作业帮对光折射现象的光子解释和电磁场解释
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：物理作业 时间：2024/11/06 01:49:44
对光折射现象的光子解释和电磁场解释
望充分描述
netheril96 网友，我需要的只是一个定性的解释，或者从方程组给出一个直观的粗略的分析，不涉及大量推导
另外，折射的过程也必然涉及光子与实物介质的作用，个人认为应该可以用光子说解释的
这个问题看来有些难度，呵呵因系统设置，好像没法提高了。如有较满意回答，另加1000如何？
望充分描述
netheril96 网友，我需要的只是一个定性的解释，或者从方程组给出一个直观的粗略的分析，不涉及大量推导
另外，折射的过程也必然涉及光子与实物介质的作用，个人认为应该可以用光子说解释的
这个问题看来有些难度，呵呵因系统设置，好像没法提高了。如有较满意回答，另加1000如何？
光是变化的电磁场,物质里的原子或分子外围的电子可以在此电磁场中受迫振动,振动的电荷将向四面八方辐射出次级电磁波,也就是说光所途经的物质里的每个原子都是一个个的小光源,并且这些光源发出的光不再沿原来激发它发光的光的传播方向,而是向各个方向都发光（但也并不是均匀分布）,这么多小光源的光以及原来的光之间要发生复杂的相互干涉,特别在两种介质的分界面的地方,电磁波还要满足一定的边界的连续性条件,用数学中的相关的积分以及描述连续性的代数式的方程组可以证明反射与折射的角度以及光能在这两方向的分配与角度的关系（即著名的菲涅尔公式）.
描述电磁场运动的核心公式是麦克斯韦方程组,共四个方程,由此经再取散度及替换等运算可以导出电场与磁场的两个波动方程,它们彼此形式完全相同,且与机械波的波动方程在形式上十分类似,所以电磁波的传播可用波动的普遍形式来描述.
用波动光学大致可以这样来解释折射：首先要知道“子波”概念：它指任何一列波的波前曲面（大致就是与光的传播方向垂直、光束最前端的那个面.比如平面波的波前通常是一个有限大小的平面,球面波的波前是那一时刻波最前面所达到的那个球面）上的任何一点（前面提到的原子就是实际上的点状物）都可以视为向前发出球面波的新的波源,这无限多个新波源发出的无限多个的小球面波就是原来那列波的子波.这些子波的包络面（即与所有这些子波的波前相切的曲面）就是原来那列波的新波前.接下来要知道,光在媒质中的传播速度要小于真空中的光速.最后基本上就是几何问题：由于是斜射,有一定宽度的平面波光束的波前不是同时经过介质表面,光束中最靠近介质表面的那一侧（即光束的下部）的光线最先进入.当光束最上端的光线最后进入时,最先进入的光线在介质表面处形成的子波的球面波最大,其他先后进入的光线在介质表面处形成的子波的球面波顺次减小（光束最上端的光线在介质表面处形成的子波的球面波现在只是一个点）.如果介质中的光速不变,则这些子波的众多球面波的包络面跟原来未进入介质时的波前就是平行的,但实际上介质中的光速更小,于是那些子波的球面波也就按比例都有所缩小,这些实际的子波的众多球面波的包络面就不再与原来未进入介质时的波前平行了,与波前始终垂直的光的传播方向也就因此发生了偏折.
量子力学从数学上来构造“光子”的方法之一大致是这样的：仍是从麦克斯韦方程组出发,借助电磁矢势和标势（在经典电磁理论中这两个电磁势是辅助性的概念,可以不采用它们也不影响整个理论的完备性,但在量子力学中发现它俩是不可或缺的,带有客观实体的性质）以及库仑规范（它规定标势总为0,而矢势的散度为0）,将电磁矢势的组合构造成正则动量与坐标的形式,再使用量子化规则（这是一种被广泛的实验证明是适用的,但在理论上却说不太清的假设）就将电磁场量子化为光子群了.这些光子群的运动完全就是麦克斯韦方程组描述的电磁场的运动（电磁波动方程描述的运动是其中最主要的一种形式）,所不同的只是电场或磁场的强度现在与光子的几率密度相关联了.波仍是那个波,不同的只是波所对应的物理实体从电场磁场变成了光子而已.所以,前面提到的从波的观点来解释折射现在仍然适用.比如前面提到的一个子波的球面波,现在的意义就是光子向四面八方发出的可能性（即几率）都有；众多子波相互叠加形成波前,现在的意义就是光子朝波前方向发射的可能性远远大于其它方向.
