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这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动
2019-10-04 22:10:48

咱们都知道光速真空中是C,咱们也知道光在穿过介质时会发作折射,光速会发作改动。那么我的问题是:光线的折射机理是什么?光速为什么会发作改动?光子在这个过程中发作什么改动?光子的速度和能量也下降了吗?咱们今日就聊下这个问题!

首要我可以必定的告这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动知你只需光子没有被吸收,它们穿过不同的介质时速度和能量就不会发作改动。

首要咱们要了解下是什么导致了光在穿过密度更大的介质时发作折射?下面是一个很好的类比:

这就比如两列战士组成一个长方形的部队走在人行道上,忽然前方呈现了泥泞的小路,他们有必要斜着穿过泥泞的区域(代表光线斜射进介质中),一同又要待在一同,以直线的方法跋涉,就会呈现如下图所示的景象:

假如你仔细调查,第一个进入泥地的战士会减速,而他右边和后边的火伴仍在人行道上全速行进。这种速度上的彼此差异导致了每列每排的战士发作相对位移构成曲折,终究整个部队都沿着曲折的道路行进,构成了折射。相同的工作也会发作在一束斜穿进介质的光子上。这时你必定发作了一个问题第一个战士为何要减速?

下一个逻辑问题是——为什么进入介质的光速会改动?

关于战士来说,最根本的特性决议了战士在特定地势上的运动速度,这便是他们的脚和地上之间的冲突。假如冲突力减小,战士就不能有效地用脚把地上往后推,因而依据牛顿第三定律,地上的反作用力就会减小,这就导致了第一个战士速度的下降。

相同地,为了了解光从密度低的介质到密度高的介质时速度会下降的原因,咱们就需求了解光是怎么发作和传达的。

咱们现已知道光是一种电磁波。

那么电磁波是怎么发作的呢?咱们还记得小学时分的电铃吧,在电铃的内部,线圈绕在铁芯上,当改动的电流经过线圈时就会发作改动的磁场,改动的磁场以很高的频率招引铁锤(我详细不知道叫什么,为难!)这时咱们就放学回家了。

因而电场(E)的改动会发作一个瞬态磁场(B)

相同地,在发电机内部改动的磁场会发作改动的电场,俗语说的好:磁生电,电生磁,电磁感应马达转.....!

所以改动磁场(B)可发作瞬态电场(E)

现在,咱们现已把握了描绘光传达原理所需的根本要素。

假如咱们以某种方法发作一个瞬态的高频振动电场——咱们就得到了光 !

快速改动的磁场/电场将反过来发作另一种方法的相应重量。所以,电场发作磁场,磁场进一步发作一个电场,这便是光传达的方法。下图:

可是,是什么决议了光速呢?

现在让咱们幻想一下轻轻地把一块石头扔到水里,就会发作涟漪向四周涣散,这些涟漪以水特有的速度向外运动,而简直与石头的抛掷速度无关。一切的涟漪以相同的速度传达,这是水的特性!

相同,在真空中,电场和磁场的传达速度相同都是c = 299792458米/秒,这是真空的特性

现在,咱们让光经过某种介质。在介质中电子环绕原子核旋转,然后发作磁场。当光穿过介质时,它会搅扰电子的场体系,这就构成了光传达的滞后,光的传达速度就会下降。实践上,介质中的光子,还会与电子发作彼此作用,因为电子遭到光的搅扰,所以开端与经过的光波,同步发作额定的电磁波。这两种波彼此作用并彼此叠加,构成了穿过该介质的新光波。可是,因为这种新光波是振幅和频率略有不同的两种不同波的叠加,所以新光波终究以不同的速度向前移动。这个速度可以大于或小于原始光波的速度!

它乃至可以超越光速自身。

这是因为,咱们所评论的速度并不是单个光波的速度,而是由两个或两个以上不同频率的光波叠加而成的组成波的速度。

留意:光子只要在与物质彼此作用时才会表现出粒子的行这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动为,并且光子不带着任何动能,因为它们没有质量。因而,一切的能量本质上都存在于光子的电磁动摇中,这种能量被定量地界说为普朗克常数乘以它们的频率。

光子与物质磕碰时,正是这种电磁动摇的能量被相容的电子吸收。光子在被吸收之前并不会失掉能量。因而,当光子穿过通明介质时,它无法开释能量,光的频率也不会改动。因为此刻光这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动子不与任何物质彼此作用,只与场发作彼此作用。可是,在穿过介质韶光的电磁动摇会遭到一些阻力,光波振动越快,光的频率越高,电场和磁场的振动频率也越高,它与材猜中电子发作的固有场的彼此作用越强,光束经过资料介质时所面对的阻力越大,其速度下降越大,经过介质时弯折越媚公卿大,介质的折射率随特定光波的折射率的增大而增大。这便是三棱镜能涣散不同频率光的原因。

简而言之,我想说的是,当咱们评论光波经过物质介质的速度时,咱们评论的是由原始光波构成的一组叠加波的速度,其间包含电子遭到周围光波电磁场的影响而发作的波。这种叠加波的速度与原始光波的速度不同。

咱们需求了解的是,介质内部的光根本上是波的总和,这便是光的速度发作改动的原因。而单个光这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动子坚持不变。

换句话说,当两种或两种以上的波结合时,所发作的波具有以下根本性质:

  • “相速度”:波的相位运动的速度。

相速度,是指波的相速度或相位速度,或简称相速这便是光穿过介质折射和降速的原因,但光子速度却不发作改动,相速度的界说是电磁波的稳定相位点的推动速度。换句话说,波的任一频率成分所具有的相位即以此速度传递。可以选择波的任一特定相位来调查(例如波峰),则此处会以相速度前行。

  • “群速度”:包络波运动的速度。

群速度的界说是包络波就任一稳定相位点的推动速度。这是评论介质中的光速时所考虑的速度。

  • 现在,仔细调查下图的组成波(由两个不同频率的波叠而成的),应该可以看到,尽管波(相位)实践上是向后传达的,可是它的波包或“群”是向前传达的!

所以,当一个高频波(这儿指光波)和一个低频波(由电子发作的波,因为某种惯性,不能以光的频率准确的振动)叠加在一同时,所发作的是低频波调制了高频波的振幅,然后担任构成外包络线,可是波的实践频率(内包络线)来自高频波的成分,因而,光子自身以其特有的速度和频率运动(这便是为什么光穿过玻璃时色彩不会改动),但表里包络线以不同的速度运动,这便是构成光速紊乱的元凶巨恶!!

要想准确的解说其间的种种原因的确很杂乱,需求处理量子力学中的长而杂乱的方程,臣做不到!我想这是咱们关于光穿过介质为什么会减速以及光子为何速度不变最简略的解说。