Іv.5. Електромагнітні хвилі

Згідно з теорією Максвелла змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле.

Розповсюдження коливань напруженостей електричного і магнітного полів у просторі називають електромагнітною хвилею.

У вакуумі електромагнітні хвилі розповсюджуються зі швидкістю с= 300 тис . (Це є найбільша можлива швидкість у природі.)

Електромагнітні хвилі є поперечними хвилями, у яких напруженості Е електричного поля і Н магнітного поля коливаються у взаємно перпендикулярних площинах і перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі (рис. ІV.5).

Рис. ІV.5

Частота коливань ν, довжина хвиліλ, період коливаньТ, швидкістьс розповсюдження коливань зв’язані співвідношенням:

. (ІV.10)

Під дією електричного поля переміщуються заряди, а під дією магнітного поля – струми, що знаходяться в електромагнітному полі, тобто таке поле може виконувати роботу. Це означає, що електромагнітне поле має енергію. Енергію електромагнітної хвилі визначають за формулою:

, (ІV.11)

де h – стала Планка (h = 6,63 ·10^-34 Дж · с ).

Залежно від частоти ν(довжини хвиліλ), електромагнітні хвилі мають різні властивості і по-різному взаємодіють з речовинами (заломлюються на границі середовищ, поглинаються, відбиваються тощо). Тому їх умовно поділяють на різні види, що утворюютьшкалу електромагнітних хвиль– радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання.

Радіохвилі (ν = 3 · 10⁴ – 3 · 10¹²Гц) використовують для здійснення радіозв’язку, радіомовлення, телебачення, радіолокації, інфрачервоні хвилі (3 · 10¹²– 4 · 10¹⁴ Гц) чинять теплову дію, завдяки видимому випромінюванню (4 · 10¹⁴– 7,5 · 10¹⁴Гц) живі істоти бачать навколишні предмети; ультрафіолетове випромінювання (7,5 · 10¹⁴– 3 · 10¹⁶Гц) чинить бактерицидну дію; рентгенівське випромінювання (3 · 10¹⁶– 3· 10¹⁹Гц) використовують для вивчення структури речовин; гамма випромінювання (ν > 3 ·10¹⁹Гц) викликає іонізацію молекул, утворення електронно-позитронних пар, використовується при лікуванні онкозахворювань тощо.

V. Оптичні явища

V.1 Природа світла

Світло – це складний електромагнітний процес, який в одних явищах проявляє хвильові, а в інших – корпускулярні (квантові) властивості. Складність природи світла полягає в тому, що в жодному процесі неможливо виявити одночасно хвильові та корпускулярні властивості світла. Хвильові властивості світла проявляються в таких явищах, як інтерференція, дифракція, поляризація, а в процесах випромінювання та поглинання світло проявляє свої корпускулярні властивості і веде себе як потік особливого роду частинок (корпускул), названих фотонами.

З хвильової точки зору, світло – це електромагнітні хвилі з довжинами хвиль від 0,4 мкм до 0,77 мкм, які діють як специфічний подразник на людське око.Світло з однією довжиною хвилі називаютьмонохроматичним. Біле світло складається з різних довжин хвиль, кожній з яких відповідає певний колір (червоний, зелений, синій тощо).

З точки зору корпускулярної (квантової) теорії світло – це потік квантів (фотонів), що являють собою неподільні порції електромагнітної енергії.Тобто, один фотон може бути випромінений чи поглинутий атомом або молекулою при відповідному електронному переході. Але в природі не існує процесів, заяких фотон передав би тільки частину своєї енергії речовині. Енергія фотона залежить від частоти відповідної світлової (електромагнітної) хвилі і виражається формулою:

Е = h,

де h – стала Планка (h = 6, 6310^-34 Джс),  – частота світлової хвилі відповідного діапазону.

До речі, остання формула виражає тісний зв’язок корпускулярних та квантових властивостей світла.