Światło białe składa się z fali elektromagnetycznej. Światło jest jak fala elektromagnetyczna. Prędkość światła. Interferencja światła: doświadczenie Younga; kolory cienkowarstwowe

Światło to forma energii widoczna dla ludzkiego oka, która jest emitowana przez poruszające się naładowane cząstki.

Światło słoneczne odgrywa ważną rolę w życiu dzikiej przyrody. Jest niezbędny do wzrostu roślin. Rośliny przetwarzają energię słoneczną w formę chemiczną w procesie fotosyntezy. Ropa, węgiel i gazu ziemnego to szczątki roślin, które żyły miliony lat temu. Można powiedzieć, że jest to energia przetworzonego światła słonecznego.

Naukowcy wykazali poprzez eksperymenty, że czasami światło zachowuje się jak cząsteczka, a innym razem jak fala. W 1900 teoria kwantowa Max Planck połączył dwa punkty widzenia naukowców na świat. I w współczesna fizykaświatło jest uważane za poprzeczne fale elektromagnetyczne, widoczna osoba, które są emitowane przez kwanty światła (fotony) - cząstki, które nie mają masy i poruszają się z prędkością

Charakterystyka światła

Jak każda fala, światło można scharakteryzować długością (λ), częstotliwością (υ) i prędkością propagacji w dowolnym ośrodku (v). Zależność między tymi wielkościami przedstawia wzór:

Światło widzialne leży w zakresie długości fal promieniowanie elektromagnetyczne od m (w porządku rosnącym długości fali: fioletowy, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony). Częstotliwość fali świetlnej jest związana z jej kolorem.

Gdy fala świetlna przechodzi z próżni do ośrodka, zmniejsza się jej długość i prędkość propagacji, częstotliwość fali świetlnej pozostaje niezmieniona:

n to współczynnik załamania światła ośrodka, c to prędkość światła w próżni.

Należy pamiętać, że prędkość światła:

• w próżni jest uniwersalną stałą we wszystkich systemach raportowania;
• w medium jest zawsze mniejsza niż prędkość światła w próżni;
• zależy od środowiska, przez które przechodzi;
• w próżni jest zawsze większa niż prędkość jakiejkolwiek cząstki o masie.

Falowa natura światła

Falowy charakter światła został po raz pierwszy zilustrowany eksperymentami dyfrakcyjnymi i interferencyjnymi. Jak wszystkie fale elektromagnetyczne, światło może przemieszczać się w próżni i ulegać odbiciu i załamaniu. O poprzecznym charakterze światła świadczy zjawisko polaryzacji.

Ingerencja

Fale świetlne, które mają stałą różnicę faz i tę samą częstotliwość, powodują widoczny efekt interferencji, gdy wynikowa fala jest wzmacniana lub osłabiana.

Isaac Newton był jednym z pierwszych naukowców, którzy badali zjawisko interferencji. W jego słynny eksperyment„Pierścienie Newtona” połączył soczewkę wypukłą o dużym promieniu krzywizny z płaską płytą szklaną. Jeśli to rozważymy system optyczny poprzez odbicie światło słoneczne, obserwuje się serię koncentrycznych jasnych i ciemnych, silnie zabarwionych kręgów światła. Pierścienie pojawiają się z powodu cienkiej warstwy powietrza między soczewką a płytką. Światło odbite od górnej i dolnej powierzchni szkła przeszkadza i daje maksimum interferencji w postaci światła, a minimum w postaci ciemnych słojów.

Dyfrakcja

Dyfrakcja to uginanie się fali świetlnej wokół przeszkód. Zjawisko to można zaobserwować, gdy przeszkoda jest wielkością porównywalną do długości fali. Jeśli obiekt jest znacznie większy niż długość fali ze źródła światła, zjawisko jest prawie niezauważalne.

