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81 光和物质相互作用的基本理论
* 8.1光和物质相互作用的基本理论 一、重要性 介质中的各种光学现象本质上是光和物质相互作用的结果。从经典电子模型出发,研究光和物质相互作用的微观过程,是讨论介质中光的折射、散射、吸收和色散等常见的线性光学现象的物理本质的基础。 光波的辐射主要是原子最外层电子或弱束缚电子的加速运动产生的,因而原子的电偶极矩便是这种光辐射的主要波源。了解电偶极子辐射场的基本性质对经典理论处理光和物质相互作用的问题极为重要。 二、交变电偶极子向空间发射电磁波 当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时,即形成一个交变的电偶极子,电偶极矩在它周围产生交变电场,交变电场又产生交变磁场,交变磁场再产生交变电场,如此不断继续下去,于是,在电偶极子周围空间便产生由近及远的电磁波动,因此,交变电偶极子向空间发射电磁波。 三、光和物质相互作用的经典的观点 光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下,正负电荷发生相反方向的位移,并跟随光波的频率作受迫振动,产生感生电偶极矩,进而产生电磁波辐射的过程。这一过程也为发射次波的过程。 (1)(原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电偶极子描述,称为简谐振子。电子的运动方程为 (2)因为交变电偶极子辐射电磁波,而辐射场必然对电子产生反作用,即辐射阻尼,这种辐射阻力与位移速度dx/dt成正比 ,于是电子的运动方程可写成 ?为阻力系数。 因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动,其振幅随时间不断减小,即为阻尼振动。 (3)当光波作用到原子上时,光波使原子极化,原子中的电子将在光频电磁场矄驱动下作强迫振动,使电子依靠光波电场的步调振动。对于非磁性材料,仅考虑电场力(-eE)的作用。如果光场较弱,电子强迫振动的位移不大,则仍可采用简谐振子模型,电子运动方程为 式中e=|e|为电子电荷的大小,忽略介质中宏观场与局部电场的微小差别,E就是外部光波的电场。 为了简单起见,考虑简谐电场作用下的电子运动,则电场E和电子位移x分别为E=E(ω)eiωt和x=x(ω)eiωt,其中E(ω)和x(ω)表示对应于频率的振幅值 ,有 *
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