Электромагнитные волны и оптика (Лекция), страница 2

Естественными предпосылками этого яви$лись, во$первых, исторические причины, а во$вторых, корпуску$лярно$волновой дуализм электромагнитных волн. Развитие клас$сической электродинамики в конце XIX — начале XX в. и последо$вательное ее применение (благодаря достижениям Х. Лоренца)для описания различных явлений природы позволило объяснить,9хотя и не полностью, многие оптические явления. Однако законо$мерности теплового излучения тел, а также законы фотоэффектаклассическая электродинамика объяснить не смогла.

Лишь пред$положение М. Планка о дискретном характере испускания и по$глощения электромагнитного излучения атомами нагретого веще$ства, а также гипотеза А. Эйнштейна о возможности представле$ния плоской электромагнитной волны в виде потока частиц(фотонов) позволили дать объяснение экспериментально установ$ленных закономерностей. Эти предположение и гипотеза легли воснову нового раздела физики, получившего название квантовойфизики.Квантовая физика не только смогла объяснить известные законымикромира, но и способствовала открытию новых методов, которыепривели к существенному прорыву в технологиях, связанных с раз$личными видами деятельности человечества.

К ним можно отнести,например, изобретение способа расщепления атомного ядра, созда$ние устройств генерации оптических когерентных колебаний — лазе$ров, полупроводниковых приборов преобразования электрическихколебаний — диодов и транзисторов. Развитие квантовой физики вXX в. привело к появлению новых разделов физики, изучающих раз$личные аспекты проявления квантовой природы микромира.Квантовые свойства электромагнитных волн исследуются вквантовой электродинамике и квантовой оптике. Проблемы, со$ставляющие содержание этих наук, практически не затрагиваютсяв данном учебном пособии, хотя без их анализа невозможно стро$гое объяснение многих явлений взаимодействия электромагнит$ных волн с материальными средами.

Тем не менее в ряде случаев, вчастности при описании плотности энергии и импульса электро$магнитного поля, используется понятие фотона. В данном учебномпособии не рассмотрен принцип работы лазера, основанный наквантовом описании вещества и поля, хотя при изучении конкрет$ных оптических явлений во многих случаях отмечается, что в каче$стве источника света может быть использован лазер.Логика развития физики как науки состоит в том, что с появле$нием новых идей накопленные ранее знания не утрачивают своейценности и органически встраиваются в новую структуру знаний.Так случилось и с квантовой физикой, развитие которой привело нек отмене классической физики (физической оптики и классическойэлектродинамики), а к определению границ ее применимости.101.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫЭлектромагнитные волны представляют собой одно из явле$ний электромагнетизма, и их основные свойства определяютсярешением уравнений Максвелла. Источниками излучения элек$тромагнитных волн являются неравномерно движущиеся заря$ды и изменяющиеся во времени токи. Вызванное ими электро$магнитное возмущение распространяется в виде электромагнит$ной волны в пространстве, окружающем эти заряды и токи. Приэтом изменение электрического поля приводит к появлению из$меняющегося магнитного поля, которое, в свою очередь, вызы$вает появление изменяющегося электрического поля и т. д.

Еслив среде распространения электромагнитной волны нет потерьэнергии, то процесс согласованного изменения ее электрическо$го и магнитного полей может продолжаться бесконечно долго, аграница области пространства, в которой происходят эти изме$нения, движется со скоростью света, удаляясь от источникаизлучения электромагнитной волны. Причем процесс распро$странения электромагнитной волны продолжается даже тогда,когда источник ее излучения прекратил существование. Элек$тромагнитные волны могут распространяться в различных сре$дах, в том числе и в вакууме.В природе существует широкое многообразие электромагнит$ных волн, различающихся способом излучения волны источни$ком и особенностями распространения волн в разных средах. Приизучении электромагнитных волн их делят на гармонические(монохроматические) и негармонические электромагнитные вол$ны (с более сложной зависимостью колебаний напряженностейэлектрических и магнитных полей от времени).

Можно такжерассмотреть волны, у которых амплитуда колебаний напряжен$ностей электрического и магнитного полей не зависит от времени112. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛНИзлучение электромагнитных волн, т. е. процесс образованиясвободного электромагнитного поля, имеет ряд замечательныхособенностей, которые объясняют многие явления распростране$ния электромагнитных волн в различных средах и широко исполь$зуются на практике.В гл. 1 мы рассмотрели основные свойства электромагнит$ных волн, оставив в стороне механизм их возникновения. Теперьобсудим проблему излучения электромагнитных волн, источни$ками которых являются изменяющиеся во времени токи и не$равномерно движущиеся электрические заряды.

При действиинекоторой внешней силы на заряд, в частности, может возник$нуть его колебательное движение вблизи положения равнове$сия. Например, колебательное движение электрона в атомеможет быть вызвано действием электрического поля электро$магнитной волны, распространяющейся в веществе, или гармо$нически изменяющейся во времени электродвижущей силой не$которого стороннего источника. Рассмотрение механизма излу$чения электромагнитных волн неравномерно движущимсязарядом позволяет объяснить широкий класс явлений оптики иэлектромагнетизма (например, синий цвет дневного небосвода икрасный цвет небосвода на закате солнца, получение поляризо$ванного света из неполяризованного при отражении от поверх$ности диэлектрика), а также оценить длительность излученияэлектромагнитных волн атомами и рассчитать дальность дейст$вия радиосвязи и т.

