电动力学第8讲2静电势的多极展开

第8讲  静电势的多极展开 第二章  电磁场的标势、矢势和电磁辐射(2) §2.2  静电势的多极展开 1. 电势的多极展开  在§2.1中我们导出了真空中给定电荷密度 ρ（x'） 激发的电势 （2.2---1） 式中体积分遍及电荷分布区域，r为场点x和源点x' 的距离。 在许多物理问中，电荷只分布于一个小区域内，而需要求电场强度的地点x又距离电荷分布区域比较远，即在（2.2---1）式中，r远大于区域V的线度l 。在这种情况下，可以把（2.2---1）式表为 1/r 的展开式，由此得出电势 φ 的各级近似值。例如原子核的电荷分布于 ~10 ?15 m线度的范围内，而原子内电子到原子核的距离 ~10 ?10 m，因此原子核作用到电子上的电场可以用本节方法求得各级近似值。 在区域V内取一点O作为坐标原点，以R表示由原点到场点P的距离，有                    x' 点在区域V内变动。由于区域线度远小于R，可以把 x' 各分量看作小参量， 把 x ?x' 的函数对 x' 展开。设 f（x ?x'）为 x ?x' 的任一函数，在 x点附近 f（x ?x'）的展开式为 取 f（x ?x'）= 1 / | x ?x' | = 1 / r ,有 （2.2---2） 把展开式（2.2---2）代入（2.2---1）式中得 （2.2---3） 令 （2.2---4） （2.2---5） D ij                     （2.2---6） （2.2---3）式可写为 （2.2---7） 上式是电荷体系激发的势在远处的多级展开式。p称为体系的电偶极矩，张量D ij称为体系的电四极矩。电四极矩也可以用并矢形式（附录Ⅰ.6）写为 （2.2---6a） 而展开式（2.2---7）的第三项用并矢形式写为 2. 电多极矩  现在我们讨论展开式（2.2---7）各项的物理意义。展开式的第一项 （2.2---8） 是在原点的点电荷Q激发的电势。因此作为第一级近似，可以把电荷体系看作集中于原点上，它激发的电势就是（2.2---8）式。 展开式的第二项 （2.2---9） 是电偶极矩p产生的电势。电荷分布的电偶极矩p由（2.2---5）式定义。 如果一个体系的电荷分布对原点对称，它的电偶极矩为零。因为由（2.2---5）式，若 点x' 和 ?x' 点有相同的电荷密度，则积分值为零。因此，只有对原点不对称的电荷分布才有电偶极矩。总电荷为零而电偶极矩不为零的最简单的电荷体系是一对正负点电荷。设 x' 点上有一点电荷 +Q ，? x' 点上有一点电荷 ?Q ，由（2.2---5）式，这体系的电偶极矩为 （2.2---10） l为由负电荷到正电荷的距离。 图2—11示具有偶极矩 pz = Q l的电偶极子，它产生的电势为 由图，若 l << R ，有 ， （2.2---11） 因此这电偶极子产生的电势是 （2.2---12） 与（2.2---9）式相符。 展开式（2.2---7）的第三项 （2.2---13） 是电四极矩 D ij 产生的电势。电荷体系的四极矩 D ij 由（2.2---6）式定义。根据此式，电四极矩张量 D ij 是对称张量，它由6个分量 D 11 ，D 22 , D 33 , D 12 = D 21 , D 23 = D 32 , D 31 = D 13 （下面将看出实际上只有5个独立分量）。 现在我们来谈论这些分量的物理意义。 图2—12示z轴上一对正电荷和一对负电荷组成的体系。这体系可以看作由一对电偶极子 +p和 ?p组成。设正电荷位于 z = ±b , 负电荷位于 z = ±a。这体系的总电荷为零，总电偶极矩为零。它的电四极矩由（2.2---6）式算出， 其中p = Q（b ?a）是其中一对电荷的电偶极矩，l = b + a是两个电偶极子中心的距离。这电荷体系产生的电势是一对反向电偶极子所产生的电势。由图2—12和（2.2---12）式得 与（2.2---13）式相符。 同理，具有 D 11 分量的最简单的电荷体系由x轴上两对正负电荷组成，具有 D 23 分量 的体系由y轴上两对正负电荷组成。具有 D 12 分量的电荷体系由xy平面上两对正负电荷组成，余类推。这些电荷体系如图2—13所示。 图2—13 下面我们电四极矩只有5个独立分量。当 R ≠ 0 时有 （2.2---14） 引入符号 δij ，定义为 （2.2---15） 则（2.2---14）式可写为 （2.2---16） 展开式（2.2---3）的第三项可以写为 （2.2---17） 我们重新定义电四极矩张量 （2.2---18） 则势展开式的第三项仍可写为 （2.2---18）式定义的电四极矩张量满足关系 （2.2---19） 因而只有5个独立分量。以后我们将沿用定义（2.2---18）式，此式用并矢形式写为 （2.2---20） 其中 为单位张量。 若电荷分布有球对称性，则 因而 D 11 =D 22 = D 33 = 0，而且显然有 D 12 = D 23 = D 31 = 0，因此球对称电荷分布没有电四极矩。事实上这结果是更普遍的。球对称电荷分布的电场也是球对称的，由高斯定理可知，球外电场和集中于球心处的点电荷电场一致，因此球对称电荷分布没有各级电多极矩。反之，若电荷分布偏离球对称性，一般就会出现电四极矩。例如沿z轴方向拉长了的旋转椭球体，若其内电荷分布均匀，则 因而出现电四极矩 ，  电四极矩的出现标志着对球对称的偏离，因此我们测量远场的四极势项，就可以对电荷分布形状做出一定的推论。在原子核物理中，电四极矩是重要的物理量，它反映这原子核形变的大小。 八极矩和更高的多极矩实际上较少用到，这里不详细讨论。 例  均匀带电的长形旋转椭球体半长轴为a，半场轴为b，带总电荷Q，求它的电四极矩和远处的电势。 解  取z轴为旋转轴，椭球方程为 椭球所带电荷密度为 由（2.2---18）式，电四极矩为 由对称性 因此 令 x2 +y2 =s2 ，由对称性 因此 电四极矩产生的势为 在上面的计算中，我们用了关系式 ▽2（1 / R） = 0 。 椭球的电偶极矩为零，总电荷为Q 。在远处的是准确至四极项为 3. 电荷体系在外场中的能量  设外电场电势为 φe ，具有电荷分布 ρ（x）的体系在外电场中的能量为 （2.2---21） 设电荷分布于小区域内，取区域内适当点为坐标原点，把 φe （x） 对原点展开 （2.2---22） 代入（2.2---21）式中得 （2.2---23） 式中 Q , p和D的定义如前[（2.2---4），（2.2---5）和（2.2---20）式]。上式是小区域内电荷体系在外场中的能量展开势。 展开式的第一项 （2.2---24） 是设想体系的电偶极矩在外场中的能量。展开式的第二项 （2.2---25） 是体系的电偶极矩在外场中的能量。由此式可求出电偶极子在外电场中所受的力 F 和力矩L , （2.2---26） （见附录Ⅰ-23式）。设p与E的夹角为θ ，则力矩为 计及力矩的方向，得 （2.2---27） 展开式（2.2---23）的第三项是四极子在外电场中的能量 （2.2---28） 由此式可见，只有在非均匀场中四极子的能量才不为零。例如在分子或晶格中的原子核，它处于轴微电子所产生的非均匀电场中，因而又不为零的四极矩能量。在不同旋转状态下原子核的四极矩不同，能量亦不同。用微波技术可以测量础这种能量差别，由此定出原子核的电四极矩。