结构推理 (1)试用Fermat最短光程定律导出光的折射定律;(2)光的波动说的拥护者曾经向光的微粒论者提出下列非难:如果认为光是“粒子”,则其运动遵守最小作用量原理,若认为,则,指“粒子”动量,指粒子“速度”。这样将导出下列折射定律,这明显违反了实验事实。即使考虑相对论效应,对于自由粒子,仍然成立,E是粒子能量,从一种介质到另一种介质,E不改变,因此仍然得到。矛盾依然存在,你如何解决这个矛盾?
【正确答案】(1)证明此处从略。 (2)此论证存在两个错误:一是由于光子的静质量为零,因此光子没有与之相对应的经典粒子,光子的动量只能写为;二是不能把粒子运动的速度与光波在介质中的速度——相速(为介质的折射率)混为一谈,此处认为是造成错误的根源。 解决上述矛盾的关键在于分清波包的相速u、群速以及粒子的运动速度三个不同的概念,并找出其中的关系,再将光子的动量代入最小作用量原理之中,即得出正确的折射定律。 定义波包的相速为 波包的群速为 粒子的运动速度为 因此,若波包的色散关系是线性的,则;若色散关系是非线性的,则;而对于自由运动的实物粒子来说,由于,则de Broglie波的群速是相等的。 下面把上述的具体关系应用于光子与实物粒子身上。 对于光波而言,色散关系为 式中:是光速在真空中的传播速度。色散关系均为线性关系,故 但光子的静质量,没有与之相对应的经典粒子,其动量只能表示为 其中为光波波长。 对于非相对论性自由粒子,由于,故相应的de Broglie波的色散关系为 是非线性关系,故 即使是相对论性自由粒子,由于,相应的de Broglie波的色散关系为 仍为非线性关系,故仍有 在题述论证中,错误地认为粒子运动的速度v总是与相应的de Broglie波的相速相等,才导致了错误的折射定律。 正确的解释为:若将光子看作“粒子”,则应遵守最小作用量原理 (2) 再将式(1)代入式(2),可得 (3) 而介质中光波的波长与介质折射率n之间的关系 (4) 式中:为光在真空中的波长。将式(4)代入式(3)中,可得 即 此即Fermat原理。由此必有
【答案解析】