Взаимодействие электромагнитного поля с веществом

При изменении электрического поля формируется переменное магнитное поле, которое в свою очередь порождает переменное электрическое поле. Возникнув в какой-либо области пространства, электромагнитное поле распространяется во все стороны в виде электромагнитных волн (электромагнитного излучения).

Распространение в материале гармонического электромагнитного поля, изменяющегося с частотой w, может быть описано уравнениями Максвелла:

где g – удельная электрическая проводимость; e_а = e₀e_r – абсолютная диэлектрическая проницаемость; e₀ – диэлектрическая постоянная, Ф/м (e₀ = 10^-9/36π);
e_r – относительная диэлектрическая проницаемость материала; m_а = m₀m_r – абсолютная магнитная проницаемость; m₀ – магнитная постоянная, Гн/м (m₀ = 4p×10^-7); m_r – относительная магнитная проницаемость материала.

Волна, у которой положение электрического вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, не выходит за пределы плоскости (например, плоскости z0x), называется плоско поляризованной или линейно поляризованной волной [14].

Если период и начальная фаза волны не изменяются со временем, то такая волна называется монохроматической.

Если несколько электромагнитных волн имеют одинаковую частоту колебаний и постоянную разность фаз, то они называются когерентными.

Величина υ = λf = ω/ k _В, характеризующая скорость распространения волны, называется фазовой скоростью, где k _В – волновое число.

На всей шкале электромагнитных излучений можно выделить следующие диапазоны: 1) оптическое излучение; 2) радиоволны; 3) рентгеновское излучение; 4) гамма-излучение.

К оптическим излучениям относятся инфракрасное излучение (λ = 0,76 … 1000 мкм), видимое излучение (λ = 0,38 … 0,76 мкм), называемое светом, ультрафиолетовое излучение (λ = 12 … 380 нм).

Радиоволны – это электромагнитные волны с длиной волны λ >1 мм. Рентгеновское излучение характеризуется длиной волны λ = 0,004…12 нм. Длина волны гамма-лучей составляет 0,004 нм и менее.

Электромагнитные волны могут распространяться не только в пустом пространстве, но и в различных средах. Взаимодействие вещества среды с излучением приводит к новым явлениям. Основной механизм взаимодействия таков. Переменное поле электромагнитной волны периодически ускоряет многочисленные микроскопические заряды вещества. Ускоренные полем за
ряды теряют полученный избыток энергии двумя путями. Во-первых, они передают энергию другим степеням свободы среды. Во-вторых, как всякие ускоренные заряды, они излучают новые волны. С макроскопической точки зрения в первом случае происходит поглощение излучения, а во втором – рас­про­стра­не­ние излучения в среде путем непрерывного поглощения и переизлу-
чения электромагнитных волн зарядами вещества.

В линейном приближении взаимодействие электромагнитных волн с ве-ществом описывается небольшим числом параметров. Например, однородные и изотропные диэлектрики описываются одной величиной – либо ди­эле­к­три­чес­кой восприимчивостью æ, либо диэлектрической проницаемостью ε _r, которые являются функциями частоты. Скорость распространения и длина волны, распространяющейся в диэлектрике, зависят от диэлектрической про­ни­ца­емости вещества ε_r, т. е. в веществе наблюдается дисперсия электромагнитных волн (дисперсией называется зависимость фазовой скорости распространения волны от ее частоты). От дисперсии зависит то, как распространяются электромагнит-ные волны разных частот в различных веществах.

При распространении электромагнитного излучения в однородной среде напраженность электрического поля (вектор лежит в плоскости z0x) падает с расстоянием по закону [14]

(2.14)

где – показатель поглощения среды; α_λn – показатель поглощения среды, зависящий от частоты.

В диэлектрике падающая световая волна передает свою энергию коле­бани­ям связанных электронов и ионов, и в результате этой передачи энергии про­ис­ходит распространение волны в диэлектрике и ее затухание, но частота электромагнитной волны не изменяется. Диэлектрик при этом только наг­ре­ва­ется. Световая волна распространяется в среде со скоростью , где n – оптическая плотность среды (показатель преломления n), которая зависит от диэлектрической проницаемости среды. Интенсивность света с расстоянием падает. Затухание света обусловлено поглощением и рассеянием волны в диэлектрике.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера–Ламберта

, (2.15)

где J и J ₀ – интенсивности плоской монохроматической волны на входе в слой поглощающего вещества и на выходе из него; μ_λ – удельный показатель поглощения, численно равный толщине слоя вещества, после прохождения которого интенсивность света уменьшается в е раз; х – толщина слоя поглощающего вещества. Так как показатель поглощения μ_λ зависит от длины волны, то поглощение электромагнитной волны является избирательным (се­лек­­тивным).

