許多我們耳熟能詳?shù)默F(xiàn)象背后，往往隱藏著深刻的科學(xué)道理。 前幾天，我們通過了《固體透明的科學(xué)原理》和《為什么水看起來是透明的？ “這兩篇文章從量子力學(xué)的角度討論了光在固體和水下是如何傳播的。明天我們繼續(xù)討論為什么光在這種透明介質(zhì)中會(huì)發(fā)生折射，為什么光速會(huì)變慢。”
光在棱鏡中的折射
小時(shí)候，我們常常對(duì)“彎曲”牙簽或瓶子里的吸管的光感到好奇，當(dāng)我們踏入一條小溪時(shí)驚嘆，這些看似淺淺的小溪似乎有齊腰深。 高中時(shí)我們通過數(shù)學(xué)課了解到這是由于光在水底的折射，中學(xué)時(shí)我們會(huì)利用光的折射定理來估算光的折射角。
水下鋼筆因光線折射而“彎曲”
但是大多數(shù)人只知道光的折射而不知道為什么。 光為什么會(huì)折射？ 光進(jìn)入介質(zhì)后還會(huì)彎曲嗎？ 為什么不同的介質(zhì)有不同的折射率？ 它與光速有何關(guān)系？ 許多最基本問題的微觀答案只在大學(xué)數(shù)學(xué)課程甚至量子化學(xué)中涉及。
明天我會(huì)盡量用最通俗的語言為大家解開謎團(tuán)，找到科學(xué)的答案。
由于這是一篇科普文章，我就不展示這些燒腦的公式了，盡量只用文字和圖片把問題說清楚。 盡管如此，這篇文章的某些部分還是會(huì)變得冗長(zhǎng)，你可以從標(biāo)題、粗體字和最后的推理中得到。
由于光在晶體中的傳輸還涉及聲子耦合振動(dòng)，其折射非常復(fù)雜，因此本文僅涉及水、玻璃等各向同性透明介質(zhì)的分析。
下面進(jìn)入題外話。
光的本質(zhì)
在上一篇文章中，我們已經(jīng)介紹了光的波粒二象性原理。 鑒于光的化學(xué)性質(zhì)是其折射現(xiàn)象的前提，本文將再次指出。
2004年，科學(xué)家首次成功捕捉到可見光的單一波形圖像
1、光是一種輻射。 宇宙中幾乎所有的物體都會(huì)向外輻射，包括我們的人體本身，也會(huì)發(fā)出紅外線。 我們可以近距離感受到紅外線的熱量，但不能直接看到它；
2、光是一種粒子，也是一種電磁波。 光具有粒子和電磁波的雙重特性。 光波和無線電波雖然是一回事，只是名稱不同而已；
3.光有能量。 光是由無數(shù)光能量子相互疊加而成。 這個(gè)能量子有它自己的頻率和波長(zhǎng)。 不同頻率和波長(zhǎng)的光子會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色；
頻譜圖
4、我們?nèi)搜鬯姷墓庵皇遣ㄩL(zhǎng)為380-780nm，頻率范圍約為4.2×10^14-7.8×10^14Hz的所有光能量子的組合。 我們稱之為可見光，它在整個(gè)宇宙光譜中只是一小部分。 人體發(fā)出的紅外線是不可見光；
5、光速不變?cè)淼那疤崾枪馑僭谡婵諣顟B(tài)下是恒定的。
光在介質(zhì)中傳播的性質(zhì)
正如我們?cè)谥暗奈恼轮兴懻摰模庠诠腆w和液體中傳播是通過使原子中的電子爆裂釋放光波。 里面用到了這張圖：
電子跳回正常軌道釋放光子的角度是隨機(jī)的
細(xì)心的男伙伴已經(jīng)注意到，發(fā)出的光波是有方向性的。 事實(shí)上，光波的方向本來就是不確定的。 沒有規(guī)定光波必須直線前進(jìn)，而不是向左、向右、向后或向下走N度角，為什么我們看到的光相對(duì)于入射角有一個(gè)確定的折射角？
光在介質(zhì)中傳播的本質(zhì)是散射。 也就是說，在介質(zhì)中爆炸的電子在反彈回正常軌道時(shí)會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射光子，但最終只有來自一個(gè)方向的光會(huì)“幸存”。
為什么光是中等方向的？
我們知道光是一種電磁波，光速包括相速度、群速度和波前速度三個(gè)方面，其中光的波前速度就是光速。 我們可以通過下面的波形動(dòng)畫形象地說明這三方面的關(guān)系：
光波示意圖，藍(lán)點(diǎn)為波前速度，綠點(diǎn)為群速度，藍(lán)點(diǎn)為相速度
我們假設(shè)在水中（均勻介質(zhì)）中有一束c方向的電磁波，我們將垂直于c的平面視為同相平面。 如果波前W同時(shí)穿過水底W平面上的所有原子，則該原子的電子將與光量子耦合并爆發(fā)出一批光子，這些光子同時(shí)也是波時(shí)間。 因?yàn)楸l(fā)位置在同一平面 W 上，所以爆發(fā)的光子在它們的起源處也處于相同的相位。
均勻介質(zhì)中電磁波的相位分析
如果這個(gè)波與一個(gè)與c軸成θ角的平面波疊加（波前位于上圖中的紅線上）會(huì)怎樣？ 我們知道，原子a發(fā)出的任何小波a在平面W上與原子b發(fā)出的小波b到達(dá)波前時(shí)的相位差為180°，振幅相互抵消。 小波a和小波b的相位相隔λ/2*Sinθ。 只有當(dāng)θ=0?時(shí)，小波b和小波a同相，兩者不會(huì)抵消。
