Классическая электромагнитная теория света

Содержание
  1. Электромагнитная теория света
  2. Большая Энциклопедия Нефти и Газа
  3. Фотометрические понятия и единицы. Основные понятия
  4. Фазовые соотношения между падающей, отраженной и преломленной волнами на границе раздела сред
  5. Закон отражения и преломления в электромагнитной теории света
  6. Принцип суперпозиции и интенсивность волн
  7. Свойства электромагнитных волн
  8. Волновое уравнение
  9. Корпускулярно-волновой дуализм световых явлений
  10. Классическая электромагнитная теория света
  11. Истоки и развитие теории света
  12. Дальнейшее становление и совершенствование теории
  13. Труды Максвелла
  14. Волновые свойства света: электромагнитная теория света
  15. Электромагнитная и квантовая теория света
  16. Развитие квантовой теории
  17. Планк и его труды
  18. Световые источники
  19. Детальный разбор люминесценции
  20. Сущность фотолюминесценции
  21. Временные рамки распространения оптического явления
  22. Волновое уравнение
  23. Световая волна

Электромагнитная теория света

Классическая электромагнитная теория света

«В свое время Ньютон был убежден в том, что свет состоит из мельчайших частичек, скорость перемещения которых практически бесконечна, — говорит Т.Редже в предыстории вопроса.

 — Его современник Гюйгенс, напротив, был сторонником волнового механизма распространения света, подобного процессу распространения звука в воздухе или в любой материальной среде.

Непререкаемый авторитет Ньютона не допустил признания гипотезы Гюйгенса.

В 1700 году Юнг, Френель и некоторые другие ученые приступили к исследованию оптических явлений, непонятных с точки зрения представлений Ньютона. Эти явления прямо указывали на волновую природу света.

Как ни парадоксально, но среди этих явлений были и кольца Ньютона, хорошо известные фотографам и возникающие, когда диапозитив помещается между стеклянными пластинами.

Яркая окраска некоторых насекомых также возникает в результате сложных процессов интерференции световых волн, происходящих в тонких слоях жидких кристаллов, расположенных на поверхности тела насекомых».

Однако, несмотря на очевидные успехи волновой механической теории света во второй половине XIX века, она была подвергнута сомнению по двум причинам. Одна — опыты Фарадея, открывшего действие магнитного поля на свет.

Другая — исследования связи между электрическими и магнитными явлениями, которые проводил Максвелл. «Открытие электромагнитной природы света является великолепной иллюстрацией диалектики развития содержания и формы, — пишет П.С. Кудрявцев.

 — Новое содержание — электромагнитные волны — было выражено в старой форме картезианских вихрей.

Несоответствие нового содержания, появившегося в результате развития электромагнетизма, не только старой форме теории дальнодействия, но и механической теории эфира ощущал уже Фарадей, искавший для выражения этого содержания новую форму. Такую форму он усматривал в силовых линиях, которые следовало рассматривать не статически, а динамически. Развитию этой мысли посвящены его работы „Мысли о лучевых вибрациях“ (1846) и „О физических линиях магнитной силы“ (1851).

Открытие Фарадеем в 1845 году связи между магнетизмом и светом явилось новым содержанием в учении о свете и вместе с тем еще раз указывало на строгую поперечность световых колебаний. Все это плохо укладывалось в старую форму механического эфира». Фарадей выдвигает идею силовых линий, в которых происходят поперечные колебания.

«Нельзя ли, — пишет он, — предположить, что колебания, которые в известной теории (волновой теории света. — Прим. авт.) принимаются за основу излучения и связанных с ним явлений, происходят в линиях сил, соединяющих частицы, а следовательно, массы материи в одно целое.

Эта идея, если ее допустить, освободит нас от эфира, являющегося с другой точки зрения той средой, в которой происходят эти колебания».

Ученый указывает, что колебания, происходящие в линиях сил, представляют собой не механический процесс, а новую форму движения, «некий высший тип колебания».

Подобные колебания поперечны и потому могут «объяснить чудесные разнообразные явления поляризации». Они не похожи на продольные звуковые волны в жидкостях и газах.

