ω, k) = Re εl(ωr, k) + iγ∂ Re εl∂ωr

+ i Im εl = 0,

�������DZ

Re εl(ωr, k) = 0,

γ = − Im εl(ωr, k)

(∂ Re εl/∂ωr).

�����������������������������

ωr/kvTe 1.

��������� �����������������

Re εl = 1 + α2

[− 1

(ωr/kvTe)2− 3

(ωr/kvTe)4

]= 0,

��������DZ

ω2r = ω2

pe + 3k2v2Te = ω2pe(1 + 3k2λ2De).

Page 342: final - USTC

334 ���������

�����DZγ

|ωr|= −

√π

8α3 exp

[−1

2α2 − 3

2

].

���� |γ/ωγ| � 1������ � α 1������������������

12.8 ����

���� ��������������� ��������������

� � ����������������DZ

εl = 1 + α2 [1 + xeZ(xe)] + α2ZTeTi

[1 + xiZ(xi)] ,

��

xe =ω√2kvTe

, xi =ω√2kvT i

.

������������������������������

vT i �ω

k� vTe,

������������������

xe � 1, xi 1.

������

εl = 1 + α2(1 + iπ1/2xe) + α2ZTeTi

(− 1

2x2i− 3

4x4i+ iπ1/2xie

−x2i

).

��DZ���

1 + α2 + α2ZTeTi

(− 1

2x2i− 3

4x4i

)= 0.

������DZ (ωr

kvi

)2

=α2

1 + α2

ZTeTi

,

�������� (ωr

kvi

)2

=ZTeTi

������DZ

γ

ωr= −

[√π

8

Zme

mi+

√π

2

(ZTeTi

)3/2

e−ZTe/2Ti

].

Page 343: final - USTC

12.9 ����������� 335

�����������������

ZTeTi

1.

�����ω

k=

√ZTemi

��������ZTe/Ti 1������������������

γ

ωr= −

√π

8

Zme

mi.

12.9 �����������

������������������� �� �������� �

���������� S(k, ω)������������DZ

S(k, ω) =1

2πN

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t+ τ)〉eiωτ . (12.44)

�������������������������������

����������������������������������

������������� n(r, t)������������� k = 0� ω = 0�

���������DZ���������������������������

�������������������������������������

���������������DZ���������� �������

���������������������������� ������

� �������������������������������

��������������������

�����N ����N/Z ������������������� i���

��������������DZ

∇ ·D = −4πeδ(r− ri0 − vit),

������������������������������������

�������������D = εlE = −εl∇φ��� ε(ω,k)�����

ε exp(ik · r− iωt) = ε(ω,k) exp(ik · r− iωt)������

∇ · (ε∇φ) = 4πeδ(r− ri0 − vit),

Page 344: final - USTC

336 ���������

���� ������������

φik(t) =

4πe

εl(k · vi,k)k2e−ik·(ri0+vit).

��� φik(t)��DZ����������� �������DZ�������

������������DZ���������������

∂δfe∂t

+ v · ∂δfe∂r

− eE · ∂fM∂p

= 0.

�������������

∂δfek(t)

∂t+ ik · vδfek(t) + ikeφi

k(t) ·∂fM∂p

= 0

�DZ φik(t) ∝ exp(−ik · vit)�������DZ

δfek(t) =4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

e−ik·(ri0+vit).

���� i�������������DZ

δnk(t) =

[1 +

∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

]e−ik·(ri0+vit)

���� j���������������DZ

δnk(t) = −Z∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

e−ik·(Ri0+Vit).

����������DZ

δnk(t) =N∑i=1

[1 +

∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

]e−ik·(ri0+vit)

− Z

N/Z∑j=1

∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

e−ik·(Ri0+Vit)

Page 345: final - USTC

12.9 ����������� 337

�������DZ

S(ω,k) =1

2πN

∫ ∞

−∞dτ〈n∗

k(t)nk(t+ τ)〉eiωτ

=1

2πN

∫ ∞

−∞dτeiωτ

⟨{N∑i=1

[1 +

∫d3p

4πe2

ε∗l (k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

]eik·(ri0+vit)

−ZN/Z∑j=1

∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

e−ik·(Ri0+Vit)

⎫⎬⎭

×{

N∑i=1

[1 +

∫d3p

4πe2

ε∗l (k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

]e−ik·(ri0+vit+viτ)

−ZN/Z∑j=1

∫d3p

4πe2

εl(k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

e−ik·(Ri0+Vit+Viτ)

⎫⎬⎭⟩.

