固体物理中的光学现象

力热电光磁，是基本的几种性质力，虽然究其根本都是电磁相互作用。统一的来源在不同的结构和场景下表现为不同的现象，也是自然法则的精妙之处。

力，伴随的是固体弹性的研究，这就是材料力学，弹性力学的范畴，主要的应用是结构材料，承力材料。

热，伴随的是吸热放热的研究，也就是热力学的范围，应用在高温，高压环境中，比如热机材料，导热材料，绝热材料。

电，伴随的是导电性的研究，也就是电力电子方面，应用于高低压，高低频电路中。

光，伴随的是颜色，发光，吸收，散射的研究，应用于照明，调光，遮光等方面。

磁，伴随的是磁场，磁性等性质，在永磁，电磁上广泛应用。

从这样的角度看，材料包纳了许多物理现象，是道之用，自然规律总是统一于物质中，而可被人们处理的物质，就可以称为材料。

现在，着眼于固体物理中的光学现象。

说到光，有两个问题必须搞清楚，光是如何产生的？又是如何消失的？

先看第一个问题，光是如何产生的？这就涉及到量子理论了，我们常见的各种光，虽然习以为常，但是都有着微观的机制，比如白炽灯，就是加热灯丝，使得灯丝内部原子中的电子获得能量而跃迁到激发态，然后退激发，基态到激发态的能量差就变成了纯粹的能量，经由光子这种形式释放出来。可以这样理解，光就是能量的载体，所以产生光的地方必定有能量差和能级跃迁。这个过程其实通过电磁相互作用的角度理解的话会更自然一些，光子就是电磁相互作用的传播子，实物粒子的能量交换就是经由传播子实现的，所以，光子就是相互作用能的载体。于是问题解决了，光是由能级跃迁导致的能量差产生的。

第二个问题，光是如何消失的？光子本身是传递能量的粒子，所以那里有能量吸收，那里就会发生光的消失。产生和消失本身就是相互作用必然过程，从能量施与的系统发出光，而在能量接受的系统中吸收光。

然后，我们考虑固体物理中的光现象又有什么特点。由上一篇文章，我们已经知道，一般考虑的固体中的物质就是声子和电子，所以固体的光学现象也必然和这两种粒子有关。光伴随着能量差，这种能量差就是固体中的粒子从一个位置移动到另一个位置导致的，也就是声子的移动和电子的移动，由于声子和电子的位置由布里渊区和能带表示，所以光现象伴随着粒子在布里渊区或者能带中的位置变化。这种变化会导致固体宏观性质的变化，因此虽然考虑的是光现象，必然会伴随着其他性质的变化，比如光热，光电，光力，光磁，这就构成了极为丰富的研究和应用领域。

描述光现象需要使用麦克斯韦方程组，毕竟光是电磁波，在方程组中，材料的性质是通过本构方程引入的，使用唯象的介电函数描述电场作用下材料诱导出的极化场的大小。所以，在这个角度下，材料的光学性质完全由介电函数决定。当然也有磁化率，只是磁性在光场下不明显，一般忽略。

描述介电函数所依赖的固体中的带电粒子分布，对于不同的晶格，原子，以及不同状态的电子，自然是有差异的。如果想要获得一个合理的表达式，就需要对这些差异进行分类讨论，逐步细化。不过，电子的能带结构其实已经综合了这些因素，因为能带本身就是在周期性晶格势场下求解薛定谔方程获得的，这个势场已经将晶格和原子的性质包含了。

固体中包含着数种性质不同的电子，靠近原子的是束缚电子，几乎不受原子约束的是自由电子，自由电子可以通过薛定谔方程获得其运动性质，束缚电子则需要考虑势场的影响，相比之下更难处理。所以介电函数可以分为两项，一项是自由电子项，一项是束缚电子项。前面一项比较简单，后面一项非常复杂，他涉及了晶体的结构，原子的状态，对于不同的材料，变化很多。

其中与束缚电子有关的一种重要现象是带间跃迁，就是电子从一条能带跃迁到另一条能带，这种跃迁具有较大的能极差，所以伴随着可观察的光现象。这种现象的产生来源有很多，从一般原理分析，需要考虑产生各种能极差的条件，原始晶格自不考虑，对于存在各种缺陷，杂质的晶格，能带结构也会发生较大变化，引入新的能级或者归并已有能级，而一些量子力学效应也会导致能级的分裂，比如自旋-轨道效应，自旋-自旋效应。这些因素就导致问题非常复杂。材料被称之为玄学，很大程度上也是如此而来的。

总结一下，光现象伴随着能量的传递，在材料中就反映为介电函数的表示，介电函数中自由电子项容易处理，束缚电子项由于关系着晶体结构和原子状态，所以同能带结构联系紧密，形式比较复杂，而且由于广泛使用量子理论，也很难理解。

其实，对于光现象的研究，应用极为广泛，各种彩灯，太阳能电池，显示，激光，荧光，变色。毕竟人们认识和体验世界的主要途径就是视觉现象，视觉上的转变也是最容易被察觉的，不是有这样的说法，科技发展在于视觉特效，虽然是个笑话，其实也说明了视觉的重要性。