Тема 7. Световые волны.

Вопросы:

1. Развитие представлений о природе света.

2. Когерентные световые волны. Интерференция волн.

3. Методы наблюдения интерференции света.

Вопрос 1. Развитие представлений о природе света.

Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц (фотонов). Длительный путь развития учения о свете привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Рассмотрим вначале круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света.

Теоретические исследования Максвелла о распространении электромагнитных волн, экспериментальные измерения скорости их распространения в вакууме, оказавшейся равной скорости распространения световых волн в вакууме, и другие исследования позволили выдвинуть предположение о чисто электромагнитной природе света.

Электромагнитная теория света явилась существенным шагом вперед в понимании природы оптических явлений. Свет оказался частным случаем электромагнитных волн с длиной волны от  = 400 нм (фиолетовый) до =760 нм (красный). Только этот интервал длин электромагнитных волн оказывает непосредственное воздействие на наш глаз и является собственно светом. Однако и более коротковолновое (<400 нм - ультрафиолетовое) и более длинноволновое оптическое излучение (>760 нм - инфракрасное) имеют качественно одну и ту же электромагнитную природу и отличаются лишь методами их возбуждения и обнаружения.

В веществе длины световых волн будут иными, чем в вакууме. Частоте колебаний  в вакууме соответствует длина волны ₀ = c/. В среде, в которой фазовая скорость световой волны V = с/n, длина волны имеет значение:

 = V = c/n =₀/n.

В электромагнитной волне колеблются вектора и_, причем _{. На рис.7.1 показано} взаимное расположение векторов  и в световой волне.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля , о котором говорят поэтому как о световом векторе. Магнитный вектор  световой волны для описания действия света практически не используется.

Рис.7.1.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать буквой А (иногда Е_м). Соответственно изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, будет описываться уравнением:

E = Acos(ωt – kr +α),

которое называется уравнением световой волны, где k - волновое число

(k = 2), r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской световой волны, распространяющейся в непоглощающей среде, А = const, для сферической волны амплитуда А убывает как 1/r и т.д.

Частоты видимых световых волн лежат в пределах  = (3,9 - 7,5) 10¹⁴ Гц.

Частота изменений плотности потока энергии, переносимой волной, будет еще больше (она равна 2). Уследить за столь быстрыми изменениями потока энергии не могут ни глаз, ни приборы, вследствие чего они регистрируют усредненный по времени поток переносимой энергии.

Интенсивность света I в данной точке пространства равна плотности потока электромагнитной энергии и определяется модулем вектора Умова-Пойтинга

I=|<>= |<>|. _.

Поскольку для электромагнитной волны Е ~ Н, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора , т.е. I ~ А².

В изотропных средах направление распространения световой энергии (луча) совпадает с нормалью к волновой поверхности, т.е. с направлением волнового вектора . Модуль = k – волновое число.

Несмотря на то, что световые волны поперечны, они не обнаруживают асимметрии относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете имеются колебания вектора , совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Эти волны, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. В результирующей волне колебания вектора различных направлений представлены с равной вероятностью.

В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско- (или линейно-) поляризованным. Упорядоченность колебаний может заключаться в том, что вектор  поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине. В результате конец вектора описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически - поляризованным. Если конец вектора описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.