决定材料折射率的主要原因是什么?
发布网友
发布时间：2022-05-15 10:51
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-21 04:08
不同材料的折射率不同，同一材料不同温度、密度时及对应不同频率段的入射光的折射率不同。这此特点说明决定材料折射率的因素很多，但其主要因素到底是什么呢？经长时间研究发现：决定折射率（介质内部的光速）的主要因素有二： 一是介质中分子团、分子和原子被外场极化并产生次生光过程中所需消耗的时间（△t0），简称为“极化时间△t0”；二是单位长度内分子团、分子和原子被外场极化并产生次生光的次数（N），简称为“极化次数N”。
一、材料折射率简介
1、折射率的定义
光在真空中的传播速度与光在介质中的传播速度之比称作折射率。
2、影响折射率的主要因素
两种介质进行比较时，折射率较大的称光密介质，折射率较小的称光疏介质。折射率与介质的电磁性质密切相关。根据经典电动力学，和分别为介质的相对电容率和相对磁导率。折射率还与波长有关，称色散现象。
影响介质折射率的因素主要有以下几个方面。
2.1、离子半径
根据麦克斯韦电磁场理论，光在介质中的传播速度应为，由此可得：。其中c为真空中的光速，μ为介质的磁导率，ε 为介质的介电常数，为真空中磁导率，为真空中介电常数，为介质的相对磁导率，为介质的相对介电常数。在无机材料这样的电介质中，故有。说明介质的折射率随其介电常数的增大而增大。而介电常数则与介质极化有关。由于光（电磁辐射）和原子内部电子体系的相互作用，光速被减慢了。
当离子半径增大时，其介电常数也增大，因而n也随之增大。因此，可以用大离子得到高折射率的材料。如硫化铅的n=3.912，用小离子得到低折射率的材料，如四氯化硅的n=1.412。
2.2、介质材料
折射率还和离子的排列密切相关，各向同性的光学材料，如非晶态（无定型体）和立方晶体时，只有一个折射率 。而光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别有两条折射光线，构成所谓的双折射。这两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率 ，不论入射光的入射角如何变化，它始终为一常数，服从折射定律。
另一条垂直于入射面的光线所构成的折射率，随入射光的方向而变化，称为非常光折射率 ，它不遵守折射定律。当光沿晶体光轴方向入射时，只有 存在，与光轴方向垂直入射时， 达最大值，此值为材料的特性。
综上所述，沿着晶体密堆积程度较大的方向较大。
2.3、内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n较大，平行于受拉主应力方向的n 较小。
总体来说，材料中粒子越致密，折射率越大。
2.4、同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高。例如，常温下，石英玻璃的n=1.46 ，石英晶体的n=1.55 ；高温时的鳞石英的n=1.47 ；方石英的n=1.49 ，至于说普通钠钙硅酸盐玻璃的n=1.51 ，它比石英的折射率小。提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如，含90%(体积)氧化铅的铅玻璃n=2.1。
以上内容均摘自【百度百科】。
二、影响折射率的主要原因分析
1、光与介质相互作用规律简述
1.1、光的产生：光是由带电体（带电粒子中的电子和质子，以及由电子和质子构成的原子和分子等）在相对观测者存在不同运动状态条件下产生的电场与磁场。相对运动为脉动时，产生连续频率的脉冲式电磁场；相对运动为固定频率与区间的谐振类有规律地的运动时，产生单一频率的电磁场。
