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1、标 题: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？发信站: 南京大学小百合站 (Mon Apr 3 20:13:00 2006)各位好！小可有个问题困扰很久了，想请教大家：光的反射和折射的本质是什么？教科书上讲，因为光是一种波。我觉得应该还没有说到本质上。那么，最最深层的物理本质是什么呢？望达人赐教。我第二个问题是，布儒斯特角的物理机制是什么？教科书上只讲了光从光密介质传到光疏介质时，若折射和反射波成九十度，平行极化波将没有反射波，这就是布儒斯特角。但是这里都假设介质是电介质。于是，我就有一个问题了，光在磁介质间传播时，会不会也出现布儒斯特角呢？为什么呢？谢谢大家！- 来源:南京大学小百合站 h
2、ttp:/ FROM: 202.119.45.162本篇全文 回复本文 本篇作者: pangen 本篇人气: 63 1 发信人: pangen (潘根), 信区: Physics标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？发信站: 南京大学小百合站 (Wed Apr 5 07:29:34 2006) （一）关于反射和折射的物理图象 光波是电磁波。介质是由正负电荷微粒构成的。 介质分子的电矩在光波的周期性电磁力作用下发生受迫振动，成为子波源。 各子波源虽是分离的，但相隔的距离要比光波的波长小23个数量级，比光束的横向相干尺度也要小很多个数量级,因而它们在宏观上的分布可以认为是连续的。
3、 子波是球面波。在不同的介质中有不同的波速，因而界面处的子波源向两侧提供的子波的波面都是半球面。 邻近的子波源是相干的，因而子波叠加后可以在小范围内得到平面波。反射光线和折射光线都是在波面的法线方向上。根据这种特点，可以导出反射定律和折射定律。 （二）关于布儒斯特定律 反射定律和折射定律只能分别描述反射线和折射线的方向，不能描述反射线和折射线的强度。如果要了解反射线和折射线的强度，那就需要考虑能量守恒原理，界面反射出的和折射出的能量之和应等于同一时间里的入射能量。 光波是横波，有两个彼此正交的偏振方向。在研究反射和折射现象时，可根据入射面的法线方向把入射光的电场矢量分解为“平行分量”和“垂直分
4、量”。这两个分量是彼此独立的，因而分别遵守能量守恒原理。 不论是“平行分量”还是“垂直分量”，反射线和折射线的强度（或振幅）之比都是入射角i的函数。就“平行分量”而言，当i等于某个特殊值iB（B是脚标）时，反射系数能够等于零，意味着此时出现“全折射”；就“垂直分量”而言，不论i取何种值，反射系数和折射系数都不可能等于零，意味着“垂直分量”的反射线和折射线总是同时存在的。 自然光中含有“平行”和“垂直”两种成分。当它以i=iB的角度入射时,反射光中只含“垂直”成分,意味着它是完全偏振光,因而iB被称为“起偏角”。 1811年,英国物理学家布儒斯特用经验归纳法得到 n” tan iB = （1）
5、n此结论被称为布儒斯特定律, 因而起偏角iB又名布儒斯特角。n”/n是相对折射率（第二种介质相对于第一种介质而言的折射率）, n和 n”分别是第一种介质和第二种介质的绝对折射率。作为经验定律，公式（1）只能保证在实验精度范围内是正确的，没有理由说它是严格的。 1818年,法国物理学家菲涅耳利用“光以太”模型创立了波动光学。利用菲涅耳的反射折射公式能导出布儒斯特公式（1）。光学教科书上都说菲涅耳反射折射公式是严格的基本公式,因而由它推出的布儒斯特公式也被认为是严格的。我估计这是抄袭十九世纪六十年代以前的提法，代代相传。布儒斯特和菲涅耳都是生活在电磁理论问世之前,当时的人类还未弄清光的本质,因而他
6、们的认识难免历史的局限性。如今“光以太”本身已被证明不存在，也就没有理由说菲涅耳反射折射公式严格正确。 楼主提的问题,我在学生时代也思考过,并于1961年用电动力学方法导出了反射折射公式的严格形式。起偏角满足的严格公式是 ” -”2 1/2 tan iB =- （2） ” -2） 其中和” 分别是第一种介质和第二种介质的介电系数,和” 分别是第一种介质和第二种介质的磁导率。绝对折射率n可用磁导率和介电系数描述。利用折射率公式 n” ” 1/2 = （3） n 可将（2）式改写成 n” n”2 （”2 -2） 1/2 tan iB = 1 - （4） n ”2 （n”2 -n2） 此式与布儒斯特
7、公式（1）显然有差别。但是,如果两种介质有相同的磁导率,那么（4）式就简化为（1）式。在实际材料中,除了铁磁材料以外,其余各种材料在磁导率方面的差异都很小,因而布儒斯特公式一般是能与实验相符的。另一方面,不同的介质不可能有严格相同的磁导率,因而可以肯定: 布儒斯特公式（1）是近似的。 菲涅耳反射折射公式中也遗漏了磁导率,因而它也是近似的。该式本来就比较繁琐,引进磁导率后就更繁琐了,不便把它送上网。感兴趣的朋友可以参看我的基础物理述评教程p.581593。在那里,界面方面的六条定律可以同时地由同一个物理模型导出。一旦略去磁导率,就能得传统的公式。- 来源:南京大学小百合站 http:/ FROM
8、: 221.226.237.79 修改:pangen 於 Apr 5 16:01:15 2006 修改本文FROM: 221.226.236.250 本篇全文 回复本文 本篇作者: xiaoshu9979 本篇人气: 58 2 发信人: xiaoshu9979 (xiaoshu), 信区: Physics标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？发信站: 南京大学小百合站 (Wed Apr 5 22:34:02 2006)潘老师：您好！ 想不到能得到您的指点，还有您这么详细的解释，真是太感谢了！我刚从图书馆查到您的书了，仔细地看了您说的那些页。关于这个问题，您说的和您书上所写的，
9、我大体明白了。只是，我还有一个问题：为什么会出现布儒斯特角呢？从反射率公式，很容易推出布儒斯特角出现的数学条件。但是，我想知道的是它里面的物理原因是什么。著名电磁学家孔金瓯在电磁波理论中写道：考虑平面极化波，折射波的电场引起电介质中的电偶极子振动，进而产生电磁辐射，这种辐射发出的能量在垂直于振动方向的平面内最大。当折射和入射波垂直时，这种辐射在反射波的方向上的能量分量为零，所以，出现无反射波，此时的入射角即为布儒斯特角。我觉得这种解释似乎不是很合理。而且如果时磁介质，又该怎么解释呢？- 来源:南京大学小百合站 http:/ FROM: 202.119.45.162本篇全文 回复本文 本篇作者:
10、 pangen 本篇人气: 24 3 发信人: pangen (潘根), 信区: Physics标 题: Re: 请教大家：光的反射和折射的本质是什么？发信站: 南京大学小百合站 (Thu Apr 6 18:39:19 2006) 任何“介质”都是既具有介电系数又具有导磁系数。如果只考察其电学性质，那么就说它是“电介质”；如果只考察其磁学性质，那么就说它是“磁介质”。光波中既有电场又有磁场，因而把“介质”称为 “电介质”或称为 “磁介质”都不是很恰当的，恰当的名称应当是“电磁介质”。 孔金瓯电磁波理论中只考虑了“电介质中的电偶极子振动”所引起的辐射，这就与菲涅耳的“光以太”模型完全相似。菲涅耳
11、未能把光波同电磁场联系起来，但已承认光波是横波，让“光以太”内具有切应力场，只是未把切应力场命名为“电场”，未把折射率同介电系数联系起来。从数学形式上看，介电系数的倒数相当于“切变模量”，因而完全可以仿照连续介质力学处理机械波的办法来处理光波。 “如果是磁介质”的提法是否含有“只考虑介质的磁学性质而不考虑电学性质”的意思？如果是“只考虑介质的磁学性质而不考虑电学性质”，那么，只要把“电介质中的电偶极子振动”这句话改为“磁介质中的磁偶极子振动”就够了。这是因为，我们可以用“等效磁荷法”来处理磁学问题，把“分子磁矩”理解为“磁偶极矩”。在这种情况下，磁学中的强度量B=H、能量密度u=HB/2、边界
12、条件Ht= Ht”（切向分量连续）、Bn=Bn ”（法向分量连续）与电学中的D=E、u=ED/2、Et= Et”、Dn=Dn ”完全对称,磁场也可被分解为“平行分量”和“垂直分量”.在光波里,磁场与电场总相互垂直的,因而“磁场平行于入射面”必定与“电场垂直于入射面”相当, “磁场垂直于入射面”必定与“电场平行于入射面”相当.所以,完全可以照抄传统教科书里的做法而得到 n” tan iB = （1） n所不同的是, 传统教科书里的相对折射率n”/ n是代表（”/ ）1/2, 而在“如果是磁介质”的场合需把n”/ n理解为（”/ ）1/2 。 在“如果是磁介质”的情况下,“起偏条件”仍然是“折射线与反射线垂直”（不是“折射和入射波垂直”）. 光波中的电场和磁场是不可分割的整体,“电磁感应”和“磁电感应”总是同时出现的.电动力学给出的n”/ n既不是（”/ ）1/2 又不是（”/ ）1/2,而应当是（” ”/ ）1/2, 所以“纯电介质”模型和“纯磁介质”模型都是不可能与真实情况完全吻合的. 从物理上讲, “起偏”是以“反射光为完全偏振光”为标志,由此来确定“起偏角该是多少”
