Електромагнітні хвилі на межі діелектриків. Електромагнітна природа світла.

Світло має як хвильовими властивостями, так і корпускулярними властивостями. Така властивість світла називає корпускулярно -хвильовий дуалізм. Але вчені і фізики давнину не знали про це, і спочатку вважали світло пружною хвилею.

Світло — хвилі в ефірі

Але так як для поширення пружних хвиль потрібна середу, то виникав правомірне питання, в якій же середовищі поширюється світло? Яка середу перебуває на шляху від Сонця до Землі? Прихильники хвильової теорії світла припустили що весь простір у всесвіті заповнено деякої невидимою пружною середовищем. Вони навіть придумали їй назву — світлоносний ефір.

У той час, вчені ще не знали про існування яких або хвиль, крім механічних. Такі погляди на природу світла висловлювалися приблизно в 17 столітті. Вважалося, що світло поширюється саме в цьому світлоносного ефіру.

Світло — поперечна хвиля

Але таке припущення викликало ряд суперечливих питань. До кінця 18 століття було доведено, що світло є поперечною хвилею. А пружні поперечні хвилі можуть виникати тільки в твердих тілах, отже, світлоносний ефір є твердим тілом.

Це викликало сильний головний біль у вчених того часу. Як небесні тіла можуть рухатися крізь твердий світлоносний ефір, і при цьому не відчувати жодного опору.

Світло — електромагнітна хвиля

У другій половині 19 століття Максвелл довів теоретично існування електромагнітних хвиль, які можуть поширюватися навіть у вакуумі. І він припустив, що світло теж є електромагнітної хвилею. Потім це припущення підтвердилося.

Але актуально також було уявлення про те, що в деяких випадках світло поводиться як потік частинок. Теорія Максвелла суперечила деяким експериментальним фактам. Але, в 1990 році, фізик Макс Планк висунув гіпотезу, що атоми випускають електромагнітну енергію окремими порціями — квантами.

А в 1905 р. Альберт Ейнштейн висунув ідею, про те, що електромагнітні хвилі з певною частотою можна розглядати як потік квантів випромінювання з енергією E = р*ν. В даний час квант електромагнітного випромінювання називають фотоном. Фотон не володіє ні масою, ні зарядом і завжди поширюється зі швидкістю світла.

Тобто при випромінюванні і поглинанні світло виявляє корпускулярні властивості, а при переміщенні в просторі хвильові.

 

 

Електромагнітні хвилі у провідниках.

Випромінювання електромагнітних хвиль. Розсіяння електромагнітних хвиль.

Комптонівське розсіювання — явище непружного розсіювання фотонів на вільних заряджених частинках, наприклад, електронах.

При копмтонівському розсіюванні фотон віддає частину своєї енергії зарядженій частинці. Як наслідок змінюється його власна енергія, а отже, довжина хвилі.

Явище непружного розсіяння рентгенівських і гамма-променів на електронах відкрив у 1923 Артур Комптон, за що отримавНобелівську премію за 1927 рік. Важливість відкриття зумовлена тим, що в класичній фізиці зміна довжини електромагнітної хвилі при розсіюванні на вільній зарядженій частинці неможлива.

При непружному розсіюванні фотона на зарядженій частинці повинні виконуватися закон збереження енергії і закон збереження імпульсу. Ці обмеження роблять неможливим таке розсіювання для квантів електромагнітного поля з малою частотою.

Зміна довжини хвилі фотона при комптонівському розсіюванні на непорушному вільному електроні може бути обрахована за формулою

, де θ — кут розсіювання, а величина

називається комптонівською довжиною хвилі ( — маса електрона, — стала Планка, c — швидкість світла) й є сталою для кожного типу зарядженої частинки. Комптонівська довжина хвилі чисельно дорівнює 2,4263·10⁻¹²м = 2,4263 пм

Енергія, втрачена фотоном при комптонівському розсіюванні, передається електрону. В результаті виникає високоенергетичний електрон віддачі.

Комптонівське розсіювання є основним каналом розсіювання електромагнітних хвиль на речовині в області енергій від 0,5 до 3 MеВ.

 

Оптика

Накладання світових хвиль. Принцип суперпозиції. Когерентність. Інтерференція світла. Одержання когерентних хвиль в оптиці. Двопроменева інтерференція. Поділ фронту хвилі природного джерела світла. Метод Юнга. Дзеркала Френеля. Біпризма Френеля та ін.

