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出版者:科学出版社

作者:谭小丹编

出品人:

页数:170 页

译者:

出版时间:2002年06月

价格:19.8

装帧:平装

isbn号码:9787030102607

丛书系列:

图书标签:

• 医学物理学
• 物理学
• 医学
• 放射物理
• 核医学
• 医学影像
• 剂量学
• 治疗计划
• 辐射防护
• 生物效应

《电磁场与电磁波》内容简介 书籍名称： 电磁场与电磁波 作者： [此处留空，或填写假定的作者姓名，例如：李明 著] 出版信息： [此处留空，或填写假定的出版社和年份] --- 绪论：穿越时空的基础学科 《电磁场与电磁波》并非关注人体内部或医疗设备的物理应用，它是一部深度聚焦于宏观电磁现象本质的经典教材与专著。本书旨在系统、严谨地阐述描述电磁现象的基本规律、数学工具以及由此衍生的各类波的传播、辐射与接收机理。它搭建了一座坚实的桥梁，连接了19世纪经典物理学的辉煌成就与21世纪信息科学、通信技术乃至高能物理的前沿探索。 本书的视角是纯粹的、基础的，它将电磁现象置于一个抽象的、几何化的场论框架内进行剖析。我们探讨的重点在于电磁场的空间分布、时间演化，以及这些场如何相互作用，形成无处不在的电磁辐射。 第一部分：静电场的精深解析 本书的起点是静电学——电荷静止时所产生的物理效应。但我们不会止步于库仑定律的简单应用。 1. 矢量分析与场论基础： 在深入研究电荷分布之前，本书首先建立了必要的数学基础。我们详细回顾了矢量微积分的三个核心算符——梯度（$ abla f$）、散度（$ abla cdot mathbf{E}$）和旋度（$ abla imes mathbf{E}$）——在直角坐标系、柱坐标系和球坐标系下的具体表示。理解这些算符的物理意义，是掌握麦克斯韦方程组的先决条件。 2. 库仑定律与叠加原理： 从离散点电荷开始，我们推导了连续电荷分布（线、面、体分布）产生的静电场。重点在于如何利用积分来处理复杂的几何结构。 3. 电势与等势面： 电势（标量场）的引入极大地简化了电场强度的计算。本书深入讨论了电势的物理内涵、电势梯度与电场强度的关系，以及如何利用拉普拉斯方程（$ abla^2 V = 0$）和泊松方程（$ abla^2 V = - ho / epsilon_0$）求解静电势的边界值问题。求解这些偏微分方程的过程，是理解势场理论的核心技能。 4. 高斯定理的几何意义： 高斯定理作为电场的高斯散度形式，被赋予了深刻的几何诠释——电场的通量与包围的净电荷量之间的关系。我们通过多种对称性问题（如无限长线、带电球壳）的求解演示了其强大的威力，并探讨了在介质中的应用，区分了自由电荷和束缚电荷。 5. 静电场的能量与导体问题： 本部分结尾聚焦于储存在静电场中的能量密度 $w_e = frac{1}{2}epsilon_0 E^2$，以及导体在静电平衡状态下的行为特征（如场强为零、净电荷位于表面、导体表面为等势面等）。我们深入分析了静电平衡下导体之间的相互作用和静电场的唯一性定理。 第二部分：稳恒电流与静磁场 本部分将视角从静止电荷扩展到匀速运动的电荷，即稳恒电流，并由此引出磁场的概念。 1. 电流密度与连续性方程： 首先定义了电流密度 $mathbf{J}$，并阐述了电荷守恒定律在微分形式下的体现——连续性方程 $ abla cdot mathbf{J} = -frac{partial ho}{partial t}$。对于稳恒电流（$partial ho / partial t = 0$），该方程简化为 $ abla cdot mathbf{J} = 0$。 2. 磁场的基本定律： 本书核心在于引入毕奥-萨伐尔定律（描述电流源）和安培环路定律（描述稳恒电流的宏观效应）。我们通过计算长直导线、有限长导线、圆形线圈以及螺线管周围的磁场分布，展示了安培定律在具有高度对称性问题中的便捷性。 3. 