1.2、光与介质的相互作用：既然光是由带电体产生的电场与磁场，而带电体遇到电场与磁场时会改变运动状态也是无需争辩的事实。因此，当光照射到介质上时，由光产生的时变电场与磁场就会使介质中原子中的电子与原子核发生运动状态的变化且电子与原子核的状态改变趋势和方向正好相反。这就导致原子出现极化并成为时变的电偶极子，而电偶极子就会产生次生的电场与磁场。因此，实际上，被介质界面反射、散见、折射等光均是由介质界面上的、被入射光极化后的原子产生的次生光。
1.3、支持反射、折射等光为次生光的直接证据：
A、半波损失：反射光存在的半波损失证明反射光是由介质中的原子被入射光极化后产生的次生光。由于原子极化是由电子在电场中朝电场正向运动导致的，其极化方向正好与入射光的电场方向相反，由此导致原子极化后产生的次生光与入射光的相位正好相差半周而形成所谓的半波损失；
B、法拉第磁光效应：偏振折射光存在的法拉第磁光效应证明折射光也是由介质极化后产生的次生光。因为只有介质中的折射光是由原子极化过程中产生的次生光才能解释本效应：在原子极化过程中，原子中的电子就会改变运动状态，此过程中就会被外加磁场改变电子的运动方向，从而导致其产生的次生偏振光的方向也发生改变。由于电子在外磁场中运动方向的改变是由外加磁场决定的，所以法拉第磁光效应中偏振光的偏转方向也是由外加磁场的方向决定的。
C、超黑材料单缝实验中无衍射现象：杨发成先生做的本实验证明衍射光是由单缝边缘的介质产生的次生光。当单缝边缘覆盖超黑材料时，则因其不能产生次生光而导致无衍射现象。
2、决定介质折射率的主要因素分析
2.1、介质的构成
众所周知，所有介质（有形物质）均是由百来种元素构成的不同分子组成的。而分子又是由不同原子构成的。原子又是由原子核与核外电子构成的。原子构成分子主要是由部分最外层电子同时围绕两个或两个以上原子核运动而组成为一体的。分子与分子组成实体也是主要由分子最外层电子间的相互交换与运动状态决定的。如：石墨和金刚石，虽然都是碳元素组成的，但由于最外层电子的相互交换与运动方式的不同而导致两者的物理性质差异十分巨大。
2.2、决定介质折射率的主要原因
从介质的构成可知：决定介质折射率的主要因素应该就是分子团、分子、原子和原子中的电子和原子核的运动状态及相互间的约束关系。原子中的最外层电子的运动状态及相互间的约束关系应该是最主要的因素。因为当光照射到介质上时，介质中的原子在光产生的时变电场与磁场作用下，电子会朝电场正向运动，而原子核会朝电场反向运动，从而导致原子被极化。
但由于原子最外层电子的运动状态相对内层电子更复杂多变，特别是可能与相邻的其它多个原子核存在相互作用关系而导致其运动轨迹相对复杂。同时，一般介质中同时存在多类原子组成的多种分子，以及多种分子间相互作用形成更高一级的分子团簇体系。这样一来，导致光与介质相互作用时会出现各种不同的结果。
由此可见：介质内部的光速应该主要由二方面的因素决定：一是单个分子团、分子、原子从极化到产生次生光所需消耗的时间（△t0）（简称为“极化时间△t0”）；二是单位长度内需要极化并产生次生光的次数（N）（简称为“极化次数N”）。
假设真空中相对光源静止参照系内的光速为C0，均匀介质内部的光速为C1，则有：C1＝C0/（1+N△t0） （公式1）
由（公式1）可知：决定介质内部光速的主要因素有三：一是真空中的光速C0，但因介质内部的分子团、分子、原子甚至电子的运动速度与光速C0相比小二个数量级以上，且其不同分子团、分子和原子在同一时间的运动方向不同，总体上会相互抵消其效应。因此，此因素可视为不变的常量；二是极化次数N；三是极化时间△t0。也就是说：实际上决定介质内部光速的主要因素只有二个。
由绝对折射率n＝C0/C1可得到：n＝C0/C1＝（1+N△t0） （公式2）
因此，决定介质折射率的主要因素也只有这二个：极化次数N和极化时间△t0。
3、影响极化次数N的主要因素
