Вопрос 7. Электромагнитные волны в веществе. Распространение света в веществе. Дисперсия света. Поглощение света. Прозрачные среды. Поляризация волн при отражении.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 13Следующая ⇒

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ ТНЫЕ ВО́ ЛНЫ - электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной называют распространяющееся электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем еще в 1832 г.Дж. Максвелл в 1865 г. в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 299792458 1, 2 м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

В отличие от статического электрического и магнитного полей, которые не существуют в отрыве от источника, электромагнитная волна существует без источника в том смысле, что после ее излучения электромагнитное поле не связано с источником.

Независимо от природы электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы.

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются ее электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.

Электромагнитные волны различных частотных диапазонов характеризуются различными способами возбуждения. Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле или соответственно переменное магнитное поле. На расстоянии от источника много большем lобразуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны. Они поперечные и линейно поляризованы. Монохроматическую и когерентную волну излучает гармонический осциллятор. Ее рассматривают как монохроматическую волну, у которой постоянна частота колебаний. Свет представляет собой электромагнитные волны определенной длины волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на то, что эти волны поперечные.

Распространение света в веществе
Для анализа распространения света в оптически плотном веществе рассмотрим модель распространения света. Фотоны движутся прямолинейно в интервалах между столкновениями с атомами со скоростью " с" относительно эфира, при столкновениях фотоны поглощаются электронами атома и затем испускаются, причем время  ', характеризующее этот процесс, определяется временем перехода электрона в возбужденное состояние и обратно. Обозначив через L'₀среднюю длину пути, проходимого фотоном перед поглощением (в системе отсчета, связанной с веществом), определим коэффициент преломления для движущегося вещества (в его системе отсчета) из уравнения:

L'₀/(c'/n')=L'₀/c'+ '

(28)

Величины L'₀и  ' не зависят от значения абсолютной скорости, так как измерители длины и времени находятся в системе отсчета вещества. При нулевой абсолютной скорости вещества (с'=с, n'=n) из (28) имеем: n=1+p, где p= 'c/L'₀. Отсюда и из (28), с учетом выражения (24) для скорости света с'=с/[1 +(v₁ /c)сos  '], следует формула для коэффициента преломления в движущемся веществе:

n' =1+	p	; или	n' =	n+(v₁ /c)сos  '	(29)

1+(v₁ /c)сos  '	1+(v₁ /c)сos  '

где   '- угол между вектором абсолютной скорости v₁ и направлением распространения света. Показатель преломления n, входящий в (29), - это коэффициент преломления света в неподвижном (относительно эфира) веществе. Он совпадает с показателем преломления в движущемся веществе, измеренным интерференционными методами. Действительно, рассмотрим интерференцию двух лучей, проходящих расстояние L', причем один из лучей проходит этот путь через вещество, а второй - в вакууме. Разность времени распространения света для этих лучей согласно (29) составляет:

L' n'/с' - L'/с'=L'[n + (v₁ /c)сos  '] /c - L'[1 + (v₁ /c)сos  ' ]/с=L'(n-1)/c.

Выражение (29) может быть использовано для обобщения инварианта (1) на распространение света в веществе:

t'₊+t'_= L' n'₊ /с'₊+ L' n'_ /с'_= 2L' n/c

(30)

где n'₊ и n'_ - показатели преломления света n' для взаимно противоположных направлений распространения, под углами   ' и (  ' +  ) к вектору абсолютной скорости.

Рис. 3. Схема опыта Физо.