В результате рассеяния интенсивность света на входе поглощающего слоя будет отличаться от интенсивности на его выходе, которая может быть найдена по формуле

, (2.16)

где h_λ – коэффициент экстинкции.

Изменение интенсивности света в зависимости от толщины слоя и селективность поглощения и рассеяния излучения используются в различных оптических преобразователях, предназначенных для измерения толщины, структуры, химического состава вещества и других величин [15].

Кроме дисперсии, поглощения, рассеяния при распространении электромагнитных волн в некоторых диэлектриках (например, в оптически анизотропных кристаллах) наблюдается эффект двойного лучепреломления. Двулучепреломление состоит в том, что неполяризованный луч, попадая в одноосный кристалл под ненулевым углом к оптической оси, расщепляется на две компоненты, плоско поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Расщепление происходит из-за того, что показатели преломления для этих компонентов различны. Луч света, поляризованного перпендикулярно оптической оси, называется обыкновенным. Луч света, поляризованного в плоскости нап-равления луча и оптической оси, называется необыкновенным.

Явление двойного лучепреломления широко используется для получения поляризованных лучей и для других целей, в частности для измерения различных физических величин, например деформации.

Многие вещества, называемые активными, изменяют положение плоскос-ти поляризации вектора напряженности электрического поля распространя- ющейся волны. Эта особенность присуща в основном кристаллическим и аморфным веществам (например, кварц, киноварь) и описывается углом поворота φ. Для твердых тел эта зависиимость выражается формулой φ = φ₀h, где φ₀ – постоянная вращения; h – толщина образца. Постоянная вращения зависит от длины волны, например, для кварца при длине волны λ = 0,2265 мкм φ₀ = 201,9 град/мм, а при длине волны λ = 0,8948 мкм φ₀ = 11,59 град/мм.

При взаимодействии электромагнитных волн с веществом важную роль играет процесс рассеяния излучения, которое зависит от плотности вещества, амплитуды колебаний элементарных частиц и других факторов. Если размер частиц мал по сравнению с длиной волны, а расстояние между ними больше длины волны, то имеет место так называемое Рэлеевское рассеяние, которое определяется числом частиц в веществе, показателем преломления вещества микрочастицы, углом между падающим и рассеяным излучениями и другими факторами. Рассеяное излучение является носителем информации о физичес-ких параметрах вещества.

При распространении электромагнитная волна может переходить из одной среды в другую. При этом на границе раздела двух сред наблюдается отражение и преломление волны (рис. 2.3).

При выполнении условия

(2.17)

законы отражения и преломления можно выразить в виде

(2.18)

где n_k = n - j – комплексный показатель преломления; – показатель преломления среды; – показатель поглощения среды.

Для идеальных диэлектриков или прозрачных сред уравнение (2.18) при- нимает вид закона Снелиуса [14]

. (2.19)

Мерой распределения интенсивности между волнами являются коэффи-циенты отражения R и прохождения D. Коэффициент отражения R равен
отношению интенсивностей отраженной J_отр и падающей J ₀ волн, коэффициент прохождения D равен отношению интенсивностей преломленной J_пр и пада­ющей J ₀ волн:

, . (2.20)

Электромагнитные волны, особенно низкочастотные, хорошо отражаются от металлов. Это отражение обусловлено большой величиной мнимой части показателя преломления металла в низкочастотной области. Волна затухает в металле на глубине порядка λ, поэтому она не успевает передать значительную часть своей энергии свободным электронам и почти полностью отражается. Например, коэффициент отражения R от металла для желтой линии излучения натрия при нормальном падении луча равен 0,95 для серебра, 0,85 – для золота и 0,74 – для меди.

На рис. 2.3 показано прохождение электромагнитной волной границы раздела двух сред, когда излучение распространяется из менее плотной среды в более плотную, т. е. когда n₁ < n₂. Если излучение падает из более плотной среды в менее плотную при некотором значении угла β _кр, называемом критическим (меньше π/2), то угол преломления α становится равным π/2 и излучение обратно отражается в первую среду, т. е. происходит полное внутреннее отражение.

Эффект полного внутреннего отражения используется в приборах, предназначенных для быстрого определения показателя диэлектричес­кой проницаемости.

В общем случае падающее на границу раздела двух сред излучение частично отражается, частично проходит в другую среду. Интенсивность отраженного излучения зависит от значений показателей преломления обеих сред. Зная показатель преломления одной среды, можно определить показатель преломления второй среды. Измеряя углы падения и преломления, можно определить коэффициенты преломления вещества (рефрактометрия). Интенсивность отраженного света позволяет оценить состояние поверхности (шероховатость и др. характеристики). По комплексному показателю преломления можно судить о некоторых электрических (например, удельной электропроводности) и магнитных (например, магнитной проницаемости) свойствах различных объектов.

Отражение и преломление электромагнитных волн широко используются в различных целях. Например, отражение и преломление света наиболее широко используется в различных оптических приборах и устройствах. По отраженным
(а также по рассеянным) радиоволнам обнаруживаются различные объекты и определяется их местоположение в пространстве. На этом основаны все методы радиолокации. С помощью радиолокации решаются задачи воздушной, морской и космической навигации, ведется наблюдение земной поверхности с летательных аппаратов, действуют системы предупреждения о приближении препятствий, производится обнаружение самолетов и других летательных устройств и осуществляется слежение за ними, действуют системы радиоальтиметров (высотомеров), радиодальномеров и др.

В проводниках электромагнитная волна взаимодействует с носителями тока. Передавая энергию упорядоченным колебаниям носителей тока, элек­тро­маг­нитная волна затухает по мере проникновения в проводник, т. е. электро­маг­нит­ная волна, проникая в глубь проводника через его поверхность, постепенно теряет свою энергию. Энергия волны преобразуется в тепло. Если на поверхности проводника при нормальном падении волны амплитуды равны Е _0m и H _0m, то на расстоянии l от поверхности в направлении распространения волны они уменьшатся в е^kl раз [16], где k – коэффициент затухания:

. (2.21)

Затухание наблюдается только в том случае, если частота волны не пре­вос­хо­дит некоторого критического значения. Выше этого предела проводник становится прозрачным для электромагнитных волн. Например, металлический натрий прозрачен для ультрафиолетовых лучей, частота, которых выше 10¹⁵ Гц. В полупроводниковых веществах оптическое излучение приводит, как пра­вило, к увеличению электрической проводимости. Явление увеличения электропроводности полупроводников под воздействием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью. Условие появления фотопроводимости

, (2.22)

где W _К – энергия кванта электромагнитного излучения; h – постоянная Планка; ν – частота излучения.

Повышение удельной проводимости g_Ф обусловлено прямопропорциональным возрастанием концентрации носителей заряда с увеличением интенсивности излучения Ф. При Ф = Ф_нас наступает насыщение фотопроводимости. Это обусловлено тем, что при большой концентрации носителей зарядов возрастает вероятность их рекомбинации, поэтому происходит насыщение фотопроводимости, т. е. положение, при котором число возбужденных светом носителей заряда компенсируется таким же числом рекомбинированных носителей.

Фотопроводимость зависит также и от длины волны излучения. Эта зависимость носит колоколообразный характер (рис. 2.4). Электромагнитное излучение с длиной волны, большей длины волны красной границы, которая обусловлена уменьшением энергии квантов до величины, меньшей, чем ширина запрещенной зоны, мало влияет на величину удельной отопроводимости.

Коротковолновое излучение с длиной волны, меньшей длины волны фиолетовой границы излучения, также слабо влияет на фотопроводимость полупро­водника. Фиолетовая граница обуслов- лена резким возрастанием коэффициента поглощения k_п (pиc. 2.4). При увеличении частоты электромагнитно­го излучения свет поглощается тонким слоем полупроводника, весь объём остаётся малопроводящим, носители заряда, генерируемые на поверхности, легко рекомбинируют, т. к. их концентрация получается большой.

Зависимость сопротивления полупроводников от интенсивности и длины волны электромагнитного излучения используется в приемниках оптического излучения (фоторезистивных ПИП).

Кроме перечисленных выше основных явлений существует большое количество других эффектов, возникающих при прохождении электро­маг­нит­но­го излучения через вещество. В качестве примеров можно привести фото­лю­ми­несценцию, испускание света других частот под действием излучения, внутрен­ний фотоэффект, появление у диэлектрика проводимости под действием света, фотохимические реакции и др.