Основы электромагнитной теории Максвелла

Электромагнитная теория Максвелла (1865) позволила с единой точки зрения объяснить электрические и магнитные явления и связать их с явлениями оптическими. Из этой теории следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля. Магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца. (1888).

5 Корпускулярные и волновые свойства

электромагнитного излучения

Одним из важнейших выводов теории Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитные волны – это переменное электромагнитное поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитная волна является поперечной: колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных направлениях перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

В вакууме скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью света. В веществе скорость распространения электромагнитных волн уменьшается. Показатель преломления среды n=c/v показывает, во сколько раз скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.

Электромагнитные волны обладают широким диапазоном частот (или длин волн λ=с/ν) и отличаются по способам генерации и свойствам. Различают радиоволны (λ=10³–10^{-4 м), световые волны (λ=5×10-4}–10^{-9 м), рентгеновское излучение (λ=2×10-9}–6×10^{-12 м) и γ-излучение (λ<6×10-12 м). Световые волны в диапазоне длин волн λ=8×10-7}–4×10^{-7 м воспринимается сетчаткой глаза человека и называются видимым светом.}

Волновые свойства электромагнитного излучения проявляются в явлениях интерференции, дифракции и поляризации.

Интерференцией называется явление наложения когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве.

Дифракцией света называется совокупность явлений, связанных с распространением света в среде с резкими оптическими неоднородностями. В частности, дифракция приводит к отклонению световых волн от прямолинейного распространения и огибанию препятствий, сравнимых с длиной световой волны (l~10^-7 м).

Поляризацией света называется явление упорядочения колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Свет, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в одной плоскости, называется плоскополяризованным; свет, в котором все направления колебаний представлены с равной вероятностью, называется естественным.

В ряде явлений электромагнитное излучение ведет себя как поток частиц (фотонов, квантов света) с энергией Е=hn и импульсом p=hn/с. Эти явления нельзя объяснить с позиций волновой оптики. К явлениям, подтверждающим корпускулярные свойства электромагнитного излучения, относятся тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, тормозное рентгеновское излучение, комбинационное рассеяние света и ряд других.

Тепловое излучение – это явление испускания всеми телами, температура которых выше 0 К, электромагнитных волн за счет энергии теплового движения их атомов и молекул.

Фотоэффектом(внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Эффектом Комптонаназывается явление упругого рассеяния фотонов рентгеновского излучения на свободных и слабо связанных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны излучения.

Мы рассмотрели ряд явлений, связанных с электромагнитным излучением. В явлениях интерференции, дифракции, поляризации электромагнитное излучение ведет себя как волна. С другой стороны, тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона служат убедительным доказательством того, что электромагнитное излучение представляет собой поток фотонов.

Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств – непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга. Свет обладает корпускулярными и волновыми свойствами одновременно и обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Т.е. в оптических явлениях обнаруживается корпускулярно-волновой дуализм.

Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами электромагнитного излучения можно объяснить, используя статистический подход к рассмотрению оптических явлений.

6 Корпускулярно-волновой дуализм

– универсальное свойство материи

Л. де Бройль (1924) выдвинул гипотезу, согласно которой дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальное значение. Гипотеза де Бройля подтверждена экспериментально в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927).

По современным представлениям всякий микрообъект представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны (это “частица – волна”). Отличие микрообъекта от волны заключается в том, что он всегда проявляет себя как неделимое целое. Отличие микрообъекта от обычной макрочастицы заключается в том, что он не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к микрообъекту утрачивает смысл.

Волновые свойства микрообъектов приводят к тому, что квантовая механика, описывающая их поведение, имеет статистический характер. Для характеристики состояния микрообъектов вводится волновая функция y (пси-функция), имеющая вероятностный смысл. Квадрат модуля волновой функции ½y½² определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах бесконечно малого объема dV. Основным уравнением нерелятивистской квантовой механики является уравнение Шредингера, позволяющее определить пси-функцию микрообъекта и, следовательно, определить вероятность нахождения микрообъекта в различных точках пространства.

Современные представления о материи основываются на том, что между двумя формами существования материи – веществом и полем – нет резкой границы. Корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством материи, которая обладает потенциальной возможностью вести себя либо как поле (излучение), либо как совокупность частиц.

Лекция 4

Особенности организации материи в микромире

1 Современные представления о строении атома и атомного ядра

2 Радиоактивность. Радиоактивное излучение

3 Основные типы физических взаимодействий в природе

4 Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

5 Великое объединение физических взаимодействий