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  研究微波與物質(宏觀物體或微觀粒子)的相互作用的一門科學,主要包含微波經典物理學和微波量子物理學。

1 微波物理學 -正文

微波經典物理學研究微波在介質和波導系統中的傳播,以及和帶電粒子的相互作用等宏觀現象,如微波熱效應、微波傳播、散射、衍射和干涉等。其理論依據是麥克斯韋方程組、材料的固有電磁性質和具體的邊界條件。微波與光學相互滲透、密切結合而形成一門邊緣學科,稱微波光學。微波量子物理學研究微波和材料中的電子(自由電子、束縛電子、自旋電子和超導電子)、原子核和分子的相互作用,涉及微觀的量子效應。微波量子物理學的研究是量子力學原理在較低的波動頻率範圍內的應用,其最主要特點是微波的能量子hvh是普朗克常數;v是微波頻率)很小,並且hv可以測得很精確。
  微波量子物理學主要包括微波波譜學、微波磁學、微波等離子體物理學、微波超導技術、微波聲學和微波半導體物理學。
  微波波譜學  第二次世界大戰之後,在利用軍用微波設備研究原子、分子、原子核及固體波譜中的精細和超精細結構時,人們發現某些分子的轉動波譜頻率恰好落在 1~10吉赫的範圍內。用光譜學方法是不可能分辨出這類精細或超精細結構譜線的躍遷(能量差)的,而微波卻成為研究這些分子純轉動波譜的有力工具。其研究結果直接導致了微波激射器和激光器的發明,從而形成了一門新的邊緣學科──微波量子電子學。微波還可以用來確定由電場或磁場所引起的譜線分裂(即史塔克或塞曼分裂)和核磁矩與核電四極矩的值(見微波和射頻波譜學)。
  微波磁學  研究微波和固體材料中自旋電子的相互作用。鐵磁共振在磁學乃至固體物理學中都佔有重要地位,它是微波鐵氧體物理學的基礎。隨著旋磁媒質電動力學的發展,先後發現了鐵氧體的法拉第效應、卡登-冒頓效應、場移效應與共振吸收效應,並研製出各種微波鐵氧體器件(隔離器、環行器、相移器等)。此外,磁共振技術也是研究順磁、亞鐵磁、鐵磁和反鐵磁材料的有力工具。
  微波等離子體物理學  等離子體是物質的第四態,是流動的、通過庫侖力耦合起來的正、負帶電粒子系統。固體等離子體是固體晶格的正電荷背景中可以流動的自由電子或空穴。如果等離子體中出現密度起伏,就會在空間產生局部的庫侖力,傾向於把高密度區域的電子拉回到低密度區域。由於電子同時受到該庫侖恢復力和電子慣性力的作用,將在其平衡位置附近形成等離子體振蕩。很多等離子體的振蕩頻率恰在微波波段(如銻化銦的頻率屬於毫米波),因此可以利用微波測定等離子體的性質,也可能利用等離子體振蕩製成微波器件。
  微波超導技術  研究微波和超導電子(即所謂庫柏對)的相互作用及其應用的技術。當約瑟夫遜隧道結上加一直流偏壓U0時,通過結區的電流中除正常電子的隧道電流外,還有頻率為微波物理學的正弦振蕩超導電流,在10-5U0 ≤ 10-3的電壓範圍內,相應的振蕩頻率屬於微波波段。微波和超導電子的另一個相互作用是感應的約瑟夫遜交流效應。用頻率為vm的微波照射存在超導電流振蕩的約瑟夫遜結,使結的兩側受到交變電壓U╭=Umcos2πνmt的作用,則每當

微波物理學

時,在直流I-U曲線的背景電流上出現台階形的變化(當vm=10吉赫時,U每增加20.7微伏將使台階上升一級)。利用上述效應可製成壓控振蕩器、電壓基準以及微波檢測、混頻、參數等低雜訊接收器件。在微波經典物理學的範疇內,根據倫敦方程和麥克斯韋方程而不涉及微觀機制就可以研究超導體的微波性質以及外磁場對超導體表面阻抗的影響。它們對研製超導傳輸線和超導諧振腔具有重要意義。
  微波聲學  研究頻率為1~104吉赫範圍內的聲波的產生、檢測和傳播等特性,以及各種微觀結構的相互作用及其應用。按照量子力學理論,晶格振動可以看成是許多具有分立能級的簡諧振動的疊加,並且有零點振動能。量子化的晶格振動的能量子稱為聲子,是服從波色統計律的准粒子。固體中晶格振動的上限截止頻率一般落在微波頻率(1~10太赫)。
  微波半導體物理學  研究微波與半導體材料中自由電子(和空穴)的相互作用。半導體材料(如硅、砷化鎵等)導電能帶上的自由電子和空穴在直流電場作用下會引起隧道效應,空間渡越時間效應等。這些效應在微波頻率會引起負阻或非線性特性,從而製成各種微波器件,用於微波信號的振蕩、放大、變換和控制等。人們還發現,亞毫米波波譜的研究是分析半導體材料中能帶結構的最有效方法。
  參考書目
 任之恭著:《微波量子物理學》,科學出版社,北京, 1980。

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