Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Rother, Tom

出品人:

页数:308

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价格:$ 179.67

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isbn号码:9783642007033

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 微波
• scattering
• Electromagnetic scattering
• Nonspherical particles
• Mie theory
• T-matrix method
• Computational electromagnetics
• Light scattering
• Particle optics
• Radiative transfer
• Atmospheric optics
• Remote sensing

《非球形粒子电磁波散射》 内容简介 本书深入探讨了在复杂介质环境下，电磁波与非球形粒子之间相互作用的理论与应用。随着现代科技在遥感、医学成像、材料科学以及环境监测等领域的飞速发展，精确理解和模拟电磁波在包含非均匀、非球形结构的介质中的传播与散射行为，已成为一门至关重要的前沿学科。传统上，对球形粒子的散射理论（如米氏理论）已相对成熟，但现实世界中的许多散射体——包括生物细胞、矿物颗粒、复合材料中的纤维或晶体结构等——均呈现出显著的非球形特征。因此，发展和应用适用于这些复杂几何形状的散射模型与计算方法，是当前电磁散射研究的核心挑战。 本书系统地构建了一个理论框架，旨在为处理任意形状粒子电磁散射问题提供坚实的数学基础和实用的数值工具。全书内容组织严谨，逻辑清晰，从基础的麦克斯韦方程组和边界条件出发，逐步深入到解决复杂散射问题的各种先进数值方法。 第一部分：理论基础与散射概述 本部分首先回顾了电磁波理论的基本原理，包括亥姆兹方程、平面波展开、傅里叶变换在散射分析中的应用，以及相关的互易性原理和散度定理。重点在于建立散射场的定义，区分远场、近场，并引入散射截面、辐射强度等关键物理量。 随后，本书详细剖析了处理非球形散射体的数学挑战。与球对称问题相比，非球形粒子要求采用更复杂的场展开方法。我们引入了矢量波函数（Vector Wave Functions）的概念，特别是球谐函数在直角坐标系中的扩展，如圆柱波函数和双曲抛物面波函数，为后续处理非正交坐标系下的几何结构奠定了基础。 第二部分：解析与半解析方法 在理论建模层面，本书详细阐述了几种适用于特定类型非球形粒子的解析或半解析方法： 1. 离散偶极子近似（Discrete Dipole Approximation, DDA）方法： 虽然DDA本质上是一种数值方法，但其理论基础是将其离散化为一系列相互耦合的偶极子。本书深入分析了DDA的收敛性、计算效率及其在处理具有内部结构或复杂表面的粒子时的优势与局限性。我们详细讨论了如何选择合适的偶极子间距和极化率模型来提高模拟的精度。 2. T-矩阵方法（T-Matrix Method）： T-矩阵方法是处理特定对称性（如椭球体、圆柱体、双锥体）非球形粒子散射的强大工具。本书详述了T-矩阵的构造过程，即如何通过匹配粒子表面边界条件，将入射场转化为散射场。