Представления о природе света. Световая волна

Интерференция света

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Оптика – это учение о свете.

Обычно оптику подразделяют на следующие разделы:

1. Геометрическая оптика – изучает законы распространения световых лучей.

2. Физическая оптика – изучает теорию световых явлений.

3. Прикладная оптика – изучает применение оптики в технике.

В свою очередь физическая оптика делится на волновую и квантовую.

В волновой оптике рассматриваются явления интерференции, дифракции и поляризации, а также дисперсии и рассеяния света.

В квантовой оптике – излучение нагретыми телами (тепловое излучение), фотоэффект, эффект Комптона и все спектральные закономерности.

Первой теорией света была созданная в ХVII веке Ньютоном корпускулярная теория, согласно которой свет – поток особых материальных частиц (корпускул), движущихся и взаимодействующих по законам механики. Корпускулярная теория не смогла полностью объяснить все световые явления и в настоящее время представляет лишь исторический интерес. Более прогрессивной стала волновая теория, разработанная Гюйгенсом, Френелем и другими исследователями. Эта теория, рассматривая свет как упругую волну, объясняла многие оптические явления, но не смогла ответить на принципиальный вопрос о природе среды, в которой распространяется эта упругая волна.

В середине ХIХ века Максвелл разработал волновую электромагнитную теорию света, согласно которой видимый свет – частный случай электромагнитных волн, это переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве в виде поперечных волн с длинами волн от 400 (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). В световой волне векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору скорости распространения волны (см. рис.1).

Рис. 1

Векторы , , образуют правовинтовую систему. Плоские монохроматические электромагнитные волны (строго определенной частоты) описываются уравнениями

где Е_О и В_О – амплитудные значения; w – круговая частота; k – волновое число; j_O – начальные фазы колебаний (они одинаковы для E и B, так как колебания происходят с одинаковой фазой).

Для оптических явлений наиболее важен вектор (он называется световым вектором), так как действует на свободные электроны сильнее, чем вектор .

Электромагнитная теория Максвелла прекрасно объясняет такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света и другие. Однако она не смогла объяснить тепловое излучение тел, фотоэффект, эффект Комптона, спектральные закономерности, которые могут быть поняты лишь с точки зрения квантовой теории света, разработанной Планком и Эйнштейном.

По квантовой теории свет излучается, распространяется, поглощается в виде отдельных порций – световых квантов или фотонов, которые представляют собой особый вид материи качественно иной природы, чем частицы вещества.

По современным представлениям свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, проявляет корпускулярно–волновой дуализм. В одних оптических явлениях наиболее отчетливо проявляются волновые свойства света, в других – корпускулярные, квантовые. Свет представляет собой единство непрерывности и дискретности.