许多我们耳熟能详的现象背后，往往隐藏着深刻的科学道理。 前几天，我们通过了《固体透明的科学原理》和《为什么水看起来是透明的？ “这两篇文章从量子力学的角度讨论了光在固体和水下是如何传播的。明天我们继续讨论为什么光在这种透明介质中会发生折射，为什么光速会变慢。”
光在棱镜中的折射
小时候，我们常常对“弯曲”牙签或瓶子里的吸管的光感到好奇，当我们踏入一条小溪时惊叹，这些看似浅浅的小溪似乎有齐腰深。 高中时我们通过数学课了解到这是由于光在水底的折射，中学时我们会利用光的折射定理来估算光的折射角。
水下钢笔因光线折射而“弯曲”
但是大多数人只知道光的折射而不知道为什么。 光为什么会折射？ 光进入介质后还会弯曲吗？ 为什么不同的介质有不同的折射率？ 它与光速有何关系？ 许多最基本问题的微观答案只在大学数学课程甚至量子化学中涉及。
明天我会尽量用最通俗的语言为大家解开谜团，找到科学的答案。
由于这是一篇科普文章，我就不展示这些烧脑的公式了，尽量只用文字和图片把问题说清楚。 尽管如此，这篇文章的某些部分还是会变得冗长，你可以从标题、粗体字和最后的推理中得到。
由于光在晶体中的传输还涉及声子耦合振动，其折射非常复杂，因此本文仅涉及水、玻璃等各向同性透明介质的分析。
下面进入题外话。
光的本质
在上一篇文章中，我们已经介绍了光的波粒二象性原理。 鉴于光的化学性质是其折射现象的前提，本文将再次指出。
2004年，科学家首次成功捕捉到可见光的单一波形图像
1、光是一种辐射。 宇宙中几乎所有的物体都会向外辐射，包括我们的人体本身，也会发出红外线。 我们可以近距离感受到红外线的热量，但不能直接看到它；
2、光是一种粒子，也是一种电磁波。 光具有粒子和电磁波的双重特性。 光波和无线电波虽然是一回事，只是名称不同而已；
3.光有能量。 光是由无数光能量子相互叠加而成。 这个能量子有它自己的频率和波长。 不同频率和波长的光子会呈现出不同的颜色；
频谱图
4、我们人眼所见的光只是波长为380-780nm，频率范围约为4.2×10^14-7.8×10^14Hz的所有光能量子的组合。 我们称之为可见光，它在整个宇宙光谱中只是一小部分。 人体发出的红外线是不可见光；
5、光速不变原理的前提是光速在真空状态下是恒定的。
光在介质中传播的性质
正如我们在之前的文章中所讨论的，光在固体和液体中传播是通过使原子中的电子爆裂释放光波。 里面用到了这张图：
电子跳回正常轨道释放光子的角度是随机的
细心的男伙伴已经注意到，发出的光波是有方向性的。 事实上，光波的方向本来就是不确定的。 没有规定光波必须直线前进，而不是向左、向右、向后或向下走N度角，为什么我们看到的光相对于入射角有一个确定的折射角？
光在介质中传播的本质是散射。 也就是说，在介质中爆炸的电子在反弹回正常轨道时会向各个方向发射光子，但最终只有来自一个方向的光会“幸存”。
为什么光是中等方向的？
我们知道光是一种电磁波，光速包括相速度、群速度和波前速度三个方面，其中光的波前速度就是光速。 我们可以通过下面的波形动画形象地说明这三方面的关系：
光波示意图，蓝点为波前速度，绿点为群速度，蓝点为相速度
我们假设在水中（均匀介质）中有一束c方向的电磁波，我们将垂直于c的平面视为同相平面。 如果波前W同时穿过水底W平面上的所有原子，则该原子的电子将与光量子耦合并爆发出一批光子，这些光子同时也是波时间。 因为爆发位置在同一平面 W 上，所以爆发的光子在它们的起源处也处于相同的相位。
均匀介质中电磁波的相位分析
如果这个波与一个与c轴成θ角的平面波叠加（波前位于上图中的红线上）会怎样？ 我们知道，原子a发出的任何小波a在平面W上与原子b发出的小波b到达波前时的相位差为180°，振幅相互抵消。 小波a和小波b的相位相隔λ/2*Sinθ。 只有当θ=0˚时，小波b和小波a同相，两者不会抵消。