Его теория, как он говорит, «пытается устранить эфир, но не колебания». Эти магнитные колебания распространяются с конечной скоростью:

«…Появление изменения в одном конце силы заставляет предполагать последующее изменение на другом. Распространение света, а потому, вероятно, всех лучистых действий, требует времени, и чтобы колебание линий силы могло объяснить явления излучения, необходимо, чтобы такое колебание также занимало время».

Поиски новой формы привели ученого к становлению важной идеи поперечных магнитных колебаний, распространяющихся, как и свет, с конечной скоростью. Но это и есть центральная идея электромагнитной теории света — мысль, возникшая еще в 1832 году.

Максвелл отмечал в записке к В.Бреггу: «Электромагнитная теория света, предложенная им (Фарадеем) в „Мыслях о лучевых вибрациях“ (май, 1846) или „Экспериментальных исследованиях“, — это по существу то же, что я начал развивать в этой статье („Динамическая теория поля“ (май, 1865), за исключением того, что в 1846 году не было данных для вычисления скорости распространения».

Подобное признание, однако, не принижает заслуг в исследовании электромагнитного поля Джеймса Максвелла.

Джеймс Максвелл (1831–1879) родился в Эдинбурге. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. Сначала приглашали учителей на дом. Потом решено было отдать Джеймса в новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии. Максвелл окончил академию одним из первых, и перед ним распахнулись двери Эдинбургского университета.

Будучи студентом, Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он и занял второе место.

Молодой бакалавр был оставлен в Кембридже — Тринити-колледже в качестве преподавателя. Однако его волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения — геометрии и проблемы цветов, которой он начал заниматься еще в 1852 году, Максвелл заинтересовался электричеством.

20 февраля 1854 года Максвелл сообщает Томсону о своем намерении «атаковать электричество». Результат «атаки» — сочинение «О Фарадеевых силовых линиях» — первое из трех основных трудов Максвелла, посвященных изучению электромагнитного поля.

Слово «поле» впервые появилось в том самом письме Томсону, но ни в этом, ни в последующем сочинении, посвященном силовым линиям, Максвелл его не употребляет.

Это понятие снова появится только в 1864 году в работе «Динамическая теория электромагнитного поля».

Он публикует две основные работы по созданной им теории электромагнитного поля: «О физических силовых линиях» (1861–1862 годы) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864–1865 годы).

За десять лет Максвелл вырос в крупнейшего ученого, творца фундаментальной теории электромагнитных явлений, ставшей, наряду с механикой, термодинамикой и статистической физикой, одним из устоев классической теоретической физики.

«Трактат по электричеству и магнетизму» — главный труд Максвелла и вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года. Предисловие к «Трактату» датировано 1 февраля 1873 года. Девятнадцать лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом!

Исследования, произведенные Максвеллом, привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость распространения которых в безвоздушном пространстве равна скорости света — 300 000 километров в секунду.

Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.

«Предположение Максвелла о том, что изменения электрического поля влекут за собой возникновение потока магнитной индукции, явилось следующим шагом вперед, — пишет А.А. Коробко-Стефанов. — Таким образом, возникшее переменное электрическое поле вокруг магнитного, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, охватывающее электрическое, которое вновь возбуждает электрическое, и т. д.

Быстропеременные электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, образуют электромагнитное поле. Электромагнитное поле распространяется в пространстве от точки к точке, создавая электромагнитные волны.

Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического и магнитного полей. Напряженность электрического и магнитного полей — величины векторные, так как характеризуются не только величиной, но и направлением.

Векторы напряженности полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к направлению распространения».

Поэтому электромагнитная волна является поперечной.

Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны возникают в том случае, если изменения напряженности электрического и магнитного полей будут происходить очень быстро.

Справедливость максвелловских представлений опытным путем доказал Генрих Герц. В восьмидесятые годы девятнадцатого века Герц приступил к изучению электромагнитных явлений, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров.

Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях.

В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 метров.

Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически.

В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью.

«Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, — писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, — показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики».

Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул.

Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света.

В 1889 году Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей.

Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия.

Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно.

Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение».

В 1890 году Герц опубликовал две статьи: «Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах» и «Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел». Эти статьи содержали исследования о распространении «лучей электрической силы» и, в сущности, давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебники.

