Начала Волновой оптики: различия между версиями
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Начата статья |
Разрядка текста |
||
Строка 3:
С точки зрения концепция оптики, как научной дисциплины, оптика эволюционировала от [[Геометрическая |Геометрической ]]или [[Лучевая |Лучевой ]]оптики (нем. Strachlenoptik), основы которой были заложены ещё в Древнем мире [[Герон Александрийский |Героном Александрийским ]]и другими философами, развиты в трудах [[Тихо де Браге]]([[1546]] – [[1601]]), затем дополнены представлениями [[Волновая оптика |Волновой оптики ]](Wellenoptik), начавшейся с догадки [[Христиан Гюйгенс |Христиана Гюйгенса ]]([[1629]]-[[1695]]) о волновой природе света, подтверждённой экспериментами [[Томас Юнг |Томаса Юнга ]]([[1829]]-[[1883]]) и [[Августин Френель|Августина Френеля ]]([[1788]]-[[1827]]) и получившей завершение в теории [[Джеймс Кларк Максвелл |Джеймса Кларка Максвелла]]([[1831]]– [[1879]]), основанной на представлении о свете как волновом процессе, имеющем место в электромагнитном поле. В рамках этих представлений [[Альберт Эйнштейн]]([[1879]]-[[1955]]) создал [[специальная теория относительности|специальную теорию относительности]], основанную на утверждении о существовании конечной скорости распространения электромагнитных волн. Наконец, невозможность объяснения закономерностей температурного излучения и фотоэффекта в рамках теории Максвелла , привела [[Макс Планк|Макса Планка]]([[1858]]-[[1947]]) к идее квантования поля, что привело появлению [[оптика фотонов|оптики фотонов]], и реанимировало догадку [[Исаак Ньютон |Исаака Ньютона ]]([[1643]] -[[1727]]) о том, что свет представляет собой поток частиц.
Наши знания о природе формируются на базе понятий, получаемых в результате опыта. Так получилось, что на своём опыте человек усвоил представления о волне и частице, но для получения представления об излучении, или, что будет рассматриваться как его синоним -о свете, который есть ни то, ни другое, в своей практической деятельности он не имеет однозначного представления. Так возник дуализм "волна-частица", констатирующий и закрепившей на день сегодняшний отсутствие '''единого описания всех''' наблюдаемых свойств света. Этот дуализм стал причиной построения разнообразных моделей, описывающих свойства света, помогающих не только проведению качественного , но и количественного анализа световых явлений, а самое главное - подтверждающихся в рамках своей применимости, на практике.
В оптике, пожалуй даже чаще, чем в остальных разделах физики, придумано множество весьма остроумных моделей, объясняющих то или иное свойство света, но не всех сразу. Виртуозом в этой области был [[Роберт Вуд]].Он и многие не упомянутые здесь учёные, внёсшие свой вклад в развитие оптики и её применение в практике ([[Прикладная оптика]]) использовали более или менее удачные математических и описательные модели ad hoc, как и любые модели имевших определённые границы, в которых они применимы. Классическим образцом популярной описательной модели является планетарная модель атома Резерфорда.
Поэтому для достижения успеха в проведении оптических расчётов недостаточно знать те или иные принятые в оптике закономерности, но и иметь представление о тех границах, за пределами которых они теряют свою справедливость. Иными словами подняться с уровня ''знания'' на уровень ''понимания''.
Возникший дуализм в представлениях о поле излучения не отменил возможности объяснения многих оптических явлений путём решения [[уравнения Максвелла |уравнений Максвелла ]]с учётом конкретных граничных условий.
Корпускулярная теория света достаточно хорошо объясняет квантовые свойства света (фотоэффект), но не годится для объяснения траектории светового луча, что является основной задачей, решаемой в геометрической оптике. В этом случае неизбежно обращение к закономерностям волновой оптики, рассматривающей распространение световой волны и влияние на него оптической неоднородности среды, обусловленной различной скоростью распространения излучения в различных ее областях, вызванных различиями показателя преломления.
Электрический заряд, независимо от того, движется ли он или неподвижен по отношению к системе отсчёта наблюдателя, создаёт в пустом пространстве электрическое (кулоновское) векторное поле интенсивность которого, зависящая от расстояния от заряда (обычно называемая напряженностью E) является вектором, направленным в сторону наиболее быстрого убывания поля. Зависимость силы взаимодействия двух точечных зарядов от расстояния между ними определяется [[закон Кулона|законом Кулона]] Модуль этого вектора E определяется выражением: , где есть [[модуль вектора ]]силы, действующей на заряд , помещенной в это поле. В случае зарядов одноименного знака эта сила стремится удалить заряды друг от друга, в противном случае – сблизить.
Независимо от происхождения силы, она всегда проявляет себя только одним образом: в соответствие со Вторым законом Ньютона она является причиной ускорения a свободного в возможности своего перемещения тела массой , что может быть записано как: .
Из сказанного следует, что заряд связан с материальным носителем и не существует без него. В материальной среде вследствие возникновения в ней эффектов поляризации, интенсивность поля изменяется и вместо напряженности поля принято пользоваться
вектором [[электрическое смещение |электрического смещения ]](электрической индукции), D связанным с E соотношением: , где есть мировая постоянная для электрического поля, - диэлектрическая постоянная среды.
Попутно следует заметить, что в окружаемом мире, если речь не идёт о внутриатомных масштабах, кроме кулоновских сил действуют лишь силы гравитационные, описываемые [[закон всемирного тяготения|законом всемирного тяготения]]. В соответствие с ним модуль силы, которая выглядит как вес тела с массой ,связан с ускорением свободного падения как . Таким образом ускорение свободного падения есть не что иное, как мера интенсивности гравитационного поля или его напряженность, а масса тела представляет собой пробный объект, позволяющий обнаружить и измерить интенсивность поля гравитации в месте её расположения.
Создание единой теории, объединяющей гравитационное и электромагнитное поле в наше время является одним из важнейших направлений теоретической физики.
В системе отсчёта, находящейся в пустом пространстве по отношению к которой заряд находится в движении, т.е. ведёт себя как электрический ток, возникает магнитное поле, интенсивность которого определяется вектором магнитной индукции B, лежащим в плоскости, по отношению к которой заряд движется перпендикулярно. Модуль этого вектора также определяется силой, с которой магнитное поле действует на единичный ток в соответствие с законом Био-Савара-Лапласа, устанавливающего зависимость силы взаимодействия двух параллельно протекающих токов от расстояния между ними.
В среде, обладающей магнитными свойствами между магнитной индукцией B и H B=
[[Майкл Фарадей]]экспериментально установил, что изменение во времени магнитного поля, образованного переменным во времени током создаёт электродвижущую силу, вызывающую движение зарядов (электрический ток). В свою очередь изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление, даже в изоляторе, специфических токов смещения, создающих переменное магнитное поле.
Максвелл составил систему уравнений, объединяющую временной ход упомянутых выше характеристик электромагнитного поля. Важнейшим полученным им результатом в случае рассмотрения [[гармонический осциллятор|гармонического осциллятора]], создающего меняющееся по гармоническому закону с круговой частотой , ( – частота а - период колебаний) электромагнитное поле, стали уравнения для электрической и магнитной составляющей, соответственно:
и
, где есть фаза колебаний.
