- •Оптика. Принцип наименьшего времени
- •§ 1. Свет
- •§ 2. Отражение и преломление
- •§ 3. Принцип наименьшего времени Ферма
- •§ 4. Применения принципа Ферма
- •§ 5, Более точная формулировка принципа Ферма
- •§ 6. Квантовый механизм
- •Глава 27
- •§ 2. Фокусное расстояние для сферической поверхности
- •§ 3. Фокусное расстояние линзы
- •§ 4. Увеличение
- •§ 5. Сложные линзы
- •§ 6. Аберрация
- •§ 7. Разрешающая способность
- •Глава 28
- •§ 2. Излучение
- •§ 3. Дипольный излучатель
- •§ 4. Интерференция
- •Глава 29
- •Интерференция
- •§ 2. Энергия излучения
- •§ 3. Синусоидальные волны.
- •§ 4. Два дипольных излучателя
- •§ 5. Математическое описание интерференции
- •Глава 30
- •§ 2. Дифракционная решетка
- •§ 3. Разрешающая способность дифракционной решетки
- •§ 4. Параболическая антенна
- •§ 5, Окрашенные пленки; кристаллы
- •§ 6. Дифракция на непрозрачном экране
- •§ 7. Поле системы осцилляторов, расположенных на плоскости
- •Глава 31 как возникает показатель преломления
- •§ 2. Поле, излучаемое средой
- •§ 3. Дисперсия
- •§ 4 Поглощение
- •§ 5. Энергия световой волны
- •§ 6. Дифракция света на непрозрачном экране
- •Глава 32 радиационное затухание. Рассеяние света
- •§ 2. Интенсивность излучения
- •§ 3. Радиационное затухание
- •§ 4. Независимые источники
- •§ 5. Рассеяние света
- •Глава 33
- •В этом последнем случае вектор электрического поля описывает эллипс, что можно проиллюстрировать на следующем простом примере.
- •§ 2. Поляризация рассеянного света
- •§ 3. Двойное лучепреломление
- •§ 4. Поляризаторы
- •§ 5. Оптическая активность
- •§ 6. Интенсивность отраженного света
- •§ 7. Аномальное преломление
- •Глава 34
- •§ 2. Определение «кажущегося» движения
- •§ 3 Синхpoтpoннoe излyчeнue
- •§ 4. Космическое еинхротронное излучение
- •§ 5. Тормозное излучение
- •§ 6. Эффект Допплера
- •§ 7. Четырехвектор (, k)
- •§ 8. Аберрация
- •§ 9. Импульс световой волны
- •Глава 35
- •§ 2. Цвет зависит от интенсивности
- •§ 3. Измерение восприятия цвета
- •§ 4. Диаграмма цветности
- •§ 5. Механизм цветового зрения
- •§ 6, Физико-химические свойства цветового зрения
- •Глава 36 механизм зрения
- •§ 2. Физиология зрения
- •§ 3. Палочки
- •§ 4. Сложные глаза насекомых
- •§ 5. Другие типы глаз
- •§ 6. Нервные механизмы зрения
- •Глава 37
- •§ 2. Опыт с пулеметной стрельбой
- •§ 4. Опыт с электронами
- •§ 5. Интерференция электронных волн
- •§ 6. Как проследить за электроном?
- •§ 7. Начальные принципы квантовой мвханики
- •§ 8. Принцип неопределенности
- •Глава 38
- •§ 2. Измерение положения и импульса
- •§ 3. Дифракция на кристалле
- •Фиг. 38.7. Диффузия нейтронов из котла сквозь графитовый блок
- •§ 4. Размер атома
- •§ 5. Уровни энергии
- •§ 6. Немного философии
§ 4 Поглощение
Вы уже, наверное, заметили нечто странное в последней форме (31.20) нашей дисперсионной формулы. Из-за члена i, учитывающего затухание, показатель преломления стал комплексной величиной! Что это означает? Выразим n через действительную и мнимую части:
(31.21)
причем n' и n" вещественны. (Перед in" стоит знак минус, а само n", как легко убедиться, положительно.)
Смысл комплексного показателя преломления легче всего понять, вернувшись к уравнению (31.6) для волны, проходящей сквозь пластинку с показателем преломления n. Подставив сюда комплексное n и произведя перегруппировку членов, получаем
Множители, обозначенные буквой В, имеют прежний вид и, как и раньше, описывают волну, фаза которой после прохождения пластинки запаздывает на угол (n'-1)z/c. Множитель А (экспонента с действительным показателем) представляет нечто новое. Показатель экспоненты отрицателен, следовательно, А вещественно и меньше единицы. Множитель А уменьшает амплитуду поля; с ростом z величина А, а следовательно, и вся амплитуда падает. При прохождении через среду электромагнитная волна затухает. Среда «поглощает» часть волны. Волна выходит из среды, потеряв часть своей энергии. Этому не следует удивляться, потому что введенное нами затухание осцилляторов обусловлено силой трения и непременно приводит к потере энергии. Мы видим, что мнимая часть комплексного показателя преломления n" описывает поглощение (или «ослабление») электромагнитной волны. Иногда n" называют еще «коэффициентом поглощения».
