Дисперсія електромагнітних хвиль. Експериментальні результати
При поширенні електромагнітної хвилі в матеріальних середовищах відбувається зміна характеристик електричного і магнітного полів. Властивості електромагнітних хвиль в матеріальному середовищі описуються за допомогою рівнянь Максвелла.
Оптичне випромінювання є окремим випадком електромагнітного. Як вже зазначалося у розділі 1, діапазон довжин відомих до теперішнього часу електромагнітних хвиль простягається від часток ангстрема (1 ангстрем = 10-10 м) до кілометрових хвиль радіодіапазону. Як виявилося, властивості електромагнітних хвиль в матеріальному середовищі істотно залежать від значення їх довжини хвилі у вакуумі.
Важливою характеристикою матеріального середовища є її абсолютний показник заломлення (див. Розділ 1), який надалі для спрощення термінології ми будемо називати показником заломлення. У найпростіших випадках показник заломлення є речовим числом, більшим одиниці. Показник заломлення характеризує зміну довжини електромагнітної хвилі при попаданні її з вакууму в матеріальне середовище: (довжина електромагнітної хвилі в розглянутій матеріальної середовищі). Таким чином, при проникненні електромагнітної хвилі в матеріальне середовище частота її не змінюється, а довжина хвилі зменшується. Показник заломлення також характеризує процес заломлення світлового променя на межі розділу вакууму і розглянутої матеріального середовища. Крім того, показник заломлення задає значення фазової швидкості поширення електромагнітної хвилі в речовині: (див. Розділ 1). Виконані до теперішнього часу експерименти показали, що швидкість світла у вакуумі практично не залежить від довжини хвилі електромагнітної хвилі, а також від її кругової частоти і становить (- хвильовий вектор хвилі у вакуумі). У різних речовинах фазова швидкість v виявляється різною і змінюється зі зміною довжини хвилі.
Відзначимо, що Ньютон (XVII століття) розглядав процес поширення світлового променя в просторі як рух великого числа класичних частинок – корпускул. Згідно нової теорії Ньютона оптичне випромінювання у вакуумі – це потік частинок (корпускул), що рухаються зі швидкістю світла. У сучасній теорії також у ряді випадків використовується представлення про електромагнітне випромінювання як потоці класичних частинок, що рухаються у вакуумі зі швидкістю. Такі частинки в даний час називаються фотонами. Фотони, що розглядаються як класичні частинки, характеризуються енергією Е і імпульсом. Якщо фотони з вакууму потрапляють в матеріальне середовище, то, відповідно до сучасної теорією, їх швидкість змінюється і залежить від вихідного імпульсу фотона у вакуумі. Відповідно до прийнятої в даний час термінології фотони, що потрапили в матеріальну середу, називають поляритон.
Згідно квантової теорії оптичного випромінювання для енергії Е і імпульсу фотона або поляритону виконуються співвідношення:,, де – постійна Планка, – кругова частота і хвильовий вектор електромагнітної хвилі відповідно. Квантову теорію електромагнітного випромінювання ми будемо розглядати в подальшому, а зараз обмежимося лише класичним розглядом.
Відповідно до класичної теорії Максвелла показник заломлення n в матеріальному середовищі пов’язаний з діелектричної та магнітної проникності співвідношенням: У 1672 р Ньютоном були виконані експериментальні дослідження з вивчення залежності показника заломлення матеріальних середовищ від довжини хвилі. У перших дослідах Ньютона сонячний промінь проходив через невелику прямокутну щілину і потрапляв на скляну призму (див. Рис. 7.1). Після призми встановлювався екран, на якому виявилося розкладання білого пучка світла в спектр, що містить всі кольори веселки: від фіолетового до темно-червоного. Таке явище було названо дисперсією світла. Це явище обумовлене зміною показника заломлення матеріального середовища зі зміною довжини хвилі вихідного електромагнітного випромінювання. Досвід Ньютона можна пояснити наступним чином. Білий промінь світла в дійсності складається з нескінченного числа монохроматичних променів. Відомий оком діапазон довжин хвиль відповідає 0,4 – 0,8 мкм і охоплює всі кольори веселки. Так як показник заломлення скляної призми змінюється з довжиною хвилі, різні монохроматические промені відповідно до закону заломлення світла на межі “повітря-скло” переломлюються по різному: найбільше заломлюється фіолетовий промінь, а найменше – червоний. Це і призводить до спостережуваного ефекту розкладання білого світла в спектр. Залежність показника заломлення від довжини хвилі називають законом дисперсії показника заломлення, або просто дисперсією показника заломлення. У природі дисперсія показника заломлення призводить до відомого явищу веселки. У цьому випадку заломлення світла здійснюється в найдрібніших крапельках води, присутніх в атмосфері. Дисперсія світла має місце не тільки для видимого випромінювання, а й для багатьох інших типів електромагнітних хвиль, зокрема для інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань, невидимих??оком, але реєстрованих електронними детекторами: фотоумножителями, фотодіодами і фотоелементами.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)