Источник: http://indbooks.in/mirror2.ru/?p=379181

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Классическая электромагнитная теория света

Cтраница 1

Классическая электромагнитная теория, однако, предсказывала, что энергия фотоэлектронов должна изменяться СЃ изменением интенсивности падающего излучения Рё РЅРµ должна зависеть РѕС‚ его частоты.  [1]

Классическая электромагнитная теория света не может объяснить многих явлений при взаимодействии света с веществом.

В частности, она дает неправильное соотношение интенсивяоетей между красными и фиолетовыми сателлитами в спектре комбинационного рассеяния.

Элементарные акты взаимодействия света СЃ веществом РЅРѕСЃСЏС‚ квантовый характер, Рё поэтому РјРЅРѕРіРёРµ спектральные закономерности РјРѕРіСѓС‚ быть поняты лишь РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ применения квантовой теории.  [2]

Согласно классической электромагнитной теории свет — это волновое движение, энергия которого меняется пропорционально интенсивности излучения Рё РЅРµ зависит РѕС‚ его частоты.  [3]

Согласно классической электромагнитной теории, осциллятор СЃ определенной частотой излучает волну той же частоты.  [4]

Р’ классической электромагнитной теории столь формально вводимый показатель преломления считается константой, определяемой значениями: Рё С† для исследуемой среды.  [5]

В соответствии с классической электромагнитной теорией энергия испускаемого электрона должна увеличиваться с повышением интенсивности света.

Кроме того, можно было бы ожидать, что если позволить свету падать на поверхность достаточно долго, то электроны будут вылетать независимо от частоты падающего света.

Однако на опыте наблюдалось прямо противоположное.

Повышение интенсивности света совсем РЅРµ увеличивало энергию электронов, РЅРѕ зато вызывало возрастание числа вылетающих электронов, РґР° Рє тому же было замечено, что если частота падающего света РЅРµ превышала некоторой величины, то электроны РЅРµ вылетали РІРѕРІСЃРµ, причем независимо РѕС‚ того, как долго освещалась данная поверхность.  [7]

Если РјС‹ теперь применим классическую электромагнитную теорию Рє задаче Рѕ строении атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, то встретимся СЃ существенными трудностями.  [9]

Экспериментально атомы устойчивы, Р° согласно классической электромагнитной теории электроны РІ атоме Резерфорда должны излучать энергию РїСЂРё обращении РІРѕРєСЂСѓРі него, причем РїРѕ мере ее расходования РѕРЅРё должны спирально приближаться Рє центру. Р’ С…РѕРґРµ такого процесса должен испускаться свет сплошного спектра, Р° этого тоже РЅРµ наблюдается.  [10]

В предшествующих главах своего высшего развития достигла классическая электромагнитная теория, когда она провозгласила, что заряд, движущийся с ускорением, порождает электромагнитное излучение.

Если исходить из резерфордовской модели атома, то электроны в атоме должны согласно той же самой классической теории испускать свет с поистине огромной интенсивностью.

Электрическая лампа обычного размера ( около 100 см3), заполненная водородом, должна испускать несколько сотен ватт лучистой энергии. Совершенно ясно, что ничего подобного случиться не может.

Чтобы разрешить эти трудности, необходим довольно радикальный пересмотр всей физики.  [11]

Эти операторы легко РјРѕРіСѓС‚ быть получены РёР· классической электромагнитной теории.  [12]

Такое соотношение РЅРµ может быть получено РёР· классической электромагнитной теории, которая предсказывает, что энергия фотоэлектронов должна изменяться СЃ интенсивностью, РЅРѕ РЅРµ должна зависеть РѕС‚ частоты.  [14]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id508093p1.html

Фотометрические понятия и единицы. Основные понятия

Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит прежде всего в передаче этому регистрирующему аппарату энергии, переносимой световой волной.

Поэтому, прежде чем рассматривать законы оптических явлений, мы должны составить себе представление об измерении света метрии, которая сводится к измерению энергии, приносимой световой волной, или к измерению величин, так или иначе связанных с этой энергетичес­кой характеристикой Прежде всего необходимо дать определения тем величинам, которые фигурируют в измерительной практике. Их выбор обусловлен особенностями приемных аппаратов, непосред­ственно реагирующих на ту или иную из этих величин, а также воз­можностью осуществления эталонов для воспроизведения этих величин. При формулировке теоретических законов или практи­ческих выводов в разнообразных областях (теория излучения, свето­техника, оптотехника, физиологическая оптика и т. д.) оказывается нередко удобным пользование то одними, то другими из введенных величин.

