MXene金属位点致电子局域化的电磁衰减电磁波与物质的相互作用本质上是电磁场与物质内部带电粒子主要是电子 发生耦合从而导致能量的交换和转化。这种相互作用的表现形式多种多样包括反射、折射、吸收、散射、透射、激发等其具体机理强烈依赖于电磁波的频率或能量 以及物质的组成与结构。电磁波与物体的相互作用及电磁隐身示意一、经典理论模型宏观、连续经典模型将物质视为连续介质将电磁波视为经典的波动用麦克斯韦方程组和物质方程来描述。一洛伦兹振子模型这是最核心、最直观的经典模型。它假设物质中的电子或离子被等效为受到弹性束缚的振子并与入射电磁波的振荡电场发生受迫振动。1. 模型机理驱动入射电磁波的振荡电场 对电子施加一个周期性的驱动力 。束缚电子被原子核束缚等效为一个弹簧提供恢复力 其中 是电子的固有共振频率。阻尼电子在振动过程中会因与其他原子碰撞或辐射能量而损失能量等效为阻尼力 其中 是阻尼系数。2. 运动方程这个方程的解给出了电子的位移 x(t)。3. 导出宏观量电极化大量电子的位移形成宏观的电极化强度 P -N e xN是电子数密度。复介电常数P 与 E的关系定义了物质的复介电常数。复折射率其中 n 是折射率是消光系数。4. 解释现象吸收当入射光频率 接近固有频率 时发生共振电子剧烈振动能量通过阻尼力最大限度地转化为热能吸收。这体现在复折射率虚部出现峰值。色散折射率n 随频率 变化的现象棱镜分光。在吸收峰附近色散曲线最为剧烈。反射与透射通过菲涅尔公式由介电常数或折射率决定。该模型完美解释了可见光在电介质如玻璃、水中的传播、吸收和色散行为。(二 Drude模型自由电子模型这是洛伦兹模型的一个特例适用于描述金属或等离子体中的自由电子气行为。它假设电子不受束缚但存在阻尼碰撞。1. 运动方程2. 导出宏观量同样可以导出金属的复电导率 和复介电常数 。3. 解释现象金属反射在低频如微波、无线电波自由电子能完全跟上电场振荡产生一个反向场几乎100%反射电磁波。等离子体频率 当 时电子无法跟上高频电场的变化电磁波可以穿透金属金属变得透明例如X射线能穿透金属。导体的欧姆损耗阻尼项 对应电子的碰撞将电磁波能量转化为焦耳热吸收。FexMyNi3Fe/CNFs的微波吸收机理二、量子理论模型微观、分立当电磁波频率很高能量很大如紫外、X射线或需要理解物质内部的具体激发过程时经典理论不再适用必须采用量子力学模型。核心机理是光子的吸收与发射电磁波能量是量子化的即由光子组成每个光子的能量 。物质内部的能量状态电子能级、振动能级、转动能级也是量子化的即分立的能级。相互作用的过程就是光子与物质系统交换能量和动量的过程必须遵守能量守恒和动量守恒定律。一光吸收物质吸收一个光子从一个低能级 E_1跃迁到一个高能级 E_2。1. 条件$2. 类型按能级种类分电子跃迁价电子从价带跃迁到导带半导体或从低能级到高能级原子、分子。对应紫外、可见光区域。振动跃迁分子化学键的振动能级跃迁。对应红外区域。转动跃迁分子转动能级跃迁。对应微波、远红外区域。选择定则并非所有满足能量条件的跃迁都能发生还必须满足动量守恒和宇称等选择定则。二光发射物质从高能级 E_2 跃迁到低能级 E_1释放一个光子。自发发射处于激发态的粒子随机地、独立地跃迁发光如LED、荧光。受激发射处于激发态的粒子在入射光子的刺激下跃迁发光发出的光子与入射光子同频率、同相位、同方向、同偏振。这是激光的工作原理。三光散射光子与物质系统发生非弹性相互作用过程中物质系统的能量状态发生改变。拉曼散射光子与分子发生非弹性碰撞能量变化对应分子振动或转动能级的跃迁。用于分析分子结构。布里渊散射能量变化对应声子晶格振动 的激发。用于研究材料力学性质。康普顿散射高能光子X射线与自由电子或弱束缚电子的非弹性散射证明了光子的粒子性。四非线性光学效应当入射光非常强如激光时极化强度 P 与电场强度 E 不再是简单的线性关系 ()而是会出现高阶项这些高阶项产生了全新的现象二次谐波产生两个光子合并成一个能量加倍频率翻倍的光子。和频/差频产生两个不同频率的光子合并或相减产生新频率的光子。光学克尔效应 材料的折射率与光强成正比导致自聚焦等现象。Ni-MX复合材料的电磁波吸收性能三、总结按电磁波频段划分的相互作用1. 按电磁波频段划分的相互作用按电磁波频段划分的电磁波-物质相互作用2. 核心对比经典 vs. 量子电磁波-物质相互作经典模型和量子模型未完待续