�����������DZ������������������

〈eik·ri0e−ik·ri′0〉 = δi,i′, 〈eik·Rj0e−ik·Rj′0〉 = δj,j′, 〈eik·rj0e−ik·Rj0〉 = 0.

���

S(ω,k) =1

2πN

∫ ∞

−∞dτeiωτ

⟨N∑i=1

∣∣∣∣1 +∫d3p

4πe2

ε∗l (k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

∣∣∣∣ e−ik·viτ

+Z2

2πN

∫ ∞

−∞dτeiωτ

⟨N/Z∑i=1

∣∣∣∣∫d3p

4πe2

ε∗l (k · vi,k)k2k · ∂fM/∂pk · (vi − v)

∣∣∣∣ e−ik·Viτ

=1

2πN

N

(2π)3/2v3e

∫ ∞

−∞dτeiωτ

∫d3v′

∣∣∣∣1 +∫d3p

4πe2

εl(k · v′,k)k2k · ∂fM/∂pk · (v′ − v)

∣∣∣∣ e−v′2/2v2ee−ik·v′τ

+Z2

2πN

N/Z

(2π)3/2v3i

∫ ∞

−∞dτeiωt

∫d3v′

∣∣∣∣∫d3p

4πe2

εl(k · v′,k)k2k · ∂fM/∂pk · (v′ − v)

∣∣∣∣ e−v′2/2v2i e−ik·v′τ .

�� τ ����� ∫ ∞

−∞dτei(ω−k·v′)τ = 2πδ(ω − k · v′),

���

S(ω,k) =1

(2π)3/2v3e

∫d3v′

∣∣∣∣1 +∫d3p

4πe2

εl(k · v′,k)k2k · ∂fM/∂pk · (v′ − v)

∣∣∣∣ e−v′2/2v2eδ(ω − k · v′)

+Z

(2π)3/2v3i

∫d3v′

∣∣∣∣∫d3p

4πe2

εl(k · v′,k)k2k · ∂fM/∂pk · (v′ − v)

∣∣∣∣ e−v′2/2v2i δ(ω − k · v′).

Page 346: final - USTC

338 ���������

�����DZ������� k�������� k��������������

��������

S(ω,k) =1

(2π)1/2ve

∫dv′

∣∣∣∣1 +∫d3p

4πe2

εl(kv′�,k)k2

k · ∂fM/∂pkv′� − k · v

∣∣∣∣ e−v′2�/2v2e δ(ω − kv′

�)

+Z

(2π)1/2vi

∫dv′

∣∣∣∣∫d3p

4πe2

εl(kv′�,k)k2

k · ∂fM/∂pkv′� − k · v

∣∣∣∣ e−v′2�/2v2eδ(ω − kv′

�).

����

S(ω,k) =1

(2π)1/2kve

∣∣∣∣1 +∫d3p

4πe2

εl(ω,k)k2k · ∂fM/∂pω − k · v

∣∣∣∣2

exp

[− ω2

2k2v2e

]

+Z

(2π)1/2kvi

∣∣∣∣∫d3p

4πe2

εl(ω,k)k2k · ∂fM/∂pω − k · v

∣∣∣∣2

exp

[− ω2

2k2v2i

].

��������DZ

χe(ω, k) =4πe2

k2

∫d3p

k · ∂fM/∂pω − k · v ,

���������������DZ

S(ω,k) =1

(2π)1/2kve

∣∣∣∣1 + χe(ω, k)

εl(ω, k)

∣∣∣∣2

exp

[− ω2

2k2v2e

]+

Z

(2π)1/2kvi

∣∣∣∣χe(ω, k)

εl(ω, k)

∣∣∣∣2

exp

[− ω2

2k2v2i

].

