第四章无机材料光学性能
无机材料中的光电性质研究
无机材料中的光电性质研究无机材料一直以来都是光电领域的重要组成部分，其在光学、电子学和能源转换等方面的应用潜力巨大。
随着科技的不断进步，研究人员对于无机材料中的光电性质的研究也变得越来越深入。
本文将探讨无机材料中的光电性质研究的现状和前景，并介绍一些相关的研究方法和应用领域。
一、无机材料中的光电性质研究现状无机材料中的光电性质研究主要包括对其吸收、发射、传导和发光等特性的研究。
这些性质的研究不仅有助于我们更好地理解无机材料的内在机理，还为无机材料的应用提供了理论基础。
1. 吸收特性研究无机材料对光的吸收特性是了解其光电行为的基础。
通过实验测定材料在不同波长和强度的光照下的吸收情况，可以得到材料的吸收光谱。
基于这些吸收光谱，可以进一步分析材料的能带结构、能带间距等重要参数。
2. 发射特性研究无机材料在受激光照射或加热等外界条件下会发射光。
通过研究发射光谱，可以得到材料的能带结构、材料的能级分布等信息。
这些信息对于了解材料的光电性能和导电特性非常重要。
3. 传导特性研究无机材料中的电子和空穴在外加电场作用下的传导行为是研究其导电性的重要方面。
通过测量材料在不同温度、电场下的电学性质，可以得到材料的载流子迁移率、载流子浓度等参数，从而评估材料的导电性能。
4. 发光特性研究无机材料中的发光特性是应用于光电器件中最为关键的性质之一。
通过研究材料的发光机制和发光效率，可以指导光电器件的设计和优化。
常见的发光特性研究方法包括荧光光谱、磷光光谱等。
二、无机材料中的光电性质研究方法为了深入研究无机材料中的光电性质，科研人员发展了许多有效的实验手段和计算方法。
1. 光谱学方法光谱学是研究无机材料光电性质的重要手段之一。
常用的光谱学方法包括紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱等。
这些方法可以提供材料的电子结构、振动结构等信息。
2. 电学性能测试方法电学性能测试可以通过测量材料在外界电场下的响应来评估其光电性质。
电导率测试、电容测试、电流-电压特性测试等是常用的电学性能测试方法。
材料物理性能课后习题答案 北航出版社 田莳主编
材料物理习题集第一章固体中电子能量结构和状态（量子力学基础）1. 一电子通过5400V电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni晶体（111）面（面间距d=2.04×10-10m）的布拉格衍射角。
（P5）2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的，请分别写出n=3的所有电子的四个量子数的可能组态。
（非书上内容）3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级的能量比费米能级高出多少k T？（P15）4. 已知Cu的密度为8.5×103kg/m3，计算其（P16）5. 计算Na在0K时自由电子的平均动能。
（Na的摩尔质量M=22.99，）（P16）6. 若自由电子矢量K满足以为晶格周期性边界条件和定态薛定谔方程。
试证明下式成立：e iKL=17.8. 试用布拉格反射定律说明晶体电子能谱中禁带产生的原因。
（P20）9. 试用晶体能带理论说明元素的导体、半导体、绝缘体的导电性质。
答：（画出典型的能带结构图，然后分别说明）10. 过渡族金属物理性质的特殊性与电子能带结构有何联系？（P28）答：过渡族金属的d带不满，且能级低而密，可容纳较多的电子，夺取较高的s带中的电子，降低费米能级。
补充习题1. 为什么镜子颠倒了左右而没有颠倒上下？2. 只考虑牛顿力学，试计算在不损害人体安全的情况下，加速到光速需要多少时间？3. 已知下列条件，试计算空间两个电子的电斥力和万有引力的比值4. 画出原子间引力、斥力、能量随原子间距变化的关系图。
5. 面心立方晶体，晶格常数a=0.5nm，求其原子体密度。
6. 简单立方的原子体密度是。
假定原子是钢球并与最近的相邻原子相切。
确定晶格常数和原子半径。
第二章材料的电性能1. 铂线300K时电阻率为1×10-7Ω·m，假设铂线成分为理想纯。
试求1000K时的电阻率。
（P38）2. 镍铬丝电阻率（300K）为1×10-6Ω·m，加热到4000K时电阻率增加5%，假定在此温度区间内马西森定则成立。
《无机材料物理化学》知识点
《无机材料物理化学》知识点无机材料物理化学是一门研究无机材料的结构、性能、制备和反应等方面的学科，它融合了物理学、化学和材料科学的知识，对于理解和开发新型无机材料具有重要意义。
一、晶体结构晶体是原子、离子或分子在空间按一定规律周期性排列而成的固体。
晶体结构的描述包括晶格参数（如晶胞边长和夹角）、原子坐标和晶体对称性等。
常见的晶体结构有立方晶系（如简单立方、体心立方和面心立方）、六方晶系和四方晶系等。
晶体中的原子结合方式主要有离子键、共价键、金属键和范德华力等。
离子键具有较强的方向性和饱和性，通常形成离子晶体，如氯化钠。
共价键结合的晶体具有很高的硬度和熔点，如金刚石。
金属键使金属晶体具有良好的导电性和导热性。