Інтерфере́нція хвиль — явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль в результаті чого в одних місцях спостерігається підсилення результуючої хвилі (інтерференційний максимум), а в інших місцях послаблення (інтерференційний мінімум). Результуюча амплітуда А вираховується за формулою: A= де A₁ та A₂— амплітуди відповідних хвиль, — різниця фаз цих хвиль. Явище інтерференції використовується, наприклад, в радіотехніці і акустиці для створення складних антен. Когере́нтність — це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики. Когере́нтність — корельоване протікання в часі й у просторі декількох випадкових коливальних або хвильових процесів, яке дозволяє одержувати при їхньому додаванні чітку інтерференційну картину. Завдяки когерентності хвиль виникають інтерференційні явища. Відстань, на якій когерентність зберігається, називають довжиною когерентності. Суперпози́ція — накладення різних сутностей. Наприклад, суперпозиція хвиль із різними частотами. У лінійних середовищах хвилі з різними частотами можуть розповсюджуватися незалежно, не впливаючи одна на одну, а тому їхня дія є сумою (суперпозицією) дій окремих хвиль. У випадку близьких частот суперпозиція може призводити до утворення биття. Інтерфере́нція хвиль — явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль в результаті чого в одних місцях спостерігається підсилення результуючої хвилі (інтерференційний максимум), а в інших місцях послаблення (інтерференційний мінімум). Когерентні хвилі одержуються поділом пучка хвиль. Існують два типии поділу: Хвильового фронту; Амплітуд (за допомогою дзеркала). За допомогою двопроменевої інтерференції вимірюють: оптичну густину речовини; дослідення зміни густини середовища в часі; виміри лінійних зсувів тіл; виміри малих кутових розмірів джерел або відстаней між джерелами; виміри гравітаційної сталої. Метод Юнга. У методі пучок світла спрямовується на непрозорий екран-ширму з двома паралельними прорізами, позаду якого встановлюється проекційний екран. Цей досвід демонструє інтерференцію світла, що є доказом хвильової теорії. Особливість прорізів у тому, що їх ширина приблизно дорівнює довжині хвилі випромінюваного світла. На проекційному екрані можна було б побачити тільки дві паралельних смуги світла, що пройшли через прорізи ширми. Максимум яскравості опиниться там, де згідно нової теорії, яскравість повинна бути практично нульовий. Корпускулярна теорія світла є невірною, коли прорізи досить тонкі, створюючи тим самим інтерференцію. На проекційному екрані виходить цілий ряд чергуються інтерференційних смуг, що й було продемонстровано Томасом Юнгом. Дзеркала Френеля - оптичний пристрій, запропоноване в 1816 О. Ж. Френеля для спостереження явища інтерференції когерентних світлових пучків. Пристрій складається з двох плоских дзеркал I і II, що утворюють двогранний кут, що відрізняється від 180 ° всього на кілька кутових хв. Біпризма Френеля - оптичний пристрій для отримання когерентних світлових пучків, запропоноване Френелем. Джерело розташовується в площині підстав призм. Промені від джерела, що пройшли через кожну з призм, заломлюються, таким чином з'являється два уявних когерентних джерела, і в області перекриття променів цих уявних джерел можливо спостерігати інтерференцію. Двопроменева інтерференція. Поділ фронту хвиль. Когерентні хвилі одержуються поділом пучка хвиль. Існують два типи поділу: Хвильового фронту; Амплітуд (за допомогою дзеркала). За допомогою двопроменевої інтерференції вимірюють: оптичну густину речовини; дослідення зміни густини середовища в часі; виміри лінійних зсувів тіл; виміри малих кутових розмірів джерел або відстаней між джерелами; виміри гравітаційної сталої.

 

57. Двопроменева інтерференція. Поділ амплітуди світлової хвилі. Інтерференція в плоскопаралельному шарі (смуги однакового нахилу). Інтерференція в клиновидному шарі (смуги рівної товщини, кільця Ньютона)

Двопроменева інтерференція. Поділ фронту хвиль. Когерентні хвилі одержуються поділом пучка хвиль. Існують два типии поділу: Хвильового фронту; Амплітуд (за допомогою дзеркала). За допомогою двопроменевої інтерференції вимірюють: оптичну густину речовини; дослідення зміни густини середовища в часі; виміри лінійних зсувів тіл; виміри малих кутових розмірів джерел або відстаней між джерелами; виміри гравітаційної сталої. Смуги інтерференції будуть смугами рівного нахилу, їх спостерігають так само, як і у випадку двопроменевої інтерференції, тобто проектують лінзою на екран, розміщений у фокальній площині лінзи, або користуються зоровою трубою, встановленою на нескінченність.

Для характеристики форми контуру інтерференційної смуги введено величину, яка називається різкістю. Різкість інтерференційної смуги визначається відношенням відстані між двома сусідні- ми максимумами до відстані між точками, які лежать з обох боків максимуму, в яких інтенсивність дорівнює половині максимальної величини інтенсивності. Смуги рівної товщини. Допустимо, що товщина пластинки не постійна (∼b, n = const).

Тоді у всіх тих місцях пластинки, де товщина b, а отже, і різниця ходу Δ однакові, спостерігається той самий результат інтерференції. Це означає, що уздовж якої-небудь темної або світлої інтерференційної смуги, що утворюється на поверхні, товщина цієї пластинки та сама. Смуги рівної товщини локалізовані на поверхні пластинки. При спостереженні в білому світлі смуги будуть пофарбовані так, що поверхня містить усі кольори веселки. Кільця Ньютона - приклад смуг рівної товщини. Вони спостерігаються при відбитті світла. від дотичних одна з одною плоско паралельної товстої скляної пластинки й плоско опуклої лінзи з великим радіусом кривизни. Роль тонкої плівки змінної товщини b, від поверхні якої відбиваються когерентні хвилі, відіграє зазор між пластинкою й лінзою.