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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

作者:admin 发布时间:2019-10-04 20:59:36 浏览次数:250
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我们都知道光速真空中是C,我们也知道光在穿过介质时会发生折射,光速会发生改变。那么我的问题是:光线的折射机理是什么?光速为什么会发生改变?光子在这个过程中发生什么变化?光子的速度和能量也降低了吗?我们今天就聊下这个问题!

首先我可以肯定的告诉你只要光子没有被吸收,它们穿过不同的介质时速度和能量就不会发生改变。

首先我们要了解下是什么导致了光在穿过密度更大的介质时发生折射?下面是一个很好的类比:

这就好比两列士兵组成一个长方形的队伍走在人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行道上,突然前方出现了泥泞的小路,他们必须斜着穿过泥泞的区域(代表光线斜射进介质中),同时又要待在一起,以直线的方式行进,就会出现如下图所示的情形:

如果你仔细观察,第一个进入泥地的士兵会减速,而他右边和后边的同伴仍在人行道上全速前进。这种速度上的相互差异导致了每列每排的士兵发生相对位移造成弯曲,最终整个队伍都沿着弯曲的路线前进,造成了折射。同样的事情也会发生在一束斜穿进介质的光子上。这时你肯定产生了一个问题第一个士兵为何要减速?

下一个逻辑问题是——为什么进入介质的光速会改变?

对于士兵来说,最基本的特性决定了士兵在特定地形上的运动速度,这就是他们的脚和地面之间的摩擦。如果摩擦力减小,士兵就不能有效地用脚把地面往后推,因此根据牛顿第三定律,地面的反作用力就会减小,这就导致了第一个士兵速度的下降。

同样地,为了理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,我们就需要理解光是如何产生和传播的。

我们已经知道光是一种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电磁波。

那么电磁波是如何产生的呢?我们还记得小学时候的电铃吧,在电铃的内部,线圈绕在铁芯上,当变化的电流通过线圈时就会产生变化的磁场,变化的磁场以很高的频率吸引铁锤(我具体不知道叫什么,尴尬!)这时我们就放学回家了。

因此电场(E)的变化会产生一个瞬态磁场(B)

同样地,在发电机内部变化的磁场会产生变化的电场,俗话说的好:磁生电,电生磁,电磁感应马达转.....!

所以变化磁场(B)可产生瞬态电场(E)

现在,我们已经掌握了描述光传播原理所需的基本要素。

如果我们以某种方式产生一个瞬态的高频振荡电场——我们就得到了光 !

快速变化的磁场/电场将反过来产生另一种形式的相应分量。所以,电场产生磁场,磁场进一步产生一个电场,这就是光传播的方式。下图:

但是,是什么决定了光速呢?

现在让我们想象一下轻轻地把一块石头扔到水里,就会产生涟漪向四周扩散,这些涟漪以水特有的速度向外运动,而几乎与石头的投掷速度无关。所有的涟漪以同样的速度传播,这是水的特性!

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

现在,我们让光通过某种介质。在介质中电子围绕原子核旋转,从而产生磁场。当光穿过介质时,它会干扰电子的场系统,这就造成了光传播的滞后,光的传播速度就会下降。实际上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,介质中的光子,还会与电子发生相互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作用,由于电子受到光的干扰,于是开始与经过的光波,同步产生额外的电磁波。这两种波相互作用并相互叠加,形成了穿过该介质的新光波。但是,由于这种新光波是振幅和频率略有不同的两种不同波的叠加,所以新光波最终以不同的速度向前移动。这个速度可以大于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或小于原始光波的速度!

它甚至可以超过光速本身。

这是因为,我们所讨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合成波的速度。

注意:光子只有在与物质相互作用时才会表现出私密保养粒子的行为,而且光子不携带任何动能,因为它们没有质量。因此,所有的能量本质上都存在于光子的电磁波动中,这种能量被定量地定义为普朗克常数乘以它们的频率。

光子与物质碰撞时,正是这种电磁波动的能量被相容的电子吸收。光子在被吸收之前并不会失去能量。因此,当光子穿过透明介质时,它无法释放能量,光的频率也不会改变。因为此时光子不与任何物质相互作用,只与场发生相互作用。但是,在穿过介质时光的电磁波动会受到一些阻力,光波振荡越快,光的频率越高,电场和磁场的振荡频率也越高,它与材料中电子产生的固有场的相互作用越强,光束通过材料介质时所面临的阻力越大,其速度下降越大,通过介质时弯折越大,介质的折射率随特定光波的折射率的增大而增大。这就是三棱镜能分散不同频率光的原因。

简而言之,我想说的是,当我们讨论光波通过物质介质的速度时,我们讨论的是由原始光波构成的一组叠加波的速度,其中包括电子受到周围光波电磁场的影响而产生的波。这种叠加波的速度与原始光波的速度不同。

我们需要了解的是,介质内部的光基本上是波的总和,这就是光的速度发生变化的原因。而单个光子保持不变。

换句话说,当两种或两种以上的波结合时,所产生的波具有以下基本性质:

  • “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,相速度的定义是电磁波的恒定相位点的推进速度。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。可以挑选波的任一特定相位来观察(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。

群速度的定义是包络波上任一恒定相位点的推进速度。这是讨论介质中的光速时所考虑的速度。

  • 现在,仔细观察下图的合成波(由两个不同频率的波叠而成的),应该能够看到,虽然波(相位)实际上是向后传播的,但是它的波包或“群”是向前传播的!

所以,当一个高频波(这里指光波)和一个低频波(由电子产生的波,由于某种惯性,不能以光的频率精确的振荡)叠加在一起时,所发生的是低频波调制了高频波的振幅,从而负责形成外包络线,但是波的实际频率(内包络线)来自高频波的成分,因此,光子本身以其特有的速度和频率运动(这就是为什么光穿过玻璃时颜色不会改变),但内外包络线以不同的速度运动,这就是造成光速混乱的罪魁祸首!!

要想精确的解释其中的种种原因确实很复杂,需要解决量子力学中的长而复杂的方程,臣做不到!我想这是我们关于光穿过介质为什么会减速以及光子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何速度不变最简单的解释。

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