晶体结构的缺陷对材料的性能有重要影响。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子；线缺陷主要是位错；面缺陷则有晶界和相界等。
二、热力学在无机材料中的应用热力学第一定律指出能量守恒，即能量可以在不同形式之间转换，但总量不变。
在无机材料的研究中，可以通过计算反应过程中的能量变化来判断反应的可行性和方向。
热力学第二定律引入了熵的概念，用于描述系统的混乱程度。
对于一个自发的过程，系统的熵总是增加的。
通过计算反应的熵变和焓变，可以确定反应在给定条件下是否能够自发进行。
相图是热力学在材料研究中的重要应用之一。
通过绘制相图，可以清晰地了解不同成分和温度下材料的相组成和相变规律，为材料的制备和性能优化提供指导。
三、动力学过程反应动力学研究反应速率和反应机制。
对于无机材料的制备过程，了解反应动力学有助于控制反应条件，提高反应效率和产物质量。
扩散是物质在固体中的迁移过程，它对材料的相变、烧结和性能均匀性等方面起着关键作用。
扩散系数与温度、晶体结构和缺陷等因素密切相关。
四、表面与界面材料的表面和界面具有独特的物理化学性质。
表面能的大小决定了材料的表面活性和吸附性能。
界面的结构和性质对复合材料和多相材料的性能有重要影响。
五、相变相变是指物质从一种相态转变为另一种相态的过程，如固相到液相、液相到气相等。
材料物理性能及测试-作业
第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些？4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛？6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么？7 产生晶面滑移的条件是什么？并简述其原因。
8 什么是滑移系统？并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么？11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些？13 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？14 影响塑性形变的因素有哪些？并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂？16 高温蠕变的机理有哪些？17 影响蠕变的因素有哪些？为什么？18 粘滞流动的模型有几种？19 影响粘度的因素有哪些？第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容？3 举例说明裂纹的形成？4 位错运动对材料有哪两方面的作用？5 影响强度的因素有哪些？6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么？7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢：sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择，并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点？10 什么是亚临界裂纹扩展？其机理有哪几种？11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展？13 影响断裂韧性的因素有哪些？14 材料的脆性有哪些特点？通过哪些数据可以判断材料的脆性？15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么？16 克服材料的脆性途径有哪些？17 影响氧化锆相变的因素有哪些？18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响？19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法，哪一种方法更可靠，为什么？20. 有下列一组抗折强度测定结果，计算它的weibull模数，并对该测定数据的精度做出评价。
什么叫无机材料物理性能特性
什么叫无机材料物理性能特性无机材料是指由无机化合物构成的材料，它们具有广泛的应用领域，如电子、光电子、能源、环境等。
无机材料的性能特性直接影响着其在各个领域的应用效果。
那么，什么叫无机材料的物理性能特性呢？首先，我们来了解一下无机材料的物理性能。
无机材料的物理性能可以分为多个方面，包括机械性能、热学性能、电学性能、光学性能和磁学性能等。
机械性能是指无机材料抵抗外力破坏的能力，通常包括硬度、弹性模量、抗弯强度等指标。
例如，金刚石是一种硬度极高的无机材料，可以用来制作切割工具；陶瓷材料具有较高的抗压强度，适合用于建筑材料等领域。
热学性能是指无机材料在热环境下的表现，包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。
例如，氧化铝具有较低的热导率，可用作隔热材料；石墨烯具有优异的热导率，适合用于制作散热材料。
电学性能是指无机材料在电场或电流作用下的表现，包括导电性、介电性等指标。