是否有由爆發(fā)向后發(fā)射的子波？ 是的，但是這個(gè)子波會(huì)被其他后退的子波抵消。 這個(gè)子波不是來自W平面，而是來自距離W 1/4波長(zhǎng)的W'平面：
反向反射子波被相隔 1/4 波長(zhǎng)的反向子波抵消
總結(jié)：光波在介質(zhì)中只能向前傳播，因?yàn)椴粌H介質(zhì)中無數(shù)面向前散射的小波，其他任何方向散射的小波都基本被抵消了。
為什么光在介質(zhì)中會(huì)變慢？
當(dāng)光進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，光的能量子與介質(zhì)的原子相遇，光的一些能量子會(huì)爆裂電子，躍遷到前三個(gè)基態(tài)的軌道上。 同時(shí)，這些與光能量子耦合的電子會(huì)有反彈回原軌道的趨勢(shì)，在跳回原軌道的過程中，電子會(huì)衍射出一個(gè)光子波。 這個(gè)光子波需要與另一個(gè)入射子波同相，否則它會(huì)相互抵消。
我們知道，電子被光能子爆炸，與光能子耦合，躍遷到初級(jí)能量軌道，然后反彈散射出光波。 方向是一樣的，只是會(huì)把相位放慢一點(diǎn)點(diǎn)，這樣就和前面光波的疊加波在相位上有所延遲。 這些延遲不是一次性的。 被堆疊起來，并且總是重復(fù)。 當(dāng)我們從外部檢查光在介質(zhì)中的傳播時(shí)，光在介質(zhì)中的傳播速度似乎變慢了。
光波在水下的傳輸
不同的介質(zhì)由具有不同特性的原子組成。 這類原子的結(jié)構(gòu)和密度決定了小波散射的密度和速度，所以光在不同介質(zhì)中傳播的速度是不同的。 這種差異表現(xiàn)為介質(zhì)的折射率。
由于電子位移的大小與所加電場(chǎng)成反比，不同頻率和波長(zhǎng)的光所攜帶的能量不同，因此不同頻率的光在介質(zhì)中傳播的速度不同，它們的折射角也會(huì)與眾不同。
光剛進(jìn)入介質(zhì)時(shí)會(huì)形成折射和反射
上一節(jié)介紹，當(dāng)光波到達(dá)介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)爆發(fā)電子形成小波，在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生衍射。 當(dāng)入射光波向介質(zhì)表面傾斜并與法線呈傾斜角時(shí)，在介質(zhì)表面不同位置形成的衍射波由于形成的相位不同而形成相互抵消的波陣面通過光能量子的爆發(fā)時(shí)間的不同。
最后，不被抵消的光波角θ2與光的入射角θ1（n為介質(zhì)的折射率）有如下關(guān)系：
Sinθ1=n×Sinθ2
光的入射角和折射角
光的折射發(fā)生在介質(zhì)表面極薄的過渡層中，而這個(gè)過渡層的長(zhǎng)度大概在幾百到幾萬個(gè)原子之間。 經(jīng)過這個(gè)過渡層之后光的反射折射圖片，入射光的能量全部被介質(zhì)吸收，在介質(zhì)中只剩下相干的折射波，光波會(huì)相互疊加光的反射折射圖片，沿直線前進(jìn)。
光的反射也發(fā)生在這個(gè)過渡層中。 上面我們已經(jīng)介紹過，介質(zhì)中存在很多反向傳播的散射，是因?yàn)檫^渡層中有些能量無法完全干涉和抵消，它們會(huì)以相同的入射角從另一個(gè)角度逸出介質(zhì)表面法線的一側(cè)，這又會(huì)產(chǎn)生光的反射。
光波是橫波，其電場(chǎng)硬度和磁場(chǎng)硬度相互垂直，且都垂直于傳播方向
由于光在介質(zhì)表面0.1nm-10nm長(zhǎng)度的過渡層發(fā)生折射和反射，自然光的折射光和反射光呈現(xiàn)偏偏振，其中折射光中的水平振動(dòng)為小于垂直振動(dòng)，反射光中的垂直振動(dòng)小于水平振動(dòng)。 攝影師經(jīng)常利用自然光反射的偏光特性，在相機(jī)鏡頭前使用偏光鏡來減少多余的反射光，從而使畫面更加清晰。
介質(zhì)的折射率并不是指它對(duì)所有頻率的光的折射率。 標(biāo)準(zhǔn)折射率是針對(duì)波長(zhǎng)為5893×10^-10m的鈉黃光。 相反，頻率越高，光的折射率越小，波長(zhǎng)越大，頻率越低，波長(zhǎng)越大，光的折射率越小。
黑光比綠光具有更大的折射率，它彎曲得更多
總結(jié)：
1、光進(jìn)入均勻介質(zhì)后，通過電子不斷爆發(fā)、能量躍遷、耦合、回落到正常軌道釋放光波的過程進(jìn)行傳播，使傳播速度減慢。
介質(zhì)的折射率 (n) 等于真空中的光速 (c) 與光在介質(zhì)中傳播的速度 (v) 之比：
n=c/v
2、光在介質(zhì)中沿直線傳播，是光波相干疊加造成的，其他方向散射的光波大部分被抵消。
3、光的折射和反射都發(fā)生在介質(zhì)表面極薄的區(qū)域。 光的折射率與介質(zhì)的原子組成有關(guān)，也與光本身的頻率有關(guān)。 高頻可見光的折射率也較高。
4、人類利用光在介質(zhì)中折射和反射的化學(xué)性質(zhì)，制造了大量的光學(xué)元件，完成了許多測(cè)量任務(wù)。 這就是光的魔力。