為什麼不同頻率的光在同一介質中速度不同? 有沒有簡單易懂的解釋?

時間 2021-05-29 23:05:33

1樓:饃饃黑

可以簡單的理解為,光在非真空中傳播,微觀上,光子會受介質中的電子干擾,從而走了彎路,而巨集觀上表現為光在介質中傳播速度降低。

但其實光速還是光速,只是看似一段直線的光,在介質中並不是以簡單的直線傳播的。

光的頻率越高,其能量越大,頻率不是決定光在介質中傳播速度的唯一因素,因為還取決於介質的材料。而材料的不同決定了介質中電子對不同頻率光子的影響力的不同。

具體可以了解一下能級躍遷,這是電子和光子之間的一種作用形式。

以能級躍遷來說,電子和原子核之間的距離不是連續而是分層的,當電子吸收特定頻率的光子,就會從接近原子核的一層「跳躍」到原遠離原子核的一層,而電子遠離原子核的狀態並不穩定,電子會重新接近原子核,並發出光子。而除了根據層數變化而來的一系列特定頻率的光子,電子不會吸收也不會發出其他頻率的光子。

於是不同的介質會有不同的電子能級,對應各種不同頻率的光子,最終反應到巨集觀上,就是不同頻率的光,在相同的介質中收到的干擾程度不同,最終速度不同。

2樓:張大浩

不同頻率的光折射率不同,

不同頻率的光折射率不同,

不同頻率的光折射率不同。

先說三遍,

光在介質中的速度是真空速度除折射率,

所以不同頻率速度不同,

總結,光學色散效應

3樓:Venus

頻率越大光速越低。光是能量乙份乙份的,光速不變是愛因斯坦提出來的,頻率大光子速度越低。跟波浪幾分相似。

波浪在同一介質水中傳播。同一高度不同重量的石頭沿同一路徑砸向水面,接觸面釋放不同的能量,產生不同頻率的波浪。對比幾組波浪發現不同頻率的波浪向外擴散的速度不同。

不同組資料波長越長頻率越低,同組資料頻率越小向外擴散的速度越快。

4樓:麥克斯偉

Ylzat-jines解釋得很詳細,不過高中生可能看不懂。

光在介質中傳播會與介質中的電子互作用,這種作用要不就是表現為拖慢傳輸速度(相移),要不就是表現為吸收。

這種作用強度隨頻率的變化而變化(取決於能帶結構),不能簡單的說頻率越高,速度拖得越慢,而是在很多情況下,頻率越高,速度越慢較為常見而已。

5樓:Kevin Wayne

先說結論:所謂不同頻率的光在同一介質中傳播速度不同,其實就是眾人皆知的色散現象。

我們知道,光在真空中傳播最快,約為,是自然界物質運動與資訊傳播的最快速度。介質中的光速都比在真空中的要小――具體可以解釋為光與介質相互作用的結果,由此我們可以得到物質折射率的決定式,進而利用折射率定義式的變形得到介質中的光速。色散實驗表明,不同頻率的光在同一介質中折射率不同,紅色光的折射率比紫色光的要小。

於是,在同一透明介質中,紅色光的傳播速度比紫色光要大。

下面,我們通過光與介質的相互作用來詳細地解釋一下。

我們知道,光在介質中的相速度為

。對於多數透明介質,在光學頻段,有 ,

於是,根據折射率的定義

,我們有 。

我們知道,在填滿介質並且在板上帶有電荷 產生電場 的電容器裡,介質中的局域空間平均電場 是 和由感應電極化作用引起的電場 的疊加。即

。①其中, 是單位體積內的感應電偶極矩。即

。 ②其中, 是每單位體積的極化電荷數, 是每個極化電荷的電量, 是電荷離開它的平衡位置的位移, 是單位向量。現在,我們取 , 和 都沿著 方向,並省略向量記號。由於電容量被定義為

。其中, 是兩板之間的電勢差。於是,在填進介質之後,由於感應極化引起電場強度減小, 也成比例地減小,從而 增加。 增加到的倍數被稱為介電常數 。因此,根據 ①、② 兩式,我們有

。下面,我們假定乙個透明介質的分子由乙個「重而不動」的原子核與依附在核上的電子組成。電子擁有相對較小的質量 ,電荷為 。

電子由彈性係數為 的彈簧束縛在核上。由於光傳播到介質中,與其相互作用,電子的運動因此受到阻尼,阻尼係數記作 。根據牛頓第二定律,可以列出電子的動力學方程

。 ③下面,我們假定外電場以角頻率 做簡諧運動。因此, 和 也以頻率 變化。由此,我們可以取在某乙個「普通」分子上的電場

,另一方面,方程 ③ 恰好是當 時簡諧振子的情況。穩態振盪的解為

。式中, 和 分別為彈性振幅和吸收振幅。假如我們不考慮在光的頻率接近吸收共振時,透明介質分子的行為,則此時可以忽略 。如果不接近共振,則是很好的近似。

。假如我們遠離共振,即對方程 ③ 令 ,我們有

。因此,我們得到

。 ④這個結論是以具有單一共振的簡單模型為基礎的。為了使它適用於實際的介質,我們應當對所有主要共振對 的貢獻進行加和。

此時,④ 式中的 可以認為是「平均」共振頻率。對於 ,我們應當取單位體積的分子數乘上每個分子貢獻的共振的平均數。做出顯著貢獻的電子數約等於外層電子數。

當 在可見光頻率範圍內時,玻璃中最重要的共振發生在紫外頻率處,其波長的數量級為 或更小一些。可見光的波長約為這個波長的 5 倍。相應地,可見光的頻率約為頻率共振頻率的 1/5。

因此,根據 ④ 式, 1" eeimg="1"/>。這同關於可見光在玻璃中的實驗相吻合。再注意到,當 增加時,分母 變小,因此 變大。

於是,頻率較高的紫光,其折射率比頻率較低的紅光要大。這與光的色散實驗的結論完全吻合!

6樓:Ylzat·Jines

先提出結論:並不是頻率越大速度越慢。速度隨頻率增大而降低只在有限區間內成立。

經典反例:對於所有的介質,X射線的折射率n都很接近於1。

我們要明白幾個基礎知識。

真空中光速是c=3*10^8 m/s,是個常數。

介質中的光,相速度是v=c/n,真空中n為1。

n是折射率,n=n+ik,虛部稱為消光係數,就是在傳播過程中的損耗,而我們研究相速度只跟實部有關。我們大概認為玻璃中的折射率是1.5@1550nm。

光頻率光是一種電磁波,下面我們考慮z方向傳播平面極化的波。

光在介質中的傳播速度受波和原子的相互作用的影響,而這種相互作用與頻率相關。

一張N-BK7 (SCHOTT)玻璃折射率與真空中波長的關係曲線,隨頻率上公升

在光傳播過程中,電場在介質原子中產生極化,這樣原子結構就會在波頻率振盪。

一張SiO2的結構圖

振盪的電子就會產生新的同頻率波,而這個新的波與原波之間有一定的相移(延遲)。因為這種相互作用是連續發生的,總相移與傳播的長度有關係,這就導致波在乙個較低的相速度傳播。

極化強度隨頻率的關係。

極化強度與折射率的關係:

那為什麼有些點頻率增大折射率驟降呢?

波與原子的相互作用是一系列阻尼諧波共振。當高於特定的原子或電子動能產生相互作用的振盪頻率時,就沒辦法繼續跟上電場頻率了。這個材料就會沒法再按原來的方式極化了,這就導致高頻率降低到低於共振頻率的頻率處的值。

離子振盪頻率《電子振盪頻率

7樓:dzspinoza

光速的問題,在電動力學中將和介質對光的吸收聯絡在一起(看似不相干吧)。希望你不尋求簡單的解釋,保留興趣,直到真正弄明白這件事。

光在介質中傳播時,為什麼速度與頻率有關?

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