光电对抗：电磁波—物质相互作用模型和机理

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 x（N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）。

FexMy@Ni3Fe/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：

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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）