法拉第磁光效應的機理及其物理意義淺析

作者：彭曉韜

日期：2020.05.24

[文章摘要]：法拉第磁光效應的本質是光使介質中的原子極化成電偶極子並產生次生光，次生光傳遞到鄰近原子並使其極化成電偶極子後產生次生光繼續向前面鄰近的原子傳遞，直至到達介質另一側最邊緣的原子。在此過程中，被極化的原子中的電子因入射光或次生光改變運動速度的同時，也會被外加磁場改變運動方向，從而導致入射的偏振光透過介質後，其偏振方向發生一定量的改變。也就是說：法拉第磁光效應是外加磁場改變（入射或次生光使介質中的）原子極化時的方向（原子中的電子運動方向），進而導致介質中的折射偏振光和穿越介質後的透射偏振光的偏振方向發生改變。並不是磁場直接改變光的偏振方向。

一、法拉第磁光效應簡介

法拉第磁光效應。當線偏振光在介質中傳播時，若在平行於光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例係數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決於介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。[摘自360百科]

二、法拉第磁光效應機理分析

1、光的本質

光可以分為可見光與不可見光。實質上就是不同頻率的變化電場與磁場，但人類目前通常稱其為電磁波。實際上這種稱謂是存在不準確、不全面的問題的：一方面，恆定電場與磁場也是光的一部分，但不宜稱其為電磁波；另一方向電場與磁場為真空中並不能相互激勵而形成所謂的電磁波，否則，地球上就不會有黑夜了。

目前有許多直接證據證明：光的本質是由不同帶電體（整體帶電物體或單個帶電粒子或多種帶電粒子組成的恆定或不恆定帶電組合體如原子等）在相對觀測者或測量裝置間出現不同運動狀態條件下產生的時變電場與/或磁場。也就是光既不是電磁波，也不是光（量）子，更不具有波粒二象性。

如下圖二所示：光在真空中是不可側視的，這就充分證明麥克斯韋方程組描繪的電磁波在真空中是不存在的（變化的電磁場不能互相激勵）。也就是說：在真空中並不存在變化的電場激勵磁場或變化的磁場激勵電場而形成的電磁波。光應該只是變化的電場與/或磁場。

（動圖說明：長虛線左側為導光介質，而其右側至短實線間為真空，短實線為反射鏡）

圖二：光在介質與真空中傳遞的動圖

2、光與介質的相互作用規律

我們目前經常看到的光與介質相互作用規律多以幾何光學中的反射、散射、折射與透射為主，還有就是光在單縫與雙縫條件下出現衍射與幹涉現象，以及光與金屬相互作用出現光電效應、X射線與輕金屬相互作用再現康普頓效應等現象。

以上這些與光有關係的物理現象只是只與介質相互作用過程中出現的表象，並非本質因素。光與介質相互作用的本質是：入射光使介質中的原子極化成為時變電偶極矩的電偶極子，也就是每個被入射光極化的原子就成為了一個小的次生光源並產生不同運動方向、不同振幅、不同相位和不同頻率的次生光。當次生光的運動方向朝介質外部運動時就被稱作反射或散射光；而當次生光的運動方向朝介質內部運動時就被稱作折射光；折射光從介質的另一側出來的就被稱作透射光。單縫邊緣產生的與入射光方向夾角小於90度的次生光被稱作衍射光或繞射光；雙縫邊緣產生的與入射光方向夾角小於90度的次生光並照射到屏幕上形成幹涉條紋時被稱作為光的幹涉現象。

雖然人們對光的反射、散射、折射與透射現象研究得很深入，但對光的轉換現象沒有引起足夠的重視。所謂光的轉換就是光經介質作用後發生頻率的變化。如：樹葉反射的太陽光多為綠色光，其他可見光被削弱或轉換成了綠色或不可見光；紅色的花朵反射的太陽光以紅光為主，其他可見光被削弱或轉換成了紅色或不可見光；黑色油漆表面反射的太陽光很弱，大部分被轉換成了不可見光等等。實際上，任何介質表面也不可能是100%的反射或透射界面，只是不同材質的介質界面的反射與折射光的比例不同而已。同時，介質表面也都存在一定的光的轉換能力，將光轉換成與入射光不同頻率的光。

3、光與磁場相互作用規律

鑑於光就是時變的電場與/或磁場，因此，在真空中，光與磁場間的相互作用只能是光產生的磁場與外加磁場遵循矢量疊加原理。而在非真空中，光可以使介質中的原子發生極化，磁場也可以使介質中的帶電體（電子與原子核）改變運動方向。總之，在介質中，光也不可能與外加磁場直接發生作用並使光改變運動或偏振方向，特別是外加磁場為恆定磁場時。

