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粒子光学常数的尺寸效应

殷金英  
【摘要】: 粒子态物质大量存在于航天、气象、建筑、医学等多个应用领域。在研究颗粒辐射特性的电磁理论中,粒子复折射率是颗粒辐射特性计算前提和基础。当粒子粒径量级达到与光波长可以比拟时,不能忽略由于粒径变化引起的光学常数的变化。目前工程辐射特性计算中多利用实验测量出的粒子复折射率作为物性参数,或直接利用大块物质代替不同粒径粒子的复折射率,然而实验测量值大多是平均粒径复折射率。 本文从理论上研究了粒径变化时粒子光学常数n、k值的尺度效应。通过洛伦兹和德鲁特色散理论,对可能产生尺度效应的参数进行了理论分析。在德鲁特模型的介电函数基础上,对自由电子弛豫时间引入尺度修正,建立了金属粒子n、k值随波长和粒径变化的尺度效应模型。在洛伦兹模型基础上,类比声子散射,提出了对束缚电子的等离子体频率和束缚电子弛豫时间引入尺度修正因子,建立了电介质粒子n、k值随波长和粒径变化的尺度效应模型。 从粒径、波长和温度三个方面,通过电介质粒子尺度效应模型对氧化铝粒子进行计算与分析,验证了粒径与波长相当时模型能大致计算出粒子光学常数n、k值。将波长0.6328μm时氧化铝粒子计算的n、k值和查找到的实验值进行对比,得出理论值与实验值的趋势一致。将粒径为0.97μm时随波长变化的n、k计算值与Brewster计算值和大块实验值进行对比,得出粒子n、k值与大块物质n、k值变化趋势一致,并且通过比较发现由尺度效应模型计算的n值要比Brewster值和大块实验值大,而k值则比这两个值小。将不同温度的随波长变化的粒子n、k计算值与Brewster计算值的规律进行比较,得出粒子与大块物质的变化规律基本符合。同时本文也通过金属粒子尺度效应模型对金纳米粒子n、k进行了计算和分析,初步体现了纳米量级不同粒径金粒子的n、k值尺寸效应。电介质粒子尺度效应模型和金属粒子尺度效应模型的建立将对工程辐射特性计算中不同粒径粒子复折射率这一物性参数提供一种有效的计算方式。


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