4 мая 2009  Читать далее »

Фазовые соотношения между падающей, отраженной и преломленной волнами на границе раздела сред

Рассмотрим задачу о прохождении электромагнитной волны через плоскую границу двух диэлектрических сред I и II (одной из них может, в частности ,быть и вакуум). Эта ситуация представлена на рисунке 2.6.1(а), (б) для случая двух различных поляризаций .

Направление электрического и магнитного векторов соответствует правилу, согласно которому k, E, B образуют правую тройку. Мы использовали в качестве магнитного вектора H, поскольку именно для него будем писать соответствующее граничное условие. Заметим, что магнитное поле ориентированно на рис. 2.6.1(а) так же, как электрическое поле на рис.

2.6.1(б) ( с точностью до знака), а на рис. 2.6.1(б) — ортогонально плоскости рисунка. Результаты которые мы получили, можно переносить и на случай искривленной поверхности раздела. Она лишь должна быть гладкой, а радиус кривизны ее должен  многократно превосходить характерный пространственный масштаб электромагнитного поля — длину волны. Т.

о. мы опишем действие на электромагнитную волну , в частности , поверхности линзы.

4 мая 2009  Читать далее »

Закон отражения и преломления в электромагнитной теории света

Закон отражения и преломления света

Когда луч достигает плоской границы раздела двух прозрачных сред, он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается).

Закон отражения света был известен еще грекам.

Он утверждал, что падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела  в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения), причем угол падения  равен углу отражения . (рис. 2.5.1)

3 мая 2009  Читать далее »

Принцип суперпозиции и интенсивность волн

Рассмотрим возмущение, возникающее при одновременном действии двух или нескольких осцилляторов. Простейшая гипотеза , которую можно принять в отношении их совместного действия , заключается в следующем: если  и т.д. — возмущения, производимые  каждым  отдельным осциллятором в какой-либо точке пространства в данный момент времени , а  — результирующее возмущение, то

(2.4.1)

3 мая 2009  Читать далее »

Свойства электромагнитных волн

Система уравнений Максвелла

Приведем законы, которым подчиняется поведение электрического и магнитного полей, лежащие в основе теории электромагнетизма.

Эти законы, являющиеся обобщением опыта, формулируются ниже в интегральной форме, так как именно в таком виде обычно выражаются данные эксперимента.

Используя основные положения векторного анализа, можно записать эти законы электромагнитного поля в дифференциальной форме.

3 мая 2009  Читать далее »

Волновое уравнение

Волновые процессы представляют собой весьма общий класс явлений . Образование волны обусловливается наличием связей между отдельными частями системы , в силу которых понятие изолированного процесса является , конечно, далеко идущей абстракцией.

Сравнительно редки случаи ,когда процесс , протекающий в какой либо части пространства, можно рассматривать как изолированный. Обычно он вызывает соответствующие изменения в соседних точках системы , передавая им некоторое количество энергии . От этих точек возмущение переходит к смежным с ними и т.д., распространяясь от точки к точке , т.е. создавая волну .

В зависимости от природы связей , которые обусловливают указанное взаимодействие , мы имеем волну той или иной природы.

2 мая 2009  Читать далее »

Корпускулярно-волновой дуализм световых явлений

Первые теории о природе света — корпускулярная и волновая — появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света.

Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

Согласно волновой теории свет представляет собой     упругие продольные    волны в особой среде, заполняющей все пространство — светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса.

2 мая 2009  Читать далее »

Источник: https://physoptika.ru/category/elektromagnitnaya-teoriya-sveta

Классическая электромагнитная теория света

Классическая электромагнитная теория света

В физике световые явления являются оптическими, так как относятся к данному подразделу. Действия этого феномена не ограничиваются лишь тем, чтобы окружающие людей предметы были заметны. Кроме этого, солнечное освещение передает тепловую энергию в пространстве, в результате этого тела нагреваются. На основе этого были выдвинуты определенные гипотезы о природе данного явления.

Энергетический перенос осуществляется телами и волнами, распространяющимися в среде, таким образом, излучение состоит из частиц, называемыми корпускулами. Так их назвал Ньютон, после него появились новые исследователи, которые усовершенствовали эту систему, были Гюйгенс, Фуко и пр. Электромагнитная теория света была выдвинута чуть позднее Максвеллом.

