אנרגיה פונדרומוטיבית

אנרגיה פונדרומוטיבית (ponderomotive energy) היא האנרגיה שצובר אלקטרון חופשי הנע בהשפעת שדה חשמלי מחזורי, לאורך זמן מחזור אחד של השדה.

לאנרגיה זו שימושים רבים בפיזיקת פלזמה ובפיזיקה של שדות לייזר חזקים.

הגדרה

אלקטרון חופשי המצוי בהשפעת שדה חשמלי, מקיים את החוק השני של ניוטון כאשר הכוח הפועל עליו הוא כוח לורנץ.

האנרגיה הפונדרמטיבית של אלקטרון הנע בהשפעת שדה חשמלי התלוי בזמן, מחושבת באמצעות הפוטנציאל הווקטורי המחולל את אותו שדה.

בהינתן שדה חשמלי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec E(t)} , ובהזנחת שדה מגנטי, הפוטנציאל הווקטורי ${\vec {A}}(t)$ יחושב כך:

${\vec {A}}(t)=-c\int _{-\infty }^{t}{\vec {E}}(t')dt'$

כאשר $c$ היא מהירות האור בריק. בהינתן שהשדה החשמלי הוא פתרון של משוואת הגלים, ועל כן מחוסר רכיב תדר DC, מתקיים כי ${\vec {A}}(-\infty )=0$, ולמעשה האינטגרל לעיל הופך לאינטגרל לא-מסוים על השדה החשמלי המחזורי.

האנרגיה הפונדרמוטיבית $U_{p}$ מוגדרת על פי הערך הממוצע של ריבוע הפוטנציאל הווקטורי:

$U_{p}={\frac {e^{2}}{2mc^{2}}}\langle A^{2}(t)\rangle ={\frac {e^{2}}{2mc^{2}}}{\frac {1}{2\pi }}\int _{t}^{t+T}A^{2}(t')dt'$

כאשר $e$ מסמן את מטען האלקטרון ו-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m} את מסתו.

שדה ליניארי

נניח שדה חשמלי מונוכרומטי בעל תדירות הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \omega} והמקוטב ליניארית בכיוון כללי כלשהו הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \hat n} :

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec E(t)=E_{0}\cos \omega t \hat n}

אזי, הפוטנציאל הווקטורי הוא:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec A(t)=-\frac {c}{\omega}E_0\sin \omega t \hat n }

והאנרגיה הפונדרמוטיבית, שתסומן הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_{p}} , תהיה בהתאם:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_{p}=\frac{e^{2}{E_{0}}^2}{4m\omega^{2}}}

במערכת היחידות האטומית (מערכת הרטרי), בה $e=m=\hbar =1$ (ו-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle c \simeq 137} ) מתקבל:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_{p}=\frac{E_{0}^{2}}{4\omega^2}}

שדה מעגלי

כעת נניח שדה חשמלי מונוכרומטי בעל תדירות הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \omega} והמקוטב מעגלית-ימנית (ההצגה היא, לצורך העניין, במערכת צירים קרטזית):

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec E(t)=E_{0}(\cos \omega t,\sin \omega t)}

הפוטנציאל הווקטורי יהיה:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec A(t)=-\frac {c}{\omega}E_0(\sin \omega t, -\cos \omega t) }

והאנרגיה הפונדרמוטיבית תהיה:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_{p}=\frac{e^{2}{E_{0}}^2}{2m\omega^{2}}}

ובמערכת היחידות האטומית:

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U_{p}=\frac{{E_{0}}^2}{2\omega^{2}}}

כלומר כפליים מהאנרגיה שהתקבלה במקרה הליניארי. יש בכך היגיון, מאחר שניתן לחשוב על השדה המעגלי כסופרפוזיציה של שני שדות ליניאריים בצירים ניצבים וביניהם פאזה. אולם, חישוב האנרגיה הפונדרמוטיבית אדיש לפאזה זו, שכן הערך הממוצע של ריבועי הפונקציות סינוס וקוסינוס הוא זהה, ושווה ל-$1/2$.

שימושים

מרגע שחושבה האנרגיה הפונדרמוטיבית עבור השדה החשמלי בבעיה הפיזיקלית אותה נרצה לפתור, ניתן להשתמש בה כסקאלה או כנרמול לאנרגיות שונות בבעיה.

אחד השימושים הבולטים ביחידה זו, הוא בפיזיקה של שדות לייזר חזקים ובפרט בפיזיקה של אטו-שניות: שדה חשמלי ליניארי חזק ובתדירות נמוכה המחולל יצירת הרמוניות גבוהות, מסוגל לגרום לפליטת פוטונים בעלי מגוון תדרים, עד לתדר קטעון (cutoff) שממנו והלאה ניצולת תהליך הפליטה פוחתת משמעותית.

מתברר, כי ללא תלות בעוצמת השדה ובתדירותו, חישובו של תדר הקטעון עונה תמיד על הכלל הבא (במערכת היחידות האטומית):

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \omega_{cutoff}=3.17U_{p}+I_{p}}

כאשר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I_{p}} היא אנרגיית היינון הראשונה של האטום, ובהכללה, האנרגיה העצמית של המצב ממנו האלקטרון התיינן.

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

31999279אנרגיה פונדרומוטיבית