§ 2. Естественный свет

В предыдущей главе мы назвали простейшей синусоидальную волну вида:

(2.1)

где конечно ω = 2πν . Заметим здесь, такую волну называют еще гармонической световой волной.

Пусть ν попадает в диапазон частот, который мы называли видимым. Спрашивается: как глаз воспримет волну такого вида? Глаз человека устроен так, что он реагирует только на электрическую составляющую электромагнитной световой волны. Поэтому вектор Е называют световым вектором. Кроме того глаз не может реагировать на быстрые колебания этой волны, которые, как отмечалось в § 1, меняются 10¹⁴ раз в секунду, и вследствие этого усредняет ту световую энергию, которая в виде волны в него попадает. Мы усредняли плотность потока энергии в предыдущей главе и получили физическую величину, которую назвали интенсивностью, и которая пропорциональна квадрату амплитуды, т.е. . Так вот чем больше Е₀ , тем ярче нам кажется свет. Цвет же свет определяется его частотой, т.е. ν или ω . А поскольку волна (2.1) состоит только из одной частоты, то и видеть мы ее будем как идеально чистый цвет.

Но идеального в жизни мало. Чем же в таком случае реальный свет отличается от (2.1)? Прежде всего, отметим, что синусоида в (2.1) не имеет ни начала, ни конца, по ученому говоря, имеет бесконечную протяженность. А если идеального в жизни мало, то бесконечного и вовсе нет. Атом, который излучает свет, когда то начинает «светить» и когда то заканчивает. Иными словами, что бы приблизиться к реальной жизни нам нужно заменить бесконечно протяженную синусоиду вида (2.1) на ее «обрывок» конечной длины. Длина этого обрывка очевидно равна с Δt, где Δt – время свечения атома. В итоге получится нечто вроде этого.

Рис. 2.1

Слово «обрывок» несколько неблагозвучно, поэтому штуку, показанную на рис. 2.1 называют цугом. Квант или фотон можно представлять себе в виде такого цуга волны. Квантовые механики конечно возмутятся, но для наших целей такого представления вполне достаточно.

Итак мы пришли к следующей картине. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Излучение отдельного атома продолжается порядка 10^-8 с и представляет собой, как мы уже говорили, цуг волн протяженностью в среднем порядка 3 м. Излучив, атом через некоторое время, придя в возбужденное состояние, излучает опять и т. д. Одновременно излучает множество атомов. Порожденные ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Направления колебаний Е для каждого цуга ориентированы случайным образом. Поэтому в результирующей световой волне колебания светового вектора происходят в разных направлениях с равной вероятностью. Это надо понимать так, что при прохождении световой волны через некоторую точку колебания светового вектора быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Но в пределах некоторого короткого времени мы имеем дело со световым вектором, направление колебаний которого сохраняется, затем направление колебаний меняется на другое и т. д. При этом модуль светового вектора остается неизменным. Условно это изображают как на рис. 2.2, где направление распространения волны перпендикулярно плоскости рисунка.

Свет, в котором направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом, называют поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, свет называют плоско- (или линейно-) поляризованным. Так же как и для волн в упругих средах.

Если конец светового вектора описывает эллипс, то такой свет называют эллиптически-поляризованным (в частности, поляризованным по кругу).

Более того заметим, что никто не обещал, что все эти атомы будут светится с одинаковой частотой. В итоге мы получаем естественный свет, который складывается из множества цугов с разной частотой, а значит и с разным цветом. Какой цвет получается в итоге, зависит от того какие атомы светятся, или иными словами от того какое тело излучает.

Вспомним, что волну вида (2.1) мы называли еще и монохроматической. А поскольку в естественном свете присутствует свет различных частот (значит и цветов), то такой свет, не мудрствуя лукаво, назовем немонохроматическим.

Таким образом, естественный свет является неполяризованным и немонохроматическим.