, где есть фаза колебаний. Эти уравнения описывают волну, распространяющуюся в направлении , в которой напряженности полей меняются синхронно во времени. Рисунок представляет собой «замороженную» картину этой волны для некоторого фиксированного момента времени. Параметр представляет собой волновое число: , где есть длина волны. Поскольку колебания интенсивности происходят для различных составляющих волны во взаимно перпендикулярных плоскостях, то такая монохроматическая волна является плоско поляризованной и поперечной, так как векторы и перпендикулярны направлению распространения волны.▼
Исторически первым источником электромагнитных волн был диполь Герца, использованный Генрихом Герцем для закончившейся для него триумфом попытке экспериментального опровержения теории Максвелла. Это устройство представляло собой гармонический осциллятор, в наше время реализуемый, например, антеннами устройствами радиостанций. [[Изображение: Генерация_электромагнитной_волны.jpg|thumb|right|Условное изображение «замороженной» электромагнитной волны))▼
▲
▲Исторически первым источником электромагнитных волн был диполь Герца, использованный Генрихом Герцем для закончившейся для него триумфом попытке экспериментального опровержения теории Максвелла. Это устройство представляло собой гармонический осциллятор, в наше время реализуемый, например, антеннами устройствами радиостанций. [[Изображение: Генерация_электромагнитной_волны.jpg|thumb|right|Условное изображение «замороженной» электромагнитной волны
До сего времени излюбленной моделью осциллятора в оптике является электрон в планетарной атомной модели Резерфорда, вследствие своего вращения вокруг атомного ядра представляющий собой переменный ток, ведущий, по Максвеллу, к образованию поля излучения. Практическая ценность такой модели не страдает от того, что электрон должен, вследствие потерь энергии на излучение, рано или поздно свалиться на ядро. Однако некоторые атомы существуют вечно.
Поскольку уравнения Максвелла линейны по отношению ко входящим в них переменным, любая сумма решений этих уравнений тоже является их решением. В этом находит своё теоретическое обоснование экспериментально наблюдаемый факт независимости электромагнитных волн, которые могут проходить через одну и ту же область пространства, не меняя направления своего распространения, своей частоты, магнитуды и , а также плоскости поляризации. Решениям уравнений Максвелла свойственна также инвариантность по отношению к движению по стреле времени. Из этого, например, следует свойство обратимости хода светового луча, который распространяется в обратную сторону по тому же пройденному им ранее пути. Однако имеется возможность с помощью использования эффекта Фарадея обеспечить распространение волны лишь в одном направлении и нарушить эту обратимость хода.
Из решений уравнений Максвелла следует, что в вакууме скорость распространения электромагнитной волны связана с фундаментальными константами электрического и магнитного полей соотношением: . С 1983 года и по настоящее время принято считать, что . Из уравнений Максвелла непосредственно следует, что при распространении света в среде, характеризуемо своей диэлектрической постоянной и магнитной проницаемостью происходит замедление света при его распространении в среде и скорость распространения излучения становится равной: , где есть показатель преломления среды. Поскольку скорость света представляет собой наивысшую скорость, достигаемую в природе, то реальный показатель преломления любого вещества всегда больше единицы.
Существование общепринятого и универсального термина «скорость света» делает излишними претензии педантов на неправомочность использования любых терминов, содержащих слово «свет», для описания характеристик поля электромагнитного излучения за пределами [[область спектральной чувствительности глаза|области спектральной чувствительности глаза]]. Все опасения о возможных ошибках снимаются после упоминания единиц измерения этих характеристик (энергетических или световых).
Существенно, что длина волны зависит от показателя преломления среды, а частота не зависит. По крайней мере, до тех пор, пока интенсивность света не станет настолько высокой, что начнут сказываться нелинейные эффекты. Многие оптические среды (но не все) не обладают магнитными свойствами, Для них .Плотность энергии электрического поля , а магнитного - Из уравнений Максвелла следует, что для неподвижного наблюдателя выполняется соотношение ( ). Отсюда непосредственно следует, что электрическая и магнитная составляющие волны создают в одном и том же месте пространства равные значения плотности энергии: .
Доля энергии, переносимой волной электромагнитного излучения через площадку , перпендикулярную направлению распространения волны за время равна произведению плотности энергии волны на величину объема пространства, пройденного волной за это время: , а плотность мощности , переносимой через поперечное сечение потока энергии равняется , где есть плотность энергии, переносимой волной. На основании сказанного выше получается, что, , что является выражением для модуля вектора Умова-Пойнтинга и его определения, как фотометрической величины, являющейся результатом векторного произведения E и H:
S = E x H
| |||