В качестве теста для модели распространения света в веществе и предлагаемой теории рассмотрим опыт Физо. Как известно [3], опыт Физо, включает две параллельные оптические линии (рис.3), вдоль которых во взаимно противоположных направлениях движется вода. В эксперименте установлена связь между скоростью течения воды и сдвигом фаз двух лучей света, проходящих обе оптические линии по течению воды и против течения:

  =(4Lu₀/  c)(n²-1),

где u₀-скорость течения воды относительно Земли,  - длина световой волны, n - коэффициент преломления света в воде. Покажем, что этот результат, впервые полученный в СТО, находит естественное объяснение в рамках изложенных методик. Согласно (15), абсолютная скорость воды равна: v ± u₀ ². Здесь предполагается, что направления движения воды и Земли совпадают вдоль одной оптической линии-(a) и противоположны вдоль другой линии-(b). Для скорости света луча 1, распространяющегося по течению воды, в системе отсчета воды из (29, 24) получаем:

с'₊₁=с/(n + v/c + u₀ ²/c) - на участке оптической линии (a), и с'_-1=с/(n - v/c + u₀ ²/c) -на участке оптической линии (b).

Аналогично для скорости света луча 2, распространяющегося против течения, имеем:

с'_-2=с/(n - v/c - u₀ ²/c) - на линии (a), и с'₊₂=с/(n + v/c - u₀ ²/c) - на линии (b).

При переходе в земную систему отсчета, для указанных скоростей света имеем по закону сложения скоростей (17) (в приближении порядка v/c):

с_-1=[с/(n - v/c + u₀ /c)]+u₀; с₊₁=[с/(n + v/c + u₀ /c)]+u₀ с_-2=[с/(n - v/c - u₀ /c)] -u₀; с₊₂=[с/(n + v/c - u₀ /c)] -u₀.

Для разности времени движения соответствующих лучей получаем:

T_-2 -T₊₁=L /с_-2 - L/с₊₁  2L[u₀ (n²-1)-v]/c²; T₊₂ -T_-1= L/с₊₂ - L/с_-1  2L[u₀ (n²-1)+v]/c².

Итак,

 T= T₊₂ +T_-2 - (T₊₁+T_-1)=4Lu₀(n²-1)/c².

Диспе́ рсия све́ та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты(или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

§ Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе —оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

§ у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,

§ у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

§ Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии, применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число, применяется не только кэлектромагнитной волне

, но к любому волновому процессу.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Дисперсия является причиной хроматических аберраций — одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.

Коши пришел к формуле, выражающей зависимость показателя преломления среды от длины волны:

где:

§ — длина волны в вакууме;

§ a, b, c, … — постоянные, значения которых для каждого вещества должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение энергии света в веществе описывается законом Бугера:

I=I0e− ax,

где I0 и I — интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной x, α — коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света при слабых световых потоках.

На рисунке 17.34 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения от длины волны света. Зависимостью коэффициента поглощения от λ объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны света используется для изготовления светофильтров, которые в соответствии с химическим составом пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные.

Прозрачные среды (оптические стекла, очень чистые прозрачные жидкости и газы) почти не рассеивают света; это объясняется тем, что вторичные волны, излучаемые частицами среды, вследствие интерференции взаимно гасятся по всем направлениям, кроме направления распространения проходящего света. При этом, как показал Л. И. Мандельштам, важна однородность среды, так как для полного гашения необходима не только когерентность, но и равенство интенсивностей интерферирующих волн.

Прозрачная среда считается оптически менее плотной, если скорость распространения света в ней больше, чем в воздухе, и оптически более плотной если скорость в ней меньше, чем в воздухе.

Воздух являетсяпрактически прозрачной средой, твердые тела и жидкости - непрозрачны. Многие тела прозрачны только для определенных длин волн. Так, например, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового ( оказывающего наиболее сильное химическое воздействие) и длинноволнового инфракрасного излучения. Кварц прозрачен для светового и ультрафиолетового излучения и непрозрачен для инфракрасного. Этими свойствами оконного стекла и кварца широко пользуются в технике.

Если впрозрачной среде диспергированы частицы, то на длине волны, для которой показатели преломления среды и частиц одинаковы, будет наблюдаться эффект Христиансена. Он состоит в резком увеличении пропускания частот, для которых среда оказывается оптически гомогенной. Пропускание других частот будет уменьшено за счет рассеяния на частицах.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