例如，金属材料具有良好的导电性，适合用于制作电子元件；氧化铁具有优良的磁电耦合效应，适合用于磁存储器件。
光学性能是指无机材料在光学环境下的表现，包括透明度、折射率、发光性等指标。
例如，玻璃材料具有良好的透明性，适合用于光学器件；半导体材料具有发光性能，在光电子领域有重要的应用。
磁学性能是指无机材料在磁场作用下的表现，包括磁导率、磁饱和磁矩等指标。
例如，铁氧体材料具有良好的磁导率和磁饱和磁矩，适合用于制作磁性材料。
综上所述，无机材料的物理性能特性对于其应用效果具有重要影响。
了解无机材料的物理性能特性可以帮助我们更好地选择和应用材料，并优化其性能。
未来，随着科学技术的不断发展，我们有望进一步改进无机材料的物理性能，推动无机材料在各个领域的应用。
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜
第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜材料的性能materials property性能决定用途。
本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。
4-1 固体材料的力学性能Mechanical Properties of Solid Materials结构件：力学性能为主非结构件：力学性能为辅，但必不可少mechanical property of materials stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity permanent deformation Strength Fracture4-1-1 材料的力学状态mechanical states of matrials 1.金属的力学状态A 晶态结构，B 较高的弹性模量和强度，C 受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变，然后断裂，总变形能很大， D 具有较高的熔点。
某些金属合金 A 呈非晶态合金， B 具有很高的硬度和强度，C 延伸率很低而并不脆。
D 温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。
2. 无机非金属的力学状态A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。
B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。
C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。
D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。
陶瓷材料的力学特征高模量高强度高硬度低延伸率3. 聚合物的力学状态(1) 非晶态聚合物的三种力学状态①玻璃态②高弹态③粘流态(2) 结晶聚合物的力学状态A 结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。
B 在T g 以上模量下降不大Tm、TfC 在T m 以上模量迅速下降D 聚合物分子量很大，T mT f ,则在T m 与T f 之间将出现高弹态。
E 分子量较低，T m T f , 则熔融之后即转变成粘流态，玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度是橡胶使用的下限温度熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度4-1-2 应力和应变stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.4-1-2 应力和应变(stress and strain)应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。
化学无机材料知识点总结
化学无机材料知识点总结一、化学无机材料的简介化学无机材料是指由无机物组成的材料，通常指的是由金属、非金属或者半导体等无机物质组成的材料。
这些材料具有独特的化学和物理性质，因此在工业、建筑、电子、能源等领域有着广泛的应用。
二、化学无机材料的分类1. 金属材料：金属材料是由金属元素组成的材料，具有良好的导热性、导电性和可塑性，常见的金属材料包括铁、铝、铜、锌等。
金属材料广泛应用于建筑、机械制造、电子等领域。
2. 非金属材料：非金属材料通常包括氧化物、硅酸盐、硼化物等，其特点主要包括硬度高、耐磨性好、绝缘性能强等优点。
非金属材料在陶瓷、玻璃、塑料等领域有着广泛的应用。
3. 半导体材料：半导体材料主要指的是硅、锗、碲等元素构成的材料，具有介于金属和非金属之间的导电特性，广泛应用于电子、光电子等领域。
4. 硬质合金材料：硬质合金材料通常由金属和非金属混合而成，具有硬度高、耐磨性好等特点，广泛应用于刀具、轴承、机械零部件等领域。
5. 磁性材料：磁性材料包括铁、镍、钴等金属材料，具有良好的磁性能，广泛应用于电机、传感器等领域。
6. 光学材料：光学材料主要包括玻璃、晶体等，具有良好的透光性和光学性能，广泛应用于光学器件、激光技术等领域。
