奇妙的负折射率

奇妙的负折射率
它就是现在科学家研究火热 的具有负折射率的材料 ( 那么 # 什么是负折射率呢 % 且 看 一 般 介 质 的 折 射 情 况&光 穿过不同介质的界面时 # 光的传 播路线会改变 # 不再是直线传播 $ 一根筷子插到水中 # 筷子好像在 水面处被折断了 # 水中的部分看 起来向上弯折了 $ 每个人都很熟 悉这个现象 # 这是由于光从空气 进入水中时 # 发 生 了 折 射 # 光 线 向下偏折了造成的 $ 折射现象会 发生 # 是因为光在不同介质中的 传播速度不同造成的 # 介质中的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
她 是 一 份 知 识 大 餐 !她 扩 展 了 我 的 视 野 !丰 富 了 我 的 知 识 !放 飞 了 我 的 想 象 力 "
河南省驻马店高级中学 张 沛
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数理天地
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形 成 实 像 !再 经 过 第 二 次 界 面 折 射 "从 介 质 中 射 出 来 的 光 线 还 会 聚焦形成实像 # 除了探测微观世界 " 新 材 料 还 有更神奇的作用 #
模 糊 成 一 个 点 !任 何 放 大 倍 数 的 显微镜也分辨不清" 因 此 !要 想 看清比可见光波长小的纳米世 界 !科 学 家 通 常 采 用 波 长 较 短 的
& 射线或电子射线作为显微镜
的 工 作 光 线 " 现 在 !新 的 材 料 让 科学家利用可见光也能窥探纳 米 世 界 了 " 例 如 !几 个 纳 米 的 小 孔 !光 线 穿 过 后 就 携 带 了 小 孔 形 状 和 大 小 的 信 息 !可 是 光 线 传 播 超过一个波长! 这信息就丢失 了 !衰 减 太 快 " 而 利 用 负 折 射 率 的介质! 就可以保证信息不丢 失 !把 微 观 世 界 的 模 样 准 确 地 展 现出来 " 一个无限薄的界面就可以当 作一个聚焦能力特别强的凸透 镜!正是由于这一点!这种材料 做成的超级透镜就可以放置在 距离实物不到一个光波的距离! 收集瞬间即逝的小于光波的细 节 信 息 !通 过 无 线 薄 的 界 面 把 这 些 信 息 聚 焦 成 像 !而 且 这 些 信 息 在介质内传播不会有丝毫损失" 这样超级透镜就在透镜内和透
大 ! 那么任何其他介质的折射率 应该都 不 会 小 于 !! 即 自 然 界 中 介质的折射率应该都是大于 ! 的 正值 " 所以 !光线若是从真空斜射 入其他介质中 ! 从旁边看 ! 光线都 应该是向下偏折的 " 可 是 如 今!科 学 家 已 制 造 出 折 射 光 线 向 上 偏 折 的 介 质 !也 就 是说 !筷 子 插 入 这 种 介 质!筷 子 看 起 来 好 像 向 下 弯 折 了 "# 也 就 是 科学家已经获得了折射率小于
我 希 望 开 展 一 些 智 力 活 动 #比 如 每 期 结 尾 处 印 上 一 道 智 力 题 #最 好 是 关 于 每 期 所 讲 的 科 学 知识的$
湖北省洪湖市峰口镇 韩 潮
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光速越小 ! 介质的折射率就越大 ! 偏折就越厉害 " 水和空气就是不 同的介质 " 我们一般把真空的折射率定 为 !! 光 在 真 空 中 的 传 播 速 度 与 在某种介质中的传播速度的比 值 ! 就是这种介质折射率的数值 " 既然光在真空中的传播速度最
特殊结构 传播负能量
这种材料介质为何会有如此 根据折射率 的 定 义 " 折 射 率 是 负值还意味着什么呢 $ 光线在这 种介质中的传播速度是负的 $ 即 光 线 向 前 传 播 "可 实 际 上 能 量 是 向 后 传 播 的 $ 没 错 "在 这 种 材 料 介 质 中 "能 量 的 流 动 方 向 与 电 磁 波的传播方向相反" 光向前传 播" 能量的流动方向却是向后# 电 磁 波 传 播 所 到 之 处 "不 但 不 会 给 那 里 增 加 新 的 能 量 "却 会 使 那 儿 的 能 量 密 度 减 小 "可 以 认 为 在 这种介质中的电磁波的能量出 现 了 负 值 " 不 但 不 提 供 能 量 "反 而 会 吸 收 能 量 # 于 是 "在 这 种 介 质中就会出现越受阳光照射越 寒冷的怪现象 # 负能量在过去只是被物理学 家在处理问题时作为一个辅助 计 算 的 手 段 "被 认 为 不 可 能 在 现 实 中 存 在 # 后 来 "负 能 量 作 为 一 个 实 在 的 物 理 概 念 "用 在 宇 宙 学 研究 %零 点 能 探 索 "等 离 子 体 研 究和超光速研究等领域 # 现在通 过 这 种 介 质 "科 学 家 可 以 在 地 球 的实验室里看到和研究负能量 的性质了 # 负能量的世 界 很 怪 诞 " 如 果 宏 观世界中有一个负能量的箱 子 "我 们 去 推 时 "这 种 箱 子 不 但不会被我们推着 前 进 "反 而会朝向我们运动" 你能想 像这种恐怖的箱子吗$ 由于 正负能量的相互作用" 带电 粒子在这种新奇的介质中还
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守 !只 有 降 温 才 能 把 水 变 成 固 体 "的 常 识 #他 们 就 很难获得这个重大发现$ 此外# 以往我们认为水分子形象是互相手拉 手像金字塔那样的四面体# 而科学家最近对水分 子 的 研 究 表 明 #它 们 的 形 象 并 非 是 单 一 的 四 面 体 # 而 是 多 种 多 样 的 $ 研 究 还 发 现 # 水 还 能 冻 结 成 %’ 种典型的结晶体$ 仅仅是司空见惯的水# 就有如此多怪异的特 性 #自 然 界 中 一 定 有 无 数 的 怪 异 现 象 #挑 战 着 我 们 的常识$
! 全反射 )$ 例如 # 我们站在河岸
上 #既 会 看 到 水 中 的 鱼 也 会 看 到 自己的 倒 影 $ 如 果 某 一 天 #!水 面 "一 马 平 川 #没 有 任 何 倒 影 #你 会不会觉得恐怖 % 某种材料会产 生这样的景象 $ 光速是不可超 越 的 # 可 是 在 某 种 特 殊 材 料 中 #却 可 以 观 察 到 超
极的过程中# 获得了这个意外发现$ 在观察过程 中 #他 们 通 过 检 测 仪 器 显 示 的 异 常 数 据 得 知 #扫 描 隧道显微镜的带电金属尖端在水膜中上下震动时 遭 到 阻 碍 $ 之 所 以 会 这 样 #原 因 是 下 降 中 的 金 属 尖 端下方的水分子瞬间凝固形成了对尖端的阻碍$ 后来经过反复实验证实# 随着扫描隧道显微镜的 带电金属尖端不断下降# 它与水膜下面电极的距 离 也 就 越 近 #而 两 者 越 近 #两 者 之 间 形 成 的 电 场 就 越 强 $ 当 达 到 大 概 # 个 水 分 子 距 离 的 时 候 #在 强 电 场 作 用 下 #水 转 化 为 了 固 体 形 态 $ 如 果 研 究 人 员 固
见过无限薄的凸透镜吗 % 现实 中的凸透镜不论是老花镜还是 隐形镜 片 #都 是 有 厚 度 的 #有 前 后 两 个 界 面 #无 限 薄 的 凸 透 镜 在 现实中存在吗 % 存在 ( 这种不寻 常 的 透 镜 是 #$$% 年 英 国 科 学 家 提出的一种完美透镜 $ 利用特殊 的 材 料 #完 美 透 镜 是 可 以 制 作 出 来的 $ 光线在一般的透明界面上既 会 折 射 也 会 反 射 #或 者 只 是 反 射
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奇妙的 负 折 射 率
虞雯 ( 文
移 # 远离我们却是蓝移 $
光速现象 $ 又是 ! 某种材 料 "# 这 神 秘 的 特 殊材料到底是什么呢 %
! 某种介质 "
如果有一个 人 说 # 太 阳 光 越 是 照 射 我 们 #我 们 就 会 越 冷 $ 你 肯 定认为这个人是个疯子 $ 这怎么 可 能 呢 % 太 阳 光 是 电 磁 波 #是 能 量#它 传 播 到 哪 里 #能 量 就 流 动 到哪里 # 所到之处的能量密度 ! 单 位面积的能量 " 肯定会增加 $ 处在 阳光中的我们当然会越来越热 了$ 可是我们若 走 进 某 种 材 料 里 # 就会出现一系列的怪现象 $ 我们都知道 多 普 勒 效 应 & 光 源 远 离 我 们 时 #我 们 看 到 的 光 的 波 长会 增 长#频 率 会 变 短#产 生 红 移现 象’光 源 靠 近 我 们#则 波 长 变 短 #产 生 蓝 移 $ 可 是 在 某 种 材 料 中 #光 源 靠 近 我 们 却 会 产 生 红
