Учебная работа. Реферат: Распространение света

Учебная работа. Реферат: Распространение света

Электромагнитные волны и световые лучи.

Являющаяся решением уравнений Максвелла плоская монохроматическая волна в вакууме представляет собой имеющиеся на нескончаемом промежутке времени и занимающие все нескончаемое место колебания электромагнитного поля, распространяющиеся со скоростью света в направлении, перпендикулярном семейству плоскостей, в каждой точке которых секундные значения полей Е и В схожи (рис. 17_1). Любая из таковых плоскостей именуется волновым фронтом, а меньшее расстояние меж плоскостями, в каких поля находятся в фазе (имеют схожие секундные значения) именуются длиной волны. Лучом света именуется нормаль к волновому фронту, вдоль которой распространяется волна. Обычно луч ассоциируется с образом весьма узкой светящейся полосы, что правильно только в случае, если его поперечные размеры значительно превосходят длину волны (для видимого света ок. 500 мкм). При наименьших поперечных размерах возникает явление дифракции, превращающее луч в расходящийся пучок.

В природе настоящих плоских монохроматических волн, занимающих все место и имеющихся нескончаемо длительно во времени, естественно, не существует. Настоящие источники света источают “клочки синусоид” — световые цуги (рис. 17_2). Чем длиннее цуг, тем больше он похож на плоскую монохроматическую волну (напомним, что аксиома Фурье дозволяет разглядывать цуг как совокупа плоских монохроматических волн, повышение продолжительности цуга уменьшает число входящих в него гармоник).

Модель атома Томсона.

Мысль о существовании неразделимых частиц, слагающих вещество, уходит своими корнями в древнегреческую философию. Возникшие на традиционном шаге развития естествознания химия и молекулярная теория газов разглядывали вещество как совокупа молекул, а в последствии — атомов (для разъяснения хим реакций было нужно предположение о перестройке молекул, а как следует — существовании составляющих ее наиболее маленьких частиц). В конце 19 века сделалось ясно, что атомы сами владеют структурой, так как способны испускать еще наиболее маленькие негативно заряженные частички — электроны. Электронная нейтральность атома добивалась догадки о наличии в нем положительно заряженных частей. Томсоном была предложена модель, согласно которой электроны атома “инкрустированы в упругое положительное желе” и способны совершать в нем гармонические колебания. Невзирая на некую наивность таковой модели, она оказалась очень работоспособной из-за того, что неважно какая система поблизости положения устойчивого равновесия может совершать колебания, которые в грубом приближении можно считать гармоническими.

Атом Томсона — пример неверной (исходя из убеждений нынешнего взора на вещи) модели, приводящей к правильному математическому описанию широкого круга явлений.

Взаимодействие света с веществом (традиционная теория). Как отмечалось, ускоренно передвигающийся заряд (в том числе — совершающий гармонические колебания) испускает электромагнитные волны. Возбуждение вольных колебаний электронов в атоме Томсона приводит к излучению им света. Более всераспространено возбуждение за счет термического движения (лампы накаливания, пламена и т.д.) и при столкновениях с электронами (газоразрядные лампы).

Поглощение света в веществе разъясняется переизлучением энергии световой волны раскачиваемыми ею электронами во различных направлениях и ее частичным переходом в остальные формы (термическую). Определенный механизм кажется очень странноватым исходя из убеждений “здравого смысла” и связан с тем, что при сложении колебаний схожей частоты зависимо от сдвига фаз суммарное качание может иметь как огромную, так и наименьшую амплитуду по сопоставлению с раздельно взятыми слагаемыми (рис. 17_3). Совершающие обязанные колебания в переменном поле световой волны электроны переизлучают электромагнитные волны на той же частоте, но сдвинутые по фазе относительно возбуждающей волны (итог расчетов в рамках механики Ньютона). Эти волны, складываясь с начальной, приводят к последующим эффектам (рис. 17_4):

1. Постепенное затухание начальной волны по мере ее распространения в веществе (поглощение света), происходящее по отлично согласующемуся с тестом закону Бугера:

(1) ,

где К — коэффициент поглощения, пропорциональный надуманной части всеохватывающего показателя преломления вещества, удовлетворительно рассчитываемого способами традиционной физики на базе электродинамики и модели Томсона.

