法拉第磁光效應的機理及其物理意義淺析
2023-03-31 16:39:47 1
彭小濤
日期:2020年5月24日
二、法拉第磁光效應機理分析
1.光的本質
光可以分為可見光和不可見光。本質上，它是不同頻率的變化的電場和磁場，但目前人類通常稱之為電磁波。事實上，這個標題是不準確和不完整的:一方面，恆定電場和磁場也是光的一部分，但稱它們為電磁波是不合適的；電場和磁場在另一個方向上是真空並且不能相互激發形成所謂的電磁波，否則，地球上就不會有黑夜。
目前，有許多直接證據證明光的本質是由不同帶電體(如原子等)產生的隨時間變化的電場和/或磁場。)在相對觀察者或測量設備之間的不同運動狀態下。也就是說，光既不是電磁波也不是光子，更不用說波粒二象性了。
如下圖2所示:在真空時從側面看不到光，這充分證明了麥克斯韋方程所描述的電磁波在真空時不存在(變化的電磁場不能相互激發)。也就是說，在真空時，不存在通過改變電場激勵磁場或改變磁場激勵電場而形成的電磁波。光應該只是一個變化的電場和/或磁場。
(動態圖顯示光導介質在長虛線的左側，從右側到短實線的真實值為空，短實線是反射器)
圖2:中等和真空時光傳輸的動態圖
2.光和介質的相互作用定律
目前，我們經常看到光與介質相互作用的規律主要是在幾何光學中反射、散射、折射和透射。單縫和雙縫條件下也有光的衍射和幹涉現象，光與金屬相互作用中的光電效應，X射線與輕金屬相互作用中的康普頓效應等。
上述與光相關的物理現象只是與介質相互作用過程中的表象，而不是本質因素。光與介質相互作用的本質是入射光將介質中的原子極化成具有時變偶極矩的電偶極子，即被入射光極化的每個原子成為一個小的次級光源，並產生具有不同運動方向、振幅、相位和頻率的次級光。當次級光移向介質外部時，它被稱為反射光或散射光。當次級光向介質內部移動時，它被稱為折射光。從介質的另一側射出的折射光稱為透射光。由單縫邊緣產生的二次光，與入射光方向的夾角小於90度，稱為衍射光。當光照射屏幕形成幹涉條紋時，在雙縫邊緣產生的與入射光方向夾角小於90度的二次光稱為光的幹涉現象。
儘管對光的反射、散射、折射和透射進行了深入的研究，但對光的轉換卻沒有給予足夠的重視。所謂光的轉換是光被介質作用後頻率的變化。例如，被樹葉反射的太陽光大部分是綠光，其他可見光被減弱或轉換成綠光或不可見光；紅花反射的太陽光主要是紅色，其他可見光被減弱或轉化為紅色或不可見光；黑色油漆表面反射的太陽光很弱，大部分被轉換成不可見光等。事實上，任何介質表面不可能是100%反射或透射的，但是對於不同材料的介質界面，反射和折射光的比率是不同的。同時，介質的表面也具有一定的光轉換能力，將光轉換成與入射光不同頻率的光。
3.光與磁場的相互作用定律
由於光是隨時間變化的電場和/或磁場，在真空時，光和磁場之間的相互作用只能是光產生的磁場和施加的磁場遵循矢量疊加原理。在非真空的情況下，光可以極化介質中的原子，磁場也可以改變介質中帶電體(電子和原子核)的運動方向。簡而言之，在介質中，光不可能直接與外部磁場相互作用並改變光的運動或偏振方向，尤其是當外部磁場是恆定磁場時。
4.法拉第磁光效應機制
