光的折射本質(zhì)

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1、光的折射

光的折射是指光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)傳播方向發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折的現(xiàn)象。

折射有很多種解釋，這些解釋符合折射定律?，F(xiàn)代物理學(xué)中，也有從介質(zhì)與光相互作用這一角度來(lái)進(jìn)行闡釋的。但具體如何實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)在原理仍舊缺少詳細(xì)說(shuō)明。下面將在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)之上，就折射現(xiàn)象的基本原理作深入解析。

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2、光介質(zhì)的有效區(qū)和有效半徑

所謂“有效區(qū)”，指當(dāng)單個(gè)光子處在介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)中同時(shí)對(duì)光子產(chǎn)生作用的微觀粒子的集合。有效半徑指球狀有效區(qū)的半徑。理論上，光子處在這些微觀粒子的中心位置，有效區(qū)成球狀包圍光子。當(dāng)光子移動(dòng)時(shí)，有效圈范圍跟隨而動(dòng)，并始終保持光子處在中心位置。在同一介質(zhì)中，有效區(qū)的大小基本固定不變。有效區(qū)范圍外的介質(zhì)粒子對(duì)光子的影響微小忽略不計(jì)。

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3、折射過(guò)程與折射偏角的來(lái)源

一個(gè)光子，與法線夾角i從介質(zhì)a進(jìn)入介質(zhì)b中，整個(gè)過(guò)程從光子在介質(zhì)a中的有效圈接觸介質(zhì)b之前開(kāi)始算起，到光子在介質(zhì)b中的有效圈不再接觸介質(zhì)a為止。此時(shí)光子在介質(zhì)b中的傳播方向與法線的夾角為i' 。介質(zhì)a、b的折射率分別為na、nb。

整個(gè)過(guò)程種，有效圈的移動(dòng)路徑分為兩部分，前半部分處在介質(zhì)a中，后半部分處在介質(zhì)b中。

為了弄清楚折射角的來(lái)源，先假設(shè)上述過(guò)程不發(fā)生折射，即整個(gè)過(guò)程光子延直線傳播。
得到如下軌跡。

圖（1）

在上圖右邊部分，由于光線沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，假設(shè)兩種介質(zhì)的有效半徑相等，就會(huì)形成如圖所示的有效區(qū)軌跡。

光子受到介質(zhì)的作用力，下半部分的作用力由a1+b1提供，上半部分的作用力由a2+b2提供。因此，“光線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)”成立的條件是：整個(gè)過(guò)程中，由a1和b1產(chǎn)生的作用效果，與由a2和b2產(chǎn)生的作用效果相同。

設(shè)a介質(zhì)的平均作用效果為m，b介質(zhì)的平均作用效果為n。

在介質(zhì)a中，其受到向上的總作用效果為

s1 = (a2-a1)m

介質(zhì)b中，其受到向下的總作用效果為

s2=（b1-b2）n

理論上，不同介質(zhì)對(duì)光子產(chǎn)生作用效果的力是同一種力。因此認(rèn)為，對(duì)光子產(chǎn)生作用效果越強(qiáng)的介質(zhì)，其有效半徑也越大。而折射率是衡量介質(zhì)對(duì)光子作用程度的最佳指標(biāo)?？梢哉J(rèn)為，折射率正比于介質(zhì)對(duì)光子的作用效果，正比于有效區(qū)范圍的大小，正比于有效半徑的大小。同時(shí)，這里還受光自身能量大小的影響，光子能量越大，其受介質(zhì)影響的程度越大。

因此，當(dāng)m>n時(shí)，a2-a1>b1-b2，s1 > s2，整個(gè)過(guò)程使光向上偏轉(zhuǎn)，光折射角i’>i 。

?????? 同理，當(dāng)m<n時(shí)，a2-a1<b1-b2，s1 < s2，整個(gè)過(guò)程使光向下偏轉(zhuǎn)，光折射角i’<i 。

