Фізична оптика (стр. 1 из 5)

Реферат з теми:

ФІЗИЧНА ОПТИКА

1. Природа світла і закони його розповсюдження

Фізичною оптикою звичайно називають науку, пов'язану з вивченням природи оптичного випромінювання, законів його розповсюдження і взаємодії з іншими матеріальними об'єктами. Оптичне випромінювання, зумовлене коливаннями вхідних до складу речовин електронів і іонів, володіє одночасно корпускулярними і хвильовими властивостями. На базі вивчення цих властивостей розроблені корпускулярна (квантова) і хвильова (електромагнітна) теорії світла. Ці теорії не можна протиставляти одна одній, і лише в своїй сукупності вони дозволяють пояснити всі відомі оптичні явища. Хвильова теорія добре пояснює дифракцію, інтерференцію і поляризацію світла. За допомогою квантової теорії зручно описувати поглинання світла, фотоефект і різні енергетичні характеристики випромінювання. Деякі явища, наприклад тиск світла, можна пояснити в рамках як тієї, так і іншої теорії.

Основу хвильової теорії складає система чотирьох диференціальних рівнянь Максвелла, які описують у взаємозв'язку диференціальні властивості напруженості електричного

і магнітного полів, електричного зміщення , магнітної індукції і щільності електричного заряду r. У систему рівнянь Максвелла також входять матеріальні рівняння, що характеризують поведінку різних середовищ в електромагнітному полі:

; ; , (1)

де e – відносна діелектрична проникність середовища;

– електрична постійна вакууму;

m – відносна магнітна проникність середовища;

– магнітна постійна вакууму;

– щільність електричного струму;

g – питома провідність.

На межі розподілу двох середовищ для рівнянь електромагнітного поля виконуються граничні умови, з яких найбільш широко використовується рівність в будь-який момент часу по обидві сторони межі розподілу тангенціальних складових

і , тобто

; ,(2)

де індекси 1 і 2 відносяться до першого і другого середовищ відповідно.

Рисунок 1 – Напрямок коливань векторів Е і Н у вільній електромагнітній хвилі

З урахуванням матеріальних рівнянь і граничних умов система рівнянь Максвелла є повною і дозволяє вивчити всі властивості електромагнітного поля. З системи рівнянь Максвелла випливає, що змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле і навпаки. У результаті в просторі розповсюджується змінне електромагнітне поле, зване електромагнітними хвилями. Такі хвилі розповсюджуються як у вакуумі, так і в різних середовищах.

Електромагнітну хвилю у вакуумі можна охарактеризувати двома векторами

і . Електромагнітні хвилі є поперечними, тобто коливання векторів і здійснюються у взаємно перпендикулярних напрямах, які в свою чергу перпендикулярні напряму поширення хвилі. Вектори і напрям поширення хвилі утворять праву трійку векторів. Вільна електромагнітна хвиля, що розповсюджується вздовж осі , яку називають хвилею, що біжить, зображена на рис. . Вектори і в такій хвилі синфазні, тобто вони одночасно і в одних і тих же точках простору досягають максимального і мінімального значень, причому

(3)

Поширення хвиль відбувається відповідно до хвильового рівняння, що має такий вигляд:

, (4)

де

або ; n – швидкість поширення хвилі.

Електромагнітна хвиля переносить енергію. Цей процес зручно пояснити за допомогою вектора Пойнтінга

, пов'язаного з векторами і векторним твором:

(5)

Напрям вектора Пойнтінга співпадає з напрямом поширення енергії випромінювання, а абсолютне значення дорівнює відношенню потужності випромінювання, що проходить крізь перпендикулярну до напряму вектора поверхню, до площі цієї поверхні, тобто являє собою щільність потоку енергії. Відповідний направлений відрізок, співпадаючий у напрямі у вибраній точці простору з вектором Пойнтінга, характеризує світловий промінь, який є основним поняттям геометричної оптики.

Квантова теорія світла базується на припущенні про те, що енергія випромінюючих атомів і молекул може змінюватися не на будь-яке значення, а тільки на окремі порції, і тому кожна молекула при променеспусканні може виділяти тільки ціле число таких порцій. Це припущення було зроблено на початку XX ст. М. Планком і отримало подальший розвиток в працях А. Ейнштейна. Порції світлової енергії, що випромінюються, існують у вигляді нейтральних часток, які називають світловими квантами або фотонами. При взаємодії з речовиною фотони світла поглинаються і їх енергія передається елементарним часткам речовини. Таким чином, з позицій хвильової теорії світло – це електромагнітні хвилі, а згідно з квантовою теорією – це потік фотонів. У найпростішому випадку один фотон можна зіставити з плоскою монохроматичною хвилею, причому енергія фотона – квант

і частота хвилі n пов'язані таким співвідношенням:

(6)

де

– постійна Планка.

Співвідношення (6) дозволило зрозуміти багато явищ, що нез'ясовні з позицій хвильової теорії. До таких явищ відноситься, наприклад, фотоелектричний ефект, при якому не відбувається передачі окремій частці енергії, пропорційної інтенсивності світла, як цього вимагає хвильова теорія: повідомлена часткам енергія визначається лише частотою оптичного випромінювання. Представлення світла у вигляді хвилі і корпускул не виключає одне інше і є наближеним описом одних і тих же процесів, причому квантово-хвильовий дуалізм властивий природі загалом. У одних випадках більшою мірою виявляються корпускулярні властивості і зручніше користуватися поняттям частки. В інших випадках сильніше виявляються хвильові властивості матерії і доцільніше користуватися хвильовими уявленнями.

При розв’язанні більшості задач прикладної оптики корпускулярними властивостями оптичного випромінювання можна нехтувати. Виключенням є лише питання, пов'язані з описом механізму випромінювання джерел світла. Більше того для розгляду різних прикладних питань хвильову теорію можна використати в спрощеному варіанті і вважати світлову хвилю не векторною, а скалярною хвилею, що переносить деяке світлове обурення. Це дозволяє успішно пояснити інтерференцію і дифракцію світла, і лише у разі вивчення поляризації необхідно використати властивості поперечности світлових хвиль. Розрахунок оптичних систем найбільш зручно виконувати за допомогою представлень геометричної оптики, основним поняттям якої є світловий промінь, що підкоряється законам відображення і заломлення.

2. Світлові хвилі. Поляризація світла

Будь-які хвилі, включаючи електромагнітні, утворюються за одним загальним принципом. Обурення, що виникає в будь-якій точці у відомий момент часу, виявляється пізніше на деякій відстані від початкової точки. У електромагнітній хвилі обуреннями є вектори

і . Найпростіша електромагнітна хвиля це плоска хвиля, в якій вектори і залежать тільки від часу і однієї декартової координати. Оскільки у вільній хвилі вектори і змінюються синфазно, досить розглядати тільки електричну складову хвилі (вектор ), що має певне фізичне значення, оскільки взаємодія випромінювання з речовиною визначається в основному електричним, а не магнітним полем. Якщо вектор змінюється згідно з гармонічним законом, тобто зміни його модуля описуються синусоїдальною функцією, хвилю називають монохроматичною.