Истоки и развитие теории света

Благодаря самой первой гипотезе Ньютоном была сформирована корпускулярная система, где четко разъяснялась сущность оптических явлений. Цветовые различные излучения описывались как структурные составляющие, входящие в эту теорию. Интерференцию и дифракцию объяснил ученый из Голландии Гюйгенс в XVI веке.

Этот исследователь выдвинул и описал теорию света на основе волн. Однако все созданные системы были не оправданы, так как не разъясняли саму сущность и основу оптических явлений. В результате долгих поисков вопросы истинности и подлинности световых излучений, а также их сущность и основа остались нерешенными.

Спустя несколько столетий несколько исследователей под началом Фуко, Френеля начали выдвигать иные гипотезы, благодаря чему выяснилось теоретическое преимущество волн перед корпускулами. Однако и у этой теории были недостатки и недоработки.

По сути, это созданное описание предполагало наличие некоего вещества, которое находится в пространстве, ввиду того, что Солнце и Земля на далеком расстоянии друг от друга.

В случае, если свет свободно падает и проходит через эти объекты, следовательно, в них присутствует поперечные механизмы.

Дальнейшее становление и совершенствование теории

На основе всей этой гипотезы возникли предпосылки для создания новой теории о мировом эфире, который заполняет тела и молекулы. А с учетом особенностей этого вещества оно должно быть твердым, в результате ученые пришли к выводу, что он обладает упругими свойствами.

По сути, эфир должен оказывать влияние на земной шар в пространстве, но этого не происходит. Таким образом, это вещество ничем не оправдано, кроме того, что через него струится световое излучение, и оно обладает твердостью.

На основе таких противоречий данная гипотеза была поставлена под сомнение, лишена смысла и дальнейших исследований.

Труды Максвелла

Волновые свойства света и электромагнитная теория света, можно сказать, стали единым целым, когда Максвелл начал свои исследования. В ходе изучения было обнаружено, что скорость распространения указанных величин совпадают, если находятся в вакууме.

В результате эмпирического обоснования, Максвеллом выдвинута и доказана гипотеза об истинной природе света, которая удачно подтверждалась годами и другими практиками, опытом. Таким образом, в позапрошлом столетии создалась электромагнитная теория света, применяющаяся и сегодня.

Позже она будет признана классической.

Волновые свойства света: электромагнитная теория света

На основе новой гипотезы была выведена формула λ = c/ν, которая указывает на то, что при расчете частоты можно найти длину. Световые излучения являются электромагнитными волнами, но только в том случае, если они ощутимы для человека.

Кроме того, такими можно назвать и к ним относятся с колебанием от 4·1014 до 7,5 · 1014 Гц. В данном диапазоне частота колебаний может варьироваться и цвет излучения разный, причем на каждом отрезке или интервале будет характерный и соответствующий для него цвет.

В результате по частоте указанной величины находится длина волны в вакууме.

При расчете видно, что световое излучение может быть от 400 нм до 700 нм (фиолетовый и красный цвета).

При переходе оттенок и частота сохраняются и зависят от волновой длины, которая меняется на основе скорости распространения и указывается для вакуума.

Электромагнитная теория света Максвелла основана на научном обосновании, где излучение оказывает давление на составляющие тела и непосредственно на него. Правда, позже эта концепция была проверена и доказана эмпирическим путем Лебедевым.

Электромагнитная и квантовая теория света

Излучение и распределение светящихся тел по частотам колебаний не согласуется с законами, которые были выведены из волновой гипотезы.

Подобное утверждение исходит из анализа состава этих механизмов. Физик из Германии Планк попытался найти объяснение такому результату.

Позже он пришел к выводу, что излучение происходит в виде определенных порций – квант, затем эту массу стали называть фотоны.

В результате анализ оптических явлений привел к выводу, что световое испускание и поглощение объяснялись с помощью массового состава.

В то время как те, что распространялись в среде, были разъяснены волновой теорией. Таким образом, чтобы полностью изучить и описать данные механизмы требуется новая концепция.

Причем новая система должна была объяснять и объединять различные свойства света, то есть корпускулярные и волновые.

Развитие квантовой теории

В результате труды Бора, Эйнштейна, Планка были положены в основу этой усовершенствованной структуры, которая была названа квантовой.