特别关注了如何利用粒子的对称性来简化T-矩阵的计算，以及在计算过程中如何处理高阶模式的耦合问题。 3. 格林函数与边界积分方程（Boundary Integral Equations, BIE）： 本部分着重介绍了基于电磁场格林函数的边界积分方程方法，特别是默特（Möller）方程和玻恩近似在处理弱散射情况下的应用。对于强散射问题，我们探讨了电磁场积分方程（Electric Field Integral Equation, EFIE）和磁场积分方程（Magnetic Field Integral Equation, MFIE）的推导，并讨论了如何使用波恩近似（Born Approximation）来简化方程组，尤其是在折射率变化不剧烈的情况下的有效性。 第三部分：全波数值模拟技术 针对几何形状高度不规则或材料性质极其复杂的粒子，本书将焦点转向通用型全波数值方法，这些方法不依赖于任何特定的对称性假设： 1. 有限元方法（Finite Element Method, FEM）： FEM是处理任意几何结构和非均匀介质的基石。本书详细介绍了如何将麦克斯韦方程转化为变分形式，并在非结构化网格上进行离散化。重点讨论了边界吸收层（Absorbing Boundary Conditions, ABCs）的设计，如完全匹配层（Perfectly Matched Layer, PML），以精确模拟无限空间中的散射现象。我们还探讨了在高频/大尺度问题中，传统FEM面临的网格剖分挑战及相应的优化策略。 2. 时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）： FDTD方法以其直观性和易于实现的特点，在瞬态散射分析中占据重要地位。本书详述了Yee元胞的构建、稳定性和色散关系。对于非球形粒子，边界处理是关键，因此我们深入分析了FDTD边界条件（如Mur条件、PML）在模拟复杂表面时的适用性。 3. 耦合方法（Hybrid Methods）： 认识到单一方法的局限性，本书专门用一章介绍了几种混合数值方法。例如，将FEM应用于粒子内部的非均匀区域，而将FDTD或T-矩阵方法应用于外部远场区域的耦合方案。这种混合策略旨在结合不同方法的优点，以平衡计算精度与资源消耗。 第四部分：应用与案例分析 本书的最后一部分将理论和方法应用于几个关键的实际散射场景，展示非球形散射理论的工程价值： 1. 遥感与大气科学： 分析了冰晶、烟尘颗粒、生物气溶胶等非球形粒子对微波和红外波段辐射传输的影响。通过建立基于粒子形状和定向分布的散射模型，解释了极端天气现象中的雷达回波异常。 2. 生物医学应用： 探讨了电磁波在穿透软组织、细胞团或血液中的散射特性。重点关注了椭球形或不规则形状的细胞核、线粒体等对射频消融（RFA）或磁共振成像（MRI）信号的影响。 3. 材料科学与光学工程： 讨论了在复合材料、涂层技术中，由于内部纤维、填料或缺陷的非球形结构导致的电磁性能退化或增强效应。案例分析包括如何通过控制散射体的形状参数来调控材料的有效介电常数和吸收特性。 本书内容翔实，理论深度与工程实用性并重，旨在为从事电磁场理论、微波工程、光学、遥感和生物物理学研究的科研人员、高级工程师及研究生提供一本全面、权威的参考手册。通过本书的学习，读者将能够根据特定的散射问题选择最合适的理论模型和数值计算技术，从而准确预测和解释非球形粒子介质中的电磁波行为。