Wynikiem dyfrakcji są naprzemienne kolorowe i ciemne pasma światła lub koncentryczne okręgi. Ten efekt optyczny występuje w wyniku interferencji fal, które omijają przeszkodę. Obraz ten daje światło odbite od powierzchni płyty.

Gimnazjum 144

abstrakcyjny

Prędkość światła.

Zakłócenia światła.

stojące fale.

Uczeń 11 klasy

Korczagin Siergiej

Petersburg 1997.

Światło to fala elektromagnetyczna.

W XVII wieku powstały dwie teorie światła: falowa i korpuskularna. Teorię korpuskularną1 zaproponował Newton, a teorię falową Huygens. Według Huygensa światło to fale rozchodzące się w specjalnym ośrodku - eterze, który wypełnia całą przestrzeń. Dwie teorie długi czas istniały równolegle. Kiedy jedna z teorii nie wyjaśniała jakiegoś zjawiska, wyjaśniała to inna teoria. Na przykład prostoliniowego rozchodzenia się światła, prowadzącego do powstawania ostrych cieni, nie da się wytłumaczyć na podstawie teorii falowej. Jednak w początek XIX Od wieków odkryto takie zjawiska, jak dyfrakcja2 i interferencja3, co zrodziło myśl, że teoria falowa ostatecznie pokonała teorię korpuskularną. W drugiej połowie XIX wieku Maxwell wykazał, że światło jest szczególny przypadek fale elektromagnetyczne. Prace te posłużyły jako podstawa elektromagnetycznej teorii światła. Jednak na początku XX wieku odkryto, że światło emitowane i pochłaniane zachowuje się jak strumień cząstek.

^ Prędkość światła.

Istnieje kilka sposobów określania prędkości światła: metody astronomiczne i laboratoryjne.

Prędkość światła została po raz pierwszy zmierzona przez duńskiego naukowca Roemera w 1676 roku przy użyciu metody astronomicznej. Zapisał czas, w którym największy z księżyców Jowisza, Io, znajdował się w cieniu tej ogromnej planety. Roemer wykonał pomiary w momencie, gdy nasza planeta była najbliżej Jowisza, oraz w chwili, gdy byliśmy trochę (w kategoriach astronomicznych) dalej od Jowisza. W pierwszym przypadku odstęp między ogniskami wynosił 48 godzin 28 minut. W drugim przypadku satelita spóźnił się o 22 minuty. Z tego wywnioskowano, że światło potrzebuje 22 minut na pokonanie odległości z miejsca poprzedniej obserwacji do miejsca obecnej obserwacji. Znając odległość i opóźnienie Io, obliczył prędkość światła, która okazała się ogromna, około 300 000 km/s4.

Po raz pierwszy prędkość światła została zmierzona metodą laboratoryjną przez francuskiego fizyka Fizeau w 1849 roku. Uzyskał on wartość prędkości światła równą 313 000 km/s.

Według współczesnych danych prędkość światła wynosi 299 792 458 m/s ±1,2 m/s.

^ Interferencja światła.

Uzyskanie obrazu interferencji fal świetlnych jest raczej trudne. Powodem tego jest to, że fale świetlne, wyemitowany różne źródła są ze sobą niezgodne. Powinny mieć te same długości fal i stałą różnicę faz w dowolnym punkcie przestrzeni5. Równość długości fal nie jest trudna do osiągnięcia za pomocą filtrów świetlnych. Nie jest jednak możliwe osiągnięcie stałej różnicy faz, ponieważ atomy różnych źródeł emitują światło niezależnie od siebie6.

Niemniej jednak można zaobserwować interferencję światła. Na przykład opalizujący nadmiar kolorów włączony bańka mydlana lub na cienką warstwę nafty lub oleju na wodzie. Angielski naukowiec T. Jung jako pierwszy wpadł na genialny pomysł, że kolor tłumaczy się dodaniem fal, z których jedna odbija się od zewnętrznej powierzchni, a druga ¾ od wewnętrznej. W takim przypadku dochodzi do interferencji fal świetlnych. Wynik interferencji zależy od kąta padania światła na folię, jej grubości i długości fali.

