Волновая и корпускулярная природа света

Законы геометрической оптики описывают поведение светового луча и не рассматривают его природу.

Волновые свойства света проявляются в таких оптических явлениях как интерференция, дифракция и поляризация, а такие физические явления как поглощение света веществом, дисперсия света могут быть объяснены как волновыми свойствами света, так и фотонной теорией света.

11.1 Волновая оптика. Диапазоны электромагнитных волн

Диапазон электромагнитных волн очень широк, нас будут интересовать только электромагнитные волны, частоты колебаний векторов напряженности электрического поля и магнитного поля в которых сравнимы с собственными частотами колебаний атомов и молекул, а длины волн сравнимы с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Этот диапазон назвали оптическим. Выделим в нем следующие области:

1)ультрафиолетовая область, длины волн лежат в пределах от 5×10^-8 до 4×10^-7м

2) видимая область, длины волн лежат в пределах (4-7)×10^-7м

3) инфракрасная область, длины волн лежат в пределах от 7×10^-7м до 10м.

Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.

Таким образом, свет оптического диапазона является очень удобным инструментом исследования явлений, происходящих на межмолекулярном уровне. Применение оптических методов позволяет определять показатель преломления вещества с точностью до шестого знака после запятой (интерференционные микроскопы). Оптические методы исследования биологических жидкостей основываются на явлениях дифракции, поглощения света, дают возможность определять состав вещества, размеры различных частиц. Существенным достоинством этих методов является широкий диапазон регистрируемых размеров, отсутствие предварительной обработки изучаемой пробы.

Рассмотрим распространение световой волны в изотропном, однородном пространстве. Распространяясь от источника колебаний, волновой процесс охватывает все новые и новые части пространства. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется фронтом волны. Фронт волны представляет собой ту поверхность, которая отделяет часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от части пространства, в которой колебания еще не возникли. Если источник возмущений мал (точечный источник) и скорость распространения волн во все стороны одинакова, то, очевидно, фронт волны должен иметь вид сферической поверхности, центр кривизны которой совпадает с местонахождением источника. В этом случае волна называется сферической. Если источник находится очень далеко от области наблюдения, то фронт волны представляется частью сферической поверхности очень большого радиуса. Если радиус кривизны поверхности стремиться к бесконечности, то такая поверхность представляет собой плоскость. Волна, фронт волны которой представляется плоскостью, называется плоской волной. Фронт волны всегда перемещается вдоль направления нормали к фронту. Направление, по которому распространяется волна, называется лучом, т.е. фронт волны и луч всегда взаимно перпендикулярны.

Рисунок 11.1

Распространение световой волны в пространстве можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса, который устанавливает способ построения фронта волны в момент времени t +D t по известному положению фронта волны в момент времени t. Согласно принципу Гюйгенса каждую точку на первичном волновом фронте следует рассматривать как источник вторичной сферической волны. Поэтому, изобразив ряд сферических волн, исходящих из первичного волнового фронта, а, затем, построив их огибающую, мы получим форму и положение всей волны в более поздний момент времени (см.рис.11.1). По сути своей, Гюйгенс, рассматривая распространение волны в пространстве, действие первичного источника заменил совокупностью вторичных источников.

11.2.1 Интерференция света

Интерференцией света называется явление взаимного усиления или ослабления двух когерентных волн при их наложении в пространстве.

Рассмотрим условия наблюдения интерференции, т.е. попытаемся сформулировать условия когерентности.

Пусть в некоторой точке пространства Р одновременно существуют две произвольные (в общем случае немонохроматические) электромагнитные волны, которые характеризуются векторами напряженности электрических полей и и, векторами индукции магнитных полей и . Все приборы, регистрирующие электромагнитные волны (в том числе и человеческий глаз), используют действие полей на заряженные частицы. Опыт и теоретические расчеты показывают, что при взаимодействии электромагнитных полей с веществом основное действие производит электрическое поле, т.к. при прочих равных условиях, кулоновская сила во много раз больше силы Лоренца. Поэтому мы будем чаще всего рассматривать действие электрической составляющей электромагнитной волны, а вектор напряженности электрического поля будем называть световым вектором.

Френель и Араго обнаружили на опыте, что две световые волны, распространяющиеся в одном направлении, никогда не интерферируют между собой, если Е ₁ и Е ₂ перпендикулярны друг к другу, т.е. интерферируют лишь волны, возбуждающие в некоторой точке пространства колебания одинакового направления.

Рисунок 11.2

Запишем уравнения этих колебаний:

,

.

Обозначим фазу колебаний первой волны , а второй волны .

Если w ₁~ w ₂, то амплитуда результирующего колебания, возникающего в точке Р, находится с помощью векторной диаграммы (см.рис 11.2) и определяется выражением:

. (11.1)

Усреднённое по времени значение квадрата напряжённости электрического поля называют интенсивностью света, поэтому из выражения (11.1) следует

. (11.2)

Анализируя уравнение (11.2) сделаем следующие выводы:

1) если разность фаз постоянна и принимает следующие значения

(m = 0,1,2,3 и т.д), то , тогда

векторы напряженности электрических полей в этом случае складываются алгебраически:

,

,

т.е. интенсивность суммарного колебания оказывается больше суммы интенсивностей складываемых колебаний

.

2) Если разность фаз постоянна и принимает следующие значения

, то , тогда

векторы напряженности электрических полей вычитаются, т.к. складываемые векторы оказываются в противофазе

,

,

т.е. интенсивность суммарного колебания оказывается меньше суммы интенсивностей складываемых колебаний

.

В первом случае происходит усиление результирующего колебания, во втором – ослабление. Если амплитудные значения векторов напряженности электрического поля равны , то результирующий вектор напряженности равен , а интенсивность при наложении волн возрастет в четыре раза , во втором случае суммарный вектор напряженности электрического поля будет равен нулю , и интенсивность также будет равна нулю .

Таким образом, усиление или ослабление интенсивности света происходит при определенных условиях, которые можно сформулировать следующим образом:

1. складываемые световые волны должны иметь близкие частоты ();

2. разность фаз складываемых световых волн должна не зависеть от времени, т.е. ;

3. векторы напряженности электрических полей и не должны быть взаимно перпендикулярны.

Колебания или волны, которые удовлетворяют этим условиям, называются когерентными.

Рисунок 11.3

Существует достаточно много способов получения когерентных волн, но практически во всех способах используется один принцип: делят одну волну, идущую от источника на две волны. Эти волны будут когерентны и смогут интерферировать. Рисунок 11.3 демонстрирует получение когерентных волн по способу Юнга. Первичный фронт волны делится на два фронта волны щелями и , которые находятся на расстоянии d.

Поиск по сайту: