光的反射和折射的本质是什么

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 [FROM: 202.119.45.162] [本篇全文] [回复本文] [本篇作者: pangen] [本篇人气: 63]

○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）

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

┌ ε‘ε‖μ‖ -μ‘ε‖^2 ┐^1/2

tan iB =│- ────────│ （2）

└ ε‘ε‖μ‖ -μ‘ε‘^2）┘

其中ε‘和ε‖ 分别是第一种介质和第二种介质的介电系数,μ‘和μ‖ 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‖ ┌ μ‖ε‖ ┐^1/2

──=│── │ （3）

n‘ └ μ‘ε‘ ┘

可将（2）式改写成

n‖ ┌ n‖^2 （μ‖^2 -μ‘^2）┐^1/2

tan iB =── │1 - ────────────│ （4）

n‘ └ μ‖^2 （n‖^2 -n‘^2）┘

此式与布儒斯特公式（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.581～593。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 [FROM: 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]

[本篇全文] [回复本文] [本篇作者: 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ε又具有导磁系数μ。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=μH、能量密度u=H·B/2、边界条件Ht‘= Ht‖（切向分量连续）、Bn‘

=Bn ‖（法向分量连续）与电学中的D=εE、u=E·D/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‘