^ Fale stojące.

Zauważono, że jeśli jeden koniec liny jest wymachiwany z właściwie dobraną częstotliwością (drugi koniec jest nieruchomy), to do nieruchomego końca popłynie ciągła fala, która następnie zostanie odbita z utratą półfali. Interferencja incydentu i fali odbitej spowoduje powstanie fali stojącej, która wydaje się być nieruchoma. Stabilność tej fali spełnia warunek:

L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,

Gdzie L ¾ jest długością liny; n 1,2,3 itd.; u ¾ prędkość propagacji fali, która zależy od napięcia liny.

Fale stojące są wzbudzane we wszystkich ciałach zdolnych do oscylacji.

Powstawanie fal stojących jest zjawiskiem rezonansowym, które występuje w rezonansowych lub naturalnych częstotliwościach ciała. Punkty, w których przenikanie jest anulowane, nazywane są węzłami, a punkty, w których przenikanie jest zwiększone, nazywane są antywęzłami.

Światło ¾ fala elektromagnetyczna……………………………………..2

Prędkość światła………………………………………………………………2

Zakłócenia światła……………………………………………….3

Fale stojące…………………………………………………………………3

Fizyka 11 (G.Ya. Myakishev B.B. Lukhovtsev)

Fizyka 10 (N.M. Shakhmaev S.N. Shakhmaev)

Notatki pomocnicze i zadania testowe (G.D. Luppov)

1 Łacińskie słowo „korpuskuła” przetłumaczone na język rosyjski oznacza „cząstkę”.

2 Zaokrąglanie przeszkód ze światłem.

3 Zjawisko wzmocnienia lub osłabienia światła podczas nakładania wiązek światła.

4 Sam Roemer uzyskał wartość 215 000 km/s.

5 Fale o tej samej długości i stałej różnicy faz nazywane są koherentnymi.

6 Jedynymi wyjątkami są kwantowe źródła światła – lasery.

7 Dodanie dwóch fal, w wyniku którego następuje stabilne w czasie wzmocnienie lub osłabienie powstałych wibracji świetlnych w różnych punktach przestrzeni.

Z teorii pole elektromagnetyczne, opracowany przez J. Maxwella, następował: fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła - 300 000 km/s, że fale te są poprzeczne, podobnie jak fale świetlne. Maxwell zasugerował, że światło jest falą elektromagnetyczną. Później ta prognoza została potwierdzona eksperymentalnie.

Podobnie jak fale elektromagnetyczne, propagacja światła podlega tym samym prawom:

Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła. W przezroczystym jednorodnym ośrodku światło rozchodzi się po liniach prostych. To prawo wyjaśnia, w jaki sposób występują zaćmienia Słońca i Księżyca.

Gdy światło pada na granicę między dwoma ośrodkami, część światła jest odbijana do pierwszego ośrodka, a część przechodzi do drugiego ośrodka, jeśli jest przeźroczysta, zmieniając kierunek jego propagacji, tj. ulega załamaniu.

ZAKŁÓCENIA ŚWIATŁA

Załóżmy, że dwie monochromatyczne fale świetlne, nałożone na siebie, wzbudzają oscylacje tego samego kierunku w pewnym punkcie przestrzeni: x 1 \u003d A 1 cos (t +  1) i x 2 \u003d A 2 cos (t +  2). Pod X zrozumieć intensywność elektrycznego E lub magnetyczny H pola falowe; wektory E i H oscylują we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach (patrz § 162). Siły pól elektrycznych i magnetycznych są zgodne z zasadą superpozycji (patrz § 80 i 110). Amplituda wynikowej oscylacji w danym punkcie A 2 \u003d A 2 l + A 2 2 + 2A 1 A 2 cos ( 2 - 1) (patrz 144.2)). Ponieważ fale są spójne, to cos( 2 -  1) ma stałą wartość w czasie (ale własną dla każdego punktu w przestrzeni), dlatego natężenie fali wynikowej (1 ~ A 2)

W punktach w przestrzeni, gdzie cos( 2 -  1) > 0, intensywność I > I 1 + I 2 , gdzie cos( 2 -  1) < Och intensywność ja< I 1 +I 2 . Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение Strumień świetlny, co w niektórych miejscach daje maksima intensywności, a w innych minima intensywności. Zjawisko to nazywa się interferencją światła.

