Меню

Волновая природа света свет как электромагнитная волна



Свет как электромагнитная волна

Что такое свет?

Свет — это форма энергии, видимая человеческим глазом, которую излучают движущиеся заряженные частицы.

Солнечный свет играет важную роль в жизни живой природы. Он необходим для роста растений. Растения преобразуют энергию солнечного света в химическую форму с помощью процесса фотосинтеза. Нефть, уголь и природный газ являются остатками растений, живших миллионы лет назад. Можно сказать, что это энергия преобразованного солнечного света.

Ученые с помощью экспериментов доказали, что время от времени свет ведет себя как частица, а в другое время как волна. В 1900 году квантовая теория Макса Планка объединила две точки зрения ученых на свет. И в современной физике свет рассматривают как поперечные электромагнитные волны, видимые человек, которые излучаются квантами света (фотонами) — частицами не имеющими массы и движущимися со скоростью

Характеристики света

Как любую волну, свет можно охарактеризовать длиной (λ), частотой (υ) и скоростью распространения в какой-либо среде (v). Связь между этими величинами демонстрирует формула:

Видимый свет лежит в диапазоне длин волн электромагнитного излучения от м (в порядке возрастания длины волны: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Частота световой волны связана с его цветом.

Когда световая волна переходит из вакуума в среду, то происходит уменьшение ее длины и скорости распространения, частота световой волны остается неизменной:

n — показатель преломления среды, с — скорость света в вакууме.

Необходимо помнить, что скорость света:

  • в вакууме является универсальной постоянной во всех системах отчета;
  • в среде всегда меньше скорости света в вакууме;
  • зависит от среды, через которую он проходит;
  • в вакууме всегда больше скорости любой частицы, обладающей массой.

Волновая природа света

Волновая природа света была впервые проиллюстрирована с помощью экспериментов по дифракции и интерференции. Как и все электромагнитные волны, свет может проходить через вакуум, отражаться и преломляться. Поперечную природу света доказывает явление поляризации.

Интерференция

Световые волны, имеющие постоянную разность фаз и одинаковые частоты, производят видимый эффект интерференции, когда происходит усиление или ослабление результирующей волны.

Исаак Ньютон был одним из первых ученых, изучавших явление интерференции. В своем знаменитом эксперименте «Кольца Ньютона» он соединил выпуклую линзу с большим радиусом кривизны с плоской стеклянной пластиной. Если рассматривать эту оптическую систему через отраженный солнечный свет, наблюдается ряд концентрических светлых и темных сильно окрашенных кругов света. Кольца проявляются из-за тонкого слоя воздуха между линзой и пластиной. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхности стекла, интерферирует и дает максимум интерференции в виде светлых, а минимум в виде темных колец.

Дифракция

Дифракция — это огибание световой волной препятствий. Явление можно наблюдать, когда препятствие по своим размерам сравнимо с длиной волны. Если объект намного больше длины волны от источника света, явление практически незаметно.

Результат дифракции — чередующиеся цветные и темные полосы света или концентрические окружности. Этот оптический эффект возникает в результате того, что волны, обогнувшие препятствие интерферируют. Такую картину дает отраженный от поверхности компакт-диска свет.

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Содержание

Свет как электромагнитная волна

Природа света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Читайте также:  Как подписать открытку свете

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса. Большая заслуга в развитии волновой теорий принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ \(

Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение c = 299792458 ± 1,2 м/с превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν.

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10 -9 м = 10 -7 см = 10 -3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм.

Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.

Наиболее существенные свойства света как электромагнитной волны

  1. При распространении света в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Эти изменения удобно изображать в виде колебаний векторов напряженности электрического поля \(

\vec E\) и индукции магнитного поля \(

\vec B\) в каждой точке пространства. Свет — поперечная волна, так как \(

\vec E \perp \vec \upsilon\) и \(

\vec B \perp \vec \upsilon\) .
Колебания векторов \(

\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковы фазах и по двум взаимно перпендикулярным направлениям \(

\vec E \perp \vec B\) в каждой точке пространства.
Период света как электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн. Для электромагнитных волн справедливо соотношение \(

\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac<\upsilon><\nu>\) . В вакууме \(

\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac<\nu>\) – длина волны наибольшая по сравнению с λ в другой среде, так как ν = const и изменяется только υ и λ при переходе от одной среды к другой.
Свет является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны. Объемная плотность энергии электромагнитной поля определяется выражением \(

Читайте также:  Проект как рисовать светом

\omega_ = \dfrac<\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2><2>+ \dfrac<2 \cdot \mu \cdot \mu_0>\)

  • Свет, как и другие волны, распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды во вторую, отражаются от металлических преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.
  • Интерференция света

    Для наблюдений интерференции волн на поверхности воды использовались два источника волн (два шарика, закрепленные на колеблющемся стерженьке). Получить интерференционную картину (чередование минимумов и максимумов освещенности) с помощью двух обычных независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

    Для того чтобы при наложении световых волн наблюдалась устойчивая интерференционная картина, необходимо, чтобы волны были когерентны, т. е. имели одинаковую длину волны и постоянную разность фаз.

    Почему световые волны от двух источников не когерентны?

    Интерференционная картина от двух источников, которую мы описали, возникает только при сложении монохроматических волн одинаковых частот. У монохроматических волн разность фаз колебаний в любой точке пространства постоянна.

    Волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными.

    Только когерентные волны, налагаясь друг на друга, дают устойчивую интерференционную картину с неизменным расположением в пространстве максимумов и минимумов колебаний. Световые же волны от двух независи-мых источников не являются когерентными. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн. Длительность непрерывного излучения атома около 10 с. За это время свет проходит путь длиной около 3 м (рис. 1).

    Эти цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. Разность фаз колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги от различных источников сдвинуты друг относительно друга. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность начальных фаз не остается постоянной. Фазы φ01 и φ02 меняются случайным образом, и из-за этого случайным образом меняется разность фаз результирующих колебаний в любой точке пространства.

    При случайных обрывах и возникновениях колебаний разность фаз меняется беспорядочно, принимая за время наблюдения τ всевозможные значения от 0 до 2π. В результате за время τ много большее времени нерегулярных изменений фазы (порядка 10 -8 с), среднее значение cos (φ1φ2) в формуле

    I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac<\varphi_1 - \varphi_2> <2>= 2 I_0 [1 + \cos (\varphi_1 — \varphi_2)]\) .

    равно нулю. Интенсивность света оказывается равной сумме интенсивностей от отдельных источников, и никакой интерференционной картины наблюдаться не будет. В некогерентности световых волн заключается главная причина того, что свет от двух источников не дает интерференционной картины. Это главная, но не единственная причина. Другая причина заключается в том, что длина световой волны, как мы скоро увидим, очень мала. Это сильно затрудняет наблюдение интерференции, если даже располагать когерентными источниками волн.

    Условия максимумов и минимумов интерференционной картины

    В результате наложения двух или более когерентных волн в пространстве возникает интерференционная картина, представляющая собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света, а значит, и освещенности экрана.

    Интенсивность света в данной точке пространства определяется разностью фаз колебаний φ1φ2. Если колебания источников синфазны, то φ01φ02 = 0 и

    \Delta \varphi = \varphi_1 — \varphi_2 = 2 \pi \dfrac<\lambda>\) . (1)

    Разность фаз определяется разностью расстояний от источников до точки наблюдения Δr = r1r2 (разность расстояний называется разностью хода). В тех точках пространства, для которых выполняется условие

    \Delta r = r_1 — r_2 = k \lambda ; k = 0, 1, 2, \ldots\) . (2)

    волны, складываясь, усиливают друг друга, и результирующая интенсивность в 4 раза превосходит интенсивность каждой из волн, т.е. наблюдается максимум. Напротив, при

    \Delta r = r_1 — r_2 = \dfrac<\lambda> <2>(2k + 1)\) . (3)

    волны гасят друг друга (I = 0), т.е. наблюдается минимум.

    Принцип Гюйгенса – Френеля

    Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

    Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 2). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

    Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, объясняет явление дифракции, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

    Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

    Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии – такая же, как при отсутствии экрана. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света.

    Способы получения интерференционной картины

    Идея Огюстена Френеля

    Для получения когерентных источников света французский физик Огю-стен Френель (1788—1827) нашел в 1815 г. простой и остроумный способ. Надо свет от одного источника разделить на два пучка и, заставив их пройти различные пути, свести вместе. Тогда цуг волн, испущенных отдельным атомом, разделится на два когерентных цуга. Так будет для цугов волн, испускаемых каждым атомом источника. Свет, испускаемый одним атомом, дает определенную интерференционную картину. При наложении этих картин друг на друга получается достаточно интенсивное распределение освещенности на экране: интерференционную картину можно наблюдать.

    Имеется много способов получения когерентных источников света, но суть их одинакова. С помощью разделения пучка на две части получают два мнимых источника света, дающих когерентные волны. Для этого используют два зеркала (бизеркала Френеля), бипризму (две призмы, сложенные основаниями), билинзу (разрезанную пополам линзу с раздвинутыми половинами) и др.

    Кольца Ньютона

    Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лаборатор-ных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3 а, б).

    Источник