光在折射时速度为什么会变化？

我们知道光进入不同的介质时，介质中的光速会发生变化，引起折射现象。那么，为什么介质中的光速会变化？光速变化又为什么会表现为折射呢？

先来解答第一个问题。介质在微观上是由原子和真空组成，而真空中的光速不变，所以是光和原子之间发生相互作用时改变了宏观上体现出的光速。一种经典的解释是洛伦兹模型：光是电磁波，进入介质后电磁波会对介质原子施加一个振荡的电磁场。我们知道原子由带正电的原子核和带负电的电子云组成，当受到外来电场驱动时，电子云会偏离平衡位置，像“弹簧”一样振动起来。带电物体的振动会辐射出电磁波损失能量，因此这是受迫阻尼振动，受迫阻尼振动的电子发出的电磁波会比驱动它的电场“慢半拍”，让宏观上看到的光的相速度相对真空中的光产生延迟。对于不同的介质，这种相位延迟的程度也不一样，造成不同介质中的光速也不一样。

如果在一个界面两侧，光的相速度不同，比如光从空气入射到水中时，光就会发生折射现象。相速度变化为什么会产生折射？

解释这个现象的最早的模型是惠更斯原理，此原理认为，自波源发出的波阵面上的每一点，都可以看作发射出次级波的波源，惠更斯原理给出了从相速度变化到波行进方向变化的数学推导过程。

▲任何瞬间波阵面（波的前端）上的每一点都在产生次级波，下一 瞬间的波阵面就是由波阵面上的无数个点发出的无数个次级波叠加起来形成的。

根据惠更斯原理，上方入射光线到达介质交界面后，交界面的这一点便可以看作发射出次级波的波源。当左端出射光行进tv2 距离时，右端入射光行进了tv1的距离，由几何关系可得d=tv1/sinθ1=tv2 /sinθ2，化简后即可得出斯涅尔折射定律。

但惠更斯原理还不够完美，后来法国物理学家菲涅耳在惠更斯的公式中增加了倾斜因子项，德国物理学家基尔霍夫用格林公式解释了倾斜因子的来源，才算完成了一个成熟的波动光学理论。

洛伦兹模型能够一定程度上解释可见光在绝缘介质中的折射现象。但对于高频的光或金属介质，需要用半经典的洛伦兹-德鲁德模型。对于光子晶体等新型材料，还需要用量子理论来解释。

来源：科学世界

编辑：雪影

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