Kapitel 7
Abstrahlung/Lösung der Maxwellgleichungen mit zeitabhängigen Quellen


 7.1 Dipolnäherung
 7.2 M1- und E2-Strahlung
Erinnerung:
Wir hatten die Lösung der homogenen Wellengleichung hergeleitet:
               [ (      )    (      )]
D(t,x) = -1---1- d  t- |x-| - d  t+ |x|-
        4pc2|x|        c           c

Lichtblitz:
PIC
|(--------)-----------|
| -1  2               |
| c2@t -  /_\  D(t,x) = 0|
----------------------

Ferner gilt:

GR(t,x)= c2Q(t)D(t,x)
 -- --
retardiert

|------------------------|
|          1    (   |x|) |
GR(t,x) = 4p| x-|d  t- -c-  |
--------------------------

Dies ist die Greensche Funktion zur Wellengleichung, d.h.

( 1       )
  c2@2t-  /_\   GR(t,x) = d(t)d(x)

Die Maxwellgleichungen für die Potentiale in Lorentzeichung lauten:

(        )
  1- 2
  c2@t -  /_\  A(x,t) = m0j(x,t)

(        )
  1@2 -  /_\  f(x,t) =-1r(x,t)
  c2 t              e0

Außerdem gilt:

B =  \~/  × A

           @
E = -  \~/ f - @tA

Nun wollen wir tatsächlich zeitabhängige Ladungsverteilungen und Ströme von oszillierender Form betrachten:

r(x,t) = r(x)e- iwt

j(x,t) = j(x)e- iwt

Anmerkung:
Eine Quelle mit beliebiger Zeitabhängigkeit kann als Fourier-Überlagerung von oszillierenden Quellen verschiedener Frequenz beschrieben werden:
|-------- integral -------------|
|r(x,t) =   dw~r(x,w)e-iwt |
------------------------|

Die Kontinuitätsgleichung lautet:

@tr +  \~/ j = 0

Hier folgt dann durch Einsetzen:

       - iwt        -iwt
-iwr(x)e   =  \~/ j(x)e

Division durch e-iwt/=0 ergibt dann:

iwr =  \~/ j

Die Lösung der Maxwellgleichung für A lautet:

            integral 
               '3 '       '     '   '  '
A(t,x) = m0  dtd x GR (t- t,x- x )j(t,x)

Wir überprüfen dies:

( 1       )            integral 
  -2@2t-  /_\   A(t,x) = m0  dt'd3x'd(t- t')d(x- x)'j(t',x') = m0j(t,x)
  c

           integral                   (              )
              ' 3 '----1----       '  |x--x'|    '  - iwt'
A(t,x) = m0  dtd x 4p|x- x'|.d t- t -    c    j(x) .e

Aufgrund der Delta-Funktion ist dieses vierdimensionale Integral faktisch nur dreidimensional, womit folgt:

           integral                      (               )
              3 ---1-----  '               |x--x'|-
A(t,x) = m0  dx 4p| x - x'|j(x) .exp  - iwt + iw   c

Wir spalten den zeitabhängigen Faktor e-iwt von A(x,t) ab.

A(x,t) = A(x)e-iwt

Wir verwenden außerdem wc- = k (=Betrag des Wellenvektors), womit dann für A(x) folgt:

          integral 
A(x) = m0  --d3x'-eik|x-x'|j(x')   (*)
      4p   |x -x'|

Analog resultiert:

            integral    3 '
f(x) =--1-   --dx---eik|x-x'|r(x')
      4pe0   |x- x'|

Eine geschlossene Lösung für beliebige x, r und j ist im allgemeinen nicht möglich. d sei nun die Ausdehnung der Quelle, also |x'|< d. |x| = r sei der Abstand des Beobachters vom Zentrum der Quelle. Schlußendlich haben wir die Wellenlänge c:

    2p
c  =_ ---
    k

Wir betrachten den Fall d « c, wie dies beispielsweise in Atomen der Fall ist. Für den Bohr-Radius des Wasserstoffatoms gilt:

rB = 0,53 .10-10m

c sei für sichtbares Licht etwa 3,8 . 10-7 m bis 7,5 . 10-7 m (10-7 m=1 Å). Wir unterscheiden nun folgenden Zonen:

Wir zeigen im Folgenden, daß es in der Nahzone „quasistatische“ Felder (|x|-Abhängigkeit wie bei statischen Lösungen) gibt. Der Abfall der Felder in der Nahzone ist mindestens wie  1
|x|2, dem w/=0-Anteil wie  1
|x|3 oder schneller. In der Fernzone (Strahlungszone) ist der Abfall proportional zu 1|x| (E  _L B  _L x).

 integral 
  d(Oberflache)| E |2 = const.
         ¨

PIC

Die Lösung von (*) geht in der Nahzone (k|x -x'1) mit eik|x-x'| ~~ 1 über in:

           integral 
       m0-  -d3x'--
A(x) = 4p   |x - x'|

Die Berechnung von A und f verläuft nun wie im statischen Fall.