Заметим также, что появление мнимой части n отклоняет стрелку, изображающую Еа на фиг. 31.3, к началу координат.
Отсюда ясно, почему поле ослабевает при прохождении через среду.
Обычно (как, например, у стекла) поглощение света очень мало. Именно так и получается по нашей формуле (31.20), потому что мнимая часть знаменателя ik много меньше действительной части (2k-2). Однако когда частота близка к k, резонансный член (2k-2) оказывается мал по сравнению с ik и показатель преломления становится почти чисто мнимым. Поглощение в этом случае определяет основной эффект. Именно поглощение дает в солнечном спектре темные линии. Свет, излучаемый поверхностью Солнца, проходит сквозь солнечную атмосферу (а также через атмосферу Земли), и частоты, равные резонансным частотам атомов в атмосфере Солнца, сильно поглощаются.
Наблюдение подобных спектральных линий солнечного света позволяет установить резонансные частоты атомов, а следовательно, и химический состав солнечной атмосферы. Точно так же по спектру звезд узнают состав звездного вещества. С помощью этих методов обнаружили, что химические элементы на Солнце и звездах не отличаются от земных.
§ 5. Энергия световой волны
Как мы видели, мнимая часть показателя преломления характеризует поглощение. Попробуем теперь вычислить энергию, переносимую световой волной. Мы высказали соображения в пользу того, что энергия световой волны пропорциональна Е2, среднему по времени от квадрата электрического поля волны. Ослабление электрического поля за счет поглощения волны должно приводить к потере энергии, переходящей в какое-то трение электронов и в конечном счете, как нетрудно догадаться, в тепло.
Взяв часть световой волны, падающую на единичную площадку, например на квадратный сантиметр поверхности нашей пластинки на фиг. 31.1, можно записать энергетический баланс в следующей форме (мы предполагаем, что энергия сохраняется!):
Падающая энергия в 1 сек = Выходящая энергия в 1 сек+Работа, совершаемая в 1 сек. (31.23)
Вместо первого члена можно написать аЕ2s, где а — коэффициент пропорциональности, связывающий среднее значение Е2 с энергией, переносимой волной. Во втором члене необходимо включить поле излучения атомов среды, т. е. мы должны записать
а (Еs+Ea)2 или (раскладывая квадрат суммы) a (E2s+2EsEa +-Е2а).
Все наши вычисления проводились в предположении, что
толщина слоя материала мала и показатель преломления его
незначительно отличается от единицы, тогда Еа оказывается много меньше Es (это было сделано с единственной целью — упростить вычисления). В рамках нашего приближения член
Е2а следует опустить, пренебрегая им по сравнению с EsEa . Вы можете на это возразить: «Тогда нужно отбросить и EsEa, потому что этот член много меньше El». Действительно, EsEa
много меньше Е2s, но если мы выбросим этот член, то получим приближение, в котором эффекты среды не учитываются совсем! Правильность наших вычислений в рамках сделанного приближения проверяется тем, что мы всюду оставляли члены, пропорциональные —Nz (плотности атомов в среде), но выбрасывали члены порядка (Nz)2 и более высоких степеней по Nz. Наше приближение можно было бы назвать «приближением малой плотности».
Заметим, кстати, что наше уравнение баланса энергии не содержит энергии отраженной волны. Но так и должно быть, потому что амплитуда отраженной волны пропорциональна Nz, а энергия пропорциональна (Nz)2.
Чтобы найти последний член в (31.23), нужно вычислить работу, совершаемую падающей волной над электронами за 1 сек. Работа, как известно, равна силе, умноженной на расстояние; отсюда работа в единицу времени (называемая также мощностью) дается произведением силы на скорость. Точнее, она равна F•v, но в нашем случае сила и скорость имеют одинаковое направление, поэтому произведение векторов сводится к обычному (с точностью до знака). Итак, работа, совершаемая в 1 сек над каждым атомом, равна qeEsv. Поскольку на единичную площадку приходится Nz атомов, последний член в уравнении (31.23) оказывается равным NzqeEsv. Уравнение баланса энергии принимает вид
(31.24)
Члены E2S сокращаются, и мы получаем
(31.25)
Возвращаясь к уравнению (30.19), находим Еа для больших z:
(31.26)
(напомним, что =Nz). Подставляя (31.26) в левую часть равенства (31.25), получаем
Ho Es (в точке z) равно Es (в точке атома) с запаздыванием на z/c. Поскольку среднее значение не зависит от времени, оно не изменится, если временной аргумент запаздывает на z/c, т. е. оно равно Es (в точке атома)•v, но точно такое же среднее значение стоит и в правой части (31.25). Обе части (31.25) будут равны, если выполняется соотношение
(31.27)
Таким образом, если справедлив закон сохранения энергии, то количество энергии электрической волны, приходящееся на единичную площадку в единицу времени (то, что мы называем интенсивностью), должно быть равно 0сЕ2. Обозначив интенсивность через S, получим
(31.28)
где черта означает среднее по времени. Из нашей теории показателя преломления получился замечательный результат!