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当白光通过三棱镜时,我们看到不同颜色的光发生了不同程度的偏折。紫光偏折最大,红光偏折最小。这说明紫光的折射率比红光大。为什么会这样呢?
要理解为什么频率大的光折射率大,我们首先要明确折射率的定义。折射率n等于光在真空中的速度c除以光在介质中的速度v。由于光在介质中的速度总是小于在真空中的速度,所以折射率总是大于1。关键是:光在介质中的速度越慢,折射率就越大。
光在介质中速度变慢的根本原因是光与介质中原子的相互作用。光是电磁波,当它进入介质时,光的电场会驱动介质中的电子跟着振动。这些被驱动振动的电子会重新发射电磁波,这些重新发射的波会与原来的光波发生干涉,产生相位延迟,最终导致光在介质中的有效传播速度变慢。
关键在于介质中电子的固有振动频率。每种介质的电子都有自己的固有振动频率,通常在紫外线波段。当光的频率越接近这个固有频率时,电子振动越剧烈,相位延迟越大,光速变得越慢,折射率就越大。由于紫光的频率比红光高,更接近固有频率,所以紫光的折射率比红光大。
让我们总结一下:频率越大的光折射率越大的原因。首先,折射率等于光在真空中的速度除以在介质中的速度,速度越慢折射率越大。其次,光与介质中电子相互作用产生相位延迟。频率越高的光越接近电子的固有振动频率,相位延迟越大,光速越慢,因此折射率越大。这就是为什么在三棱镜中紫光比红光偏折更大的根本原因。