Dla fal niespójnych różnica ( 2 -  1) zmienia się w sposób ciągły, więc średnia czasowa wartość cos ( 2 -  1) wynosi zero, a natężenie fali wynikowej jest wszędzie takie samo i dla I 1 = I 2 równa się 2I 1 (dla fal koherentnych w ten warunek na maksimach I = 4I 1 na minimach I = 0).

Jak stworzyć warunki niezbędne do wystąpienia interferencji fal świetlnych? W celu uzyskania spójnych fal świetlnych stosuje się metodę podziału fali emitowanej przez jedno źródło na dwie części, które po przejściu przez różne ścieżki optyczne nakładają się na siebie i obserwuje się wzór interferencji.

Niech rozdzielenie na dwie spójne fale nastąpi w pewnym punkcie O . Do momentu M, w którym obserwuje się obraz interferencyjny, jedna fala w ośrodku o współczynniku załamania n 2 przeszła ścieżka s 1 , drugi - w ośrodku o współczynniku załamania n 2 - ścieżka s 2 . Jeśli w punkcie O faza oscylacji jest równa t , wtedy w punkcie M pierwsza fala wzbudzi oscylację А 1 cos(t - s 1 / v 1) , druga fala - fluktuacja A 2 cos (t - s 2 / v 2) , gdzie v 1 = c/n 1 , v 2 = c/n 2 - odpowiednio prędkość fazowa pierwszej i drugiej fali. Różnica faz oscylacji wzbudzanych przez fale w punkcie M, jest równe

(należy wziąć pod uwagę, że /s = 2v/s = 2 0 gdzie  0 to długość fali w próżni). Iloczyn długości geometrycznej s droga fali świetlnej w danym ośrodku przez współczynnik załamania n tego ośrodka nazywana jest długością drogi optycznej L , a  \u003d L 2 - L 1 - różnica optycznych długości ścieżek, przez które przechodzą fale - nazywana jest różnicą ścieżek optycznych. Jeżeli różnica ścieżek optycznych jest równa całkowitej liczbie długości fal w próżni

wtedy  = ± 2m , M obie fale wystąpią w tej samej fazie. Dlatego (172.2) jest warunkiem maksymalnej interferencji.

Jeśli różnica ścieżki optycznej

wtedy  = ±(2m + 1) , i wzbudzane w punkcie wibracje M obie fale wystąpią w przeciwfazie. Zatem (172.3) jest warunkiem minimum ingerencji.

ZASTOSOWANIA ZAKŁÓCEŃ ŚWIATŁA

Zjawisko interferencji wynika z falowego charakteru światła; jego ilościowe prawidłowości zależą od długości fali Do. Zjawisko to jest zatem wykorzystywane do potwierdzania falowego charakteru światła oraz do pomiaru długości fal (spektroskopia interferencyjna).

Zjawisko interferencji jest również wykorzystywane do poprawy jakości urządzeń optycznych (powłoka optyczna) oraz do uzyskania powłok o wysokim współczynniku odbicia. Przechodzeniu światła przez każdą refrakcyjną powierzchnię soczewki, na przykład przez granicę szkło-powietrze, towarzyszy odbicie 4% padającego strumienia (przy ukazaniu załamania bryły szkła 1,5). Jak nowoczesne soczewki zawierać duża liczba soczewki, wtedy liczba odbić w nich jest duża, a zatem straty strumienia świetlnego są również duże. W ten sposób intensywność przepuszczanego światła jest osłabiona, a jasność przyrząd optyczny zmniejsza się. Ponadto odbicia od powierzchni soczewek prowadzą do odblasków, co często jest (na przykład in wyposażenie wojskowe) demaskuje pozycję urządzenia.

