七、光波與物質(zhì)的作用原理探究
為什么在太陽(yáng)光下物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色？
在太陽(yáng)光下物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色說(shuō)明了物質(zhì)的分子或原子對(duì)各種不同色光會(huì)產(chǎn)生不同的作用，物質(zhì)產(chǎn)生紅色是因?yàn)槠渌饽軌蛲高^(guò)這種物質(zhì)或被這種物質(zhì)吸收了，而只把紅色光反射出來(lái)；物質(zhì)產(chǎn)生紫色是因?yàn)槠渌饽軌蛲高^(guò)這種物質(zhì)或被這種物質(zhì)吸收了，而只把紫色光反射出來(lái)。
當(dāng)光線通過(guò)一個(gè)原子附近時(shí)，為什么光線會(huì)發(fā)生向著原子方向的偏折？光通過(guò)物質(zhì)發(fā)生折射和色散的基本原理是什么？
各色光在媒質(zhì)中的折射和色散現(xiàn)象表明，各色光在通過(guò)原子附近時(shí)都會(huì)發(fā)生一定程度的朝向原子核方向的偏折。高頻率的短波光朝向原子核方向的偏折大，短波光主要是在距離原子核較近的內(nèi)層位置出現(xiàn)，而低頻率的長(zhǎng)波光朝向原子核方向的偏折小，長(zhǎng)波光主要是在距離原子核較遠(yuǎn)的外層位置出現(xiàn)。光線通過(guò)原子附近為什么總是表現(xiàn)出向著臨近原子核一側(cè)的方向偏折呢？為什么不同波長(zhǎng)的光朝向原子核的偏折程度不同呢？
【圖示】光的色散現(xiàn)象
光的折射和色散現(xiàn)象原理解釋：
光波的本質(zhì)是電場(chǎng)波，是電場(chǎng)物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，光波必須在有電場(chǎng)媒質(zhì)的空間中才能得以傳播，光波與電場(chǎng)媒質(zhì)的相互作用決定了光波的傳播方向，因此媒質(zhì)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)影響光波的傳播方向，因而光波也總是表現(xiàn)出順應(yīng)媒質(zhì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的方向傳播。當(dāng)光波進(jìn)入玻璃等媒質(zhì)時(shí)必然要與媒質(zhì)中的原子電場(chǎng)發(fā)生作用，因而光波的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到原子電場(chǎng)的作用制約。原子電場(chǎng)是一種不均勻的密度梯度電場(chǎng)，從原子核中心向外的電場(chǎng)分布密度逐漸減小，而在包含各色光的一束光線中低頻率的長(zhǎng)波光與高頻率的短波光與原子電場(chǎng)的作用又是不同的，這就使得各色光在原子梯度電場(chǎng)中產(chǎn)生不同程度的朝向原子核方向的偏折。光的折射和色散實(shí)驗(yàn)表明，低頻率的長(zhǎng)波光更容易通過(guò)原子外層的低密度電場(chǎng)，高頻率的短波光更容易通過(guò)原子內(nèi)層的高密度電場(chǎng)，不同的光波受到原子梯度電場(chǎng)的作用是不同的，因而一個(gè)特定電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的原子對(duì)不同的色光表現(xiàn)出選擇性作用而使各色光線產(chǎn)生不同程度的朝向原子核方向的偏折?！緟⒖嘉恼拢骸抖⒐獾恼凵洮F(xiàn)象探微》，2005年3月。】
【圖示】穿越原子球形梯度電場(chǎng)的光線順著原子球形梯度電場(chǎng)的圓弧方向傳播而產(chǎn)生偏折
穿越原子球形梯度電場(chǎng)的光線順著原子球形梯度電場(chǎng)的圓弧方向傳播而產(chǎn)生偏折，不同的色光偏折程度不同。這就像海面上的水波那樣，從小視角近距離來(lái)看，水波是直線傳播的，而從大視角來(lái)遠(yuǎn)距離來(lái)看是沿著地球球形水體表面圓弧形傳播的，振幅較小能量較小的水波只能在球形水體的最外層傳播，而振幅較大能量較大的巨形水波能夠在球形水體的較深的位置傳播。電場(chǎng)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)能夠制約光波的傳播方向，當(dāng)光線進(jìn)入密度不均勻的電場(chǎng)中時(shí)，光線的傳播方向會(huì)改變，而且由于各色光的頻率和波長(zhǎng)的不同光波的傳播方向也會(huì)產(chǎn)生一定差異。
由此可見，波的運(yùn)動(dòng)與物體（粒子）的運(yùn)動(dòng)遵循不同的規(guī)律。
物體（粒子或粒子波）的運(yùn)動(dòng)方向決定于自身的運(yùn)動(dòng)慣性與受力方向。在不受外力作用時(shí)，物體（粒子）是做勻速直線運(yùn)動(dòng)或保持相對(duì)靜止，物體（粒子）運(yùn)動(dòng)方向的改變是由于受到力的作用，物體（粒子）在受到力的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)，能量也隨著改變。而對(duì)于一般的彈性波（如光波）來(lái)說(shuō)，彈性波的運(yùn)動(dòng)方向決定于能量波包的運(yùn)動(dòng)方向和介質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，彈性波能量波包運(yùn)動(dòng)方向的改變是由于介質(zhì)的非均勻、非對(duì)稱的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其作用。能量波包在介質(zhì)中傳播時(shí)，總是傾向選擇更有利于其傳播的介質(zhì)中傳播，能量波包傳播方向的改變決定于介質(zhì)的存在和介質(zhì)的非均勻性所產(chǎn)生的力的作用，能量波包在傳播過(guò)程中頻率和能量都會(huì)發(fā)生一定程度的改變（紅移與藍(lán)移）。
運(yùn)用能量的平衡流動(dòng)原理解釋折射和色散發(fā)生的原因：光的折射和色散遵循能量的平衡流動(dòng)和轉(zhuǎn)移原理，即能量的平衡流動(dòng)原理。大量事例表明，當(dāng)空間中相互鄰近的地方有性質(zhì)相同而大小不同的能量級(jí)別存在時(shí)，那么該空間內(nèi)部的能量就處于不平衡狀態(tài)，就會(huì)發(fā)生能量的流動(dòng)和轉(zhuǎn)移，而向著能夠使能量平衡的方向移動(dòng)，而且是由能量高的位置向能量低的位置移動(dòng)。能量的流動(dòng)和轉(zhuǎn)移必然伴隨著物質(zhì)的相互作用和運(yùn)動(dòng)，高能量的物質(zhì)通過(guò)與低能量物質(zhì)的相互作用，自身的能量得以傳遞和轉(zhuǎn)移。光線經(jīng)過(guò)物質(zhì)中的原子附近時(shí)，光波必然要作用于原子球形梯度電場(chǎng)，這種能量相互作用的結(jié)果是使光線從能量的高處向低處傳播，所以光波總是有向原子的低能級(jí)層原子核位置傳播的趨勢(shì)，而使光線產(chǎn)生偏折，光波能量越大頻率越高的色光產(chǎn)生的朝向原子核位置的偏折就越大。
參考一般解釋：我們從初中物理知道，媒質(zhì)的折射率n等于光在真空中的速度c跟光在這種媒質(zhì)中的速度v之比，即n＝c/v .各種色光在同一媒質(zhì)中的折射率不同，因此它們?cè)谕幻劫|(zhì)中的傳播速度也不同。紫光的折射率最大，它的傳播速度就最小，紅光的折射率最小，它的傳播速度就最大。光波都有一定的頻率，光的顏色是由光波的頻率決定的，在可見光區(qū)域，紅光頻率最小，紫光的頻率最大，各種頻率的光在真空中傳播的速度都相同。但是不同頻率的單色光，在介質(zhì)中傳播時(shí)由于受到介質(zhì)的作用，傳播速度都比在真空中的速度小，并且速度的大小互不相同．紅光速度大，紫光的傳播速度小，因此介質(zhì)對(duì)紅光的折射率小，對(duì)紫光的折率大。當(dāng)不同色光以相同的入射角射到三棱鏡上，紅光發(fā)生的偏折最少，它在光譜中處在靠近頂角的一端。紫光的頻率大，在介質(zhì)中的折射率大，在光譜中也就排列在最靠近棱鏡底邊的一端。
主要參考文獻(xiàn)：
《核場(chǎng)統(tǒng)一論》，孟慶勇著。可從網(wǎng)上中國(guó)國(guó)家科技圖書文獻(xiàn)中心中國(guó)預(yù)印本服務(wù)系統(tǒng)中查閱《核場(chǎng)統(tǒng)一論》全文，網(wǎng)址：http://prep.istic.ac.cn/eprint/index.jsp
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2005-9～2007-1-10～2009-3-22撰稿
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