д.Неравномерное движение электрического заряда эквива$лентно протеканию изменяющегося с течением времени элек$трического тока, переменное магнитное поле которого, в своюочередь, создает в окружающем пространстве электрическое по$663. РАСПРОСТРАНЕНИЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ВЕЩЕСТВЕРассмотрим распространение электромагнитных волн в веще$стве, которое будем называть средой распространения или простосредой. Наиболее простыми для исследования распространенияэлектромагнитных волн являются однородные безграничные сре$ды, электрические и физические параметры которых не зависят отвремени.

В однородных средах относительные диэлектрическая имагнитная проницаемости имеют постоянные значения в любойточке пространства.Для изучения распространения электромагнитных волн в ре$альных средах В.К. Аркадьев ввел (1913 г.) понятия комплексныхдиэлектрической и магнитной проницаемостей среды, которые по$зволяют учесть основные физические процессы, происходящие всреде при распространении электромагнитных волн: поляризациюатомов и молекул среды, намагничивание среды, а также появле$ние в ней токов проводимости.Использование комплексного представления гармоническихколебаний векторов напряженностей электрического и магнитногополей электромагнитной волны дает возможность с единых пози$ций изучить особенности распространения электромагнитных волнв магнитно$диэлектрических средах, проводниках и плазме.

Непо$средственным приложением полученных знаний об особенностяхраспространения электромагнитных волн в проводящих средах яв$ляется рассмотрение весьма важной в практическом отношениитеории скин$эффекта, позволяющей определить глубину проника$ния электромагнитной волны в проводящую среду.Исследование распространения электромагнитных волн в не$однородных средах проводят на основе решения задачи о прохож$дении (или отражении) электромагнитной волны через плоскуюграницу раздела двух однородных сред с различными значениями1124.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХВОЛНВ предыдущих главах мы рассматривали основные свойстваэлектромагнитных волн, излучаемых одним источником — движу$щимся зарядом или рамкой с током. В этой главе мы будем изучатьэлектромагнитные волны, излучаемые несколькими источниками.В силу принципа суперпозиции электромагнитное поле, получен$ное в результате излучения волн несколькими источниками, пред$ставляет собой сумму электромагнитных полей волн, излучаемыхкаждым источником. Оказывается, что при определенных услови$ях интенсивность результирующей волны при излучении волн не$сколькими источниками не равна сумме интенсивностей волн, из$лучаемых отдельными источниками.

Если на пути световых волн,излучаемых несколькими источниками, поместить непрозрачныйэкран, то на нем можно заметить участки, имеющие различныйуровень освещенности в зависимости от разности фаз колебанийволн в точке наблюдения. Явление перераспределения интенсивно$сти света при излучении световых волн несколькими источникамиизвестно как интерференция света. Интерференция характерна дляволн любой природы (звуковых, электромагнитных и т. д.).Условием наблюдения интерференции является согласованноеизлучение источниками электромагнитных волн, при котором с те$чением времени разность фаз колебаний волн, излучаемых различ$ными источниками, остается неизменной или меняется медленно.Свойство согласованного излучения электромагнитных волн раз$личными источниками называется когерентностью. Когерент$ность электромагнитных волн рассматривают в двух аспектах —временном и пространственном.

Временная когерентность связанас полосой частот колебаний электромагнитных волн и определяет$ся временем когерентности, в течение которого можно пренебречьизменением разности фаз колебаний волн, соответствующих раз$1555. ДИФРАКЦИЯ СВЕТАДифракцией называется взаимодействие электромагнитныхволн с любыми неоднородностями среды, проявляющееся, в част$ности, в огибании электромагнитными волнами препятствий напути распространения. Термин «дифракция» был введен в физикуФ. Гримальди.

В гл. 3 было рассмотрено прохождение электромаг$нитной волны через границу раздела двух однородных сред с раз$ными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей.В принципе такие задачи относятся к классу задач дифракции, по$скольку граница раздела двух сред, при переходе через которуюпроисходит скачкообразное изменение значений диэлектрическойи магнитной проницаемостей, представляет собой неоднородностьсреды распространения электромагнитных волн.Объяснение дифракции основано на интерференции электро$магнитных волн, рассеянных поверхностью или объемом неодно$родности. Методологическую основу объяснения дифракции со$ставили работы Х.

Гюйгенса, предложившего, по существу, интер$ференционную модель распространения электромагнитных волн,широко применяемую для решения задач дифракции.Дифракция света имеет место вследствие его волновой приро$ды. Опыты по наблюдению дифракции сыграли большую роль длянаучного признания волновой природы света. В своем широко из$вестном опыте Д. Араго показал, что благодаря дифракции светапозади непрозрачного диска в зоне геометрической тени обяза$тельно будет наблюдаться светлое пятно.Значение дифракции в круге оптических и электродинамиче$ских проблем исключительно велико, поскольку ее необходимоучитывать при решении разнообразных исследовательских и прак$тических задач. В частности, дифракцией объясняется существую$щий предел разрешающей способности оптических приборов и ан$2056.

ГОЛОГРАФИЯВ гл. 5 мы отметили дифракционный характер формированияизображения наблюдаемых объектов в оптических приборах. Че$ловеческий глаз также можно рассматривать как оптический при$бор, имеющий естественное происхождение, в котором формиро$вание изображений окружающей нас действительности определя$ется законами дифракции.Важной задачей, связанной со зрительным восприятием объ$ектов, является запись изображений объектов для последующегоих воспроизведения. Примером записи изображений объектов яв$ляется фотография.