只有在m=n時(shí)，s1與s2相等，光線才不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

例如，當(dāng)介質(zhì)b對(duì)光子的作用效果更強(qiáng)時(shí)，或說(shuō)當(dāng)介質(zhì)b的折射率大于介質(zhì)a時(shí)，光子的偏轉(zhuǎn)軌跡應(yīng)類似下圖（不區(qū)分有效半徑）：

圖2

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4 光介質(zhì)的有效區(qū)間理論與折射現(xiàn)象的具體解釋

?????? 根據(jù)上述理論的簡(jiǎn)單推理，可以得出以下結(jié)論：

?????? 1）光子處在介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)對(duì)光子產(chǎn)生作用效果，這些同時(shí)產(chǎn)生作用的粒子的集合稱為光介質(zhì)的有效區(qū)。

2）不同介質(zhì)的光介質(zhì)有效區(qū)大小不同。其數(shù)值難以量化，但正比于介質(zhì)的光折射率。

?????? 3）光的折射角度正比于入射介質(zhì)的光介質(zhì)有效區(qū)大小，反比于被射入介質(zhì)的光介質(zhì)有效區(qū)大小。

?????? 4）折射過(guò)程按上述方法反向推理結(jié)果不變，即折射過(guò)程可逆。

?????? 我們?cè)谟懻撜凵洮F(xiàn)象時(shí)，有時(shí)會(huì)無(wú)意識(shí)的忽略傳入介質(zhì)的作用效果，而只關(guān)注被傳入介質(zhì)的作用效果。這是因?yàn)槲覀儠?huì)本能的認(rèn)為，當(dāng)光傳入一種介質(zhì)時(shí)，只有光所處在的這一種介質(zhì)對(duì)光子產(chǎn)生了作用。而事實(shí)并非如此。三種不同的介質(zhì)a、b、c，光線以入射角x從a傳入c中，與光線以入射角x從b傳入c中，兩個(gè)過(guò)程的折射角度是不同的。這一現(xiàn)象與實(shí)際情況相符，而光介質(zhì)的有效區(qū)理論能夠很好的從微觀角度解釋這一現(xiàn)象。

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5 光子在介質(zhì)中的震蕩前行

?????? 光子處在介質(zhì)中時(shí)，其受到介質(zhì)粒子來(lái)自四面八方的力的作用。但由于在微觀上，這種力并不是一種恒穩(wěn)的作用力，而是在光子處于不同位置時(shí)某寫方向更強(qiáng)，比如當(dāng)光子靠近某一個(gè)電子時(shí)，其受電子的作用力會(huì)變大。當(dāng)作用力偏向一方時(shí)，光子會(huì)向那一方發(fā)生偏移，由于這種偏移不是指向特定的某一方向，而是指向四面八方，所以在光子的行進(jìn)路線上，其偏移的軌跡也是不固定的，而是震蕩的。光子在介質(zhì)中行進(jìn)，受這種不恒穩(wěn)的力的影響，光子震蕩前行。這種震蕩的路徑類似于波，但并不像波一樣穩(wěn)定。但總體來(lái)說(shuō)光子受到的作用效果相互抵消，大部分光子在介質(zhì)中的前進(jìn)方向不會(huì)改變。

光子路徑的震蕩，使得光在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)路徑變長(zhǎng)，震蕩越強(qiáng)烈，則路徑變化越大。由于光速不變，故光子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的世界變長(zhǎng)，表現(xiàn)在宏觀上，即光在介質(zhì)中速度變慢。

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6 拓展光的衍射現(xiàn)象

?????? 當(dāng)光從狹縫中穿過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也可以用光介質(zhì)的有效區(qū)理論進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。我們知道，原子的外層是能級(jí)分立的電子層。當(dāng)光子處在能級(jí)分立的電層的不同能級(jí)時(shí)，受光介質(zhì)的有效區(qū)間的作用效果影響，光子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而由于原子的外層的軌道能級(jí)是分立的，因此偏轉(zhuǎn)角度也會(huì)產(chǎn)生間隔，最后形成與原子軌道能級(jí)對(duì)應(yīng)的光條。