2. Изменение действенной скорости распространения суммарной волны и, как следствие, преломление света на границе 2-ух сред, происходящее по отлично согласующемуся с тестом закону:

(2) ,

где n=v/c — вещественная часть показателя преломления вещества, описывающая отношение фазовой скорости распространения в нем света с скорости света в вакууме.

3. Формирование отраженной волны, распространяющейся под углом, равным углу падения.

4. Появление флуоресценции (излучения в боковых направлениях) в случае образцов маленьких поперечных размеров.

В содержащих вольные электроны сплавах действенные обязанные колебания зарядов вероятны на всех частотах, что разъясняет способность этих веществ отражать свет всех частот и являющийся консистенцией монохроматических белоснежный свет. В диэлектриках электроны соединены с атомами Томсона упругими силами в в согласовании с законами резонанса могут совершать колебания большенный амплитуды лишь на собственных (резонансных) частотах. При падении белоснежного света на такие вещества отлично отражаются только некие гармоники, что приводит к появлению расцветки. Т.о. при рассматривании собственного изображения в зеркале мы в реальности воспринимаем электромагнитное поле вольных электронов слоя сплава, которые совершают колебания под действием волн, переизлучаемых атомами нашего тела.

Электромагнитная теория взаимодействия света с веществом предсказала ряд тяжело наблюдаемых эффектов, для наблюдения которых потребовалась постановка довольно сложных тестов:

1. Двулучепреломление — происходит в анизотропных субстанциях (обычно кристаллах), характеристики которых различаются зависимо от направлений. При распространении световых волн в таковых средах оказываются вероятными две скорости и, как следует, два показателя преломления. В итоге на границах анизотропных сред лучи света, преломляясь, раздваиваются.

2. Световое давление возникает при поглощении либо переизлучении света веществом вследствие взаимодействия передвигающегося электрона с магнитным полем световой волны.

3. Генерация кратных гармоник — возникает из-за нелинейности силы, удерживающей электрон в атоме. Кроме главный частоты принужденных колебаний появляются “обертоны” — двойная, тройная и т.д. частоты, что воспринимается как переизлучение света наиболее больших частот.

4. Самофокусировка света в веществе — возникает вследствие нелинейностей, приводящих к возрастанию показателя преломления при распространении света большенный интенсивности.

5. наличие сигнальной волны, свободно распространяющейся (без поглощения) в веществе со скоростью света в вакууме в протяжении весьма недлинного промежутка времени, пока электроны атомов Томсона не вошли в режим стационарных колебаний (“еще не раскачались”).

Принцип Ферма.

законы отражения и преломления света на границе раздела 2-ух прозрачных сред удовлетворяют наиболее общему принципу Ферма, согласно которому световые лучи в неоднородной среде имеют форму кривых, при движении вдоль которых свет затрачивает экстремальное (малое либо наибольшее) время на распространение меж 2-мя избранными точками посреди нескончаемого огромного количества различных близкорасположенных путей. Принцип Ферма быть может выведен из волновой теории как ее личное следствие и дозволяет верно обрисовывать распространение света в средах с переменным показателем преломления, в вариантах когда само понятие луча имеет смысл. Согласно этому принципу лучи света искривляются в сторону возрастания показателя преломления. Это свойство разъясняет ряд “оптических иллюзий”: миражи — искривление световых лучей в слое нагревшегося у раскаленной поверхности песка либо асфальта воздуха (рис. 17_5), “запаздывание” захода Солнца за горизонт вследствие искривления лучей неоднородной атмосферой (рис. 17_6) и остальные. В случае существования нескольких близких путей, требующих схожего времени распространения света, лучи распространяются по любому из их. На этом основано действие оптической линзы, собирающей испущенный точечным источником света пучок лучей в точку за счет “сглаживания” оптических длин путей (рис. 17_7).

