[理学]第七章 材料的光学性能.doc

第七章 材料的光学性能 在以前的章节中我们分别介绍了粒子波和弹性波的传播特性、与物质的相互作用规律以及它们在材料科学研究中的应用。本章我们从材料的光学性能入手，着重介绍微波、红外、X-射线和γ-射线等不同频率电磁波与材料的相互作用规律以及它们在材料研究中的应用。 §7-1光的基本性质和物理量 光是人们熟悉的自然现象，也是物理学中发展较早的分支。历史上，对光物理本质的认识和争论延续了上百年。早期，以牛顿为代表的粒子说占主导地位，后来以惠更斯为代表的波动说逐渐取代了粒子说，随着麦克斯韦、赫兹等电磁波理论和实验的完善，光的波动说达到顶峰。进入二十世纪，普朗克的量子假说、爱因斯坦的光电效应和康普顿散射等又促使人们重新认识光的粒子学说。直到德布罗意创立物质波学说和波恩提出了波粒二象性，光具有波、粒两重性质的思想才得到了学术界广泛承认。 既然光具有波粒二象性，我们就应分别用电磁场理论和光量子理论来描述光学现象。对于光在介质中的传播问题，通常采用电磁波理论来解释和描述；对于光与物质的相互作用问题，应用光量子理论则更加方便。 7-1-1光的波动性 一、电磁波与光 1、麦克斯韦方程组及物质方程 实际上，在麦克斯韦方程组建立之前，人们对静态电磁场已有相当程度的认识。如静电场中的库仑定律、电场强度、电感通量及高斯定理；静磁场中的毕奥-萨法尔-拉普拉斯定律、安培环路定律、磁通量及磁场中的高斯定理等已为人们所熟悉。根据电流密度 和电流强度 的定义，获得电荷守恒和连续性方程。并已了解静电场是有源（）无旋（）场，而静磁场是无源（）有旋（）场。当时人们认为，在导电介质中，静电场和静磁场可以同时存在从而构成静态电磁场；静电场形成的恒稳电流能激励产生静磁场，而静磁场仅是一种结果，并不影响原来的电场；静态情况下，电场量、与磁场量、是相互无关的物理量。麦克斯韦在对当时已有的电磁规律进行总结以后，试图将它们应用于电场和磁场随时间而变（时变电磁场）的情形或场合。 根据法拉第的电磁感应定律，变化的磁场可以在闭合回路中产生感生电动势；另一方面，闭合回路中的感生电动势可以通过对电场强度沿回路的环积分获得，即，从而有 或 7-1-1 将此情形下由时变磁场引起的电场定义为涡旋电场,而此时因，该电场不同于以前的静电场，不再是无旋场。 法拉第电磁感应定律揭示：时变磁场能够产生涡旋电场，表明此情形下磁场与电场具有内在联系。受此启发，麦克斯韦立刻联想到变化的电场能否产生涡旋磁场呢？为此麦克斯韦构筑了包含真空电容器在内的电回路，如图7-1-1所示。假如对于时变电场安培环路定律仍成立，则有 ，其中为真空磁导 率。由矢量运算恒等式，有；但由电荷守恒的连续性方程 ，包围真空电容器极板的封闭曲面内电荷密度显然是随时间变 图7-1-1 化的，即，因此原形式的安培环路定律在时变电场条件下不再成立了。为解决这一矛盾，麦克斯韦引入位移电流密度 ，以区别于导体中传导电流密度，而全电流 。由于传导电流密度须满足连续性方程，即，只要保证，就有，从而保证安培环路定律在时变电场条件下仍然成立，安培环路定律经修正后的新形式为 或 7-1-2 修正后的安培环路定律表明，通过引入位移电流，时变电场同样会产生涡旋磁场。 实际上，脱离具体的电路，时变电磁场在空间（介质）中同样可以产生交互作用。此时，除了传导电流密度和位移电流密度，还有可能存在因介质极化和磁化而产生的极化电流密度和磁化电流密度。可以证明，电介质的极化电流密度，而磁介质的磁化电流密度。前者的物理本质是电极化过程中因极化电场的建立而对原电场产生扰动所带来的附加电流密度；后者的物理本质是磁化过程中因原子磁矩排列的有序化而引起宏观电流密度的改变量。在电场强度不太大的线性极化范围，电极化强度 ；同样对于非铁磁性的线性磁介质，磁化强度（和为常数）。将上述极化电流密度和磁化电流密度的表达式带入7-1-2的微分表达式中，得到 整理后，有 或 由此介质中的麦克斯韦方程组具有如下形式 积分形式： 微分形式： 7-1-3a 7-1-3b 7-1-3c 7-1-3d 相应的物质方程（或本构关系）： 7-1-4a 7-1-4b 7-1-4c 麦克斯韦方程组和相应的物质方程揭示了电磁物