ВОЛНОВАЯ ОПТИКА 16. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Содержание Назад Далее

16.5. Световые волны

Световая волна - это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме:

Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом. Частота световой волны (15.1.8.), (16.1.2.1.):

16.5.1. Современная точка зрения на природу света

По современным представлениям свет - это поток фотонов, т.е. элементарных частиц, имеющих нулевую массу, двигающихся со скоростью м/с. Каждый фотон (квант света) обладает энергией:

,

где v - частота электромагнитной волны,    - постоянная Планка. (М. Planck - немецкий физик, получивший в 1900 году на основе выдвинутой им гипотезы квантов, закон распределения в спектре излучения абсолютно черного тела).

Импульс каждого фотона:

,

где   - волновой вектор (15.2.4), модуль волнового вектора (см. 15.2.4.1).

.

16.5.1.1. Вероятностное истолкование электромагнитной волны

- связь между волновыми и корпускулярными свойствами света.

Если в объеме V находится в данный момент N фотонов с заданной частотой , то создаваемая ими плотность энергии:

.

С другой стороны, плотность энергии электромагнитной волны (16.3) в вакууме:

Сопоставление этих выражений приводит нас к выводу, что число фотонов в единице объема пропорционально квадрату напряженности поля (E² или H², или E² и H²) электромагнитной волны, т.е.

Если в течение интересующего нас отрезка времени средняя плотность фотонов <N/V> велика, то два различных толкования плотности энергии - волновое и корпускулярное - приводят к одним и тем же наблюдаемым значениям для плотности энергии. Только при одном толковании мы рассматриваем эту энергию как энергию электромагнитной волны, запасенную в полях E и H, а при другом - как суммарную энергию фотонов, находящихся в рассматриваемом объеме.

Истинное соотношение между волновой и корпускулярной точками зрения выясняется при рассмотрении света очень малой интенсивности (16.3.2), т.е. когда величина E² очень мала, так мала, что пропорциональное ей среднее число фотонов в единице объема <N/V> становится меньше единицы. В этом случае величину E² приходится истолковывать как величину, задающую вероятность обнаружить фотон в заданном объеме, т.е.:

16.5.2. Показатель преломления

Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны, см. (16.2):

,

где

   - показатель преломления среды, т.к. μ = 1 для большинства прозрачных веществ.

16.5.2.1. Дисперсия

Т.к. зависит от частоты электромагнитной волны (см. 9.13), то n = n(v) или n = n(λ) - показатель преломления будет зависеть от длины волны света.

16.5.3. Световой вектор

- это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной!) волны.

16.5.4. Интенсивность света.

Для любой электромагнитной волны:

,            см. (16.3.2).

Для световой волны:

,      см. (16.1.2.3),

откуда

.

Значит интенсивность световой волны:

.

16.5.5. Испускание света атомами

Атом, при переходе электрона в состояние с более низкой энергией, испускает фотон, которому соответствует электромагнитная волна, протяженностью ~3 метра. Это соответствует длительности процесса излучения ~10^-8 секунды. Такая электромагнитная волна называется цугом.

16.5.5.1. Естественный свет

Каждый цуг имеет вполне определенное направление светового вектора , т.е. определенную поляризацию, и свою начальную фазу, которая меняется от цуга к цугу по случайному закону.

Световая волна, испускаемая нагретым телом, складывается из огромного числа цугов, испускаемых атомами тела. Атомы нагретого тела испускают несогласованные цуги, направление векторов в этих цугах самое различное. В результате свет, испущенный нагретым телом, не имеет определенной поляризации, такой свет называют естественным.

Сибирская государственная геодезическая академия (СГГА), 2003.