兩種介質相比,把光速(在該介質中光的速度)大的介質叫做光疏介質,光速小的介質叫光密介質。光疏介質與光密介質相比,它的光速大,絕對折射率小,光在兩種介質間傳播時,在光疏介質,光線與法線的夾角比光密介質光線與法線的夾角大。
光疏和光密是相對而言的。空氣的折射率約為1,水的折射率約為1.33,玻璃的折射率約為1.5。則水對空氣而言為光密介質,水對玻璃而言又是光疏介質。
絕對折射率以真空為最小,等於1,其它介質的絕對折射率均大於1。所以絕對折射率大於等於1。
相對折射率可大於1,也可小於1,光密介質對光疏介質的相對折射率大於1,光疏介質對光密介質的相對折射率小於1。
在中學物理中,一般定義折射率(n)大於1,為光密介質對光疏介質的相對折射率。
折射率較大的稱光密介質,折射率較小的稱光疏介質。
折射率與介質的電磁性質密切相關。根據電磁理論,εr和μr分別為介質的相對電容率和相對磁導率。折射率還與波長有關,稱色散現象。折射率數據是對某一特定波長而言的(通常是對鈉黃光,波長為5893埃)。氣體折射率還與溫度和壓強有關。空氣折射率對各種波長的光都非常接近於1,例如空氣在20℃,760毫米汞高時的折射率為1.00027。在工程光學中常把空氣折射率當作1,而其他介質的折射率就是對空氣的相對折射率。
折射率和溫度的關系
在物理學中,折射率是描述材料對光的偏折程度的物理量,通常用符號n表示。折射率的大小取決於材料本身的性質,如密度和化學成分。然而,它也與環境條件,特別是溫度有關。
折射率的基本定義是光在真空中傳播時候的速度與其在其他介質中傳播時候的速度之比。這兩種速度之間的比率越大,折射率也就越大。有時候,為瞭更清晰地表達光的速度,也使用光速度在該介質中的比率來定義折射率,即折射率等於光在該介質中的速度與光在真空中的速度之比。然而,在某些情況下,光線的行進路徑和速度是受溫度影響的。這種現象被稱為熱致折變,會由於溫度的變化而導致折射率的變化。這種現象也存在於其他光學元素中,如光學鐵路軌道和光學電纜中。熱致折變是一個復雜的現象,它不僅取決於溫度變化的大小,還取決於材料的本身性質和折射率的實際值。然而,有一些普遍的規律可以總結出來。首先,一般情況下,隨著溫度的升高,折射率會增加。這是由於高溫會導致物質中原子的核外電子空間運動不平衡,原子核外電子空間運動不平衡會導致電子與光的傳播介質以太粒子運動時相互作用變大,從而導致折射率變大。這種趨勢可以用以下方程來描述:
n(T) = n0 + A(T - T0)
其中,n(T)表示在溫度為T時的折射率,n0是在參考溫度T0下的折射率,A是折射率隨溫度變化的比例因子。
因為原子的核外電子空間運動越不平衡,折射率越大,同時原子的核外電子空間運動越不平衡,材料中的以太粒子被電子排斥作用越大,以太粒子變少,光傳播的速度越小,這也是為什麼折射率越大,光傳播速度越小,折射率的基本定義是光在真空中傳播時候的速度與其在其他介質中傳播時候的速度之比的原因,折射率越大,光傳播速度越小。
當溫度接近絕對零度時的超流體中絕對折射率應該變小接近1,同時光速變大,接近真空中光速。這是因為此時材料中原子核外電子空間運動接近絕對平衡,電子與以太粒子(光傳播的真正介質)排斥作用接近為零,以太粒子在材料中的密度接近真空中的密度。
一個材料的折射率反映的是這個材料中核外電子與光傳播介質以太粒子排斥力的大小,當核外電子對以太粒子排斥力越大時,材料中的以太粒子密度越小,材料折射率越大,光在材料中傳播時速度越小,反之,當核外電子對以太粒子排斥力越小時,材料中的以太粒子密度越大,材料折射率越小,光在材料中傳播速度越大。
紫光中的以太粒子運動速度快(紫光光子頻率大,能量大),所以與原子核外電子排斥作用力大,折射率大,而紅光中的以太粒子運動速度慢(紅光光子頻率小,能量小),所以與原子核外電子排斥作用小,折射率小,這就是牛頓三棱鏡分光實驗的原理。
頻率大,能量大,以太粒子運動速度快的光子折射率大;頻率小,能量小,以太粒子運動速度慢的光子折射率小。一束白光經過三棱鏡被分成瞭紅橙黃綠藍靛紫各色光。
靜止電荷與靜止以太粒子之間的排斥力的數學表達式:
F=Aqd/R^2(A表示靜止電荷與靜止以太粒子之間排斥力常數,q表示電荷量,d表示以太荷量)。
運動電荷與運動以太粒子之間的排斥力的數學表達式:
F=Bqv1dv2/R^2(B表示運動電荷與運動以太粒子之間排斥力常數,q表示電荷量,d表示以太荷量)。
頻率大,能量大,以太粒子運動速度快的光子與運動電子之間排斥力大,所以折射率大;頻率小,能量小,以太粒子運動速度慢的光子與運動電子之間排斥力小,所以折射率小。
三棱鏡分光實驗
星光彎曲和引力透鏡與電磁力透鏡(例如玻璃透鏡)原理其實是一樣的,一個是引力場使光線彎曲,一個是電磁場使光線彎曲。以太粒子運動與電磁場和引力場之間都會發生作用。
精確的實驗應該可以測量到星光彎曲時,星光被分成瞭紅橙黃綠藍靛紫各色光。星光既然發生瞭彎曲(折射)那麼我們在地球上觀測到的星光頻率應該發生瞭改變,紅移或者藍移,原本一束星光為白色(包含瞭各色光),通過星光彎曲(折射)後,因為各色光折射率不同,傳播方向發生瞭改變,隻有一部分顏色的光來到瞭地球。
運動天體與運動以太粒子之間的相互作用力的數學表達式:
F=cosaZmv1dv2/R^2(Z表示運動天體與運動以太粒子之間相互作用力常數,m表示天體質量,v1表示天體絕對運動速度,d表示以太荷量,v2表示以太粒子運動速度,cosa是兩個運動物體速度之間夾角的餘弦。a小於90度時,兩個運動物體相互吸引;a等於90度時,作用力為零,兩個運動物體互不影響;a大於90度時,兩個運動物體相互排斥。)。
我的萬有力公式:F=cosaLm1v1m2v2/R^2,L為萬有力常數,m1、m2為兩個物體的質量,v1、v2為兩個物體速度(這裡是絕對速度,不是愛因斯坦相對論的相對速度),cosa是兩個運動物體速度之間夾角的餘弦。a小於90度時,兩個運動物體相互吸引;a等於90度時,作用力為零,兩個運動物體互不影響;a大於90度時,兩個運動物體相互排斥。比牛頓的萬有引力公式(F=Gm1m2/R^2)多瞭兩個物體的速度,牛頓認為萬有引力是兩個物體的質量m產生的,而我認為是兩個物體的動量mv產生的。
星光彎曲