法拉第磁光效應的本質是光將介質中的原子極化成電偶極子並產生二次光。在二次光被轉移到相鄰原子並極化成電偶極子之後產生的二次光繼續轉移到與前表面相鄰的原子，直到到達介質另一側的最外邊緣上的原子。由原子極化形成的電偶極子產生的次級光變成所謂的透射光，並進入介質的外部空。在這個過程中，極化原子中的電子將被所施加的磁場改變，而運動速度被入射光或二次光改變，從而導致入射偏振光在穿過介質後的極化方向改變一定量，從而形成所謂的法拉第磁光效應。也就是說，法拉第磁光效應是當所施加的磁場改變(入射光或二次光導致介質中的原子)偏振時的方向(原子中電子運動方向的改變導致原子偏振方向的改變)，從而導致介質中折射偏振光和穿過介質後透射偏振光的偏振方向改變。這清楚地表明法拉第磁光效應不會通過磁場直接改變光的偏振方向。從這一事實可以證明，這種效應與光在介質之外的非介電區域中的傳輸距離無關:在真空 (空氣體中應該是可能的，但是這種效應將非常弱)，並且恆定磁場不可能改變偏振光的偏振方向。
三、法拉第磁光效應的物理意義分析
1.證明光通過介質後不是原始入射光
法拉第磁光效應證明，光與介質之間的相互作用不是光(量子)分子通過介質中的分子或原子的反射/散射、折射/透射來改變運動的方向和速度或相位和頻率，而是光所擁有的時變電場和磁場將介質中的原子極化成電偶極子並產生二次電磁場。光的時變電場會改變介質中原子的電子和原子核的速度。然而，光的時變磁場會改變介質中原子中電子和原子核的運動方向。透射光不是被介質改變的入射光，而是由介質產生的全新的二次光。
2.證明星光不是初級光
根據所謂的宇宙背景輻射現象，在星際空之間有大量低溫物質，它們是各向同性的。這些低溫物質幾乎不能產生可能的光或反射可見光，但能透射可見光。在我們地球上觀察到的星光是次級光，而不是初級光，在受到這些低溫星際物質的作用後。隨著宇宙中星光距離空的增加，星際物質將導致星光頻率降低。這可能是星光紅移與距離成正比的根本原因。這樣，哈勃定律可能與客觀現實完全不一致。
3.光電效應不能證明光子(量子)的存在
當光遇到金屬表面時，它會改變金屬表面附近原子中電子和原子核的運動速度和方向。由於外層金屬原子中的電子比內層和原子核中的電子更容易受到外部電磁場的影響，並產生二次電磁場來抵消外部電磁場，所以外部電磁場對內層和原子核中的電子的影響大大減小。當外部電磁場的頻率接近外電子在原子核周圍的運動頻率時，外電子中具有適當相位的一些電子將被外部電場同步加速，外部磁場將改變電子的運動方向。當電子同步加速逃逸速度時，它們將在磁場的作用下從原子中逃逸出來，成為光電子。這是光電效應的基本因素。
4.康普頓效應不能證明光子的存在
x射線也是光，但它的頻率高於可見光頻率範圍的上限。當輕金屬受到x光照射時，x光產生的不斷變化的電磁場也會改變金屬中電子和原子核的運動速度和方向，尤其是最外層的電子。然而，它的頻率比圍繞原子核運動的外部電子的頻率高得多。在電子圍繞原子核運動一周的過程中，會有多個周期的X射線產生不同的電磁場作用於電子。因此，雖然電子的運動狀態會受到X射線的影響，但它只能改變電子的軌跡，而不能形成同步加速，從而從根本上改變電子繞原子核運動的狀態。不可能形成光電效應。同時，當x光改變電子的運動狀態時，電子會產生頻率接近x光的二次射線。這些次級射線的頻率和相位將根據出射方向而變化。這是康普頓效應的根本原因。這不是x光(量子)光子和外部電子相互作用的結果。
5.麥可遜-莫雷實驗結果不能證明光速是恆定的
當光在大氣中運動時，它的速度由大氣決定，與入射光的速度無關。因為在大氣中運動的光實際上是折射光，折射光是大氣中原子極化產生的二次光的傳播速度。因此，在實驗期間，當大氣相對於地面的速度不高時(空氣的速度不高，當空氣的速度高時，實驗不能進行)，光的速度相對於測量裝置的速度在實驗期間當然基本上是恆定的和各向同性的。因此，改變實驗結果中的幹涉條紋是絕對不可能的。
總之，光和介質之間的相互作用可以用來解釋幾乎所有的物理現象和與之相關的實驗結果。
