Волновая оптика. Развитие представлений о природе света.
Для объяснения оптических явлений с 17 века существовало 2 теории: корпускулярная, созданная Ньютоном, и волновая, созданная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной, свет представляет собой поток частиц – корпускул. С точки зрения волновой теории свет есть упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире. Как мы знаем, в 1864г. Максвелл создал электромагнитную теорию света. В конце 19в. и начале 20в. ряд новых экспериментальных фактов заставил вернуться к представлению об особых волновых частицах – фотонах. Была создана корпускулярная теория света – квантовая оптика.
С точки зрения волновой теории объясняются явления интерференции, дифракции, поляризации света. В рамках корпускулярной теории объясняются явления фотоэффекта, тепловое излучение, эффект Комптона и др.
Прохождение света через границу двух диэлектриков.
Рассмотрим поведение световой волны на границе раздела двух однородных и изотропных сред. Среда называется оптически изотропной, если ее оптические свойства не зависят от направления распространения и характера поляризации волны.
Можно доказать, что при прохождении света через границу двух сред фаза проходящей волны не меняется.
У отраженной от границы раздела волны фаза не меняется при отражении от менее плотной среды, когда n1>n2. Если же отражение происходит от более плотной среды, когда n1<n2, фаза волны меняется на π, то есть колебания происходят в противоположной фазе.
Интерференция световых волн
Как было сказано ранее, мгновенные значения напряженностей электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны определяются соотношениями:
Е = Е0sin (ωt- kx+ φ);
H = H0sin (ωt- kx+ φ).
Экспериментально доказано, что физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора , поэтому он получил название светового вектора
Геометрическая разность хода двух волн определяется как разность их геометрических путей до точки наблюдения:
∆r = r2 – r1
Оптическая разность хода двух волн определяется с учетом показателей преломления сред, в которых свет распространяется:
∆rn =n2r2 – n1r1
Разность фаз волн связана с разностью хода так:
Если монохроматические световые волны имеют постоянную во времени разность фаз и колебания их световых векторов происходят в одной плоскости, то они называются когерентными (от греч. cohereus - согласованный). Такие согласованные когерентные волны при наложении их друг на друга могут создать в пространстве картину, заключающуюся в чередовании светлых и темных областей. Данное явление перераспределения интенсивности световой волны в пространстве при наложении двух или нескольких когерентных волн называется интерференцией света.
Любое светящееся тело состоит из огромного количества светящихся атомов, каждый из которых излучает лишь очень короткое время τ = 10- 8 с. За это время атом испускает отрезок волны протяженностью примерно 3м, называемый цугом волны. Затем возбуждение атома повторяется, но излучаемый волновой цуг будет иметь другую начальную фазу, амплитуду, направление колебаний вектора , которые меняются случайным образом. Следовательно, цуги одного атома, а тем более цуги разных атомов, принадлежащих одному источнику, будут некогерентными. По этой причине в результате наложения световых волн от двух независимых источников (например, двух электрических ламп накаливания) явление интерференции никогда не наблюдается.
Частота видимых световых волн лежит в диапазоне от 4∙1014 Гц до 7,5∙1014Гц. Заметить колебания потока энергии волны на глаз невозможно. Поэтому регистрируется усредненное по времени значение потока энергии в данной точке пространства, которое названо интенсивностью светаI.
С учетом сказанного ранее, среднее по времени значение модуля вектора Умова – Пойтинга:
S~E0H0 ~n .
Следовательно, интенсивность света I ~n