Электромагнитная природа света.
Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения.
Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.
Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось.
Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами.
А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.
То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.
Электромагнитные волны и их характеристики.
Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.
Источник электромагнитного поля - электрические заряды, движущиеся с ускорением.
Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн, могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.
1. Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса. В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).
2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.
3. Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле
4. Скорость распространения волны С—скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).
Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.
Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны л связаны соотношением
lв=C/F, а так как F=1/T , то lв=С*T.
Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем
lв(м)=3*10^8/F(м/c*1/Гц)
Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)
5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли
Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V
Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н находится в горизонтальной плоскости.
3. Понятие о когерентности. Интерференция световых волн.
КОГЕРЕНТНОСТЬ– согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких колебательных или волновых процессов, при котором разность их фаз остается постоянной.
Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.
Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.
|
|
Условия интерференции
Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.
|
|
Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.
Оптическая длина пути и оптическая разность хода.
Оптическая длина пути, оптический путь, между точками А и В прозрачной среды; расстояние, на которое свет (оптическое излучение) распространился бы в вакууме за время его прохождения от А до В. Поскольку скорость света в любой среде меньше его скорости в вакууме, О. д. п. всегда больше реально проходимого светом расстояния (или, в предельном случае вакуума, равна ему). В оптической системе, состоящей из р однородных сред (траектория луча света в такой системе — ломаная линия), О. д. п. равна , где lk — расстояние, пройденное светом в k-той среде (k = 1, 2,..., р), nk — показатель преломления этой среды, å — знак суммы. Для одной среды (р = 1) сумма сокращается до единственного члена ln . В оптически неоднородной среде (с плавно меняющимся n; траектория луча в такой среде — кривая линия), О. д. п. есть , где dl — бесконечно малый элемент траектории луча. Понятие О. д. п. играет большую роль в оптике, особенно в геометрической оптике и кристаллооптике, позволяя сопоставлять пути, проходимые светом в средах, в которых скорость его распространения различна. Геометрическое место точек, для которых О. д. п., отсчитываемая от одного источника, одинакова, называется поверхностью световой волны; световые колебания на этой поверхности находятся в одинаковой фазе.
Оптическая разность хода
Если два световых луча имеют общие начальную и конечные точки, то разность оптических длин путей таких лучей называют оптической разностью хода.
5. Пространственная и временная когерентность.
Пространственная когерентность - это когерентность света в направлении, перпендикулярном лучу (поперек луча). Получается, что это когерентность разных точек поверхности равной фазы. Но на поверхности равной фазы разность фаз равна нулю и, казалось бы, не шумит. Это не совсем так. Реальный источник света не точечный, поэтому поверхность равных фаз испытывает шумовые повороты, оставаясь в каждый момент времени перпендикулярной направлению на излучающий в данный момент точечный источник света, расположенный в пределах реального источника света. Повороты поверхности равной фазы вызваны тем, что свет в точку наблюдения приходит то от одной, то от другой точки источника.
Понятие временно́й когерентности можно связать с контрастом интерференционной картины, наблюдаемой в результате интерференции двух волн, исходящих из одной и той же точки поперечного сечения пучка (полученных методом деления амплитуд). Временна́я когерентность волны характеризует сохранение взаимной когерентности при временном отставании одного из таких лучей по отношению к другому. При этом мерой временной когерентности служит время когерентности — максимально возможное время отставания одного луча по отношению к другому, при котором их взаимная когерентность ещё сохраняется. Временная когерентность определяется степенью монохроматичности.
Временной аспект когерентности имеет исключительно важное значение при рассмотрении явлений взаимодействия электромагнитных волн ввиду того, что в строгом смысле на практике монохроматических волн и волн с абсолютно одинаковыми частотами не существует из-за статистического характера излучения электромагнитных волн. Монохроматические волны представляют собой бесконечный по продолжительности и локализации пространственно-временной процесс, что очевидно невозможно с точки зрения предположений о конечности энергии источников электромагнитных волн, а ввиду конечного времени излучения, его спектр также имеет ненулевую ширину.
6. Расчет интерференционной картины от двух источников
 Расчет интерференционной картины для рассмотренных выше методов наблюдения интерференции света можно провести, используя две узкие параллельные щели, расположенные достаточно близко друг к другу (рис. 4.1). Щели S1 и S2 находятся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными (реальными или мнимыми изображениями источника в какой-то оптической системе) источниками света.
Рис.4.1. К расчету интерференционной картины от двух параллельных щелевых источников.
Интерференция наблюдается в произвольной точке Р экрана, параллельного обеим щелям и расположенного от них на расстоянии l, причем l>>d. Начало отсчета выбрано в точке О, симметричной относительно щелей.