光子像其它玻色子一样有一种起源于波动的“吸引力”——光子们总倾向于聚集到一种量子态上,而且这种量子态上原有的光子数越多,其他光子就越倾向于集中到这样的状态里.最著名的大概就是“玻色－爱因斯坦凝聚”.各个原子发射到四面八方的球面波最终集中到折射的方向上,也是光子聚集到那种统一的动量量子态的表现.
前面在用波解释折射时,提到介质中光速变小,这是折射发生的一个关键要素,但当时未对此做出解释,而现在量子力学结合相对论可以更深入地说说原因了.
在真空中,光子的频率v和波长λ与光波的v和λ相同.而光子在介质中则不断被原子按特定频率“吸收”,然后又被激发的原子按相同频率“释放”出,这个v和所谓的“在介质中传播的光”的频率也相同.可由此说明光在折射前后频率不变.光束折射前后光子的波长相同,这个波长和所谓的“在介质中传播的光”的波长并不相同!这是一个关键点!光子的速度总是C,即便在介质内,原子核与电子之间的空隙其实也是真空!光子在遇到电子时可能被吸收,吸收后停顿片刻再放出,这就耽误了一点时间,所以说,在介质中光子是走走停停的,行进路线也可能是曲曲折折的,平均速度自然就比真空中的光速小,按照这个速度算得的波长才是“在介质中传播的光的波长”!
电子“挽留”光子的时间长短直接影响到介质中光波速度的大小,“挽留”的时间越长,光波速度越慢.电子吸收一个外来光子就被激发到某个激发态上.基态与激发态都是一种电子的分布状态,理论上,它们的分布遍及全空间,但实际上绝大部分空间的分布几率都很接近于0.那些分布几率明显不同于0的区域大致就可以看成是电子可以运动到的地方,化学上常用电子云的概念来描述这些区域.基态与激发态的电子云是互不相同的,但电子云是部分重叠的,重叠得越多,在这两态之间越迁的可能性就越大,电子“挽留”光子的时间就越短.不同物质的激发态与基态间重叠的多少是各不相同的,所以,不同物质的电子“挽留”光子的时间是不同的.值得注意的是,这里提到的激发态可能并非通常所说的定态,而是能量不很确定的瞬间激发态.
光子行进路线的曲折问题是影响介质中光波速度的又一因素,这与介质中各原子的分布结合状态有关,也与吸收光子的电子所在的原子的结构有关,具体我也不清楚.
（以上某些观点是我的猜测,因为一些理论细节我也并不知道.仅供参考.）
描述电磁场运动的核心公式是麦克斯韦方程组,共四个方程,由此经再取散度及替换等运算可以导出电场与磁场的两个波动方程,它们彼此形式完全相同,且与机械波的波动方程在形式上十分类似,所以电磁波的传播可用波动的普遍形式来描述.
用波动光学大致可以这样来解释折射：首先要知道“子波”概念：它指任何一列波的波前曲面（大致就是与光的传播方向垂直、光束最前端的那个面.比如平面波的波前通常是一个有限大小的平面,球面波的波前是那一时刻波最前面所达到的那个球面）上的任何一点（前面提到的原子就是实际上的点状物）都可以视为向前发出球面波的新的波源,这无限多个新波源发出的无限多个的小球面波就是原来那列波的子波.这些子波的包络面（即与所有这些子波的波前相切的曲面）就是原来那列波的新波前.接下来要知道,光在媒质中的传播速度要小于真空中的光速.最后基本上就是几何问题：由于是斜射,有一定宽度的平面波光束的波前不是同时经过介质表面,光束中最靠近介质表面的那一侧（即光束的下部）的光线最先进入.当光束最上端的光线最后进入时,最先进入的光线在介质表面处形成的子波的球面波最大,其他先后进入的光线在介质表面处形成的子波的球面波顺次减小（光束最上端的光线在介质表面处形成的子波的球面波现在只是一个点）.如果介质中的光速不变,则这些子波的众多球面波的包络面跟原来未进入介质时的波前就是平行的,但实际上介质中的光速更小,于是那些子波的球面波也就按比例都有所缩小,这些实际的子波的众多球面波的包络面就不再与原来未进入介质时的波前平行了,与波前始终垂直的光的传播方向也就因此发生了偏折.
量子力学从数学上来构造“光子”的方法之一大致是这样的：仍是从麦克斯韦方程组出发,借助电磁矢势和标势（在经典电磁理论中这两个电磁势是辅助性的概念,可以不采用它们也不影响整个理论的完备性,但在量子力学中发现它俩是不可或缺的,带有客观实体的性质）以及库仑规范（它规定标势总为0,而矢势的散度为0）,将电磁矢势的组合构造成正则动量与坐标的形式,再使用量子化规则（这是一种被广泛的实验证明是适用的,但在理论上却说不太清的假设）就将电磁场量子化为光子群了.这些光子群的运动完全就是麦克斯韦方程组描述的电磁场的运动（电磁波动方程描述的运动是其中最主要的一种形式）,所不同的只是电场或磁场的强度现在与光子的几率密度相关联了.波仍是那个波,不同的只是波所对应的物理实体从电场磁场变成了光子而已.所以,前面提到的从波的观点来解释折射现在仍然适用.比如前面提到的一个子波的球面波,现在的意义就是光子向四面八方发出的可能性（即几率）都有；众多子波相互叠加形成波前,现在的意义就是光子朝波前方向发射的可能性远远大于其它方向.
光子像其它玻色子一样有一种起源于波动的“吸引力”——光子们总倾向于聚集到一种量子态上,而且这种量子态上原有的光子数越多,其他光子就越倾向于集中到这样的状态里.最著名的大概就是“玻色－爱因斯坦凝聚”.各个原子发射到四面八方的球面波最终集中到折射的方向上,也是光子聚集到那种统一的动量量子态的表现.
前面在用波解释折射时,提到介质中光速变小,这是折射发生的一个关键要素,但当时未对此做出解释,而现在量子力学结合相对论可以更深入地说说原因了.
在真空中,光子的频率v和波长λ与光波的v和λ相同.而光子在介质中则不断被原子按特定频率“吸收”,然后又被激发的原子按相同频率“释放”出,这个v和所谓的“在介质中传播的光”的频率也相同.可由此说明光在折射前后频率不变.光束折射前后光子的波长相同,这个波长和所谓的“在介质中传播的光”的波长并不相同!这是一个关键点!光子的速度总是C,即便在介质内,原子核与电子之间的空隙其实也是真空!光子在遇到电子时可能被吸收,吸收后停顿片刻再放出,这就耽误了一点时间,所以说,在介质中光子是走走停停的,行进路线也可能是曲曲折折的,平均速度自然就比真空中的光速小,按照这个速度算得的波长才是“在介质中传播的光的波长”!
电子“挽留”光子的时间长短直接影响到介质中光波速度的大小,“挽留”的时间越长,光波速度越慢.电子吸收一个外来光子就被激发到某个激发态上.基态与激发态都是一种电子的分布状态,理论上,它们的分布遍及全空间,但实际上绝大部分空间的分布几率都很接近于0.那些分布几率明显不同于0的区域大致就可以看成是电子可以运动到的地方,化学上常用电子云的概念来描述这些区域.基态与激发态的电子云是互不相同的,但电子云是部分重叠的,重叠得越多,在这两态之间越迁的可能性就越大,电子“挽留”光子的时间就越短.不同物质的激发态与基态间重叠的多少是各不相同的,所以,不同物质的电子“挽留”光子的时间是不同的.值得注意的是,这里提到的激发态可能并非通常所说的定态,而是能量不很确定的瞬间激发态.
光子行进路线的曲折问题是影响介质中光波速度的又一因素,这与介质中各原子的分布结合状态有关,也与吸收光子的电子所在的原子的结构有关,具体我也不清楚.
（以上某些观点是我的猜测,因为一些理论细节我也并不知道.仅供参考.）