Электромагнитная природа света - раздел Механика, КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
С Самой Ранней Эпохи Еще До Древних Греков, К...
С самой ранней эпохи еще до древних греков, когда, как об этом говорит легенда, Аполлон разъезжал в огненной колеснице по небу, и до наших дней, когда Тверская утопает в сиянии огней, свет очаровывал человека и в то же время представлялся ему неразрешимой загадкой. Ничто в природе не было так неуловимо, ни один свой секрет природа по охраняла так тщательно, как секрет о том, что же представляет свет в действительности. На этом основании свет часто называли самым темным пятном в физике. Однако несмотря на это, свет позволил нам познать окружающий мир при помощи нашего зрения в гораздо большей степени, чем мы могли бы это сделать при помощи всех остальных чувств, вместе взятых.
Именно потому, что в вопросе о свете остается еще много неясного и требующего исследования, изучение света представляет большую выгоду для начинающих ученых. Некоторые ученые, будучи еще молодыми людьми, составили себе имя благодаря изучению света. Альберт Эйнштейн начал изучать свет в возрасте 16 лет, и это изучение привело к полной революции в физике и к вступлению нашей цивилизации в новую, атомную эру.
Уже самый факт существования света достаточен для того, чтобы вызвать ряд вопросов. Например: имеет ли свет вес? занимает ли он пространство? Ударяет ли свет тело при падении на него? Горяч или холоден свет? С какой быстротой свет распространяется? Если свет не может пройти сквозь тонкий лист картона, то как он проходит через толстое стекло? Это только немногие из вопросов, На которые мы попытаемся ответить, изучая свет.
Сегодня это звучит курьезно, но одна из теорий древних греков относительно природы света такова. Согласно этой теории свет представляет нечто такое, что истекает из наших глаз наподобие воды из шланга; при этом предполагалось, что мы видим вещи, направляя на них поток света. Таким образом мы узнаем, как выглядит вещь, подобно тому как мы ощущаем характер поверхности при ощупывании. Глаза слепого не испускают света, поэтому он не может видеть.
Должны ли мы были бы одинаково хорошо видеть ночью и днем по этой теории? Мог бы слепой фотографировать при отсутствии зрячего?
Ну так или иначе но к концу XIX в. была создана электромагнитная теория света, которой пользуются и в настоящее время Согласно этой теории всякое световое излучение является электромагнитными волнами. Однако далеко не все электромагнитные волны являются световыми, а только те, что вызывают у человека зрительное ощущение. К световому излучению относятся только волны с частотой колебаний от 4·1014 до 7,5·1014 Гц. В этом интервале каждой частоте соответствует свой цвет излучения. Например, частоте 5,4·1014 Гц соответствует зеленый цвет. По частоте излучения ν всегда можно найти длину его волны в вакууме:
Расчет показывает, что световое излучение (видимое) в вакууме имеет длины волн от 400 нм1 (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). Физики называют этот диапазон длин волн видимым. По разным причинам в оптике рассматривают несколько расширенный диапазон длин волн. Его подразделяют на
инфракрасное излучение λ = 1мм – 760 нм
видимое излучение (свет) λ = 760 – 400 нм
ультрафиолетовое излучение λ = 400 – 10 нм.
Заметим, что при переходе светового излучения из одной среды в другую его цвет сохраняется, так как сохраняется его частота, а длина волны изменяется вследствие изменения скорости распространения света. Когда на практике цвет излучения характеризуют длиной волны, то длины волн указывают для вакуума.
Анализ состава излучения светящихся тел (например, раскаленной кочерги) показал, что его распределение по частотам колебаний не согласуется с законами излучения, выведенными из волновой теории света. Стремясь найти объяснение этому факту, немецкий физик Макс Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (от латинского «квантум»— количество, масса). В настоящее время кванты света называют фотонами.