Do eliminacji te braki przeprowadzić tzw oświetlenie optyki. W tym celu na swobodne powierzchnie soczewek nakłada się cienkie folie o współczynniku załamania światła niższym niż materiał soczewki. Gdy światło odbija się od granicy powietrze-film i folia-szkło, dochodzi do interferencji promieniowania koherentnego 1 i 2" (rys. 253).

Warstwa AR

Grubość folii d a współczynniki załamania szkła nc i warstewki n można dobrać tak, aby fale odbite od obu powierzchni warstewki znosiły się nawzajem. Aby to zrobić, ich amplitudy muszą być równe, a różnica dróg optycznych równa - (patrz (172.3)). Z obliczeń wynika, że ​​amplitudy odbitych promieni są równe, jeśli

(175.1)

Ponieważ n z, n a współczynnik załamania powietrza n 0 spełnia warunki n c > n > n 0 , wtedy utrata półfali występuje na obu powierzchniach; stąd warunek minimalny (załóżmy, że światło pada normalnie, tj. I = 0)

gdzie znaleźć- grubość folii optycznej. Zwykle przyjmujemy m = 0, wtedy

Zatem, jeżeli warunek (175.1) jest spełniony i grubość optyczna warstewki jest równa  0 /4, to w wyniku interferencji odbite promienie zostają wygaszone. Ponieważ niemożliwe jest osiągnięcie jednoczesnego wygaszania dla wszystkich długości fali, zwykle robi się to dla długości fali najbardziej wrażliwej na oko  0  0,55 μm. Dlatego soczewki z powlekaną optyką mają niebiesko-czerwony odcień.

Tworzenie powłok wysokorefleksyjnych stało się możliwe dopiero na podstawie: interferencja wielościeżkowa. W przeciwieństwie do interferencji dwuwiązkowej, którą rozważaliśmy do tej pory, interferencja wielościeżkowa występuje, gdy nakłada się duża liczba wiązek światła spójnego. Rozkład intensywności we wzorze interferencji różni się znacznie; maksima interferencji są znacznie węższe i jaśniejsze niż w przypadku nakładania się dwóch spójnych wiązek światła. Zatem wypadkowa amplituda oscylacji światła o tej samej amplitudzie przy maksimach natężenia, gdzie dodawanie następuje w tej samej fazie, w N razy więcej, a intensywność w N 2 razy więcej niż z jednej wiązki (N to liczba zakłócających wiązek). Zauważ, że aby znaleźć wynikową amplitudę, jest to wygodne w użyciu metoda graficzna, stosując metodę obracającego się wektora amplitudy (patrz § 140). Interferencja wielościeżkowa przeprowadzana jest w siatce dyfrakcyjnej (patrz § 180).

Zakłócenia wielościeżkowe można wykonać w system wielowarstwowy przeplatane filmy z różne wskaźniki załamanie (ale o tej samej grubości optycznej, równej  0 /4), osadzonej na powierzchni odbijającej (ryc. 254). Można wykazać, że na granicy błon (pomiędzy dwiema warstwami ZnS o wysokim współczynniku załamania n 1 występuje warstewka kriolitu o niższym współczynniku załamania n 2) powstaje duża liczba odbitych promieni zakłócających, które przy grubości optycznej warstewek  0 /4 będą się wzajemnie wzmacniać, to znaczy współczynnik odbicia wzrasta. charakterystyczna cecha tak wysoce odblaskowy system jest taki, że działa w bardzo wąskim zakresie widmowym, a co większy stosunek odbicia, tym węższy jest ten obszar. Na przykład system siedmiu folii dla obszaru 0,5 μm daje współczynnik odbicia   96% (przy przepuszczalności  3,5% i współczynniku absorpcji<0,5%). Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров (узкополосных оптических фильтров).

