誘電体と空気との境界面における光の反射

質問

境界面に垂直な光(電磁波）が誘電体から空気へ飛び出すとき反射係数や透過係数の計算は境界条件を満たすように反射波透過波の複素振幅を計算しますね。境界条件は電界と磁界の接線成分が境界のところで連続であるという条件を使います。私の疑問は
（１）反射波が存在するとき誘電体は空気側に力を受けるのではないかと思うのですが電荷や電流がないためローレンツ力に相当するものが考えにくく不思議でなりません。
（２）境界面における反射透過の問題をボールの衝突のように力学の問題として扱う方法はないものかと思っています。力が小さすぎるため実用的でないことは理解できますが全く出来ないというのもかえって不思議に思います。特に（１）番について私は根本的に理解していない気がします。ご意見いただければ幸いです。よろしくお願いします。

回答No.1

paddler · ベストアンサー

このあたりは、下記URLの「史　光の波動モデルと粒子モデル（ニュートンの出てくる所）」が非常に良い参考になると思います。

結果的に言うと、「光を単純な粒子」とする立場では「反射・屈折の法則」をうまく説明することはできません。「反射・屈折」こそ歴史的に、ニュートンの唱えた「光は粒子」説が最初につまづいた地点なのです。（yyz1974さんが質問されている（１）のことも（２）のことも説明されています。）

なので、「光は粒子」を出発点として（１）（２）を考えようとすると、うまくいかなくて当然です。「（古典）力学的なモデル」は当てはまりません。

しかし、うまくいかないことが分かっているのだから「考えるのは無駄」というつもりは毛頭ありません。ただ、うまく説明できるモデル（この場合「光は波動」）へ一旦行ってみて、そのモデルでなぜ・どううまく説明が付くのかを確かめた上で、また元のモデル（この場合「光は粒子」）へ戻られるようなことをされると良いのではないでしょうか？　そうすれば、どのあたりで引っかかったのかが納得できるのではないかと思います。「行き詰まり」の状況で「次の一手」が見えなくなったら、ちょっと戻る・観点を変える、というのが大事かも知れませんね。

参考URL：

http://www.keirinkan.com/kori/kori_physics/kori_physics_1/contents/ph-1/4-bu/4-3-1.htm

お礼

お礼がずいぶん遅れてしまいました。違う側面からの回答も期待していましたが私の疑問をもう少し整理してから再度質問させて頂きます。paddlerさんそのときはまたよろしくお願いします。ありがとうございました。

補足

早速ご回答ありがとうございました。ご紹介頂いたＵＲＬとても参考になりました。私の不勉強ぶりを強くかんじました。ご親切に甘えることになりますがもう一つ質問させてください。決して粒子論から出発しているとは思ってていなかったのですが光子や電磁波が運動量を持つことも確率した考え方であるという前提で最も単純モデルである垂直入射する電磁波の力学的側面をどう矛盾なく扱えるかが私の疑問の出発点です。一部でも反射波が存在するとき光（電磁波）は媒質に対して力を与えるメカニズムはマクロな微分方程式を見ているだけでは理解できないのでしょうか。従って運動量の流れを表すマクスウェルの応力テンソルＴ（３、３）が境界面で不連続になる理由理解についても悩んでいます。よろしくお願いします。