光路的折射实质是什么？

中科院物理所

2015-12-16 09:52:08

我们来讲讲惠更斯原理。波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。我们知道物质都是由原子组成的，在折射的情况时，光照到原子上先被吸收，然后又原样释放出来，这样光的波阵面上的原子就成了一个一个的点光源，他们发出的光再进行合成，就成为出射光，当出射光的速度与入射光的速度不同时，合成出射光的方向就和入射光不同了，这就是折射。

定量分析：如图，蓝色的是入射光的波阵面，绿色的是出射光的波阵面。设光在介质1、2中的速度分别为v1、v2，取光束的宽度为d。设t=0时刻光束左端与界面接触，则t=dsinθ1/v1时光束的右端才接触到界面。此时光束的左端已前进v2*dsinθ1/v1，由图中几何关系有此即我们熟知的折射定律。关于反射角的分析戳这里：光为什么会反射？

附：关于介质中的光速小于真空中的光速的微观解释。上面我们说过光照到原子上会先被吸收，之后原子会在激发态停留一段时间，然后才退激释放光子，这样光子在很多原子间传播时会不断经历一个短暂的停顿，因此宏观上，光在介质中传播的平均速度，就小于真空中的光速了。定量分析就是定义“介电常数”ε和“磁导率”μ的事了，这两个参数需要通过实验来测定。

再附：对不同频率的光，停留的时间不同，从而折射率不同，这种现象叫“色散”。定量分析，维基里提到柯西公式，那只是局部近似的公式，实际的色散很复杂，基本全靠测。在某些特殊的X射线γ射线波段，折射率甚至能大于1，意味着光在介质中的相速度大于真空中的光速，这种情况是因为介质原子吸收了光子后，放出的是相位更加超前的光子，这样就显得相速度高了。

（相速度超光速不代表信息超光速，有疑惑的戳这里：怎样浅显易懂地解释相速度和群速度）