На основе анализа оптических явлений было установлено, что те из них, которые связаны с распространением света в какой-либо среде, можно объяснить только с помощью волновой теории, а те, которые связаны с испусканием и поглощением света, объяснялись только с помощью представления о квантовом составе светового излучения. Все это означало, что для объяснения оптических явлений необходима новая теория, объединяющая волновые и корпускулярные свойства света. Эта новая теория получила название квантовой теории света и в своем первоначальном виде была создана трудами Планка, Эйнштейна, Бора и других ученых.
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:
ε = h ν (1.1)
где ε — энергия кванта, ν — частота колебаний электромагнитного излучения и h — постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который называют постоянной Планка, В системе СИ численное значение h следующее:
h=6.62·10-34 Дж·с.
Итак, согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты ν состоит из фотонов (квантов) с определенной энергией ε, выражаемой формулой (1.1). Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний в электромагнитном излучении. Поскольку с=νλ то из формулы (1.1) получим
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.
Опыт показал, что, пока фотон существует, он движется со скоростью с (в вакууме) и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества. Тогда сам фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице. Фотон не имеет массы покоя. Эта замечательная особенность фотонов отличает их от частиц вещества, например от протонов или электронов.
Заметим, что до сих пор не ясно, почему в одних явлениях свет обнаруживает ярко выраженные волновые свойства, а в других — корпускулярные свойства, и каким образом такие противоречивые свойства могут объединяться в излучении. По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще, т. е. каждая частица вещества обладает волновыми свойствами и каждая волна обладает корпускулярными свойствами.
Таким образом процесс зрения с точки зрения сегодняшней физики выглядит следующим образом. За счет энергии ядерных реакций, проходящих внутри Солнца, какой-нибудь из его атомов испустил квант видимого света. Около 10 минут этот квант летел до Земли, попал куда-нибудь, отразился от этого «куда-нибудь», попал в глаз человеку и вызвал в мозгу (ну это уже к биологам) ощущение света.
Все тела, молекулы и атомы которых создают видимое излучение, называют источниками света. Можно привести множество примеров различных источников света: лазер, лампа накаливания, горящая спичка, газосветные трубки. Условно их можно разделить на группы по способу возбуждения частиц, испускающих свет.
К первой группе относятся температурные источники света, в которых свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.
Ко второй группе относятся люминесцентные источники света, возбуждение атомов и молекул которых обусловлено не высокой температурой, а потоком летящих частиц вещества, например электронов, воздействием внешнего электромагнитного излучения или химической реакцией. В этом случае энергия излучения получается за счет электрической, химической или механической энергии, т. е. за счет энергии каких-либо внешних источников. Примерами люминесцентных излучателей служат свечение экрана электронно-лучевой трубки,, свечение газосветных трубок в рекламах, свечение красок и т. п.
К третьей группе относится свечение в веществе, обусловленное эффектом Вавилова — Черенкова. Это свечение возникает при движении электронов в веществе со скоростью, превышающей скорость света в этом веществе.
Все темы данного раздела:
Образование и распространение волн в упругой среде
Начнем с определения упругой среды. Как можно заключить из названия упругая среда это такая среда в которой действуют силы упругости. Применительно к нашим целям, добавим, что при любом возмущении
Линию, вдоль которой происходит распространение фронта волны, называют лучом.
Нетрудно сообразить, что в изотропной среде луч всегда нормален (перпендикулярен) к волновой поверхности. В изотропной среде все лучи представляют собой прямые линии. Каждая прямая,
Плоскость, проходящая через луч, вдоль которого распространяется волна, и через направление колебаний частиц в ней называется плоскостью поляризации.
Эта плоскость может оставаться одной и той же при перемещении вдоль луча, в таком случае волна называется линейно поляризованной, а может как то менять свою ориентацию в прос
Уравнение волны
При описании волнового процесса требуется найти амплитуды и фазы колебательного движения в различных точках среды и изменение этих величин с течением времени. Эта задача может быть решена, если изв
Поток энергии в волновых процессах
Процесс распространения волны в каком-нибудь направлении в среде сопровождается переносом энергии колебаний в этом направлении. Допустим, что S есть часть фро
Эффект Допплера.
