Электромагнитного излучения

Рассмотрим ряд явлений, связанных с распространением электромагнитного излучения и его взаимодействием с веществом.

В явлениях интерференции, дифракции и поляризации проявляются волновые свойства электромагнитного излучения.

Интерференциейназывается явление наложения когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве. В тех точках пространства, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности; в точках пространства, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности. Все источники света (кроме лазеров) дают некогерентное излучение, поэтому для наблюдения интерференции используют разделение электромагнитной волны на части, проходящие разные оптические пути. Это достигается путем прохождения одной волны через два малых отверстия (метод Юнга), отражения в зеркалах (зеркала Ллойда и Френеля), отражения и преломления от тонкой плоскопараллельной пластины – см. рисунок 13.

Рисунок 13 – Методы наблюдения интерференции:

метод Юнга (слева), зеркала Ллойда (справа)

Интерференцией света объясняются радужная окраска мыльных пузырей, цветные пятна нефти или бензина на лужах и т.д.

Дифракциейсвета 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). Размеры объектов макромира существенно превышают длину световой волны, поэтому обычно свет ведет себя по законам геометрической оптики, а дифракция обычно наблюдается только в лабораторных условиях. Явлением дифракции объясняются радужные ореолы вокруг фонарей в тумане, расцвечивание пыли в ярком луче света и т.д.}

Поляризациейсвета 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. Поляризованный свет получают из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами. Источником поляризованного света является лазер.

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. Экспериментально наблюдаемые законы теплового излучения теоретически объясняются только в предположении, что электромагнитные волны испускаются в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения (Е=hn).

Фотоэффектом(внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Закономерности фотоэффекта объясняются корпускулярными свойствами света: свет поглощается отдельными квантами с энергией Е=hn. Уравнение Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта:

hn = А + , (4.10)

где А – работа выхода электрона из металла, m и V – масса и скорость фотоэлектронов.

Эффектом Комптона называется явление упругого рассеяния фотонов рентгеновского излучения на свободных и слабо связанных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны излучения Dl

Dl=2l_c sin²a/2, (4.11)

где a - угол рассеяния, l_c=h/mc=0,243 нм – комптоновская длина волны электрона. Увеличение длины волны излучения объясняется тем, что фотон при рассеянии передает электрону часть своей энергии и импульса.

Таким образом, 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. Давление света и преломление света одинаково хорошо объясняются как квантовой, так и волновой теориями. Электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств – непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга.

Корпускулярные свойства света – энергия Е и импульс p – связаны с его волновыми свойствами – частотой n (длиной волны λ) соотношениями

Е=hn, p=hn/с= h/λ. (4.12)

Свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет обладает корпускулярными и волновыми свойствами одновременно и обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения, а корпускулярные – в процессах его взаимодействия с веществом. Энергия и импульс фотона уменьшаются с увеличением длины волны (уменьшением частоты), поэтому длинноволновое излучение обнаруживает преимущественно волновые свойства. Наоборот, коротковолновое излучение, обладающее значительными энергией и импульсом фотонов, труднее обнаруживает волновые свойства и проявляет преимущественно свойства корпускулярные. Например, дифракция рентгеновских лучей наблюдается только на пространственных решетках – кристаллах, имеющих расстояние между атомами порядка 10^{-10 м.}

Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами электромагнитного излучения можно объяснить, используя статистический подход к рассмотрению оптических явлений. Дифракционная картина возникает вследствие различной вероятности попадания фотонов в различные точки экрана. Облученность любой точки экрана пропорциональна вероятности попадания в эту точку фотонов. С другой стороны, по волновой теории облученность экрана пропорциональна квадрату амплитуды световой волны в той же точке экрана. Следовательно, квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку.