光的反射与光的折射

第一章：像夸父追日一样，我们追光，是为了得到光明！

夸父追日是一个传说，但表达了人类勇敢的探索精神。夸父的结局不太美，但我们人类“追日”的成果很美。是的，在黑暗的宇宙空间中，我们需要更多的光，来照亮我们的前路。

今天这篇文章，就是关于光的。后面的几篇文章，也会是关于光的知识。我在猜想对光的所有实验的总结，会得到一个什么推理或猜想。对于我来说，非常重要。对于大家来说，也同样重要。

关于光的研究，可以追溯到几百年前。但我要例举的这些实验其实距离我们并不远。一起来看看吧。

首先我要说的是，关于光的认识我们最先是研究光的反射，折射，运动速度等现象，后来由麦克斯韦统一了电磁学后，才认识到光其实是一种电磁波。再后来，进行了光电效应，光的衍射，干涉等实验，使得光从宏观走到了量子层面。所以从这个认识上来说，光这个概念，在物理学中的位置很微妙，它是有承上启下的作用的。

所以对于的光的本质认识，是我们人类必

须克服的难题。直到现在光的速度，光的质量，

光的波粒二象性等都还是人类津津乐道的话

题，也是科学家还在不断深入研究的对象。

现代物理学的两大支柱相对论和量子力

学，哪一个都不能缺少光。有的人甚至说只要

把光【电磁波】的本质研究到位，宏观的，量子的问题都能迎刃而解；还有人说光就是破解宇宙的密码。不管怎么样，我们先走进光的神奇世界，慢慢揭开它的面纱。

1、光的反射.

关于光的反射，可以说是我们最早就开始研究的内容。光射到两种不同的介质时，便有部分光自界面射回原介质中的现象，称为光的反射。

大概有这么三种反射情况：反射光

线与入射光线、法线在同一平面上；反

射光线和入射光线分居在法线的两侧；

反射角等于入射角。可归纳为：“三线

共面，两线分居，两角相等”。光具有

可逆性。光的反射现象中，光路上是可

逆的。

还有我们初中就知道了，光的反射

分为镜面反射，漫反射，方向反射。方向反射是介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射，其表现为各向都有反射，且各向反射强度不均一。

2、光的折射

光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。

理解：光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是反射

光返回原介质中，而折射光则进入到另一种介质中，由于光在两种不同的物质里传播速度不同，故在两种介质的交界处传播方向发生变化，这就是光的折射。

光的折射和介质的折射率有

关。折射率定义：光从真空射入介

质发生折射时，光在发生折射时入

射角与折射角符合斯涅尔定律。即

入射角i与折射角r的正弦之比n

叫做介质的“绝对折射率”，简称

“折射率”。

公式：n=sini/sinr ，这条公式被称为斯涅尔公式。

同一介质对不同波长的光，具有不同的折射率。可见光折射率通常随着波长的减小而增大，即红光最小、紫光最大。

接下来我们来说说光的全反射。从光密介质进入光疏介质时入射角增大到某临界角时，会产生全反射。

临界角公式为: 。

（C为临界角）当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象。当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射。

所以产生全反射的条件是：①光必须由光密介质射向光疏介质；②入射角必须大于或等于临界角(C)。

所谓光密介质和光疏介质是相对的。两物质相比，折射率较小的，光速在其中较快的，就为光疏介质；折射率较大的，光速在其中较慢的，就为光密介质。例如，水折射率大于空气，所以相对于空气而言，水就是光密介质；而玻璃的折射率比水大，所以相对于玻璃而言，水就是光疏介质。

临界角是折射角为90度时对应的入射角（只有光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于或等于临界角时，才会发生全反射。）

上面这些内容，知识是我们初中就学习的内容，教科书更多的是从宏观角度去教我们认识光的。可是这本书名字叫《见微知著》，是从量子角度来认识世界的。所以我们有必要从量子角度来理解光的反射和折射。首先我们应该知道光的本质是一种电磁波。人眼可以看见的电磁波。光波是一种高频的电磁辐射。光波与界面原子分子发生相互作用导致其传播方向的改变、相位及偏振变化，以及能量和能流的重新分配。这就是反射和折射的本质。

在现实生活中，我们就常见到是的漫反射。可是上面我们介绍了反射和全反射。反射是存在的，全反射存在吗？

其实在我看来，绝对意义上的

全反射是不存在的。有以下几点原

因。

一、界面的“光滑”不绝对，

也就是没有绝对光滑的界面。也就

是说任何界面是有摩擦力的，都是

凹凸不平的。那么根据菲涅耳和惠

更斯的波动说，次波在P点处所引

起的振动的振幅与r成反比。这相

当于表明次波是球面波。光粒子就

难免会被漫反射。

二、真空不空，光的所携带的

能量，在传播过程中不能保证不损失，不能保证光子不与空间中的能量发生交互。

三、光是量子的光，与界面接触，不能保证不被界面吸收能量，或者折射部分光粒子。比如太阳光照到我们人身上的时候，一部分光穿过人的身体而去，一部被人体吸收，还有一部分被漫反射回空气中。

所以真正意义上的全反射，全折射都是不存在的。这是教科书上通常不严格提醒学生的。

最后大家要记住，光的反射，折射等都主要体现了光的波动性。所以在本章中多以“光波”来说。为什么这么说呢？如果光不体现光的波动性，只是粒子性。那么光子就会穿过很多的物体，而不会发生反射，折射。正是因为光具有波动性，所以这样的情况不会发生。

光波是一种特定频段的电磁波。光在传播过程中有两个垂直于传播方向的分量：电场分量和磁场分量。当电场分量与介质中的原子发生相互作用，引起电子极化，即造成电子云和原子荷重心发生相对位移。其结果是一部分能量被吸收，同时光在介质中的速度被减慢，方向发生变化，导致折射的发生。

就像我上面说的，反射和折射不能用粒子性解释。在利用近代理论解释光的折射和反射过程中，也不能理解为粒子碰撞。实际上可以理解为部分光子透射、部分光子反射。但是如果想问是哪个光子反射、哪个光子折射，实际上是办不到的。

因为光子只代表电磁场能量分布，其出现多少代表了电磁场的能量大小。在光入射到物质表面时，部分电磁场能量透射，形成折射光，部分电磁场能量反射，因此在折射和反射方向都能探测到光子。

所以多去体会和理解光的波动性，对于这一章是很有帮助的。

生命在于运动，更在于探索。——灵遁者

摘自独立学者，作家，艺术家灵遁者量子力学科普《见微知著》