Разберем вопрос о том, какова связь между колебаниями, испускаемыми источником, и колебаниями, воспринимаемыми каким-либо прибором, регистрирующим колебания, если источник и прибор
Стоячие волны
Особым примером результата интерференции двух волн служат так называемые стоячие волны, образующиеся в результате наложения двух встречных волн с одинаковыми амплитудами.
Волновое уравнение
Из курса электричества мы уже знаем, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от элект
Свойства электромагнитных волн
В предыдущем параграфе мы видели, что в электромагнитной волне векторы Е и Н перпендикулярны друг другу. Но кроме того они еще и перпендикулярны напр
Энергия и импульс электромагнитного поля
Наверное вы уже поняли, что основные свойства волн не зависят от их природы. Это касается и такого важного свойства как перенос энергии. Подобно механическим волнам, электромагнитны
Естественный свет
В предыдущей главе мы назвали простейшей синусоидальную волну вида:
(2.1)
где конечно ω = 2πν . Заметим здесь, такую волну называют ещ
Волновой пакет
Понятие фазовой скорости, введенное нами ранее, применимо только к строго монохроматическим волнам, которые реально не осуществимы, так как они должны были бы существовать неограниченно долго во вр
Законы отражения и преломления света
Первые законы оптических явлений были установлены на основе представлений о прямолинейных световых лучах. Они относились к изменениям направления распространения света при отражении
Геометрическая оптика
Устройство большого числа оптических приборов базируется на представлении о световых лучах, распространяющихся прямолинейно в однородном веществе и испытывающих отра
Увеличение
Выберем в качестве светящегося предмета линию А1В1, перпендикулярную к оси, и построим ее изображение А2В2 (рис. 6.1). Отно
Центрированная оптическая система
Случай преломления на одной сферической поверхности сравнительно редок. Большинство реальных преломляющих систем содержит, по крайней мере, две преломляющие поверхности (линза) или большее их число
Преломление в линзе. Общая формула линзы
Большое значение имеет простейший случай центрированной системы, состоящей всего из двух сферических поверхностей, ограничивающих какой-либо прозрачный хорошо прелом
Глаз как оптическая система
Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата. Схематическое устройство глаза представлено на рис. 1. Глаз имеет
Фотометрические понятия и единицы
Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит прежде всего в передаче этому регистрирующему аппарату энергии, переносимой световой волной. Поэтому, прежде чем рассматрива
Понятие о когерентности
Закон независимости световых пучков, упомянутый ранее, означает, что световые пучки, встречаясь, не воздействуют друг на друга. Это положение было ясно сформулировано Гюйгенсом, который писал в сво
Интерференция волн
В соответствии с определением предыдущего параграфа мы говорим об интерференции волн, когда при их совместном действии не происходит суммирования интенсивностей. Условием инт
Осуществление когерентных волн в оптике
Опыт показывает, что когда два независимых источника света, например две свечи, или даже два различных участка одного и того же светящегося тела посылают световые волны в одну область пространства,
Цвета тонких пластинок
Как было выяснено ранее, при точечных источниках света будут наблюдаться резкие интерференционные картины. В таком случае при любом положении экрана, пересекающего систему поверхностей максимумов и
Кольца Ньютона
Особый исторический интерес представляет случай интерференции в тонком воздушном слое, известный под именем колец Ньютона. Эта картина наблюдается, когда выпуклая по
Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона
Из соотношения Δ = 2hn cos r следует, что для плоскопараллельной однородной пластинки (h и п всюду одни и те же) разность хода может
Интерферометр Майкельсона
Рассмотрим вначале подробнее одну схему, на которой очень отчетливо выступают все наиболее существенные детали интерференционной схемы.
