16.5.1.1. Вероятностное истолкование электромагнитной волны
- связь между волновыми и корпускулярными свойствами света.
Если в объеме V находится в данный момент N фотонов с заданной частотой , то создаваемая ими плотность энергии:
.
С другой стороны, плотность энергии электромагнитной волны (16.3) в вакууме:
Сопоставление этих выражений приводит нас к выводу, что число фотонов в единице объема пропорционально квадрату напряженности поля (E2 или H2, или E2 и H2) электромагнитной волны, т.е.
Если в течение интересующего нас отрезка времени средняя плотность фотонов <N/V> велика, то два различных толкования плотности энергии - волновое и корпускулярное - приводят к одним и тем же наблюдаемым значениям для плотности энергии. Только при одном толковании мы рассматриваем эту энергию как энергию электромагнитной волны, запасенную в полях E и H, а при другом - как суммарную энергию фотонов, находящихся в рассматриваемом объеме.
Истинное соотношение между волновой и корпускулярной точками зрения выясняется при рассмотрении света очень малой интенсивности (16.3.2), т.е. когда величина E2 очень мала, так мала, что пропорциональное ей среднее число фотонов в единице объема <N/V> становится меньше единицы. В этом случае величину E2 приходится истолковывать как величину, задающую вероятность обнаружить фотон в заданном объеме, т.е.:
16.5.2. Показатель преломления
Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны, см. (16.2):
,
где
-
показатель преломления среды, т.к. μ = 1
для большинства прозрачных веществ.
16.5.2.1. Дисперсия
Т.к. зависит от частоты электромагнитной волны (см. 9.13), то n = n(v) или n = n(λ) - показатель преломления будет зависеть от длины волны света.
16.5.3. Световой вектор
- это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной!) волны.
16.5.4. Интенсивность света.
Для любой электромагнитной волны:
,
см. (16.3.2).
Для световой волны:
,
см. (16.1.2.3),
откуда
.
Значит интенсивность световой волны:
.
16.5.5. Испускание света атомами
Атом, при переходе электрона в состояние с более низкой энергией, испускает фотон, которому соответствует электромагнитная волна, протяженностью ~3 метра. Это соответствует длительности процесса излучения ~10-8 секунды. Такая электромагнитная волна называется цугом.
16.5.5.1. Естественный свет
Каждый цуг имеет вполне определенное направление светового вектора , т.е. определенную поляризацию, и свою начальную фазу, которая меняется от цуга к цугу по случайному закону.
Световая волна, испускаемая нагретым телом, складывается из огромного числа цугов, испускаемых атомами тела. Атомы нагретого тела испускают несогласованные цуги, направление векторов в этих цугах самое различное. В результате свет, испущенный нагретым телом, не имеет определенной поляризации, такой свет называют естественным.
17. Геометрическая оптика
Это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий - лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ → 0.
Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света, расчет в рамках геометрической оптики дает приближенный результат, иногда неверный даже на качественном уровне.