Экстремальные принципы в физике часто вызывают недоумение у любителей “пофилософствовать” на около научные темы. По поводу принципа Ферма задается вопросец, откуда свет понимает о том, какой путь окажется экстремальным? При внимательном рассмотрении становится тривиальной наивность самой постановки вопросца, так как само применяемое при формулировке экстремального принципа понятие светового луча является не наиболее, чем грубой моделью с весьма ограниченной областью применимости. свет, как совокупа электромагнитных волн, “подчиняется” не этому принципу, а системе уравнений Максвелла (которая, очевидно, тоже упрощает реальное положение дел), решение которой в неких вариантах можно наглядно сконструировать в виде принципа меньшего времени. Т.о. “правильными” могли быть вопросцы о том, почему приближенно верна система уравнений Максвелла (т.е. следствием какой наиболее общей теории она является) и почему следствия волновой теории в области применимости геометрической оптики удается сконструировать в виде экстремального принципа.

Ответ на 1-ый вопросец будет дискуссироваться в предстоящем. что касается второго, что хоть какой закон, записываемый в виде математического соотношения

(3) ,

быть может переформулирован как экстремальный принцип. Вправду, введение функцию

(4)

и постановка условия ее экстремальности приводит к выражению

(5) ,

математически эквивалентному (3). В случае геометрической оптики вышло так, что функция G(X) оказалась имеющей обычный физический смысл (время распространения света).

Традиционная механика Ньютона быть может так же сформулирована как следствие экстремального принципа, согласно которому передвигающиеся частички “выбирают” линии движения, надлежащие малой величине функции Лагранжа ( интеграла от деяния):

(6) .

законы движения тел в искривленном пространстве-времени так же были сформулированы в виде экстремального принципа (минимальности собственного времени).

Экстремальные принципы обширно всераспространены в современной физике, так как разрешают формулировать ее законы в очень короткой форме.

Вращение плоскости поляризации света оптически активными субстанциями является примером “нежданного”, но на 1-ый взор очень личного явления природы, следующие размышления над которым привели к выводам, выходящим далековато за рамки геометрической оптики. Линейно поляризованными именуется электромагнитные волны, вектор электронного поля которых постоянно ориентирован вдоль прямой, определяющей направление поляризации (изображенная на рис. 17_1 волна поляризована в направлении “Х”). естественный свет, создаваемый классическими источниками, является хаотической консистенцией маленьких цугов излучения с различной поляризацией. Пропуская таковой свет через поляризатор (устройство, гасящее свет одной из линейных поляризаций), можно получить неполяризованый свет. Как проявили опыты, проделанные сначала века, ряд смесей имеющих био происхождение веществ (сахар, никотин) владеют умопомрачительной способностью поворачивать плоскость поляризации света (к примеру, на Право). Повод для удивления состоял в том, что все известные законы физики были инвариантны относительно операции инверсии, меняющей местами “право” и “лево”, и было совсем неясно, что “принуждает” свет поворачивать плоскость поляризации в определенном направлении. Удивление еще наиболее возросло опосля того, как выяснилось, что искусственно синтезированный сахар не владеет способностью вращать плоскость поляризации. Дальше оказалось, что живы организмы способны усваивать только половину искусственно сделанного сахара, а оставшаяся часть вращает плоскость поляризации в обратном направлении!

Разъяснения естественной оптической активности ряда веществ соединено с явлением пространственной изомерии сложных молекул. На рис. 17_8 приведены примеры пространственных изомеров, переходящих друг в друга при инверсии координат, но не совместимые никакими пространственными вращениями. Независимо от ориентации в пространстве “правовинтовые” молекулы остаются закрученными в правую сторону (на “правый” винт можно наворачивать гайку с правой резьбой хоть какой из ее сторон), что и описывает обозначенную асимметрию оптических параметров ряда веществ. В хим отношении “правые” и “левые” изомеры, как и следовало ждать из симметрии физических законов относительно инверсии, полностью эквивалентны (при искусственном синтезе сахара молекулы обеих модификаций появились в равных количествах). В связи с сиим возникает неувязка поиска обстоятельств асимметрии в субстанциях, имеющих био происхождение. Считается, что ее появление соединено со случайностью и способностью к самокопированию био объектов: опосля появления первой асимметричной молекулы все следующие стали ее повторять, создавая “глобальную асимметрию вещества”, подобно тому, как создание первых винтов и гаек с правой резьбой потом привело к “правому эталону” в технике, невзирая на то, что с физической точки зрения Право— и левовинтовые соединения эквиволентны.

Сравнимо не так давно в физике простых частиц были обнаружены процессы, несимметричные относительно операции инверсии.

]]>