Интенсивность в любой точке P экрана, лежащей на расстоянии x от О, определяется оптической разностью хода D = s2 – s1. Из рис. 4.1 имеем
откуда , или
Из условия следует, что s1 + s2 » 2l,поэтому
(4.1)
Подставив найденное значение D (4.1) в условия (3.2) и (3.3), получим, что максимумы интенсивности будут наблюдаться в случае, если
 (m = 0,1,2,...), (4.2)
а минимумы – в случае, если
 (m = 0,1, 2, ...). (4.3)
Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами), называемое шириной интерференционной полосы, равно
(4.4)
Dх не зависит от порядка интерференции (величины m) и является постоянной для данных Согласно формуле (4.4), Dx обратно пропорционально d; следовательно, при большом расстоянии между источниками, например при , отдельные полосы становятся неразличимыми. Для видимого света lo » 10-7 м, поэтому четкая, доступная для визуального наблюдения интерференционная картина, имеет место при (это условие и принималось при расчете). По измеренным значениям используя (4.3.), можно экспериментально определить длину волны света. Из выражений (4.2) и (4.3.) следует, таким образом, что интерференционная картина, создаваемая на экране двумя когерентными источниками света, представляет собой чередование равноотстоящих светлых и темных полос, параллельных друг другу. Главный максимум, соответствующий m = 0, проходит через точку О. Вверх и вниз от него на равных расстояниях друг от друга располагаются максимумы (минимумы) первого (m = 1), второго (m = 2) порядков и т. д.
Описанная картина, однако, справедлива лишь при освещении монохроматическим светом (lo = const). Если использовать белый свет, представляющий собой непрерывный набор длин волн от 0,39мкм (фиолетовая граница спектра) до 0,75мкм (красная граница спектра), то интерференционные максимумы для каждой длины волны будут, согласно формуле (4.2), смещены друг относительно друга и иметь вид радужных полос. Только для m = 0 максимумы всех длин волн совпадают, и в середине экрана будет наблюдаться белая полоса, по обе стороны которой симметрично расположатся спектрально окрашенные полосы максимумов первого, второго порядков и т. д. (ближе к белой полосе будут находиться зоны фиолетового цвета, дальше - зоны красного цвета). Но спектры более высокого, чем второй порядка, начнут накладываться друг на друга и правильное чередование цветов – фиолетовый – синий – голубой – зеленый – желтый – оранжевый – красный – будет нарушено.
7. Способы получения интерференционных картин.
Существует ряд способов получения интерференционных картин: Метод Юнга, зеркала Френеля, бипризма Френеля.
Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой свет падает на две равноудаленные щели s1, и s2, параллельные щели S (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Метод Юнга наблюдения интерференции
Таким образом, щели S1 и S2 являются источниками когерентных пучков света. Когерентность, естественно, имеет место при условии, что расстояние между щелями  и  меньше радиуса когерентности света, выходящего из щели  . Интерференционная картина может наблюдаться на экране Э, расположенном на некотором расстоянии от щелей.
Бипризма Френеля
Бипризма Френеля представляет собой две одинаковые призмы с малым преломляющим углом, сложенные основаниями так, что образуется общая плоская грань (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Бипризма Френеля
Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются когерентные световые пучки, исходящие как бы из двух мнимых источников S1 и S2, как и в случае бизеркала Френеля. Таким образом, на экране происходит наложение когерентных световых пучков и наблюдается интерференционная картина. Выполнение условий когерентности, как и в предыдущих примерах, обеспечивается малыми поперечными размерами реального источника и малостью преломляющего угла бипризмы.
Бизеркало Френеля
Классическим устройством, позволяющим наблюдать интерференцию света, является бизеркало Френеля (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Бизеркало Френеля
Свет, излучаемый источником S, отражается от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180° (угол  достаточно мал). В результате получаются два световых пучка, которые распространяются от двух мнимых источников S1 и S2, излучения которых, при достаточно малом поперечном размере реального источника и достаточно малом угле , будут когерентными, так как они являются и изображениями одного и того же действительного источника S. При этом лучи, идущие от S1и S2к экрану, пройдя различные пути, дают интерференционную картину. (Непрозрачный экран Экр преграждает свету прямой путь от источника S к экрану Э.)
8. Интерференция в тонких пленках.
Интерфере́нция в тóнких плёнках — явление, которое возникает в результате разделения луча света при отражении от верхней и нижней границ тонкой плёнки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Тонкоплёночная интерференция объясняет цветовую палитру, видимую в свете, отражённом от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.
Интерференционные полосы равного наклона. При освещении тонкой пленки происходит наложение волн от одного и того же источника, отразившихся от передней и задней поверхностей пленки. При этом может возникнуть интерференция света. Если свет белый, то интерференционные полосы окрашены. Интерференцию в пленках можно наблюдать на стенках мыльных пузырей, на тонких пленках масла или нефти, плавающих на поверхности воды, на пленках, возникающих на поверхности металлов или зеркала.
