4.3.2. Электромагнитные волны

Из законов электромагнетизма, обобщенных Д. Максвеллом в виде системы уравнений электромагнитного поля, следует, что изменяющееся электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, а изменение магнитного поля – вихревое электрическое. Этот процесс происходит в пространстве и времени и приводит к распространению электромагнитного поля. Если изменения напряженностей электрического и магнитного полей носят периодический (колебательный) характер, то распространение электромагнитного поля имеет волновой характер.

Процесс распространения колебаний электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.

Аналогично упругим волнам можно получить уравнение плоской электромагнитной волны

. (4.11)

Здесь Е₀, Н₀ – амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей, – круговая частота, – волновое число, – начальная фаза. Таким образом, изменения электрического и магнитного полей происходят в одинаковых фазах. Скорость распространения электромагнитных волн зависит от диэлектрической и магнитной проницаемостей веществ:

, (4.12)

откуда видно, что при , (в вакууме) скорость электромагнитных волн равна м/с. В среде с отличными от единицы электрической и магнитной проницаемостями

, (4.40)

– абсолютный показатель преломления вещества (среды), в которой распространяется волна.

Раздел 5. Волновая и квантовая оптика

В этом разделе изучаются темы: интерференция света; дифракция света; поляризация света; тепловое излучение. При изучении перечисленных тем необходимо усвоить основные закономерности, условия наблюдения и практическое применение изученных явлений. Важно понять, что свет обладает двойственной природой: с одной стороны, это волны, а с другой – частицы.

Волновую природу света ярко отражают такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация, характерные для волн любой физической природы. Поэтому их часто называют “паспортом” волновых явлений.

Однако большое количество опытов показывают, что свет ведёт себя как поток частиц – фотонов. К ним относятся явления фотоэффекта, тепловое излучение, тормозное рентгеновское излучение и др.

По материалу этого раздела в контрольную работу включены задачи № 231 – 250 и № 261 – 270.

5.1. Волновые свойства света

5.1.1. Понятие об интерференции. Когерентность волн

Интерференция – это результат наложения волн, при котором наблюдается усиление и ослабление интенсивности: максимумы и минимумы освещенности.

Интерференция наблюдается для волн любой физической природы. Наибольшее практическое значение имеет интерференция световых волн.

Опыт показывает, что при наложении световых волн от нескольких источников (например, от нескольких лампочек) наблюдается увеличение освещенности и никаких максимумов и минимумов света нет. Это говорит о том, что для осуществления интерференции нужны определенные условия. Эти условия легко установить, зная законы сложения колебаний.

При наложении волн результирующая интенсивность волн может отличаться от их суммы как в меньшую, так и в большую сторону в зависимости от величины разности фаз. Устойчивая картина интерференции наблюдается только неизменяющейся во времени разности фаз. Волны (и колебания), для которых разность фаз постоянна во времени называются когерентными.

Таким образом, интерференция наблюдается только для когерентных волн. Как видно из приведенных рассуждений когерентные волны должны быть обязательно монохроматическими (с одинаковыми частотами ).

Свет, испускаемый обычными (не лазерными) источниками не является монохроматическим. Его можно рассматривать как хаотичную последовательность отдельных групп (цугов) синусоидальных волн. Длительность отдельного цуга порядка с (время перехода электрона в атоме на более низкий энергетический уровень), поэтому фазовые соотношения между световыми колебаниями многократно изменяются случайным образом.