Эта схема, известная под названием билинзы Бийе, осу
Интерференция немонохроматических световых пучков
Как уже упоминалось интерференция немонохроматического света приводит к сложной картине, состоящей из совокупности максимумов и минимумов, соответствующих разным λ,. Если λ имеет все возм
Принцип Гюйгенса — Френеля
Явления интерференции света во всем их многообразии служат убедительнейшим доказательством волновой природы световых процессов. Однако окончательная победа волновых представлений была невозможна бе
Зонная пластинка
Хорошей иллюстрацией, подтверждающей приведенный метод рассуждения Френеля, может служить опыт с зонной пластинкой. Как следует из сказанного выше, радиус т-й зоны Френеля ра
Графическое вычисление результирующей амплитуды
Рассмотрение вопроса о действии световой волны в точке В (см. рис. 1.4), равно как и многих других аналогичных вопросов, чрезвычайно удобно производить, пользуясь графически
Дифракция Френеля на круглом отверстии
Применение метода Френеля позволяет предвидеть и объяснить особенности в распространении световых волн, наблюдающиеся тогда, когда часть фронта идущей волны перестает действовать вс
Дифракция Фраунгфера от щели
До сих пор мы рассматривали дифракцию сферических или плоских воли, изучая дифракционную картину в точке наблюдения, лежащей па конечном расстоянии от препятствия. И
Дифракция на двух щелях
Рассмотрим опять явление дифракции на щели по схеме, изображенной на рис. 5.2. Положение дифракционных максимумов и минимумов не будет зависеть от положения щели, ибо положение максимумов определяе
Дифракционная решетка
Рассмотрение дифракции на двух щелях показывает, что в этом случае дифракционные максимумы становятся более узкими, чем в случае одной щели. Увеличение числа щелей делает это явлени
Волновые поверхности в одноосном кристалле.
Объяснение двойного лучепреломления в одноосных кристаллах было впервые дано Гюйгенсом в его „Трактате о свете" (1690 г.). Гюйгенс предположил, что обыкновенному лучу соответст
Поляризационные приборы.
Для получения из естественного света плоско поляризованного света можно воспользоваться либо поляризацией при отражении под углом Брюстера, либо двойным лучепреломле
Интерференция поляризованных лучей. Эллиптическая и круговая поляризация.
Лучи, обыкновенный и необыкновенный, возникающие при двойном лучепреломлении из естественного свети, не когерентны. Если естественный луч разложить па два луча, поля
Кристаллическая пластинка между николями.
До сих пор мы рассматривали интерференцию поляризованных лучей, колебания в которых происходят во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим теперь интерференцию двух поляриз
Искусственное двойное лучепреломление.
В начале девятнадцатого столетия было открыто возникновение двойного лучепреломления в прозрачных изотропных телах под влиянием механической деформации. Оптическую анизотропию, появ
Двойное лучепреломление в электрическом поле.
Другим примером искусственной анизотропии является анизотропия, возникающая в телах под влиянием электрического поля. Этот вид анизотропии был открыт в 1875 г. Керр
Вращение плоскости поляризации.
В направлении оптической оси свет распространяется в кристалле так же, как и в однородной среде, не давая двойного лучепреломления. Однако было замечено, что в крист
Магнитное вращение плоскости поляризации.
Вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Явление магнитн
Дисперсия света. Методы наблюдения и результаты
Любой метод, который применяется для определения показателя преломления, — преломление в призмах, полное внутреннее отражение, интерференционные приборы — может служить для обнаружения дисперсии.