3.1、温度的影响
介质的温度上升将导致分子和原子间的距离增大，自然导致单位长度内的分子团、分子和原子的数量减少，极化次数N减少，折射率就会随温度升高而减小；
3.2、密度的影响
当材料的密度增大时，单位长度内的分子团、分子和原子数量增加，极化次数N增大，折射率就会随密度的增加而增大；
3.3、压力的影响
一般物质的密度随压力的增大而增大，特别是气态物质。因此，当压力增大时，分子团、分子和原子间的间距变小，单位长度内的分子团、分子和原子的数量就会增大 ，极化次数N增大，折射率就会随压力的增加而增大；
3.4、入射光波长的影响
入射和次生光的波长越长，同时参与极化并产生次生光的分子和原子数量就越多，极化次数N就会减少，折射率降低。
4、影响极化时间△t0的主要因素
4.1、分子团、分子和原子量的影响
分子团、分子和原子的数量与质量增大，响应外场极化并产生次生光的能力就会降低，极化时间△t0就越大，折射率上升；
4.2、温度的影响
当温度上升时，分子团、分子和原子的热运动平均速度就会提高，响应外场极化的能力增大，极化时间△t0就会减少，折射率降低；
4.3、压力的影响
当压力增高时，分子团、分子和原子间的距离减小，相互制约越强，其响应外场极化的能力越弱，极化时间△t0就会增大，折射率提高；
4.4、材料内部结构的影响
当材料内部结构不同时，说明其分子与原子在空间上的排列组合方式不同，在相同波长的光的作用下，同时参与极化并产生次生光的分子与原子的总数量和总质量也就不同，折射率自然就不同。结构越紧凑，折射率就越高；
4.5、波长的影响
波长越小，则频率越高，材料内的分子团、分子与原子被极化时的响应难度就越大，极化时间△t0就会越长，折射率就越大。反之，波长越大，折射率就越小。
综上所述，无论是温度、压力、密度、材料结构，还是入射光的波长都是通过直接或间接的方式改变介质中的分子团、分子和原子的分布、间距、运动状态和整体性等发生变化，从而导致极化时间△t0或极化次数N的变化来影响折射率的。
三、佐证影响折射率主要因素的理论分析证据
1、温度与折射率的关系
决定材料折射率的主要原因分析
折射率与温度成反比，温度越高，折射率越小。
2、压力与折射率的关系
决定材料折射率的主要原因分析
折射率与压强成正比，压强越大，折射率也越大。
3、密度与折射率的关系
决定材料折射率的主要原因分析
折射率与密度成正比，密度越大，折射率也越大。
4、波长与折射率的关系
上图一证实：折射率与波长成反比，波长越长，折射率越小。
5、分子和原子量与折射率的关系
决定材料折射率的主要原因分析
虽然例举的几种透明材料的分子量与组成分子的原子数量差异较大，其密度分布也无规律性可言，但以单位长度内的分子数量的立方根与折射率之比值（J列）基本上（除二硫化碳外）随分子量（D列）的增大而增大，但前者的变化幅度（最大与最小值相差1.42倍）远小于后者（最大与最小值相差8.56倍）。由此可见，一方面折射率与单位长度内分子的数量的立方根有一定的关联性：折射率与单位长度内分子数量的立方根成正比；另一方面，折射率与分子量的大小也有一定的关系：分子量越小，折射率也越小；
四、验证决定折射率主要因素的方案
根据本文分析，折射率主要由分子团、分子和原子极化并产生次生光所需消耗的时间△t0和单位长度内分子团、分子和原子极化并产生次生光的次数N决定。
因此，可利用可压缩的、不同分子量的气态物质来验证该观点：利用不同压强下的、温度不变的单一气体得到的折射率实测数据即可得到折射率随压强（单位长度内极化次数N）的变化规律；再利用不同分子量的气态物质重复实验，即可得到折射率随分子量的变化规律。进一步利用同温度、同压力而不同分子量条件下得到的实测折射率数据，即可得到折射率随单个分子团、分子和原子极化并产生次生光所需消耗的时间△t0值。这样就可以验证（公式2）的正确性与实用性。
