Волновые свойства электромагнитного излучения

1 Развитие представлений о природе света

2 Интерференция света и методы ее наблюдения

3 Дифракция электромагнитных волн

4 Поляризация света

1 Развитие представлений и природе света

Основные законы оптики известны еще с древних веков. Платон установил закон прямолинейного распространения света, Аристотель и Птоломей изучали преломление света. В XIII в. были изобретены параболические зеркала, в XVI в. – фотоаппарат и микроскоп, в XVII в. – зрительная труба. В конце XVII в. возникли две теории света – корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по прямолинейным траекториям. Движение световых корпускул Ньютон подчинил законам механики.

Согласно волновой теории, развитой на основе аналогии световых и акустических явлений, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде – эфире. Эфир заполняет все мировое пространство, пронизывает все тела и обладает упругостью и плотностью.

Обе теории света могли объяснить экспериментально наблюдаемые законы отражения и преломления света. XVIII век стал веком борьбы этих теорий. К началу XIX в. корпускулярная теория была полностью отвергнута и восторжествовала волновая теория. Однако всемирный эфир, обладающий механическими свойствами, обнаружить не удалось.

Наука о свете накапливала экспериментальные данные о связи оптических, электрических и магнитных явлений. В 70–х годах XIX в. Максвелл создал электромагнитную теорию (лекция 11), “упругий” эфир был заменен эфиром “электромагнитным”. Теория Максвелла не смогла объяснить процессов испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта и ряд других явлений. В начале XX в. была сформулирована квантовая теория света. Был сделан вывод о сложной природе света и его корпускулярно – волновом дуализме. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в следующих лекциях. В данной лекции рассматриваются волновые свойства света.

2 Интерференция света и методы ее наблюдения

Интерференцией света называется явление наложения когерентных световых волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве. В тех точках пространства, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности (волны усиливают друг друга); в точках пространства, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности (волны ослабляют друг друга).

Когерентными называются волны, одинаковой частоты, разность фаз которых сохраняется во времени. Все источники света (кроме лазеров) дают некогерентное излучение.

Понять природу некогерентности волн, испускаемых двумя независимыми источниками света, можно исходя из самого механизма испускания света атомами. В двух самостоятельных источниках света атомы излучают независимо друг от друга. В каждом из атомов процесс излучения конечен и длится очень короткое время (τ~10^-8с; атомы “вспыхивают” и “гаснут”). За это время возбужденный атом возвращается в основное состояние и излучение им света прекращается. Возбудившись вновь, атом снова начинает испускать световые волны, но уже с другой начальной фазой. Разность фаз излучений двух независимых атомов изменяется при каждом новом акте испускания, поэтому волны, спонтанно излучаемые атомами любого источника света, некогерентны. Описанная модель испускания света справедлива для любого макроскопического источника, в котором громадное количество атомов испускает свет независимо друг от друга.

Для наблюдения интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки. До появления лазеров для наблюдения интерференции использовали разделение электромагнитной волны на части, проходящие разные оптические пути. Практически это можно осуществить, применяя зеркала, щели, преломляющие тела. Рассмотрим некоторые примеры.