12.10 ����������������

12.10.1 ��������������

���� Im ξ > 0����������

1

z − ξ= i

∫ ∞

0

dte−i(z−ξ)t,

���������(12.41)����

Z(ξ) =i√π

∫ ∞

−∞exp(−z2)dz

∫ ∞

0

exp[−i(z − ξ)t]dt

=i√π

∫ ∞

0

dt exp(iξt− t2/4

) ∫ ∞

−∞dz exp

[−(z + it/2)2

]

= i exp(−ξ2)∫ ∞

0

dt exp[−(t/2− iξ)2]

= i√π exp(−ξ2)− 2e−ξ2

∫ ξ

0

ep2

dp.

Page 347: final - USTC

12.10 ���������������� 339

Im z < 0� 1/(x− z)����DZ����

1

z − ξ= −i

∫ ∞

0

dtei(z−ξ)t.

����������

Z(ξ) = i√π exp(−ξ2)− 2e−ξ2

∫ ξ

0

ep2

dp. (12.45)

����� ����������� ξ−�������

12.10.2 ���������Fresnel���

������ξ = ρ exp(−iπ/4)�������������DZFresnel������(12.45)��ξ = ρ exp(−iπ/4)����

Z(ρe−iπ/4) = iπ1/2eiρ2 − 2eiρ

2

e−iπ/4

∫ ρ

0

e−it2dt

= iπ1/2eiρ2

{1 +

2

π1/2eiπ/4

[∫ ρ

0

cos(t2)dt− i

∫ ρ

0

sin(t2)dt

]},

��Fresnel��

S(x) =

√2

π

∫ x

0

sin(t2)dt,

C(x) =

√2

π

∫ x

0

cos(t2)dt,

���

Z(ρe−iπ/4) = i√πeiρ

2{1 + (2i)1/2[C(ρ)− iS(ρ)]}. (12.46)

�ρ 1�� �Fresnel������

C(x) ≈ 1

2, S(x) ≈ 1

2,

���

Z(ρe−iπ/4) ≈ 2π1/2ei(ρ2+π/2) when ρ 1. (12.47)

Page 348: final - USTC

340 ���������

12.10.3 �������������

���� ξ = iy���� y�������������������

Z(iy) = i√π exp(y2)[1− erf(y)], (12.48)

������ erf(x)��DZ

erf(y) =2√π

∫ y

0

e−p2dp.

12.10.4 ���������

����������������� ���(12.45)����

−2e−ξ2∫ ξ

0

ep2

dp = −2

∫ ξ

0

e−(ξ2−p2)dp = −2∞∑n=0

(−)nξ2n+1

n!

∫ 1

0

(1− t2)ndt

= −√πξ

∞∑n=0

(−)nξ2n

Γ(n+ 3/2).

���

Z(ξ) = i√πe−ξ2 −

√πξ

∞∑n=0

(−)nξ2n

Γ(n+ 3/2). (12.49)

�|ξ| 1�����������������������������

����������DZ�������������DZ

Z(ξ) =1√πP

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ

dz + i√πe−ξ2 .

�ξ 1�����������DZ

1√πP

∫ ∞

−∞

exp(−z2)z − ξ

dz ∼ − 1√π

1

ξP

∫ ∞

−∞

exp(−z2)1− (z/ξ)

dz

= − 1√πξ

∫ ∞

−∞

∞∑n=0

(z

ξ

)n

e−z2dz

= − 1√πξ

∫ ∞

−∞

∞∑n=0

(z

ξ

)2n

e−z2dz

= −∞∑n=0

Γ(n + 1/2)√πξ2n+1

.

Page 349: final - USTC

12.11 �� 341

�������������������

Z(ξ) ∼ i√πe−ξ2 −

∞∑n=0

Γ(n + 1/2)√πξ2n+1

, when Im ξ = 0.

�����������������DZ

Z(ξ) ∼ i√πσe−ξ2 −

∞∑k=0

Γ(k + 1/2)√πξ2k+1

, (12.50)

��

σ =

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

0, when Im ξ > 0,

1, when Im ξ = 0,

2, when Im ξ < 0.

�DZ�������������������������

Z(ξ) = i√π(1− ξ2)− ξ(2− 4ξ2/3) + · · · , (12.51a)

Z(ξ) ∼ i√πσe−ξ2 −

(1

ξ+

1

2ξ3+

3

4ξ5+ · · ·

)when |ξ| 1. (12.51b)

12.10.5 ����

���(12.45)���� �����������������������

dZ

dξ= −2(1 + ξZ),

Z(ξ = 0) = iπ1/2.

���������DZ������������������

��DZ����������������� ���

12.11 ��

1. �������������������������DZ

εt(ω, k) = 1 +∑α

ω2pα

ω2ξαZ(ξα).

2. ����Imx < 0����������������DZ

Z(x) = i√π exp(−x2)− 2e−x2

∫ x

0

ep2

dp.

Page 350: final - USTC

342 ���������

0 1 2 3 4-0.4

0

0.4

0.8

1.2

ξ

Re[Z(ξ)]Im[Z(ξ)]

3. �������������|ω| → ∞�������������

εl(ω, k) ∼ 1−ω2pe

ω2.

Page 351: final - USTC

��

Braginskii���, Braginskii equations, 153

Kruskal-Shafranov stable criterion, 181

Yvon-Born-Green����Yvon-Born-Greenhierarchy, 307

�����Alfven wave, 185������Attwood number, 146�����Airy equation, 282

��������surface plasma wave, 243

�������Boltzmann distribution, 11����wave zone, 96����wave breaking, 257����� Poisson’s equation, 11�����trapped particle, 75

���magnetic mirror, 68����mirror ratio, 69�������magnetohydrodynamics, 129���magnetic flux surface, 74����magnetoacoustic wave, 186

��������one component plasma,17

��������one-component plasma,312

���guiding center, 47, 58�����Debye length, 12

�����Debye screening, 11������plasma parameter, 18���������plasma permittivity,

325���������plasma dispersion func-

tion, 326��������plasma coupling pa-

rameter, 17�����lower hybrid wave, 240������lower-hybrid frequency, 230����electromagnetic wave, 225����electric conductivity, 197������electric polarization, 197�������current flux function, 169������electric induction, 197��������electron plasma wave,

222�������classical electron radius,

114

��������dynamic form factor, 117

�����Faraday rotation, 235�����Fermi energy, 16�����radiation intensity, 98������Vlasov equation, 323

�����upper-hybrid wave, 240������upper-hybrid frequency, 230

Page 352: final - USTC

344 ��

�����resonance absorption, 284Æ�Æ�pinch angle, 68����proper time, 27������generalized Ohm’s law, 154���—������Hamilton-Jacobi equa-

tion, 33

��������Helmholtz free energy,300

�������chemical equilibrium con-stant, 21

�����toroidal magnetic field, 73�����cyclotron radiation, 108

���shock wave, 146������laser wakefield, 286��������laser wakefield accel-

erator, 287�����cluster expansion, 312

����poloidal magnetic field, 73������poloidal magnetic flux func-

tion, 168�����permittivity, 198

��������electrostatic ion cyclotronwave, 241

�����local thermal equilibrium, 129�����adiabatic equation, 134

�����spatial dispersion, 198�����Coulomb logarithm, 151

������Lagrangian, 27����,sausage instability, 179� ���Landau damping, 330

������Langmiur frequency, 14������Langmiur oscillation, 14������ion-sphere model, 316�����ion-acoustic wave, 223����ideal gas, 300

������continuity equation, 130�����critical density, 278����Liuoville theorem, 319

�����Rutherford’s formula, 39������Loerentz invariance, 27

���—�������Navier-Stokes equa-tion, 136

������kink instability, 179��—�������Euler—Lagrange equa-

tion, 31�����Euler equation, 132�����dipole radiation, 100�����partition function, 299

����drift wave, 246����drift approximation, 58�����frequency dispersion, 198

���thermal conductivity, 137��—� ����Rayleigh-Taylor in-

stability, 144

�����Saha’s equation, 22����whistler wave, 234

�����time dispersion, 198�������stimulated Brillouin scat-

tering, 294

Page 353: final - USTC

�� 345

������stimulated Raman scatter-ing, 294

������Thomson scattering, 113

����passing particle, 75�����tokamak, 72

�����virial coefficient, 311����configuration integral, 300

�� �banana orbit, 75

��� �cyclic coordinate, 33

�����ponderomotive force, 57�����Hugoniot relation, 148

�������reduced distribution func-tion, 301

�������viscous stress tensor, 135�����canonical distribution, 299

������law of mass action, 21

����equation of state, 134����self-consistent field, 323��� �stopping power, 212������the principle of least ac-

tion, 31������priciple of least action,

27����action, 27

����,bremsstralung radiation, 101