2018-10-31

Atoms and anharmonic oscillations

  • Apply Gauss' law
    {\int \int}_{Surface} \vec{E} \cdot \mathrm{d} \vec{A} = \frac{Q_{enc}}{\epsilon_0}

We can deduce the resonance frequency of the oscillation of the proton w.r.t. the electron cloud, which yields

{\omega_0}^{2} = \frac{k}{m} = \frac{e^2}{4\pi \epsilon_0 a^3}

This resonance frequency compared with the driving frequency of visible light tells us that the system is heavily damped and the oscillation amplitude is stiffness controlled.

Damping in Atomic oscillators

  • Consider the Larmor's radiation formular in electrodynamics for a charge moving at x_0 e^{i \omega t}
    P_{rad} = \frac{e^2{x_0}^2 \omega^4}{12 \pi \epsilon_0 c^3}

  • The mean energy of the electron oscillating is W= \frac{m_e {\omega_0} ^2 {x_0}^2 }{2}

\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d} t} = - P_{rad}

Integrate the previous formular to get the time decaying coefficient of the energy.

  • Notice the under the illumination of visible light, the proton-electron cloud system is heavily damped with a time constant \frac{1}{\gamma}

  • Hence we estimate the values of \omega_0, \gamma, Q = \frac{\omega_0}{\gamma}

Linear system driven at multiple harmonic frequencies

  • Due to the linearity of the linear system, the resulting oscillation is the linear combination of the solutions in the cases of independently driven harmonic ocsillations.

  • Consider phase shifts \alpha_1, \alpha_2 for two displacement solutions in the two forces case.

  • The compound motion's amplitude is given by trigonometric manipulations
    A^2 = {A_1} ^2 + {A_2} ^2 + \cos(\alpha_1 - \alpha_2)A_1 A_2

The thrid term is likely to drift in time in most systems that are not exactly stable.

  • We also note the resulting displacement is a high frequency term multiplied by a pow frequency term, giving rise to the beating phenomenon.
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