Основы теории дисперсии
Плодотворная попытка истолкования богатого материала, полученного экспериментальным путем, была сделана еще в «упругой» теории света. Хотя эта теория не могла связат
Поглощение (абсорбция) света
Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей энергии последней, затрачиваемой на возбуждение
Ширина спектральных линий и затухание излучения
Уже неоднократно указывалось, что идеальное монохроматическое излучение представляет собой фикцию и что в реальных случаях излучение всегда соответствует некоторому интервалу длин в
Прохождение света через оптически неоднородную среду
Как уже упоминалось ранее, вторичные волны, вызываемые вынужденными колебаниями электронов, рассеивают в стороны часть энергии, приносимой световой волной. Другими словами, распространение света в
Частота и поляризация – основные характеристики света в долазерной оптике
Световая волна, являющаяся волной электромагнитной, характеризуется частотой, амплитудой и поляризацией. Гармоническая (или монохроматическая) волна, распространяющаяся вдоль оси , описывается выра
Роль интенсивности света
В подавляющем числе оптических эффектов, исследованных до создания лазеров, амплитуда световой волны А все же не влияла на характер явления. В большинстве случаев количественные, а тем более
Линейный атомный осциллятор
Взаимодействие света со средой. Причины, по которым в линейной оптике характер явлении не зависит от интенсивности излучения, можно выявить, обратившись к ее теоретическим основам. Известно, что эф
Нелинейный атомный осциллятор. Нелинейные восприимчивости
Движение электрона в поле ядра — это движение в потенциальной яме, имеющей конечную глубину (рис. 1,а). Наглядным, хотя и грубым, аналогом движения электрона в поле ядра и соответству
Причины нелинейных оптических эффектов
Нелинейный отклик атомного или молекулярного осциллятора на сильное световое поле – наиболее универсальная причина нелинейных оптических эффектов. Существуют и другие причины: например, изменение п
Фотоны друг с другом непосредственно не взаимодействуют
В физике используется (и подтверждается) представления о «непосредственном взаимодействии», приводящем к рассеянию частиц друг на друге, к поглощению одних частиц другими, взаимным превращениям час
Однофотонные и многофотонные переходы
Оптические переходы разделяются на однофотонные и многофотонные. В однофотонном переходе участвует, т. е. испускается либо поглощается один фотон. В многофотонном переходе участвуют о
Виртуальный уровень.
На рисунке 1а изображены два однофотонных перехода: сначала поглощается один фотон с энергией и микрообъект переходит с уровня 1 на уровень 2, затем поглощается другой фотон и микрообъект пе
Каким образом микрообъект играет роль «посредника» в процессах преобразования «света» в «свет»?
Рассмотрим различные процессы «превращения» одних фотонов в другие фотоны. Начнем с процесса, представленного на рисунке 2. Микрообъект поглощает фотон с энергией и переходит с уровня 1
Процесс, описывающий генерацию второй гармоники.
Многофотонные процессы, в которых начальное и конечное состояния микрообъекта одинаковы, представляют для нелинейной оптики особый интерес. Выше мы рассмотрели двухфотонный процесс. Далее рассмотри
Некогерентные и когерентные процессы преобразования света в свет
В предыдущем вопросе на примере (элементарных актов взаимодействия фотонов с микрообъектом были рассмотрены различные процессы преобразования света в свет. В одних процессах переходы с поглощением
Тепловое излучение. Закон Кирхгофа
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возбуждаемое за счет энергии теплового движения атомов и молекул. Если излучающее тело не получает теплоты извне, то оно охлажда
Законы излучения абсолютно черного тела
Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела является универсальной функцией длины волны и температуры. Это значит, что спектральный состав и энергия излучения абсолютно
Фотоэффект
Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было в
Специальная теория относительности.
В классической физике до появления теории относительности (1905 г.), предполагалось, что любой физический процесс, использованный (как «эталонный») для измерения времени, выявляет
Преобразования Лоренца.
Допустим, что один из законов физики, полученный относительно системы отсчета S, имеет вид
f (x, y, z, t . . . )=0,
а относительно си
Следствия из преобразований теории относительности.
Рассмотрим наиболее важные следствия преобразований Лоренца.
а) Длина тел в разных системах.
Преобразования Лоренца показывают, что одно и то же
Механика теории относительности.
Рассуждения, приведенные выше, показывают, что оптические (и электромагнитные) явления подтверждают кинематику теории относительности, вытекающую из преобразований Лоренца. Естес
Эффект Комптона
Рисунок 1
Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название
Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца
В предыдущем параграфе было выяснено, что ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного сп
Волновые свойства частиц. Соотношение неопределенностей.
В 1923 году произошло примечательное событие, которое в значительной степени ускорило развитие квантовой физики. Французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности
Новости и инфо для студентов