Zjawisko interferencji wykorzystywane jest również w bardzo precyzyjnych przyrządach pomiarowych zwanych interferometrami. Wszystkie interferometry działają na tej samej zasadzie i różnią się jedynie konstrukcją. Na ryc. 255 przedstawia uproszczony schemat interferometru Michelsona.

Światło monochromatyczne ze źródła S spada pod kątem 45° na płytę płasko-równoległą Р 1 . Strona rekordu z dala od S , posrebrzane i półprzezroczyste, dzieli wiązkę na dwie części: wiązkę 1 (odbitą od warstwy srebra) i wiązkę 2 (przechodzącą przez weto). Wiązka 1 odbija się od lustra M 1 i wracając z powrotem, ponownie przechodzi przez płytę P 1 (belka l "). Promień 2 trafia do zwierciadła M 2, odbija się od niego, wraca z powrotem i jest odbijany od płyty R 1 (belka 2). Ponieważ pierwszy z promieni przechodzi przez płytkę P 1 dwukrotnie, następnie w celu skompensowania powstałej różnicy torów, na torze drugiej belki umieszcza się płytę P 2 (dokładnie tak samo jak P 1 , tylko nie pokryte warstwą srebra).

Belki 1 i 2" są spójne; w związku z tym będą obserwowane zakłócenia, których wynik zależy od różnicy drogi optycznej wiązki 1 od punktu O do odbicia lustrzanego M 1 i wiązki 2 od punktu O do lustra M 2 . Gdy jedno z luster zostanie przesunięte na odległość  0/4, różnica między drogami obu wiązek zwiększy się o  0/2 i zmieni się oświetlenie pola widzenia. Można więc po niewielkim przesunięciu obrazu interferencyjnego ocenić niewielkie przemieszczenie jednego z luster i wykorzystać interferometr Michelsona do dokładnego (około 10 -7 m) pomiaru długości (pomiar długości ciał, długości fali światła). , zmiany długości ciała wraz ze zmianami temperatury (dylatometr interferencyjny) ).

Rosyjski fizyk V.P. Linnik (1889-1984) wykorzystał zasadę interferometru Michelsona do stworzenia mikrointerferometru (połączenie interferometru i mikroskopu) służącego do kontroli wykończenia powierzchni.

Interferometry to bardzo czułe urządzenia optyczne, które pozwalają określić niewielkie zmiany współczynnika załamania światła ciał przezroczystych (gazów, cieczy i ciał stałych) w zależności od ciśnienia, temperatury, zanieczyszczeń itp. Takie interferometry nazywane są refraktometrami interferencyjnymi. Na torze kolidujących wiązek znajdują się dwie identyczne kuwety o długości ja, z których jeden jest wypełniony na przykład gazem o znanym (n 0), a drugi o nieznanym (n z) współczynniku załamania. Dodatkowa różnica ścieżki optycznej, która powstała między zakłócającymi wiązkami  \u003d (n z - n 0) ja. Zmiana różnicy ścieżek doprowadzi do przesunięcia prążków interferencyjnych. To przesunięcie można scharakteryzować za pomocą wartości

gdzie m 0 pokazuje, o którą część szerokości prążka interferencyjnego przesunął się wzór interferencji. Pomiar wartości m 0 ze znanym ja, m 0 i , możesz obliczyć n z lub zmienić n z - n 0 . Na przykład, gdy wzór interferencji jest przesunięty o 1/5 prążka przy ja\u003d 10 cm i  \u003d 0,5 mikrona (n z - n 0) \u003d 10 -6, tj. refraktometry interferencyjne pozwalają na pomiar zmiany współczynnika załamania z bardzo dużą dokładnością (do 1/1 000 000).

