Теории электромагнитной природы света

Электромагнитная природа света

Каждый цвет световой волны обладает конкретным значением длины. Когда длина волны изменяется, свет меняет свой окрас. При увеличении длины волны изменение цветов происходит в следующем порядке:

• фиолетовый;
• синий;
• голубой;
• зеленый;
• желтый;
• оранжевый;
• красный.

При минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны свет приобретает фиолетовый цвет и является фиолетовой границей спектра. Красный цвет определен максимальной длиной видимой волны и представляет собой красную границу. Естественный свет не обладает цветом и является совокупностью электромагнитных волн всего видимого спектра.

Источник естественного света – атомы. При переходе в возбужденное состояние атомы испускают электромагнитные волны. Причинами такого явления может являться воздействие разного характера, к примеру:

• электромагнитное;
• тепловое;
• химическое.

В результате подобного воздействия атомы, пребывая в активном состоянии, испускают волны около 8-10 секунд. В связи с тем, что излучаемый диапазон электромагнитных волн достаточно широк, они испускают полный спектр видимых волн. При этом случайно определяются параметры:

• начальная фаза;
• поляризация;
• направление.

Исходя из вышесказанного, естественный свет не является поляризованным. Так как свет обладает природой электромагнитной волны, в основе оптической физики лежат уравнения Максвелла и выражения, которые являются следствиями данной теории. По теории Максвелла:

\({C \over V} = \sqrt{\varepsilon \mu}=n\)

где C и V – определяют скорость света соответственно в условиях магнитной и электрической среды;

\(\varepsilon\) и \(\mu\) – являются диэлектрической и магнитной проницаемостью вакуума.

Таким образом можно определить, как магнитные, электрические и оптические постоянные среды зависят друг от друга. По теории Максвелла диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума не связаны с параметром длины световых волн. Исходя из этого, теория электромагнитных волн не может объяснить дисперсию, то есть, каким образом связаны преломление и длина световой волны.

Величина показателя преломления определяет оптическую плотность вещества. Для описания связи между длиной волны и показателем n используют следующее выражение:

\(\lambda = {\lambda _0 \over n}\)

где \(\lambda _0\) представляет собой длину волны в вакуумной среде.

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Классическая волновая оптика исследует линейные среды, то есть среды с независимыми от интенсивности света диэлектрической и магнитной проницаемостью. В связи с этим, для волновой оптики характерен принцип суперпозиции. Исследования поведения волн света в нелинейных средах являются областью изучения нелинейной оптики.

В случае нелинейных оптических явлений можно отметить их значительную выраженность в условиях высокой интенсивности света, который, например, испускают лазеры. При рассмотрении пары волн с одинаковой частотой, наложенных одна на другую и возбуждающих колебания в одном направлении, можно наблюдать, что амплитуда суммарного колебания будет определяться таким выражением:

\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cos\sigma\)

где \(\sigma =\alpha _2-\alpha _1\) – является разностью фаз колебаний волн;

\(A_1 cos \omega t+\alpha _1\) – определяют характеристики первой волны;

\(A_2 cos \omega t+\alpha _2\) – определяют характеристики второй волны.

Когерентными называют волны, разность фаз колебаний которых \(\sigma\) является постоянной величиной.

Волновые и квантовые свойства света

С давних времен люди искали ответ на вопрос о природе света. В XVII веке практически в одно время получили распространение совершенно разные, на первый взгляд, теории о том, чем является свет. Основатель первой – корпускулярной теории – Исаак Ньютон. Вторая теория, волновая, была представлена голландским ученым Христианом Гюйгенсом.

Во второй половине XIX столетия Джеймс Клерк Максвелл в своих трудах открыл электромагнитную теорию света. Основу его научных исследований составлял тот факт, что скорость света и скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, совпадают. Следствие теории Максвелла заключается в том, что электромагнитные волны, как и световые волны, являются поперечными.

Теоретические утверждения нашли экспериментальное подтверждение. Таким образом, по теории Д. Максвелла, видимый свет является электромагнитными волнами с определенным диапазоном длины волны. Для видимого света он соответствует интервалу от \(3,8*10^{-7}\) до \(7,6*10^{-7}\) м.

Начало ХХ столетия отмечено формированием квантовой теории света. Данное утверждение сформулировал в 1900 году немецкий физик Макс Планк. Обоснование теория получила в 1905 году, благодаря исследованиям немецкого физика Альберта Эйнштейна.

Теория гласит, что частицы вещества испускают и поглощают световое излучение не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями в виде квантов света.  Энергия каждого такого кванта рассчитывается по формуле:

\(E = h*v\)

где h – является постоянной Планка.