На сегодняшний день эта система описывает и поясняет не только классическую электромагнитную теорию света, но и другие разделы физического знания.

По существу, новая концепция легла в основу множества свойств и явлений, протекающих в телах и пространстве, а кроме этого, огромное количество ситуаций предсказала и разъяснила.

По существу, электромагнитная теория света кратко описывается как явление, в основе которого присутствуют различные доминанты.

Например, корпускулярные и волновые переменные оптики имеют связь и выражаются формулой Планка: ε = ℎν, здесь присутствуют квантовая энергия, электромагнитного излучения колебания и их частота, постоянный коэффициент, который не меняется ни для каких явлений.

Согласно новой теории, оптическая система с определенными варьирующимися механизмами состоит из фотонов с силой. Таким образом, теорема звучит так: квантовая энергия прямо пропорциональна электромагнитному излучению и его частотным колебаниям.

Планк и его труды

Аксиома c = νλ, в результате формулы Планка производится ε = hc / λ, так можно прийти к выводу, что указанное выше явление — обратное длине волны при оптическом влиянии в вакууме.

Опыты, проведенные в закрытом пространстве, показали, что пока существует фотон, он будет двигаться по определенной скорости и замедлить свой темп не сможет.

Однако поглощается частицами веществ, которые встретятся ему на пути, в результате происходит взаимообмен, и он исчезает. В отличие от протонов и нейтронов не имеет массы покоя.

Электромагнитные волны и теории света до сих пор не поясняют противоречивые явления, например, в одной системе будут ярко выраженные свойства, а в другой корпускулярные, но, тем не менее, все они объединены излучением. На основе концепции квант существующие свойства присутствуют в самой природе оптической структуры и в общей материи. То есть частицы обладают волновыми свойствами, а эти в свою очередь корпускулярными.

Световые источники

Основы электромагнитной теории света опираются на аксиому, которая гласит: молекулы, атомы тел создают видимое излучение, которое называется источником оптического явления.

Существует огромное количество предметов, производящих этот механизм: лампа, спички, трубки и др.

Причем каждую подобную вещь можно условно разделить на равнозначные группировки, которые определяются по способу накала частиц, реализующих излучение.

Изначальное происхождение свечения происходит из-за возбуждения атомов и молекул ввиду хаотического движения в теле частиц. Это возникает, потому что температура достаточно высока. Излучаемая энергия повышается за счет того, что их внутренняя сила возрастает и накаляется. Такие предметы относятся к первой группе источников света.

Накаливание атомов и молекул возникает на основе летящих частиц веществ, причем это не минимальное скопление, а целый поток. Температура здесь не играет особой роли. Такое свечение называют люминесценцией. То есть оно всегда возникает ввиду того, что тело поглощает внешнюю энергию, вызванную электромагнитным излучением, химической реакцией, протонами, нейтронами и пр.

А источники называются люминесцентными. Определение электромагнитной теории света этой системы звучит следующим образом: если после поглощения телом энергии проходит некоторое время, измеримое опытным путем, и затем оно производит излучение не из-за температурных показателей, следовательно, оно относится к вышеуказанной группе.

Детальный разбор люминесценции

Однако подобные характеристики не полностью описывают эту группу, ввиду того, что она обладает несколькими видами. По сути, после поглощения энергии тела пребывают в накаливании, затем испускают излучение. Время возбуждения, как правило, варьируется и зависит от множества параметров, зачастую не превышает нескольких часов. Таким образом, способ накаливания может быть нескольких типов.

Разреженный газ начинает испускать излучение после того, как через него прошел прямой ток. Такой процесс называется электролюминесценцией. Наблюдается в полупроводниках и светодиодах.

Происходит это таким образом, что пропускание тока дает рекомбинацию электронов и дырок, за счет этого механизма и возникает оптическое явление. То есть, преобразовывается энергия из электрической в световую, обратный внутренний фотоэффект.

Кремний считается инфракрасным излучателем, а фосфид галлия и карбид кремния реализуют видимое явление.

Сущность фотолюминесценции

Тело поглощает свет, а также твердые вещества и жидкости излучают длинные волны, которые отличаются по всем параметрам от изначальных фотонов. Для накала используется ультрафиолетовый накал.