4、法拉第磁光效應的機理

法拉第磁光效應的本質是光使介質中的原子極化成電偶極子並產生次生光，次生光傳遞到鄰近原子並使其極化成電偶極子後產生次生光繼續向前面鄰近的原子傳遞，直至到達介質另一側最邊緣的原子，該原子極化形成的電偶極子產生的次生光成為所謂的透射光進入介質外部空間。在此過程中，被極化的原子中的電子因入射光或次生光改變運動速度的同時，也會被外加磁場改變運動方向，從而導致入射的偏振光穿越介質後，其偏振方向發生一定量的改變而形成所謂的法拉第磁光效應。也就是說：法拉第磁光效應是外加磁場改變（入射或次生光使介質中的）原子極化時的方向（原子中的電子運動方向改變導致原子極化方向的改變），進而導致介質中的折射偏振光和穿越介質後的透射偏振光的偏振方向發生改變。這就很明確地表明：法拉第磁光效應並不是磁場直接改變光的偏振方向。從本效應與介質外部非介質區域光傳遞的距離無關就可以證明：在真空中（空氣中應該可以，但效應會很弱），恆定磁場是不可能改變偏振光的偏振方向的。

三、法拉第磁光效應的物理意義簡析

1、證明光穿越介質後並非原有入射光

法拉第磁光效應證明：光與介質的相互作用並不是光（量）子被介質中的分子或原子反射/散射、折射/透射作用而改變運動方向與速度或相位與頻率，而是光具有的時變電場與磁場使介質中的原子極化成為電偶極子並產生次生電磁場。光具有的時變電場會使介質中原子中的電子與原子核改變運動速度。而光具有的時變磁場會使介質中原子中的電子與原子核改變運動方向。透射光並非被介質改造後的入射光，而是由介質產生的全新的次生光。

2、證明星光不是原生光

依所謂的宇宙背景輻射現象可知：星際空間存在大量低溫物質且各向基本同性。這些低溫物質幾乎不能產生可能光，也不能反射可見光，但可以透射可見光。我們地球上觀測到的星光是被這些低溫星際物質作用後的次生光，而非原生光。星際物質會使星光的頻率隨星光在宇宙空間中的運動距離增加而不斷降低。這可能才是星光紅移量與距離成正比的根本原因。如此一來，哈勃定律可能就是完全不符合客觀實際的了。

3、光電效應不能證明光（量）子的存在

光遇到金屬表面後，會使金屬表面附近的原子中的電子與原子核發生運動速度與運動方向的改變。由於金屬原子外層電子比內層電子和原子核更易受到外部變化電磁場的作用影響並產生次生電磁場以抵消外來電磁場，致使原子內層電子與原子核受到外來電磁場的影響大幅度降低。當外來電磁場的頻率接近外層電子繞原子核運動頻率時，則外層電子中部分相位合適的電子就會被外來電場同步加速，同時外來磁場會使電子改變運動方向。當電子被同步加速到逃逸速度時，在磁場的作用下就會從原子中逃逸出來成為光電子。這才是光電效應的本質因素。

4、康普頓效應不能證明光（量）子的存在

X射線也是光，只是其頻率高於可見光頻率段上限而已。當X射線照射輕金屬時，其產生的變化電磁場也會使金屬中原子的電子與原子核發生運動速度與方向的變化，特別是最外層電子。但因其頻率遠高於外層電子繞原子核運動的頻率，電子繞核運動一周期間會有多個周期的X射線產生的變化電磁場作用於電子。這樣一來，電子的運動狀態雖然會受到X射線的影響，但只能改變電子運動軌跡而不能形成同步加速而從根本上改變電子圍繞原子核運動的狀態。也就不可能形成光電效應。同時，X射線改變電子運動狀態過程中，電子就會產生與X射線頻率接近的次生射線。這些次生射線的頻率和相位會因出射方位不同而不同。這才是康普頓效應的根本原因。並不是X射線（量）子與外層電子相互碰撞作用的結果。

5、麥可遜－莫雷實驗結果不能證明光速恆定

光在大氣層內運動時，其運動速度由大氣層決定，與入射光速無關。因為在大氣層內運動的光實際就是折射光，是大氣層中原子極化產生的次生光的傳遞速度。因此，當實驗過程中，大氣層相對地面運動速度不大時（風速不大，大了也做不了實驗了），實驗過程中的光的速度相對測量裝置速度當然也會基本恆定且各向同性。因此，實驗結果肯定是不可能有幹涉條紋的變化。

總之，利用光與介質相互作用規律幾乎可解釋目前所有與其有關的物理現象和實驗結果。