Zastosowanie interferometrów jest bardzo zróżnicowane. Oprócz tego służą one do badania jakości wykonania części optycznych, pomiaru kątów, badania szybkich procesów zachodzących w powietrzu opływającym samolot itp. Za pomocą interferometru Michelson po raz pierwszy porównał międzynarodowy standard metr o długości standardowej fali świetlnej. Za pomocą interferometrów zbadano również propagację światła w poruszających się ciałach, co doprowadziło do fundamentalnych zmian w wyobrażeniach o przestrzeni i czasie.

We współczesnej fizyce światło opisuje się albo jako fale elektromagnetyczne, albo jako fotony.

2.5.1. Fale elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne obejmują kombinację pól elektrycznych i magnetycznych. Rozważ ładunek elektryczny. Tworzy wokół siebie pole elektryczne. Jeśli ładunek się porusza, tworzy pole magnetyczne. Wykazano teoretycznie i eksperymentalnie potwierdzono, że te pola elektryczne i magnetyczne łączą się i powodują zaburzenie, które rozchodzi się w przestrzeni i nazywa się falą elektromagnetyczną. Fala ta rozchodzi się samoczynnie, ponieważ zmieniające się pole elektryczne powoduje zmianę pola magnetycznego, która następnie powoduje nową zmianę pola elektrycznego itd. W ten sposób następuje stała wymiana energii między polem elektrycznym i magnetycznym.

Kiedy fala elektromagnetyczna zderza się z materią, jej pola elektryczne i magnetyczne powodują, że naładowane cząstki tej materii oscylują w taki sam sposób, jak w oryginalnej fali. Pozwala to na przenoszenie energii przez materiał bez poruszania samej materii. Wszystkie fale elektromagnetyczne mają następujące właściwości.

Tworzą je poruszające się ładunki.

Są to fale poprzeczne, w których pola elektryczne i magnetyczne są wzajemnie prostopadłe i prostopadłe do kierunku propagacji fali.

Nie wymagają żadnego materiału do rozprzestrzeniania się, ale mogą rozprzestrzeniać się w materiale bez przemieszczania substancji.

Wszystkie poruszają się w wolnej przestrzeni z tą samą względną prędkością, którą nazywamy prędkością światła.

Ilościowo zachowanie fal elektromagnetycznych jest opisane równaniami Maxwella, ale ich rozważenie wykracza poza zakres tej książki, w której koncentrujemy się na praktycznych zastosowaniach, a nie na abstrakcyjnej teorii.

2.5.2. Fotony

Fotony są uważane za dyskretne cząstki energii elektromagnetycznej. Planck zaproponował, że energia jest emitowana w impulsach zwanych „kwantami”, w których ilość energii jest proporcjonalna do częstotliwości. Wyraża to formuła

gdzie h- stała Plancka (6,63 x 10 -34 dżuli / sek.).

Kwant światła nazywamy fotonem. Foton ma pewne właściwości cząstki, ponieważ jest dyskretny i skończony. Światło jest jednak również falą, co widać po dyfrakcji i interferencji. Okazuje się więc, że światło jest zarówno cząsteczką, jak i falą. Jest to sprzeczność, ponieważ cząsteczka jest skończona i dyskretna, podczas gdy fala jest nieskończona i ciągła. Fizycy postrzegają obie teorie jako komplementarne, ale nie stosują ich jednocześnie. Efekt ten jest znany jako dualizm falowo-cząsteczkowy światła, a oba modele fizyczne są równie ważne i przydatne w opisywaniu różnych efektów optycznych. Warto zauważyć, że w obu modelach występują części, które nie pasują do siebie.

Światło w postaci fotonów lub fal przemieszcza się w wolnej przestrzeni z prędkością około 300 000 km/s (3 x 10 8 m/s). Wiele efektów można lepiej zaobserwować, myśląc o świetle jako promieniach poruszających się po liniach prostych między elementami optycznymi lub przez nie. Promienie zmieniają się (odbijają, załamują, rozpraszają itp.) na optycznych powierzchniach urządzeń. To zachowanie optyczne

Zgodnie z teorią falową światło jest falą elektromagnetyczną.

