6.1.2. Свет как электромагнитная волна

Согласно волновой теории свет представляет собой электромагнитную волну.

Видимое излучение (видимый свет) – электромагнитное излучение, непосредственно воспринимаемое человеческим глазом, характеризующееся длинами волн в диапазоне 400 – 750 нм, что соответствует диапазону частот 0,75·10¹⁵ – 0,4·10¹⁵ Гц. Световые излучения различных частот воспринимаются человеком как разные цвета.

Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны около 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (с длиной волны 1-2 мм). Инфракрасное излучение создает ощущение тепла, поэтому его часто называют тепловым.

Ультрафиолетовое излучение – невидимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн от 400 до 10 нм.

Электромагнитные волны – электромагнитные колебания (электромагнитное поле) распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды (в вакууме - 3∙10⁸ м/с). Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла. На характер распространения электромагнитных волн влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, дисперсию, дифракцию, интерференцию, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. В однородной и изотропной среде вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, волновые уравнения для электромагнитных (в т.ч. и для световых) волн имеют вид:

_(6.35.1)

где и – соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды, и – соответственно электрическая и магнитная постоянные, и – напряжённости электрического и магнитного поля, – оператор Лапласа. В изотропной среде фазовая скорость распространения электромагнитных волн равна Распространение плоских монохроматических электромагнитных (световых) волн описывается уравнениями:

kr ; kr _(6.35.2)

где и – соответственно амплитуды колебаний электрического и магнитного полей, k – волновой вектор, r – радиус-вектор точки, – круговая частота колебаний, – начальная фаза колебаний в точке с координатой r = 0. Векторы E и H колеблются в одинаковой фазе. Электромагнитная (световая) волна поперечна. Векторы E, H, k ортогональны друг другу и образуют правую тройку векторов. Мгновенные значения и в любой точке связаны соотношением Учитывая, что физиологическое воздействие на глаз оказывает электрическое поле, уравнение плоской световой волны, распространяющейся в направлении оси можно записать следующим образом:

(6.35.3)

Скорость света в вакууме равна

. (6.35.4)

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется абсолютным показателем преломления среды :

(6.35.5)

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость распространения волны и длина волны , частота остается неизменной. Относительным показателем преломления второй среды относительно первой называется отношение

(6.35.6)

где и – абсолютные показатели преломления первой и второй среды, и – скорость света в первой и второй среде соответственно.

Электромагнитная (световая) волна переносит энергию. Плотность энергии световой волны:

(6.35.7)

Плотность потока энергии – вектор Пойнтинга:

. (6.35.8)

Поток энергии световой волны через поверхность

Падая на поверхность, световая волна оказывает на нее давление. Если поверхность поглощает всю падающую энергию, давление света равно:

(6.35.9)

где – осредненное по времени значение плотности энергии. Если световая волна отражается от поверхности, то давление света равно:

(6.35.10)

где – коэффициент отражения.

Осредненное по времени значение плотности светового потока называется интенсивностью световой волны:

(6.35.11)

где – период волны. Интенсивность световой волны пропорциональна квадрату напряженности электрического поля: ~ .