П. 3. Электромагнитные волны

Для однородной и изотропной среды уравнения Максвелла можно привести к виду:

где , описывающих в частности распространения плоских монохроматических волн вида

где ‑ волновой вектор, ‑ круговая частота, ‑ произвольный сдвиг фаз. При этом .

Волны распространяются со скоростью , где , ‑ абсолютный показатель преломления (см. Оптику). Энергия волна складывается из энергии электрического и магнитного поля. Мгновенное значение плотности объёмной энергии

.

Плотность потока энергии волны носит название вектора Умова-Пойнтинга. Средняя за период плотность потока энергии (интенсивность) волны .

Электромагнитные волны классифицируют по длине (или частоте) волн. Спектр электромагнитных волн содержит несколько диапазонов, причём волны каждого диапазона получают специфическим для этого диапазона источником (см. табл.)

На характер распространения электромагнитных волн влияет среда, в которой происходит распространение волн. Из-за влияния среды электромагнитные волны могут испытывать преломление, отражение, дисперсию, дифракцию, интерференцию, поляризацию и другие явления, свойственные волнам любой природы. Наиболее наглядно эти свойства наблюдаются у волн видимого диапазона, где они получили название «оптических».

Таблица

Название диапазона	Интервал длин волн (А)	Источники излучения
Радиоволны		Генераторы радиочастот и СВЧ
Инфракрасное излучение		Излучение атомов при тепловых и электрических воздействиях
Видимое излучение
Ультрафиолетовое излучение		Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов
Рентгеновское излучение		Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц
Гамма-излучение		Ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы

П. 4. Оптика

Термин «оптика» образован от греческого слова «глаз». В оптике рассматривают распространение электромагнитных волн видимого (светового) диапазона, занимающего интервал (400-800) нанометров на шкале длин электромагнитных волн.

Теоретическое рассмотрение в оптике использует две модели: геометрическая оптика и волновая оптика, при этом геометрическая оптика является частным (по сути, предельным, ) случаем волновой оптики. Все положения геометрической оптики выводятся из законов волновой оптики при условии, что длиной волны можно пренебречь.

Геометрическая оптика описывает свет как систему лучей, т.е. основной моделью в геометрической оптике является луч. Положение луча в пространстве задаётся линией луча. Положение луча в пространстве задаётся линией луча – полубесконечной непрерывной линией, выходящей из источника света и распространяющейся по направлению от источника света. Область пространства, в которой распространяется луч, называют средой. Если свойства среды во всех её точках одинаковы, то она называется однородной.

Для однородных сред, имеющих общие границы, существует феноменологический закон, который, по сути, представляет собой закон сохранения: (рис. 9).

Падающий луч и нормаль к плоскости образует угол падения, т.е. . Отражённый луч и нормаль к плоскости образуют угол отражения . Преломлённый луч и нормаль к плоскости образуют угол преломления, т.е. . ‑ показатель преломления первой среды, ‑ показатель преломления второй среды. Таким образом, согласно закону, и ; или ‑ угол падения равен углу отражения и . ‑ называют относительный показатель преломления; т.е. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно относительному показателю преломления сред 2 и 1.

Другой феноменологический закон сформулирован Ньютоном (1704 г.): при падении луча на границу раздела сред отражённый и преломлённый лучи лежат в плоскости падения. Плоскость падения – плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к плоскости, образующие угол падения.

Ньютон теоретически вводит модель монохроматического луча, который не испытывает изменений цвета при преломлении в прозрачных телах и с помощью призм экспериментально установил, что «лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по преломляемости». Явление зависимости преломления лучей от их цвета он назвал дисперсией. В рамках волновой оптики монохроматическому лучу соответствует монохроматическая волна, имеющая определённую частоту и длину. После экспериментов Юнга (1802 г.) по измерению длин волн, соответствующих лучам различных цветов, под дисперсией стали понимать явление разложения света по длинам волн в спектр. Дальнейшие эксперименты показали, что показатель преломления вещества имеет различное значение для волн различной длины и дисперсию стали определять как зависимость показателя преломления от длины (частоты) волны.

Экспериментально было установлено, что зависимость показателя преломления от длины (частоты) волны включает две области: в пределах одной показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны (увеличением частоты) – это явление назвали нормальной дисперсией, в пределах другой показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны (увеличением частоты) – это явление назвали аномальной дисперсией. Дальнейшие эксперименты показали, что в области аномальной дисперсии имеет место поглощение света. Одной из главных задач геометрической оптики является определение линий луча в оптических системах, содержащих границы раздела сред заданной формы. Основными приборами, задающими границы раздела сред заданной формы являются зеркала и линзы. Зеркала служат для получения изображения с помощью отражённых лучей. Линзы служат для получения изображения преломлённых лучей. Комбинации зеркал и линз используют в оптических системах, являющихся основными частями сложных оптических приборов (микроскопов, телескопов).

Фундаментальная модель в волновой оптике – монохроматическая электромагнитная волна, представляющая собой две бесконечные синусоиды, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяющиеся вдоль линии пересечения плоскостей (рис. 10).

В волновой оптике направление распространения монохроматической волны называют направлением луча. Линию, с которой совпадает направление луча, называют линией луча. Линия луча, перпендикулярна к волновому фронту. Волновой фронт – поверхность, на всех точках которой волна имеет в данный момент времени одинаковую фазу. Направление луча задаётся направлением волнового вектора . Плоскость, в которой лежат векторы и называют плоскостью поляризации. В электромагнитной волне, испускаемой отдельным атомом, ориентация плоскости поляризации не меняется со временем. Поэтому электромагнитная волна является поляризованной и эта поляризация называется линейной. Но свет, который мы видим, является совокупностью электромагнитных волн. Любой источник света (если не специальный, лабораторный) содержит громадное количество атомов, излучающих цуги («куски» электромагнитных волн), причём в каждом цуге вектор лежит в произвольно расположенной плоскости, а поскольку излучение от атомов хаотично и не согласовано, то суммарный вектор (полученный от суммирования волн от всех атомов) не имеет выделенного направления, а значит распределение в плоскости, перпендикулярной лучу, однородно – геометрически его можно представить в виде окружности радиуса . Такой свет называют неполяризованным или естественным. Если распределение в плоскости, перпендикулярной лучу, неоднородно, то имеем свет, который называют поляризованным. Например, если распределение представляет собой эллипс, то свет называют эллиптически поляризованным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: