Волновые свойства электромагнитного излучения

К явлениям, подтверждающим волновые свойства электромагнитного излучения, относятся интерференция, дифракция и поляризация.

Интерференция света

Интерференцией называется явление наложения когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве. В тех точках пространства, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности (волны усиливают друг друга); в точках пространства, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности (волны ослабляют друг друга).

Когерентными называются волны одинаковой частоты, разность фаз которых сохраняется во времени. Все источники света (кроме лазеров) дают некогерентное излучение, поэтому для наблюдения интерференции используют разделение электромагнитной волны на части, проходящие разные оптические пути. Примером разделения волны может служить интерференция в тонких пленках.

Для расчета интерференционных картин используют понятие оптической разности хода Δ:

 

Δ= n ₂ S ₂– n ₁ S ₁. (2.7.5)

Здесь S – путь, пройденный световой волной в среде с показателем преломления n.

Если когерентные волны приходят в некоторую точку пространства в одной фазе, то оптическая разность хода составляет четное число полуволн, если волны приходят в эту точку в противофазе, то оптическая разность хода составляет нечетное число полуволн. Таким образом, условия максимума и минимума интерференции имеют вид:

 

максимум: Δ=2 k λ./2; минимум: Δ=(2 k+ 1)λ./2, k =0,1,2,3…. (2.7.6)

 

Интерференцией света объясняются радужная окраска мыльных пузырей, цветные пятна нефти или бензина на лужах, цветная окраска крыльев бабочек и стрекоз и т.д.

Интерференция света нашла широкое применение в технике и научных исследованиях. Это явление обусловлено волной природой света, поэтому его количественные закономерности зависят от длины волны. Интерференция применяется в интерференционной спектроскопии для измерения длин волн. На явлении интерференции света основано улучшение качества оптических приборов (просветление оптики) и получение высоко отражающих покрытий. Большое значение имеют интерферометры – точные измерительные приборы, используемые для определения изменения длины тел при изменении температуры, контроля чистоты обработки поверхности, точного измерения углов и т.д. Интерференционные рефрактометры позволяют измерить незначительные изменения показателя преломления при изменении давления, температуры, примесей и т.д.

Дифракция электромагнитных волн

Дифракцией света называется совокупность явлений, связанных с распространением света в среде с резкими оптическими неоднородностями. В частности, дифракция приводит к отклонению световых волн от прямолинейного распространения и огибанию препятствий, сравнимых с длиной световой волны (l~10^–7 м).

Размеры объектов макромира существенно превышают длину световой волны, поэтому обычно свет ведет себя по законам геометрической оптики. Из опыта известно, что предметы, освещаемые светом, дают резкую тень. Явлением дифракции объясняются радужные ореолы вокруг фонарей в тумане, расцвечивание пыли в ярком луче света и т.д.

Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку – систему параллельных щелей равной ширины, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Дифракционная решетка используется для исследования спектрального состава света, концентрации энергии световой волны в определенном направлении.

Интерес представляет дифракция на пространственных решетках – пространственных образованиях, имеющих геометрически правильное и периодически повторяющееся расположение. Такими образованиями являются, например, кристаллы. Постоянная решетки кристалла составляет величину ~10^–10м, поэтому наблюдение дифракции в видимом диапазоне (l~10^–7 м) на кристаллах невозможно. Однако кристаллы используются для наблюдения дифракции рентгеновского излучения (l~10^–10 м). Это явление лежит в основе рентгеноструктурного анализаи рентгеновской спектроскопии. Рентгеноструктурный анализ позволяет на основе анализа дифракционной картины определить структуру вещества. Рентгеновская спектроскопия позволяет анализировать спектральный состав рентгеновского излучения. Методы исследования структуры вещества, основанные на дифракции электронов и нейтронов, называются соответственно электронографией и нейтронографией.

Дифракция света накладывает ограничение на разрешающую способность оптических приборов.

Поляризация света

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: вектора напряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно рассуждения ведутся относительно вектора напряженности электрического поля, который называется световым вектором. Это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. Свет, в котором все направления колебаний представлены с равной вероятностью, называется естественным. Свет, в котором колебания вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Свет, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в одной плоскости, называется плоскополяризованным.

Поляризацией света называется явление упорядочения колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Поляризованный свет получают из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами.

В основе работы поляризаторов (поляризационных призм и поляроидов) лежит явление двойного лучепреломления. При прохождении света через анизотропные кристаллы свет раздваивается и выходящие лучи оказываются поляризованными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Свет, рассеянный небом или отраженный стеклянной витриной, является частично поляризованным.

Источником поляризованного света является лазер.