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我对《Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles》这个书名感到非常兴奋，因为它触及了一个在我的学习和工作中一直让我感到困惑的课题。通常，我们在讨论散射问题时，倾向于使用简化的球形模型，这在很多情况下确实能提供有用的近似。然而，现实世界很少如此完美，无论是大气中的气溶胶、土壤中的颗粒物，还是生物体内的微小结构，它们都具有复杂的、非球形的形状。这些不规则的形状，对于电磁波的散射行为会产生怎样的影响？书名直接点出了这个问题，我期待这本书能够提供一套清晰的框架，来理解和量化这种复杂性。我很好奇书中会如何处理这些“不规则”。是会介绍一些更先进的数学技术，还是会侧重于数值模拟的策略？我猜想，这本书可能会深入探讨如何将复杂的几何形状纳入散射模型，并且讨论这些形状特征如何影响散射的强度、方向性以及偏振特性。如果这本书能让我更好地理解，例如，为什么不同形状的尘埃颗粒会导致不同的天空颜色，或者为什么某些纳米材料在特定形状下会表现出独特的光学性质，那将是非常有价值的。

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这本书的标题《Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles》听起来就颇具学术深度，但同时又让我对其中的实际应用充满了好奇。非球形粒子，这个词本身就勾勒出了一个充满挑战的领域。我们知道，在光学、遥感、材料科学，甚至生物医学领域，都会遇到形形色色的非球形粒子，比如悬浮在空气中的灰尘、大气中的水滴（它们可不是完美的球形！）、或者细胞膜上的蛋白质复合物。这些粒子如何影响光的传播和散射，直接关系到我们能否准确地探测、识别和理解这些物质。我推测，这本书会深入探讨为何球形粒子散射理论的局限性，并重点介绍针对非球形粒子散射的分析和数值方法。这可能意味着书中会涉及到傅里叶光学、模式展开法（如T-matrix方法）、离散偶极子近似（DDA）等多种技术。想象一下，如果我能理解了这些非球形粒子如何“扭曲”和“散射”电磁波，那么我就可以在遥感图像中更清晰地辨别出大气成分，在材料设计中更好地控制光的反射和透射，甚至在医学诊断中更精确地分析病理组织。这本书所涵盖的知识，无疑是连接理论研究与现实世界应用的重要桥梁。

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《Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles》这个标题立刻让我联想到了一系列棘手的物理问题。我们都知道，电磁波与物质的相互作用是光学、遥感、甚至通信等诸多领域的基础。而散射，作为相互作用的重要形式，往往是分析的关键。然而，当我们把研究对象从理想的球形粒子扩展到现实世界中更为普遍的非球形粒子时，挑战便成倍增加。想象一下，光线照射到一块不规则的岩石上，或者漂浮在空气中的水滴（即便在天空中，它们也并非完美的球形），散射的光谱和方向性与照射到一颗玻璃珠上的情景截然不同。这本书名就暗示了它将深入探讨这种“不同”。我非常期待它能提供一些严谨的理论推导，或者切实可行的数值算法，来帮助我们理解和预测非球形粒子如何与电磁波发生散射。这不仅仅是理论上的探索，更是对我们理解诸如大气光学现象、遥感信号分析，甚至是新材料设计等实际问题的能力的一次提升。它就像一本指南，指引我们如何穿透“形状”的迷雾，深入理解电磁波与现实世界复杂微观结构的互动。

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这本《Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles》的书名一下子就抓住了我的眼球，虽然我并非专业研究电磁散射的，但“非球形粒子”这个概念就充满了挑战性。想象一下，我们常常习惯于处理理想化的球体，那时的数学模型相对规整，计算起来也容易得多。但现实世界中的粒子，有多少是完美球形的呢？从微小的尘埃到复杂的生物细胞，它们大多拥有不规则的形状。这让我不禁开始思考，当我们把电磁波，比如光，投射到这些形状各异的粒子上时，会发生怎样的相互作用？散射的模式会变得多么复杂？书名暗示了这本书将带领我们深入探索这些复杂性，而不仅仅是停留在理论的表面。我期待它能提供一套系统的方法论，教我们如何去描述、预测甚至模拟这种复杂的散射现象。也许，它会涉及到一些高级的数学工具，比如数值方法，用来解决那些解析解无法企及的问题。这本书就像一把钥匙，打开了通往微观世界背后隐藏的物理奥秘的大门，让我对“形状”在物理现象中所扮演的关键角色有了更深刻的认识。它不仅仅是关于电磁波和粒子，更是一种对现实世界复杂性的科学回应。

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这本书的题目《Electromagnetic Wave Scattering on Nonspherical Particles》本身就蕴含着一种“挑战现状”的意味。通常，在初级的物理学习中，我们习惯于处理球形粒子，因为它们的散射行为在数学上相对容易处理，例如米氏散射理论。但现实世界的粒子，从宇宙尘埃到生物细胞，哪有那么多完美的球形？这让我立刻想到，这本书一定是在弥补这一理论上的空白，并探索更贴近实际的散射现象。我好奇书中会如何去“定义”和“处理”这些非球形粒子。是否会引入一些更复杂的数学框架，比如有限元方法、边界元方法，或者其他数值模拟技术来解决那些无法用解析方法求解的问题？我猜测，本书的价值在于它能够帮助读者理解，粒子的形状不仅仅是一个几何描述，更是直接影响电磁波散射的物理因素。比如，一个长条形的粒子和一个扁平的盘状粒子，即使它们的体积相同，但它们散射电磁波的方式可能会截然不同。这本书的存在，无疑为那些在实际应用中需要精确理解电磁波与不规则微观结构相互作用的研究者们，提供了一个深入学习和解决问题的平台。

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