Данный способ возбуждения называется фотолюминесценцией. Возникает оно в видимой части спектра.

Излучение трансформируется, именно этот факт был доказан английским ученым Стоксом в XVIII веке и теперь является аксиоматическим правилом.

Квантовая и электромагнитная теория света описывают концепцию Стокса следующим образом: молекула поглощает порцию излучения, затем передает ее другим частицам в процессе теплообмена, остатки энергии испускают оптическое явление. При формуле hν = hν0 – A, выходит, что частота излучения люминесценции ниже поглощенной частоты, в результате получается, что длина волны больше.

Временные рамки распространения оптического явления

Электромагнитная теория света и теорема классической физики указывают на факт того, что скорость указанной величины велика. Ведь расстояние от Солнца до Земли он проходит за несколько минут. Множество ученых пыталось анализировать прямую линию времени и то, как проходит свет через одно расстояние к другому, но им в основе так это и не удалось.

По сути, электромагнитная теория света основана на скорости, которая является главной константой физики, но при этом не предсказуемой, а возможной. Были созданы формулы, и после проверок выяснилось, что распространение и движение электромагнитных волн зависит от среды пребывания.

Причем, определяется эта переменная абсолютным показателем преломления пространства, где размещается указанная величина.

В любое вещество способно проникнуть световое излучение, в результате магнитная проницаемость понижается, ввиду этого скорость оптики определяется диэлектрической константой.

Источник: https://FB.ru/article/358628/klassicheskaya-elektromagnitnaya-teoriya-sveta

Волновое уравнение

Волновое уравнение для света как электромагнитной волны поучают из системы уравнений Максвелла — если свободных зарядов и токов нет, то для вектора магнитной индукции волновое уравнение в вакууме имеет вид:

где $\triangle =abla \cdot abla $ — оператор Лапласа. Волновое уравнение при аналогичных условиях для вектора напряженности электрического поля световой волны имеет вид:

Часто уравнения (2) и (3) записывают, используя оператор Д' Аламбера ($\square=\triangle -\frac{1}{c2}\frac{{\partial }2}{\partial t2}$), где скорость света в вакууме равна:

В таком случае волновые уравнения (2) и (3) запишутся в виде:

Световая волна

В электромагнитной волне совершают колебания векторы $\overrightarrow{B}\ и\ \overrightarrow{E}$. Из опыта известно, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызваны колебаниями вектора напряженности.

В связи свыше сказанным, чаще всего говорят о световом векторе, имея в виду под ним вектор напряженности электрического поля.

Изменение в пространстве и времени проекции светового вектора на направление распространения волны описывается уравнением:

где $E_m$ — модуль амплитуды светового вектора (для плоской волны $E_m=const,\ $для сферической — $E_m\sim \frac{1}{r}$), $k$ — волновое число, $r$ — расстояние, которое считается вдоль направления распространения волны.

Отношение скорости световой волны в вакууме к фазовой скорости ($v$) в некоторой среде называют абсолютным показателем преломления среды. Обозначают его $n$. Так:

Соответственно, получается из классической электромагнитной теории :

где для подавляющего большинства прозрачных веществ $\mu \approx 1.$ Формула (8) осуществляет связь между оптическими и электромагнитными свойствами вещества. При этом следует помнить, что диэлектрическая проницаемость вещества зависит от частоты колебаний электрического поля. Что объясняет дисперсию света, то есть зависимость показателя преломления от частоты.

Величина показателя преломления ($n$) дает характеристику оптической плотности среды.

Длина волны света в среде ($\lambda $) связывается с длиной волны в вакууме (${\lambda }_0$) соотношением:

Модуль средней (по времени) величины плотности потока энергии, которую переносит световая волна, называется интенсивностью света (I) в данной точке пространства:

где $\overrightarrow{P}$ — вектор Умова — Пойнтинга. Основными единицами измерения интенсивности служат $\left[I\right]=\frac{Вт}{м2}=\frac{лм}{м2}$ (люмен на кв. метр). Так как для модулей амплитуд векторов напряженностей электрического и магнитного полей имеем соотношение:

Из (11) можно записать, что:

Так как $\left|\left\langle \overrightarrow{P}\right\rangle \right|\sim E_mH_m,$ значит, что $I\sim n{E_m}2.$

Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называют лучами. Средний вектор Пойнтинга направлен в каждой точке по касательной к лучу.