Альбертом Эйнштейном было выдвинуто предположение о том, что электромагнитные волны, обладающие частотой v, допустимо рассматривать в качестве потока квантов с энергией Е.

При увеличении частоты электромагнитного излучения повышается интенсивность, с которой проявляются корпускулярные свойства излучения, а волновые свойства в этом случае теряют свою силу. Квант электромагнитного поля является фотоном.

В случае фотона отсутствует масса покоя. Фотон не обладает зарядом, а его скорость в любом случае соответствует скорости света.

Таким образом, волновые и квантовые свойства света связаны со свойствами его излучателей в виде электронов атомов. Образование кванта или фотона связано с переходом электрона на более низкий энергетический уровень, что в результате приводит к генерации электромагнитных импульсов.

Наблюдать квантовые свойства, которыми обладает свет, можно на примере явления, называемого фотоэффектом. Каждый из фотонов, сталкиваясь с электроном, проникает внутрь его. Квант и электрон образуют единой целое. При этом общая энергия трансформируется в кинетическую, что является необходимым условием для возникновения фотоэффекта.

При фотоэффекте волновые колебания способны увеличивать производимую фотоном энергию до момента достижения определенного значения. Фотоэффект является незаменимым в современной электротехнике. Применение данного явления лежит в основе разработок космических лайнеров и спутников, солнечных батарей.

Фотоэффект используют в качестве источника вспомогательной энергии. Световые волны влияют на химические и биологические процессы, протекающие на нашей планете. С помощью простых солнечных лучей растения приобретают зеленый окрас, атмосфера Земли окрашивается в разные оттенки синего, человек может наблюдать мир таким, каков он есть.

Явление интерференции света

Обязательное условие для интерференции состоит в когерентности световых волн. Такое состояние характерно для монохроматических волн, обладающих одинаковой частотой и распространяющихся в закрытом объеме.

Исходя из того, что в реальных условиях источники света не испускают монохроматические волны, все волны в природе являются некогерентными. В связи с тем, что электромагнитные волны поперечные, их недостаточно для формирования когерентных волн, чтобы получить интерферентную картину.

Длительность излучения волны атомом, который пребывает в возбужденном состоянии, равна 8-10 секунд. В течение этого времени атом расходует излишки энергии на излучение. После этого излучение заканчивается, так как атом принимает нормальное состояние. Спустя некоторое время атом вновь активизируется.

Причинами такого поведения могут являться воздействия разного характера. В результате атом снова излучает волны. Все источники света испускают свет с периодическим прерыванием, независимо от характеристик источников и возбудителей атомов.

Предположим, что свет разделился на две когерентные волны в некоторой точке О. В точке М можно наблюдать интерференцию. К данной точке волна преодолела расстояние \(S_1\) в среде \(n_1\), а другая волна – путь \(S_2 \)в среде \(n_2\). Фаза колебаний в начальной точке O составляет \(\omega t\), а в точке M одна волна возбудит колебание, которое можно определить по формуле:

\(A_1 cos \omega (t{S_1\over V_1}+ \alpha_1)\)

Другая волна образует колебание, равное:

\(A_2cos \omega (t{S_2\over V_2}+ \alpha_2)\)

где \(V_1= {c \over n_1} и V_2= {c \over n_2}\) – является фазовой скоростью, которой обладают волны.

Оптическая длина волны L является произведением геометрического расстояния пути световой волны S и величины преломления среды. Оптическая разность хода представляет собой разность оптических длин:

\(\delta =L_2-L_1\)

При соответствии оптической разности хода целому числу волн в вакууме \(\delta =m \lambda_0(m=0,1,2…):\)

\(\sigma=2m \pi\)

В данном случае колебания в точке M осуществляются в одной фазе, что является максимумом.

При оптической разности хода, равной:

\(\delta = (2m+1){ \lambda_0 \over 2}\)

справедливо равенство:

\(\sigma=(2m+1) \pi\)

В данной ситуации колебания осуществляются в противофазе.

Важным является тот факт, что электромагнитная природа света подтверждена экспериментальным путем и является доказанной. В 2009 году ученые разработали способы для высокоточного определения колебаний магнитной части волны света.

Впервые электромагнитная природа света была доказана Максвеллом. Исследователь представил волновое уравнение и определил скорость волн, соответствующую величине скорости света. Данное заключение подтвердило то, что свет является электромагнитной волной, частота которой определяет ее параметры – такие, как цвет.

Электромагнитные волны в виде рентгеновского излучения или радиоволн представляют собой сумму магнитного и электрического полей, которые трансформируются одно в другое, распространяясь во времени и пространстве. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения данной волны.