4.1.2. СВЕТОВАЯ ВОЛНА

В световой (электромагнитной) волне колеблются векторы Е и Н (Е – напряженность электрического поля, Н – напряженность магнитного поля). Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. В соответствии с этим мы будем в дальнейшем говорить о световом векторе, подразумевая под ним вектор напряженности электрического поля. О магнитном векторе световой волны мы упоминать почти не будем.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать, буквой А. Соответственно изменение во времени и пространстве светового вектора, будет описываться уравнением:

.

Здесь k –  волновое число, r  –  расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской волны, распространяющейся в непоглощающей среде, A= сопst, для сферической волны А убывает как 1/r  и т. д.

При распространении света в веществе . Для подавляющего большинства прозрачных веществ m практически не отличается от единицы. Поэтому можно считать, что

                        .                                                              (4.1)

Формула (1.1) описывает связь оптических свойств вещества с его электрическими свойствами. На первый взгляд, может показаться, что эта формула неверна. Например, для воды e = 81, а n = 1,33. Однако надо иметь в виду, что значение e = 81 получено из электростатических измерений. В быстропеременных электрических полях значение e получается иным, причем оно зависит от частоты колебаний поля. Этим объясняется дисперсия света, т.е. зависимость показателя преломления (или скорости света) от частоты (или длины волны). Подстановка в формулу (4.1) значения e, полученного для соответствующей частоты, приводит к правильному значению n.

Значения показателя преломления характеризуют оптическую плотность среды. Среда с большим n называется оптически более плотной, чем среда с меньшим n. Соответственно среда с меньшим n называется оптически менее плотной, чем среда с большим n.

Длина волны в вакууме равна:

l0 = cn.

В среде, в которой фазовая скорость световой волны u = с/n, длина волны равна: l = un = c(n n) = l0n.

Таким образом, связь длины световой волны в среде с показателем преломления n с длиной волны в вакууме описывается соотношением:

l= l0n.

Частоты видимого света лежат в пределах n = (0,39  ¸ 0,75)·1015 Гц, соответствующий диапазон длин волн  l  находится в области от 0,76 до 0,4 мкм. Свет с различными длинами волн воспринимается человеческим глазом как свет разных цветов, причем, самые коротковолновые имеют фиолетовый цвет, наибольшую длину волны имеет красный цвет.  Соответственно наибольшая частота у фиолетового, наименьшая частота у красного света (таблица 1).

Таблица 1

Название цвета

Длина волны, мкм

Частота,  ·1015 Гц

Красный

0,76 ¸ 0,60

0,39 ¸ 0,50

Оранжевый

0,60 ¸ 0,58

0,50 ¸ 0,52

Желтый

0,58 ¸ 0,56

0,52 ¸ 0,54

Зеленый

0,56 ¸ 0,51

0,54 ¸ 0,59

Голубой

0,51 ¸ 0,48

0,59 ¸ 0,63

Синий

0,48 ¸ 0,45

0,63 ¸ 0,67

Фиолетовый

0,45 ¸ 0,40

0,67 ¸ 0,75

При распространении света в однородной среде интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды световой волны:

I~A2 .

Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называются лучами.


Световые волны поперечны, они обычно не обнаруживают асимметрии относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете (т.е. свете, испускаемом обычными источниками) имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается около 10-8 с. В течение этого времени успевает образоваться волновой цуг протяженностью примерно 3 м. «Погаснув», атом через некоторое время «вспыхивает» вновь. Одновременно «вспыхивает» много атомов. Возбужденные ими цуги волн, накладываясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Плоскость колебаний для каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений   представлены с равной вероятностью.

Свет, в котором колебания в различных направлениях быстро и беспорядочно сменяют друг друга, называется естественным, а в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (или линейно) поляризованным. Упорядоченность может заключаться и в том, что вектор Е поворачивается вокруг луча, в результате конец вектора Е описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Если конец вектора Е описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.