4.6 Волновые и корпускулярные свойства электромагнитного излучения

Рассмотрим ряд явлений, связанных с распространением электромагнитного излучения и его взаимодействием с веществом.

В явлениях интерференции, дифракции и поляризации проявляются волновые свойства электромагнитного излучения.

Интерференцией называется явление наложения когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве. В тех точках пространства, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности; в точках пространства, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности. Все источники света (кроме лазеров) дают некогерентное излучение, поэтому для наблюдения интерференции используют разделение электромагнитной волны на части, проходящие разные оптические пути. Это достигается путем прохождения одной волны через два малых отверстия (метод Юнга), отражения в зеркалах (зеркала Ллойда и Френеля), отражения и преломления от тонкой плоскопараллельной пластины – см. рисунок 13.

Рисунок 13 – Методы наблюдения интерференции:

метод Юнга (слева), зеркала Ллойда (справа)

Интерференцией света объясняются радужная окраска мыльных пузырей, цветные пятна нефти или бензина на лужах и т.д.

Дифракцией света называется совокупность явлений, связанных с распространением света в среде с резкими оптическими неоднородностями. В частности, дифракция приводит к отклонению световых волн от прямолинейного распространения и огибанию препятствий, сравнимых с длиной световой волны (10^-7 м). Размеры объектов макромира существенно превышают длину световой волны, поэтому обычно свет ведет себя по законам геометрической оптики, а дифракция обычно наблюдается только в лабораторных условиях. Явлением дифракции объясняются радужные ореолы вокруг фонарей в тумане, расцвечивание пыли в ярком луче света и т.д.

Поляризацией света называется явление упорядочения колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Свет, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в одной плоскости, называется плоскополяризованным; свет, в котором все направления колебаний представлены с равной вероятностью, называется естественным. Поляризованный свет получают из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами. Источником поляризованного света является лазер.

В ряде явлений электромагнитное излучение ведет себя как поток частиц (фотонов, квантов света) с энергией Е=h и импульсом p=h/с. Эти явления нельзя объяснить с позиций волновой оптики. К явлениям, подтверждающим корпускулярные свойства электромагнитного излучения, относятся тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, тормозное рентгеновское излучение, комбинационное рассеяние света и ряд других.

Тепловое излучение – это явление испускания всеми телами, температура которых выше 0 К, электромагнитных волн за счет энергии теплового движения их атомов и молекул. Экспериментально наблюдаемые законы теплового излучения теоретически объясняются только в предположении, что электромагнитные волны испускаются в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения (Е=h).

Фотоэффектом (внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Закономерности фотоэффекта объясняются корпускулярными свойствами света: свет поглощается отдельными квантами с энергией Е=h. Уравнение Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта:

h = А + , (4.10)

где А – работа выхода электрона из металла, m и V – масса и скорость фотоэлектронов.