折射率浅释

　　0　引言

　　在人们认知外部客观世界斑驳陆离、瞬息万变的自然景象中，正是由眼睛这一重要器官，作为一种探测器接收了物体发射、反射或折射的光才得以实现的。光是一种重要的自然现象，与人类生活和社会实践密切相关。光学也和天文学、几何学、力学一样，是一门最早发展起来的学科。为对光学中关于折射率的概念有一个清晰的了解，在此有必要简述人们对光认识的一段历史。

　　在很长一段历史时期里，人类的光学知识仅限于一些现象和简单的描述。对光的本性的探究始于17世纪，当时有两个学说并立：一是牛顿为代表的微粒说，另一是惠更斯为代表的波动说。前者认为光是按惯性定律沿直线飞行的微粒流，其印证了光的直线传播定律，并能对光的反射和折射作一定解释。但在研究光的折射定律时，此学说却得出了光在水中的速度比空气中大的错误结论，在当时的科技条件下这一点还无法通过实验来鉴别，微粒说因此统治了 17、18 将近两个世纪。波动说认为光是一种在特殊弹性媒质中传播的机械波，它也印证了光的反射和折射现象，但惠更斯认为光是纵波(光波的振动方向与传播方向一致)的误解使其理论很不完善。19 世纪初，斯 杨和菲涅尔等人的实验和理论工作极大地推动了波动理论，解释了光的干涉、衍射等现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确认光是横波(光只在垂直于光传播方向的平面内振动)。此时研究光的折射，得出了光在水中的速度小于在空气中的速度的正确结论，并为傅科在 1862 年的实验所证实。至 19 世纪中叶，波动说战胜了微粒说而被确立起来。

　　然而波动说与粒子说都带有机械论色彩的弱点，即把光现象看作机械运动过程，认为光是一种弹性波，这导致了空间必须存在一种特殊弹性媒质(也被称为“以太”)的臆想，而“以太”必须是密度极小及弹性模量极大，这种矛盾的属性不仅实验无法证实且理论也显荒谬。19 世纪 60 年代，麦克斯韦在前人的基础上，建立了著名的电磁理论，预言电磁波的存在并指出电磁波的速度与光速相等，由此得出光就是一种波长较短的电磁波的结论。1888 年赫兹通过实验发现了波长较长的电磁波——无线电波，它也具有类似光波的反射、折射、干涉、衍射等现象。以后的实验又证实了红外线、紫外线和 X 射线都是电磁波，区别仅在波长不同而已，至此，光的电磁理论以大量的事实而得到公认。

　　上述过程主要涉及光的传播，很少讨论光的发射和吸收，因为光和物质的相互作用及许多现象还未被发现和研究(如光电效应)。1887 年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉，试图探测地球在“以太”中的绝对运动，结果否定了光波载体“以太”的存在。随后瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论导出的黑体辐射公式中，要求辐射能量随频率的增大而趋于无穷。这些疑惑因天才科学家爱因斯坦“量子理论”的发展而获得成功地解释：即光是以正比于频率的“光子”(或光量子)能量流而作用于其他物质的。