Р ассмотрим сначала плоскопараллельную пластинку толщины с показателем преломления (рис. 2.11). Пусть на пластинку падает плоская световая волна, которую можно рассматривать как параллельный пучок лучей. Пластинка отбрасывает вверх два параллельных пучка света, один из которых образовался за счет отражения от верхней поверхности пластинки, второй – вследствие отражения от нижней поверхности. Каждый из этих пучков представлен на рис. 2.11 только одним лучом.
При входе в пластинку и при выходе из нее пучок 2 претерпевает преломление. Кроме двух пучков и , пластинка отбрасывает вверх пучки, возникающие в результате трех-, пяти- и т.д. кратного отражения от поверхностей пластинки. Однако ввиду малой интенсивности их можно не принимать во внимание.
Рассмотрим интерференцию лучей, отраженных от пластинки. Поскольку на пластинку падает плоская волна, то фронт этой волны представляет собой плоскость, перпендикулярную лучам 1 и 2. На рис. 2.11 прямая ВС представляет собой сечение волнового фронта плоскостью рисунка. Оптическая разность хода, приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся в точке С, будет
где – длина отрезка ВС, а – суммарная длина отрезков АО и ОС. Показатель преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из рис. 2.11 видно, что , . Подстановка этих выражений в (2.13) дает  . Воспользуемся законом преломления света: ; и учтем, что  , тогда для разности хода получим следующее выражение:  .
При вычислении разности фаз между колебаниями в лучах и нужно, кроме оптической разности хода D, учесть возможность изменения фазы при отражении в точке С. В точке С отражение волны происходит от границы раздела среды оптически менее плотной со средой оптически более плотной. Поэтому фаза волны претерпевает изменение на p. В точке отражение происходит от границы раздела среды оптически более плотной со средой оптически менее плотной, и скачка фазы в этом случае не происходит. Качественно это можно представить себе следующим образом. Если толщину пластинки устремить к нулю, то полученная нами формула для оптической разности хода дает . Поэтому при наложении лучей и должно происходить усиление колебаний. Но это невозможно, так как бесконечно тонкая пластинка вообще не может оказывать влияния на распространение света. Поэтому волны, отраженные от передней и задней поверхности пластинки, должны при интерференции гасить друг друга. Их фазы должны быть противоположны, то есть оптическая разность хода D при d→0 должна стремиться к . Поэтому к прежнему выражению для D нужно прибавить или вычесть , где λ0 – длина волны в вакууме. В результате получается:
Итак, при падении на пластинку плоской волны образуются две отраженные волны, разность хода которых определяется формулой (2.14). Эти волны могут интерферировать, если оптическая разность хода не превышает длину когерентности. Последнее требование для солнечного излучения приводит к тому, что интерференция при освещении пластинки наблюдается только в том случае, если толщина пластинки не превышает нескольких сотых миллиметра.
11. Практическое применение явления интерференции.
Явление интерференции широко используют для создания различных измерительных и контролирующих устройств.
1. Существуют специальные приборы — интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции. Их назначение — точное измерение длин волн, показателей преломления, коэффициентов линейного расширения и др.
Действие всех интерферометров основано на одном и том же принципе, и интерферометры различаются лишь конструктивно. На рисунке 17.12 представлена упрощенная схема интерферометра Майкельсона.
Рис. 17.12
Монохроматический пучок света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р1. Сторона пластинки, удаленная от S, покрыта тонким слоем серебра с таким расчетом, что он половину светового пучка пропустит, а половину отразит (полупрозрачная пластинка), т.е. здесь луч разделяется на две части: луч 1 отражается от посеребренного слоя, луч 2 проходит через него. Луч 1 отражается от зеркала М1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1'). Луч 2 идет к зеркалу М2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки P1 (луч 2'). Так как первый луч проходит пластинку Р1 дважды, то для компенсации возникшей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р2 (точно такая же, как и P1 только не покрытая слоем серебра).
Лучи 1' и 2' когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала M1 и луча 2 от точки О до зеркала М2. При перемещении одного из зеркал на расстояние λ4λ4 разность хода обоих лучей изменится на λ2,λ2, и в интерференционной картине максимум сдвинется на место минимума, и наоборот, т.е. интерференционный максимум сдвинется на половину расстояния между полосами. Такой сдвиг полос наблюдатель отчетливо увидит. Следовательно, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для достаточно точных (-10-9 м) измерений длин (длины тел, длины световой волны, определений температурного коэффициента линейного расширения и др.).
2. Используя явление интерференции, можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 10-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластинкой. Неровности поверхности вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней границы эталонной пластинки. На рисунке 17.13 приведены наблюдаемые интерференционные картины при отступлении от требуемой точности обработки и при достижении необходимой точности обработки плоской поверхности детали Д.
Рис. 17.13
3. Просветление оптики. Отполированная поверхность стекла отражает около 4% перпендикулярно падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и т.д. Поэтому общие потери света в объективе фотоаппарата составляют около 25%, в микроскопе — 50% и т.д. В результате освещенность изображения получается малой, ухудшается также качество изображения.
| |
Скачать 1.05 Mb.