¿Por qué el índice de refracción cambia la dirección de la luz?

Question

He estado estudiando en la óptica de la macroscópicas de las ecuaciones de maxwell, y cómo los campos electromagnéticos se propagan a través de distintos medios. Allí, el índice de refracción aparece, como una función compleja que depende, generalmente,$\omega$, con la refracción y absorción términos: $n_c=n+i\kappa$.

Entiendo cómo esto afecta a la velocidad a la que la luz se propaga, tanto macro y microscópicamente, y cómo esto afecta a cómo la luz es absorbida cuando se transmite a través del medio, pero no entiendo todavía cómo este índice cambia la dirección de la luz, produciendo la dispersión. Quiero decir, todo el tiempo estoy viendo los efectos como algo que separa dispersivo de la no dispersión de medios y todas esas cosas, y no sé cómo la luz es en realidad dispersa. Como es algo que sucede al cambiar de medio, supongo que es un efecto de la interfaz, y no hemos visto los efectos, pero me gustaría saber una explicación.

Answer 1

Aquí hay una analogía que me gusta usar: (aunque no es realmente una correcta explicación física)

Imagínese que usted está manejando su segway sobre algunos extraños de las superficies, de que cada uno tiene un número $n_i$ que controla la velocidad a la que un segway rueda viajan a través de ella según la fórmula:$v_i=v_0/n_i$. Ahora imagine que usted cruz recta límite entre dos superficies en ángulo. Debido al ángulo, una rueda de cruzar la frontera antes que el otro. Si $n_i$ es mayor para el que se ha introducido la superficie de esta rueda va a ir más lento que el otro, hasta que es demasiado cruza el límite, lo que hará que el segway a girar hacia la normal de la frontera. Del mismo modo, si $n_i$ es menor para el que se ha introducido la superficie, la primera rueda a entrar va a ir más rápido, y el segway pasará de la normal.

Si haces los cálculos para el segway obtendrá el mismo resultado que para el frente de onda de explicación (básicamente la ley de Snell), pero realmente me gusta como esta analogía funciona con tu intuición.

Answer 2

La dirección de una onda viaja es debido a su auto-interferencia. Esto muestra una serie de frentes de onda de encontrarse con una interfaz donde la velocidad de propagación es más lento:

EDICIÓN de @Alec S: Supongamos que usted tiene un estanque de agua, y al mismo tiempo caer en 100 piedras, todo en una línea de 1 pulgada de distancia. ¿Qué hace la ola? Se ve como una línea, porque la onda circular de cada piedra interfiere con los de sus vecinos, por lo que usted no ve un montón de ondas circulares, verá una línea de onda.

Eso es lo que un plano de onda en 3D. Como la onda se propaga, que actúa como un número infinito de fuentes extendidas en un avión. El único lugar todas esas ondas se refuerzan está en un plano, por lo que la onda se ve plana. De lo contrario sería una mezcolanza de ondas esféricas desde todos los puntos, todas mezcladas.

Cuando un frente de onda se encuentra con un medio donde las ondas viajan más lento, ¿adivinen qué? La distancia entre los sucesivos frentes de onda disminuye, y la auto-interferencia despega en una nueva dirección.

No hay nada acerca de una onda que se mantiene en una dirección, otros que el patrón de su propia auto-interferencia.

OTRA forma de ver esto es en términos de tiempo. El lugar geométrico de los puntos del frente de onda, ya sea por encima o por debajo de la interfaz, de forma simultánea.

Answer 3

En realidad, las personas han respondido a la pregunta que parece que han significado, en lugar de la pregunta que te he pedido. Cuando un cambio en el índice de refracción se produce un cambio en la dirección de un rayo de luz, esta es la refracción.

No es la dispersión, y no tiene nada (inmediatamente) a ver con la dispersión de los medios. Dispersión (rayos de diferentes longitudes de onda se refracta en diferentes ángulos) se produce cuando el médium tiene un diferente índice de refracción, y la diferente velocidad de la luz, para diferentes longitudes de onda. Un medio que se llama un medio dispersivo, y en general todos los medios ópticos son dispersivo, en mayor o menor grado. El descubrimiento de que es posible hacer una lente de dos o más materiales diferentes, cuyas diferentes dispersiones podría ser hecho para cancelar (la lente acromático) fue un salto de gigante para instrumentos ópticos. Lister del microscopio (1826) es un buen ejemplo.