입자와 파동 굴절

빛을 본질적으로 파동과 유사하다고 가정하는 견해가 있습니다. 이 견해에 따르면, 빛은 고요한 연못에 돌이 떨어졌을 때 잔물결이 연못의 표면 전체에 퍼지는 것과 유사한 방식으로 공간을 가로지르는 에너지를 생성합니다.반대되는 견해에서는 빛이 정원 호스 노즐에서 분사되는 작은 물방울과 같이 입자의 일정한 흐름으로 구성된다고 주장합니다.이 대화형 튜토리얼에서는 입자와 파동이 투명한 표면을 통해 굴절될 때 어떻게 작용하는지 알아봅니다.

이 튜토리얼은 약 30도의 입사각으로 유리블록의 표면에 충돌하는 단색 적색광(광자)의 입자로 시작합니다.유리에 들어간 입자는 스넬의 법칙에 따라 굴절되어 선형 경로로 매질을 통과합니다.블록 바닥에서 입자가 두 번째 유리/공기 경계에 부딪히면, 입자는 다시 굴절되어 비스듬한 각도로 공간으로 다시 이동합니다.유리블록 아래에 있는 Particle/Wave(입자/파동) 슬라이더를 사용하면 입자의 빔을 평면 파면으로 바꿀 수 있습니다.파동이 되기 전에, 입자는 스스로 파동으로 정렬합니다.

Christiaan Huygens는 자신의 직관에 따라 1690년 논문 Traité de la Lumière에서 광파는 공기와 공간 전체에 걸쳐 무형으로 존재하는 신비로운 무중력 물질인 에테르에 의해 매개되는 공간을 통해 이동한다는 이론을 제시했습니다.에테르에 대한 탐구는 19세기 동안 상당한 양의 자원을 쏟아부은 끝에 결국 중단되었습니다.적어도 1800년대 후반까지 지속된 에테르 이론은 에테르가 빛 전파 방향에 수직인 각도로 진동함으로써 광파를 운반함을 증명한 Charles Wheatstone의 제안 모델과 무형 물질의 구조를 설명하는 James Clerk Maxwell의 상세 모델을 통해 입증되었습니다.Huygens는 에테르가 빛과 동일한 방향으로 진동하며, 광파를 운반하면서 스스로 파동을 형성한다고 믿었습니다.이후 논문 Huygens' Principle(하위헌스의 원리)에서, 그는 파동의 각 점이 어떻게 자체적인 웨이블릿을 생성한 다음 합쳐져 파면을 형성할 수 있는지 독창적으로 설명했습니다.Huygens는 이 개념을 사용하여 굴절 현상에 대한 세부 이론을 만들었으며, 광선이 경로를 통과할 때 서로 충돌하지 않는 이유에 대해서도 설명했습니다.

광 빔이 굴절률이 다른 두 매질 사이를 이동할 때, 빔은 굴절을 겪게 되며 첫 번째 매질에서 두 번째 매질로 통과할 때 방향을 바꿉니다.광 빔이 파동으로 구성되어 있는지 입자로 구성되어 있는지 확인하려면 각각에 대한 모델을 고안하여 현상을 설명할 수 있습니다(그림 1).Huygens의 파동 이론에 따르면, 각 각진 파면의 작은 부분은 나머지 면이 경계면에 도달하기 전에 두 번째 매질에 충돌해야 합니다.이 부분은 파동의 나머지가 여전히 첫 번째 매질에서 이동하는 동안 두 번째 매질을 통해 이동하기 시작하지만, 두 번째 매질의 더 높은 굴절률로 인해 더 느리게 움직입니다.파면은 이제 2개의 다른 속도로 이동하므로 두 번째 매질로 휘어지고, 따라서 전파 각도가 변경됩니다.반대로, 입자 이론에서는 빛의 입자가 한 매질에서 다른 매질로 통과할 때 왜 방향을 바꿔야 하는지 설명하기가 다소 어렵습니다.입자 이론의 지지자들은 경계면에 수직으로 향하는 어떤 특수한 힘이 입자가 두 번째 매질로 들어갈 때 입자의 속도를 변경하는 역할을 한다고 주장합니다.이 힘의 정확한 성질은 추측에 맡겨졌으며, 이론을 입증할 증거는 수집되지 않았습니다.