Strahlung geladener Teilchen in starken elektromagnetischen Feldern

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Institut für Theoretische Physik I
M.Sc. Johannes Thomas
[email protected]
Raum 25.32.01.23
Düsseldorf, den 27.03.2014
F-Praktikumsversuch
„Strahlung geladener Teilchen in starken elektromagnetischen Feldern“
In diesem Praktikumsversuch soll das Strahlungsverhalten geladener Teilchen in starken elektrischen und magnetischen Feldern untersucht werden. Dazu wird zuerst die Bewegung ohne
Bremsstrahlung aus einem Ansatz für relativistische Teilchen hergeleitet. Erste Programmieraufgaben werden hier mit analytischen Vorhersagen verglichen. Im zweiten Teil des Praktikums werden die Bewegungsgleichungen durch klassische Strahlungsterme ergänzt. Ein Programm, das die klassische Strahlung beschreibt, kann hier durch eine kleine Modifizierung
der bereits vorhandenen Programme erreicht werden. Im letzten Teil des Praktikums wird ein
Quanten-Monte-Carlo-Verfahren (QMC-Verfahren) vorgestellt, das die Abstrahlung einzelner
Energiepakete simuliert. Abgestrahlte Energien müssen dabei als einzelne Quanten behandelt
werden, sobald äußere Felder stark genug, bzw. die Ladung schnell genug ist.
Um die Programme der einzelnen Kapitel zu testen und mehr über die Physik hinter den Formeln zu lernen, stehen zwei Reihen von je drei Experimenten zur Verfügung. Bei der ersten
Versuchsreihe handelt es sich um ein statisches homogenes Magnetfeld, in dem ein Elektron
fliegt. Ohne Bremsstrahlung wird es in diesem Feld auf einer Zykloide gehalten. Beim Einschalten der Bremsstrahlung, egal ob klassisch oder quantenmechanisch, strahlt das Elektron
Energie ab und und ändert seinen Gyroradius. In den anderen Experimenten wird ein Elektron
in einem rotierenden elektrischen Feld simuliert. Für die klassische Bewegung ohne Bremsstrahlung ergibt sich hier eine im allgemeinen Fall wieder eine Gyration um eine Achse, sowie
eine Driftbewegung. Beim Einschalten der Bremsstrahlung wird wieder Energie abgestrahlt
und das Elektron synchronisiert seine Rotationsbewegung mit dem E-Feld.
In den nächsten drei Kapiteln werden Aufgaben, die der Vorbereitung dienen, in gelbe Kästen
gestellt. Sie sollen für das Antestat bearbeitet werden. Programmieraufgaben sind durch blaue
Kästen hervorgehoben. Von den beiden Experimentierreihen soll eine komplett für alle drei
Kapitel durchgearbeitet werden.
Als Programmiersprache empfehlen wir Matlab. Für diejenigen, die noch nie programmiert
haben, liegt eine Einführung in Matlab bereit. Diese sollte vor dem Antestat ebenfalls durchgearbeitet werden! Eine Auswahl an sehr guter Literatur zu den einzelnen Themengebieten
liegt ebenfalls bei. Diese müssen nicht notwendiger Weise durchgearbeitet werden, wenn der
Praktikant bereits über ausreichendes Wissen verfügt. Da diese Praktikumsanleitung jedoch
nur einen groben Abriss der referenzierten Literatur enthält, ist es auf jeden Fall ratsam sich
die Bücher aus der ULB (meist Lehrbuchsammlung) und die Skripte aus dem Drucker zu
besorgen und die wenigen Seiten durch zu lesen!