Вопрос 1. Развитие представлений о природе света.

Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц (фотонов). Длительный путь развития учения о свете привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Рассмотрим вначале круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света.

Теоретические исследования Максвелла о распространении электромагнитных волн, экспериментальные измерения скорости их распространения в вакууме, оказавшейся равной скорости распространения световых волн в вакууме, и другие исследования позволили выдвинуть предположение о чисто электромагнитной природе света.

Электромагнитная теория светаявилась существенным шагом вперед в понимании природы оптических явлений. Свет оказался частным случаем электромагнитных волн с длиной волны от l = 400 нм (фиолетовый) до l=760 нм (красный). Только этот интервал длин электромагнитных волн оказывает непосредственное воздействие на наш глаз и является собственно светом. Однако и более коротковолновое (l<400 нм - ультрафиолетовое) и более длинноволновое оптическое излучение (l>760 нм -инфракрасное) имеют качественно одну и ту же электромагнитную природу и отличаются лишь методами их возбуждения и обнаружения.

В веществе длины световых волн будут иными, чем в вакууме. Частоте колебаний n в вакууме соответствует длина волны l₀ = c/n. В среде, в которой фазовая скорость световой волны V = с/n, длина волны имеет значение:

l = V/n = c/nn =l₀/n.

В электромагнитной волне колеблются вектора и` , причем ^ . На рис.7.1 показано взаимное расположение векторов ` и в световой волне.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля ` , о котором говорят поэтому как о световом векторе.Магнитный вектор ` световой волны для описания действия света практически не используется.

Рис.7.1.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать буквой А (иногда Е_м). Соответственно изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, будет описываться уравнением:

E = Acos(ωt – kr +α),

которое называется уравнением световой волны,где k - волновое число

(k = 2p/l), r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской световой волны, распространяющейся в непоглощающей среде, А = const, для сферической волны амплитуда А убывает как 1/r и т.д.

Частоты видимых световых волн лежат в пределах n = (3,9 - 7,5) 10¹⁴ Гц.

Частота изменений плотности потока энергии, переносимой волной, будет еще больше (она равна 2n). Уследить за столь быстрыми изменениями потока энергии не могут ни глаз, ни приборы, вследствие чего они регистрируют усредненный по времени поток переносимой энергии.

Интенсивность светаIв данной точке пространства равна плотности потока электромагнитной энергии и определяется модулем вектора Умова-Пойтинга

I=|< >= |< >|. .

Поскольку для электромагнитной волны Е ~ Н, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора , т.е. I ~ А².

В изотропных средах направление распространения световой энергии (луча) совпадает с нормалью к волновой поверхности, т.е. с направлением волнового вектора . Модуль ê ê = k – волновое число.

Несмотря на то, что световые волны поперечны, они не обнаруживают асимметрии относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете имеются колебания вектора ` , совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Эти волны, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. В результирующей волне колебания вектора различных направлений представлены с равной вероятностью.

В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско- (или линейно-) поляризованным. Упорядоченность колебаний может заключаться в том, что вектор ` поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине. В результате конец вектора описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически - поляризованным. Если конец вектора описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.