为什么同一道光通过介质,有的光折射有的光反射?


很好的问题,也是很难的问题。难点在于:这个问题要讲到物理本质必然会涉及到很高深的理论,比如量子电动力学 QED。但是题主说了自己是高中生不想要高深的理论,要通俗的讲解。

通俗的科普比高深的科研还要难。建立量子电动力学的理查德.费曼就曾经说过:如果不能用通俗的语言让外行听懂,说明你还没有真正理解。

很多人提到了菲涅尔定律,尤其是波恩和沃尔夫的光学原理第一章 5,6 节。的确菲涅尔定律根据电磁场边界条件能够告诉你如何定量的计算光的反射和折射。但是没有触到本质,回答不了题主的问题。

那么到底如何理解光的部分反射呢?

我们从经典电动力学的角度出发研究光和物质的相互作用。经典的意思是从电磁波的角度看待光,而不是考虑其量子特性。

先说一点。光入射到介质以后「假设是玻璃,以便于在脑海里建立画面」,反射和折射的光都不再是原来的光了。光是电磁场,是振荡的电磁场。当光入射玻璃后,将能够跟组成玻璃的原子作用,因为原子是由带电的质子和电子组成。但是由于质子的质量太重,相互作用主要是电磁场和电子的作用

为什么说反射和折射的光都不再是原来的光了?这是因为电子在光的振荡电场里要振荡运动,振荡的电子就像天线一样要辐射电磁波,也就是产生新的光。新的光可以沿各个方向。

但为什么我们看到的只有反射和折射的方向?这里面要介绍干涉相消和干涉相长的概念。也就是取决于电磁波的相位。在向后传播的方向,所有电子发出的新的光只能在固定的反射方向干涉相长,而其他位置的光都互相抵消了。在向前传播的方向,电子发出的新的光和原来入射的剩余的光只能在特定的折射方向干涉相长。

实际上,这可以用惠更斯 - 菲涅尔原理解释。这个原理说的是,光在传播路径上遇到的障碍物「或小孔」上的每一点都是都是新的点光源,能够发射出向各个方向传播的球面子波。新的光「反射、折射、衍射等」则是所有从这些点波源发射出的球面波通过干涉原理进行叠加后的结果。下图可作为光的折射的解释。

图片来自网络,侵删

当然,如果在图上画出反向的波包,则可给出反射光。

上面的波包的波前连线实际上确定了折射光的特定方向。下面的动图可能能更好的理解。你可以把动图里描述的理解为平面电磁波从空气进入玻璃的过程。我们知道,相比于空气,玻璃是光密介质。光密介质中光传播的慢。效果上电磁波波前之间的距离被压缩「介质的折射率导致波长的变化」,那么在空气和玻璃的界面上要保持波前的连续性,则必然导致玻璃内的波的方向变化。这便是折射光的方向。不同的折射率导致不同的波前压缩或拉伸,造成不同的折射方向。

动图来自网络,侵删

最后,定量的为什么对于特定的介质「以及特定的入射角度」,反射率和折射率具有特定的比值?通过波包叠加分析是可以给出的定量解释的。当然更本质的解释需要量子理论。比如量子场论认为空间是均匀各向同性的,波函数可以向没有阻碍的任意路径传播,当把所有的可能路径积分以后,结合不同波函数之间的相位差别,最终叠加的效果则是我们看到的定量的反射和折射现象。

最后的最后,关于光的部分反射,干涉,与电子的作用,强烈推荐费曼的科普书:QED: The strange theory of light and matter。应该有中文翻译的。薄薄的一本,一共只有四章,没有一个公式,靠一堆箭头和方框通俗的讲解了量子电动力学。

我感觉我好像有点理解了。

只有江苏常州方言中把「带馅的」都叫做馒头吗?
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