负值 % 这就好像入射光射入的地 方 !有 一 面 无 形 的 镜 子 垂 直 于 界 面放置! 光线被无形的镜子反 射 ! 入射光与 折 射 光 成 了 &$ ’ 型 " 如果筷子可以插入这种介质中! 筷子就会看起来被 &折 断 成 了 &$ ’ 型 " 既 然 折 射 光 与 入 射 光 成 &$ ’ 型 时 折 射 角 是 负 值 ! 那 么 介 质的折射率也是负值 "
束原本是汇聚传播的!穿 过 了 这 种 介 质 的 界 面 !就 变 成 了 发 散 光 束 !就 像 凹 透 镜 一 样 可 以 把 向 一 起汇聚的光线变成向四面发散 的 光 线 " 可 见 !这 种 介 质 的 界 面 起到凸透镜的作用还是凹透镜 的 作 用 !要 看 入 射 的 光 线 是 发 散 的还是汇聚的 " 更离奇的是 ! 光 线 入 射 到 这 种 介 质 界 面 上 时 !光 线 会 毫 不 迟 疑 地 钻 入 介 质 !界 面 处 并 不 发 生 任 何 反 射 " 不 仅 如 此 !光 线 在 这 种 介质中无论传播多远!能 量 却 不 会 损 失 !这 意 味 着 携 带 着 信 息 的 光线在这种介质中无论走多远! 都可以不辱使命地把信息传达 到目的地 " 这真是一种绝妙的材 料% 通常 ! 光学仪 器 是 看 不 清 小 于 光波范围内的细节的!由 于 光 的 衍 射 !距 离 小 于 光 波 的 两 个 点 会
普 通 透 镜%左 (和 超 级 透 镜% 右 (的 光 路 图 !超 级 透 镜 内 的 能 量 流 动 反 向
! 的材料" 这真是匪夷所思 !难
道是光在介质中的传播速度会 超光速 # 不 仅 如 此!科 学 家 又 进 一 步 制 造 出 了 更 离 谱 的 介 质 $光 线 入 射 到 界 面 上 后 !折 射 光 线 会 极 度 偏折 !通 常 的 折 射 !入 射 光 与 折 射 光 在 界 面 法 线 的 两 侧 !而 现 在 折射光竟然能跑到了与入射光 同 在 界 面 法 线 的 一 侧 !折 射 角 是
会以超光速运动" 真是不可思 议 & 近 年 来 "科 学 家 观 察 到 的 超 光速现象都是在特定介质中出 现的现象 #
度 要 大 "这 是 因 为 铁 芯 的 磁 导 率 大 于 真 空 磁 导 率 "可 见 磁 导 率 大 小体现的是增大磁感应强度的 能力 # 通常把真空中的磁导率定 为 ! " 磁导率 大 于 ! 的 介 质 会 增 大 磁 感 应 强 度 "磁 导 率 小 于 ! 的 介质会减小磁感应强度 # 这些都 很 正 常 # 反 常 的 是 "负 折 射 率 介 质却会让原本正向的磁场体现 为负 向 "让 磁 场 反 向 "因 为 这 种 介质的磁导率是负值 # 可见 " 负折射率 材 料 的 介 电 常 数和磁导率都是负值 # 于是 " 负折 射材料的一切怪异性质都可以解 释了 ’ 光线可以看成是电磁波 " 而 电磁波的能量密度与介质的介电 常数和磁导率有关 " 电磁波在这 种介质中传播 " 能量就会出现负 值 # 介质的折射率也与这两个因 素有关 " 于是介质的折射率也体 现出负值 # 这种介质在自然界中很难寻 找 " 只能人工制造 # 例如 " 科学家 采 用 电 路 板 刻 蚀 技 术 "在 某 种 玻 璃纤维板上制备一系列开口的 铜六 边 形 "设 计 成 六 边 形 "是 由 于六边形更接近于自然界中物 质颗粒的形状 # 然后把许多这种 铜六边形排列成一个 面 "这 样 的 许多面再按一定的间隔排列成 晶 体 形 状 "负 折 射 率 物 质 就 诞 生 了#
打破光学障碍
超 级 透 镜 内 的 光 路 图
这种折射率为负值的材料介 质很有意思 " 原本发散传播的入 射 光 束%例 如 $灯 泡 发 出 的 光 (在 这 种 介 质 的 界 面 处 折 射 后 !就 像 穿 过 了 凸 透 镜 一 样 !变 成 了 汇 聚 光束! 在介质内就可以聚焦成 点 " 可 见 !这 样 的 界 面 相 当 于 无 限薄的凸透镜 " 可是同时 ! 这 个 界 面 又 可 以 作 为 无 限 薄 的 凹 透 镜 !只 要 入 射 光
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镜外形成分辨率很完美的图像" 通 过 这 种 透 镜 !采 用 可 见 光 就 可 以看到纳米世界的角角落落 " 这 )* 光 打 破 了 顽 固 的 光 学 障 碍* 学仪器看不清尺度小于光波的 微观世界 + 为什么在透镜内和透镜外都 会 形 成 像 呢# 这 是 因 为 !两 个 界 面 相 当 于 两 个 凸 透 镜 !光 线 经 过 第 一 个 界 面 折 射 后 !在 介 质 内 会