Promieniowanie widzialne(światło widzialne) - promieniowanie elektromagnetyczne bezpośrednio odbierane przez ludzkie oko, charakteryzujące się długościami fal w zakresie 400 - 750 nm, co odpowiada zakresowi częstotliwości 0,75 10 15 - 0,4 10 15 Hz. Promieniowanie świetlne o różnych częstotliwościach jest odbierane przez człowieka jako różne kolory.

Promieniowanie podczerwone- promieniowanie elektromagnetyczne zajmujące obszar widmowy między czerwonym końcem światła widzialnego (o długości fali około 0,76 mikrona) a emisją radiową krótkofalową (o długości fali 1-2 mm). Promieniowanie podczerwone wywołuje uczucie ciepła, dlatego często określa się je mianem promieniowania cieplnego.

Promieniowanie ultrafioletowe- promieniowanie elektromagnetyczne niewidoczne dla oka, zajmujące obszar spektralny pomiędzy promieniowaniem widzialnym a rentgenowskim w zakresie długości fal od 400 do 10 nm.

Fale elektromagnetyczne- drgania elektromagnetyczne (pole elektromagnetyczne) rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością zależną od właściwości ośrodka (w próżni - 3∙10 8 m/s). Właściwości fal elektromagnetycznych, prawa ich wzbudzania i propagacji opisują równania Maxwella. Na charakter propagacji fal elektromagnetycznych ma wpływ ośrodek, w którym się rozchodzą. Fale elektromagnetyczne mogą doświadczać załamania, dyspersji, dyfrakcji, interferencji, całkowitego wewnętrznego odbicia i innych zjawisk związanych z falami dowolnej natury. W jednorodnym i izotropowym ośrodku z dala od ładunków i prądów, które tworzą pole elektromagnetyczne, równania falowe dla fal elektromagnetycznych (w tym świetlnych) mają postać:

gdzie i są odpowiednio przenikalnością elektryczną i magnetyczną ośrodka, i są odpowiednio stałymi elektrycznymi i magnetycznymi, oraz są natężeniami pola elektrycznego i magnetycznego, jest operatorem Laplace'a. W ośrodku izotropowym prędkość fazowa propagacji fal elektromagnetycznych jest równa Propagację płaskich monochromatycznych fal elektromagnetycznych (świetlnych) opisują równania:

kr ; kr (6.35.2)

gdzie i są amplitudami oscylacji odpowiednio pola elektrycznego i magnetycznego, k jest wektorem falowym, r jest wektorem promienia punktu, - częstotliwość kołowa oscylacji, jest początkową fazą oscylacji w punkcie o współrzędnej r= 0. Wektory mi oraz H oscylują w tej samej fazie. Fala elektromagnetyczna (światła) jest poprzeczna. Wektory mi , H , k są do siebie prostopadłe i tworzą prawą trójkę wektorów. Wartości chwilowe i w dowolnym momencie są powiązane relacją Biorąc pod uwagę, że pole elektryczne ma fizjologiczny wpływ na oko, równanie na płaską falę świetlną rozchodzącą się w kierunku osi można zapisać w następujący sposób:

Prędkość światła w próżni wynosi

. (6.35.4)

Stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w ośrodku nazywany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania ośrodka:

(6.35.5)

Podczas przemieszczania się z jednego ośrodka do drugiego zmienia się prędkość propagacji fali i długość fali, częstotliwość pozostaje niezmieniona. Względny współczynnik załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego to stosunek

gdzie i są bezwzględnymi współczynnikami załamania światła pierwszego i drugiego ośrodka oraz są prędkością światła odpowiednio w pierwszym i drugim ośrodku.