是否有由爆发向后发射的子波？ 是的，但是这个子波会被其他后退的子波抵消。 这个子波不是来自W平面，而是来自距离W 1/4波长的W'平面：
反向反射子波被相隔 1/4 波长的反向子波抵消
总结：光波在介质中只能向前传播，因为不仅介质中无数面向前散射的小波，其他任何方向散射的小波都基本被抵消了。
为什么光在介质中会变慢？
当光进入介质时，光的能量子与介质的原子相遇，光的一些能量子会爆裂电子，跃迁到前三个基态的轨道上。 同时，这些与光能量子耦合的电子会有反弹回原轨道的趋势，在跳回原轨道的过程中，电子会衍射出一个光子波。 这个光子波需要与另一个入射子波同相，否则它会相互抵消。
我们知道，电子被光能子爆炸，与光能子耦合，跃迁到初级能量轨道，然后反弹散射出光波。 方向是一样的，只是会把相位放慢一点点，这样就和前面光波的叠加波在相位上有所延迟。 这些延迟不是一次性的。 被堆叠起来，并且总是重复。 当我们从外部检查光在介质中的传播时，光在介质中的传播速度似乎变慢了。
光波在水下的传输
不同的介质由具有不同特性的原子组成。 这类原子的结构和密度决定了小波散射的密度和速度，所以光在不同介质中传播的速度是不同的。 这种差异表现为介质的折射率。
由于电子位移的大小与所加电场成反比，不同频率和波长的光所携带的能量不同，因此不同频率的光在介质中传播的速度不同，它们的折射角也会与众不同。
光刚进入介质时会形成折射和反射
上一节介绍，当光波到达介质表面时，会爆发电子形成小波，在介质内部发生衍射。 当入射光波向介质表面倾斜并与法线呈倾斜角时，在介质表面不同位置形成的衍射波由于形成的相位不同而形成相互抵消的波阵面通过光能量子的爆发时间的不同。
最后，不被抵消的光波角θ2与光的入射角θ1（n为介质的折射率）有如下关系：
Sinθ1=n×Sinθ2
光的入射角和折射角
光的折射发生在介质表面极薄的过渡层中，而这个过渡层的长度大概在几百到几万个原子之间。 经过这个过渡层之后光的反射折射图片，入射光的能量全部被介质吸收，在介质中只剩下相干的折射波，光波会相互叠加光的反射折射图片，沿直线前进。
光的反射也发生在这个过渡层中。 上面我们已经介绍过，介质中存在很多反向传播的散射，是因为过渡层中有些能量无法完全干涉和抵消，它们会以相同的入射角从另一个角度逸出介质表面法线的一侧，这又会产生光的反射。
光波是横波，其电场硬度和磁场硬度相互垂直，且都垂直于传播方向
由于光在介质表面0.1nm-10nm长度的过渡层发生折射和反射，自然光的折射光和反射光呈现偏偏振，其中折射光中的水平振动为小于垂直振动，反射光中的垂直振动小于水平振动。 摄影师经常利用自然光反射的偏光特性，在相机镜头前使用偏光镜来减少多余的反射光，从而使画面更加清晰。
介质的折射率并不是指它对所有频率的光的折射率。 标准折射率是针对波长为5893×10^-10m的钠黄光。 相反，频率越高，光的折射率越小，波长越大，频率越低，波长越大，光的折射率越小。
黑光比绿光具有更大的折射率，它弯曲得更多
总结：
1、光进入均匀介质后，通过电子不断爆发、能量跃迁、耦合、回落到正常轨道释放光波的过程进行传播，使传播速度减慢。
介质的折射率 (n) 等于真空中的光速 (c) 与光在介质中传播的速度 (v) 之比：
n=c/v
2、光在介质中沿直线传播，是光波相干叠加造成的，其他方向散射的光波大部分被抵消。
3、光的折射和反射都发生在介质表面极薄的区域。 光的折射率与介质的原子组成有关，也与光本身的频率有关。 高频可见光的折射率也较高。
4、人类利用光在介质中折射和反射的化学性质，制造了大量的光学元件，完成了许多测量任务。 这就是光的魔力。