7. 超硬材料：超硬材料具有极高的硬度和耐磨性，主要包括金刚石、立方氮化硼等，广泛应用于刀具、磨料等领域。
8. 隔热隔音材料：隔热隔音材料包括岩棉、泡沫塑料等，具有良好的隔热性能和隔音性能，广泛应用于建筑、汽车制造等领域。
三、化学无机材料的性质1. 导电性：金属材料具有良好的导电性能，而非金属材料和半导体材料具有一定的导电特性。
2. 热导性：金属材料具有良好的导热性能，而非金属材料和半导体材料的导热性能相对较差。
3. 光学性能：光学材料具有良好的透光性和光学性能，可用于制造光学器件。
4. 磁性能：磁性材料具有良好的磁性能，可用于制造电机、传感器等设备。
5. 化学稳定性：化学无机材料通常具有良好的化学稳定性，能够在各种恶劣环境下保持稳定性能。
光学材料的性能和应用
光学材料的性能和应用近年来，光学材料的研究和应用逐渐成为科学研究和工程技术领域的热点之一。
光学材料是指具有良好的光学性能和特殊结构的材料，其性能和应用涉及到光的传输、操控和探测等方面。
本文将从光学材料的基本性能、光学材料的种类及应用领域等方面进行探讨。
首先，光学材料的基本性能对于其应用至关重要。
光学材料的基本性能包括透明度、折射率、光散射等。
透明度是衡量材料透明程度的重要指标，优秀的光学材料应具有高透明度。
折射率是光线通过材料时发生偏折的程度，不同折射率的光学材料可用于光学透镜、光纤等应用中。
光散射是光线在材料内部发生反射、散射和吸收等过程，对于光学材料的质量和适用性有很大的影响。
其次，光学材料的种类繁多，针对不同的应用需求，选择合适的光学材料具有重要意义。
光学材料可以分为有机光学材料和无机光学材料两大类。
有机光学材料通常具有较高的透明度和折射率，适用于激光器、光纤通信等领域。
无机光学材料则具有较高的热稳定性和机械强度，适用于太阳能电池、液晶显示器等领域。
此外，还有诸如光电导材料、光致变色材料等特殊类别的光学材料，它们在光控开关、光电传感等方面发挥着重要作用。
光学材料的应用领域广泛且多样化。
光学材料在通信领域的应用日益重要，光学纤维作为一种重要光传输媒介，其传输性能受光学材料的质量直接影响。
光学材料的透明度和抗辐射性能使其成为光学器件重要的选择，例如透镜、窗户、滤光器等。
此外，光学材料在能源领域也有重要应用，例如太阳能电池利用光学材料的光吸收性能将光能转化为电能。
光学材料还广泛应用于光学显微镜、光学测量仪器、激光器和光学传感器等领域。
然而，光学材料的研制和应用仍面临着一些挑战。
首先是材料设计的挑战，如何选择合适的材料组合以实现特定的光学性能是光学材料研究的瓶颈。
其次是材料加工和制备的挑战，现有的加工技术对于某些光学材料而言，如高纯度无机材料，仍存在制备难度大、成本高等问题。
此外，光学材料在长期使用和环境条件下的稳定性也是一个需要关注和解决的问题。
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8.2 光在界面的反射和折射 介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光 波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与 入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规 律。
第四章无机材料光学性能
8.2.1 光的反射和折射
材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使 电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论， 电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的 相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中 的光速c有如下的关系：
c
v= r r
该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁 性材料，r1. 由于光的传播速度因材料而异，因此光从一种均匀 介质斜射入另一种均匀介质时，在两种介质的界面 上一般都会发生反射第和四章折无机射材料现光学象性能。
8.2.2影响折射率的因素
折射率的定义得出麦克斯韦关系式：
r=n2 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。
d2x dt2
02 x
（2）因为交变电偶极子辐射电磁波，而辐射场必然 对电子产生反作用，即辐射阻尼，这种辐射阻力与位 移速度dx/dt成正比 ，于是电子的运动方程可写成
d2x
dt2
ddxt02x0
为阻力系数。 因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动， 其振幅随时间不断减小，即为阻尼振动。
第四章无机材料光学性能
第四章无机材料光学性能
二、交变电偶极子向空间发射电磁波
当外层电子与原子核等值异号的电 荷交替变化时，即形成一个交变的电偶 极子，电偶极矩在它周围产生交变电场， 交变电场又产生交变磁场，交变磁场再 产生交变电场，如此不断继续下去，于 是，在电偶极子周围空间便产生由近及 远的电磁波动，因此，交变电偶极子向 空间发射电磁波。