磁矢势的引入： 类似于电势，磁矢势 $mathbf{A}$ 被引入来简化磁场的计算，特别是对于复杂电流分布产生的磁场，其优势更为明显。我们探讨了磁矢势的定义 $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$ 以及相关的泊松方程。 4. 磁介质中的磁场： 与静电场类似，我们引入了磁感应强度 $mathbf{B}$、磁场强度 $mathbf{H}$ 以及磁化强度 $mathbf{M}$ 的概念，并讨论了顺磁性、抗磁性和铁磁性材料在静磁场中的行为。 第三部分：时变场与麦克斯韦方程组的统一 这是全书的物理高潮部分。本书系统地展示了法拉第电磁感应定律和麦克斯韦引入的“位移电流”如何将静电学和静磁学统一为一个动态的、自洽的电磁场理论。 1. 法拉第电磁感应定律： 深入分析了磁通量随时间的变化如何产生感应电动势和涡旋电场。此处强调了感应电场 $mathbf{E}$ 与静电场 $mathbf{E}_s$ 在性质上的根本区别——感应电场的旋度不为零 ($ abla imes mathbf{E} eq 0$)。 2. 麦克斯韦方程组的完整形式： 本书将四个基本定律（高斯电、高斯磁、法拉第感应、安培-麦克斯韦定律）整合为一个完整的、在任何参考系下都成立的微分方程组： $$egin{cases} abla cdot mathbf{D} = ho_f \ abla cdot mathbf{B} = 0 \ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t} \ abla imes mathbf{H} = mathbf{J}_f + frac{partial mathbf{D}}{partial t} end{cases}$$ 本书花费大量篇幅，使用纯粹的数学推导来阐明“位移电流” $frac{partial mathbf{D}}{partial t}$ 在维持电荷守恒（连续性方程）中的不可或缺的作用。 3. 场的能量、动量与边界条件： 进一步讨论了时变场中能量的流动，引入了坡印廷矢量 $mathbf{S} = mathbf{E} imes mathbf{H}$ 来描述能量流密度，以及坡印廷定理。同时，详细推导了电磁场在不同介质分界面上的边界条件，这些条件是求解实际工程问题的关键。 第四部分：电磁波的传播、辐射与应用 麦克斯韦方程组的最终成功在于它预言了电磁波的存在——即电场和磁场相互激发、以光速在真空中传播的波动现象。 1. 波动方程的推导： 从麦克斯韦方程组中，通过对 $mathbf{E}$ 和 $mathbf{H}$ 施加旋度运算，本书系统地推导出了齐次和非齐次的电磁波方程（波动方程），并证明了在无源、无损耗的自由空间中，波速 $c$ 与介电常数 $epsilon_0$ 和磁导率 $mu_0$ 的关系：$c = 1/sqrt{epsilon_0 mu_0}$。 2. 平面波在无损耗介质中的传播： 详细分析了均匀平面波的特性，包括其相速、波长、相位常数 $eta$、特性阻抗 $eta$，以及电场、磁场之间的相位和空间关系。分析了波在介质内部的衰减特性（损耗角 $alpha$）。 3. 反射与折射： 严格应用边界条件，推导了平面电磁波在两种不同介质界面上的反射和透射现象。菲涅耳公式（包括斯涅尔定律）的推导是本节的重点，分析了垂直和平行极化波的反射系数和透射系数。 4. 辐射场理论（基础）： 本部分最后简要介绍了场的远场近似和近场概念，并从理论上探讨了基本的电磁辐射源，例如： 单极天线（振子）： 分析了电流元（如赫兹振子）产生的远场辐射方向图和总辐射功率。 电偶极子： 深入研究了典型的、最基本的辐射体——振荡电偶极子的辐射特性，包括其球坐标下的场分布。 总结与展望 本书是一部注重物理图像和数学严谨性的作品，它侧重于电磁现象的基本场论描述，而非具体的工程应用技术（如雷达、射频电路设计、核磁共振成像等）。它要求读者具备扎实的微积分和矢量分析功底，旨在培养读者建立起对电、磁、光现象统一理解的科学思维框架。学习本书，即是掌握了现代电磁学大厦的基石。

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这本书的实用性和前瞻性，我认为是它最值得称赞的地方。它没有仅仅停留在描述现有的成像技术，而是花了相当大的篇幅讨论了新兴的分子影像技术和剂量学前沿。我尤其欣赏它对“第四范式”——即数据驱动物理模型——的探讨。例如，在讨论PET成像时，书中不仅解释了放射性核素衰变的基本物理过程，更深入探讨了如何利用蒙特卡洛模拟来优化探测器设计和降低随机符合率，这显示了作者紧跟科研脉搏的视野。书中的每一个章节末尾都附带了一系列具有挑战性的思考题，这些问题往往要求读者将书中学到的原理应用于解决实际的临床难题，比如如何补偿不均匀体内的剂量分布，这对于培养解决实际问题的能力非常有帮助。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一份引领未来技术发展的路线图。

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这本《医学物理学》的理论深度真是让人叹为观止。我原以为这会是一本偏向科普的入门读物，但事实证明，它对物理学原理在生物医学领域的应用进行了极其细致和深入的剖析。作者在讲解电磁辐射与物质相互作用时，不仅罗列了经典理论，还引入了量子力学视角下的复杂散射过程，即便是对于已经学过基础物理的我来说，也需要反复阅读才能完全消化其中的数学推导。特别是关于X射线成像的衰减系数计算部分，书中详细对比了不同组织密度对光子束穿透力的影响，并给出了多个实际的工程案例作为佐证。书中对粒子加速器在放射治疗中剂量计算模型的构建，也展现了极高的专业水准，各种修正因子和几何学考量都被考虑在内，这对于希望从事临床物理工作的读者来说，无疑是一份宝贵的参考资料，它远超出了我预期的“基础读物”范畴，更像是一本面向专业研究人员的深度参考手册。

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坦率地说，这本书的难度曲线略显陡峭，对于初次接触医学物理概念的读者来说，可能需要多次放慢脚步。它的语言风格非常严谨、精确，几乎没有使用任何口语化的表达。在介绍放射生物学效应时，它直接引用了大量的剂量-效应曲线模型和生物学参数，而没有过多地去铺陈生物学背景知识。这使得读者必须具备一定的生物医学基础才能流畅阅读。例如，对LET（线性能量转移）的讨论，其深度已经超出了常规医学物理学的范畴，几乎达到了粒子物理学的标准。虽然这保证了内容的专业性和深度，但同时也对读者的预备知识提出了较高的要求，我感觉自己像是硬生生地被推入了一个高阶的学术研讨会中，需要不断查阅其他领域的资料来辅助理解。

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我对这本书的排版和图示设计印象极其深刻，这极大地提升了阅读体验。在介绍超声波物理学时，那些动态的声束聚焦和波前传播的彩色插图，清晰地展示了声学透镜如何控制声场的能量密度，这一点对于理解聚焦超声消融的原理至关重要。很多教科书在处理复杂三维空间概念时往往显得力不从心，但《医学物理学》通过巧妙的二维剖面图和详尽的标注，成功地将这些抽象的概念具象化了。举例来说，在核磁共振成像（MRI）的章节，对于梯度场如何编码空间信息的解释，配上的图形直观地展示了K空间填充的过程，没有冗余的文字，全靠视觉引导，阅读起来丝毫不觉得枯燥。这种注重图文结合的叙事方式，让那些原本晦涩难懂的物理模型变得触手可及，使得非物理背景的医学生也能快速抓住核心概念。

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这本书给我的整体感受是“结构宏大，细节扎实”。它成功地构建了一个从基础物理定律到复杂临床应用之间的完整桥梁。最让我赞叹的是它对不确定性分析的处理。在任何一个涉及到测量和重建的章节，作者都没有回避测量误差和系统偏差对最终图像质量或治疗计划的影响。书中用专门的章节来讲解误差传播的原理，并示范了如何计算各种参数的置信区间。这种对“不确定性”的坦诚讨论，使得整本书的论述充满了科学的审慎态度，而不是盲目地宣扬技术的完美性。它教导的不仅仅是“如何做”，更是“如何科学地评估你所做的一切的可靠性”，这种严谨的科学精神贯穿始终，令人信服。

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