（3）当光波作用到原子上时，光波使原子极化，原 子中的电子将在光频电磁场矄驱动下作强迫振动， 使电子依靠光波电场的步调振动。对于非磁性材料， 仅考虑电场力（－eE）的作用。如果光场较弱，电 子强迫振动的位移不大，则仍可采用简谐振子模型， 电子运动方程为
dd22xt rddxt02xm eE
式中e=|e|为电子电荷的大小，忽略介质中宏观场与 局部电场的微小差别，E就是外部光波的电场。
散射过程的特点是，电子的本征能量不会发生改变，形 式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，吸 收多少又散射多少。
散射过程称为光和物质的非共振相互作用过程。
因此当光子的频率与电子振动的自然频率（大约1015/秒） 不同时，电磁波在固体第四中章无自机材然料光传学性播能而无吸收。
（2）在=0情况下，随着入射光波频率逐渐接近原子的固有频 率，振子的振幅逐渐加大、因而振子从入射光波的摄取的能量 增大，相应的辐射次波能量也增大。这一过程有其显著的特点。 当略去阻尼作用时，振幅将趋向无穷大。因此，无论考虑阻尼 与否，振子都将吸收能量。
8.1光和物质相互作用的基本理论
一、重要性 介质中的各种光学现象本质上是光和 物质相互作用的结果。从经典电子模 型出发，研究光和物质相互作用的微 观过程，是讨论介质中光的折射、散 射、吸收和色散等常见的线性光学现 象的物理本质的基础。
第四章无机材料光学性能
光波的辐射主要是原子最外层电子或弱束缚电 子的加速运动产生的，因而原子的电偶极矩便 是这种光辐射的主要波源。了解电偶极子辐射 场的基本性质对经典理论处理光和物质相互作 用的问题极为重要。
第四章无机材料光学性能
归纳起来影响折射率n值的因素有下列几方面：
（1）构成材料元素的离子半径和电子结构。
（2）材料的结构、晶型和非晶态。
（3）同质异构体。一般情况下，同质异构材料的高 温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射 率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折 射率较高。
材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电 子分布情况、化学性质等微观因素有关。
这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料 中的传播速度。
为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修
斯-莫索蒂方程 得：
P =r 1
n
第M四章无 越多， 或结构越紧密，则折射率越大。 另外在讨论电子的极化时，从定性的简 化模型中导出了e=40a3关系，由于介 质的折射率随组成固体的原子的电子极 化率的增加而增加，因此材料的折射率 随原子半径的增加而增加。
第四章无机材料光学性能
在0，=0情况下，过程有不同的特点：
（1）在0的情况下，当过程开始时，电子吸收少量 光波能量，引起受迫振动感生电偶极矩，并辐射次波。 即使忽略辐射阻尼（即不考虑振子的辐射），电子位移 恒为有限值。因此在达到稳定状态后，吸收的能量与辐 射的能量必然达到平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称 为光的散射。
第四章无机材料光学性能
为了简单起见，考虑简谐电场作用下的电子运 动，则电场E和电子位移x分别为E=E(ω)eiωt和 x=x(ω)eiωt，其中E(ω)和x(ω)表示对应于频率的 振幅值 ,有
x()me02E(2)i
第四章无机材料光学性能
结论：在简谐振子模型的近似下，电子受迫振动 的频率与驱动光波频率相同。但该式右边的分母 中含有虚因子iω，表明受迫振动与驱动光场间 存在相位差，且这个相位差对介质中所有原子都 是一样的。
有辐射阻尼时，吸收的能量用作散射；没有辐射阻尼时，吸收 的能量用来不断增大振幅。鉴于这一特点，通常把0的过程 与其他频率的过程区分开来，不再称作散射，而称为吸收与再 放射。
实际上，在=0的谐振频率处，可以认为初始态的电子吸收一 个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放出一个同频率的光 子回到初始的低能态。在这种吸收与再放射过程中，电子的本 征能态将发生改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。
第四章无机材料光学性能
三、光和物质相互作用的经典的观点 光和物质相互作用的过程可以看
作是组成物质的原子或分子体系在入 射光波电场的作用下，正负电荷发生 相反方向的位移，并跟随光波的频率 作受迫振动，产生感生电偶极矩，进 而产生电磁波辐射的过程。这一过程 也为发射次波的过程。
第四章无机材料光学性能
（1）（原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电 偶极子描述，称为简谐振子。电子的运动方程为