Если мы рассматриваем изотропную среду, то направление $\left\langle \overrightarrow{P}\right\rangle $ совпадает с нормалью к волновой поверхности (волновым вектором $\overrightarrow{k}$).

Получается, что лучи перпендикулярны волновым поверхностям.

Пример 1

Задание: Получите волновое уравнение для вектора магнитной индукции световой волны, которая распространяется в вакууме, где нет свободных зарядов и токов из системы уравнений Максвелла и материальных уравнений.

Решение:

Уравнения Максвелла для вакуума, в котором нет свободных зарядов ($\rho =0$) и токов ($\overrightarrow{j}=0$) имеют вид:

\[rot\overrightarrow{H}=\frac{\partial \overrightarrow{D}}{\partial t}\left(1.1\right),\] \[rot\overrightarrow{E}=-\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\left(1.2\right),\] \[div\overrightarrow{B}=0\left(1.3\right),\] \[div\overrightarrow{D}=0\left(1.4\right).\]

материальные уравнения при этом:

\[\overrightarrow{D}={\varepsilon }_0\overrightarrow{E},\ \overrightarrow{B}={\mu }_0\overrightarrow{H}\left(1.5\right).\]

Применим операцию rot к уравнению (1.1), и используем материальные уравнения из системы (1.5), получим:

\[\frac{1}{{\mu }_0}rotrot\overrightarrow{B}={\varepsilon }_0rot\frac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t}\left(1.6\right).\]

В выражении (1.6) можно изменить порядок дифференцирования в правой части выражения, так как пространственные координаты и время — независимые переменные, следовательно, имеем:

\[\frac{1}{{\mu }_0}rotrot\overrightarrow{B}={\varepsilon }_0\frac{\partial }{\partial t}rot\overrightarrow{E}\left(1.7\right).\]

Учтем, что $rotrot\overrightarrow{B}=graddiv\overrightarrow{B}-{abla }2\overrightarrow{B}$ , выражения (1.2) и (1.3), получаем:

\[\frac{1}{{\mu }_0}\left(graddiv\overrightarrow{B}-{abla }2\overrightarrow{B}\right)=-{\varepsilon }_0\frac{\partial }{\partial t}\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}\to {abla }2\overrightarrow{B}-{\mu }_0{\varepsilon }_0\frac{{\partial }2\overrightarrow{B}}{\partial t2}=0.\]

Ответ: ${abla }2\overrightarrow{B}-{\mu }_0{\varepsilon }_0\frac{{\partial }2\overrightarrow{B}}{\partial t2}=0.$

Пример 2

Задание: Для плоской световой волны можно записать, что $\overrightarrow{E}\left(\overrightarrow{r},\ t\right)=\overrightarrow{E_0}{exp \left(-i\left(\omega t-\overrightarrow{k}\overrightarrow{r}\right)\right)(2.

1)\ },\ \overrightarrow{B}\left(\overrightarrow{r},\ t\right)=\overrightarrow{B_0}{exp \left(-i\left(\omega t-\overrightarrow{k}\overrightarrow{r}\right)\right)\ }\left(2.2\right),$ где $\overrightarrow{E_0}=const,\ \overrightarrow{B_0}=const.

$ Покажите, что векторы $\overrightarrow{E}\bot \overrightarrow{B}\bot \overrightarrow{k}$.

Решение:

За основу решения задачи примем систему уравнений Максвелла, записанную в виде:

\[abla \times \overrightarrow{B}={\varepsilon }_0{\mu }_0\frac{\partial \overrightarrow{E}}{\partial t},\ abla \times \overrightarrow{E}=-\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t},\ abla \cdot \overrightarrow{B}=0,\ abla \cdot \overrightarrow{E}=0\left(2.3\right).\]

Подставим выражения (2.1) и (2.1) в уравнения системы (2.3), используя $abla e{i\overrightarrow{k}\overrightarrow{r}}=i\overrightarrow{k}abla e{i\overrightarrow{k}\overrightarrow{r}},\ \frac{\partial }{\partial t}e{-i\omega t}=-i\omega e{-i\omega t}$, получим соотношения:

\[-\overrightarrow{k}\times \overrightarrow{B}=\omega {\mu }_0{\varepsilon }_0\overrightarrow{E}\ \left(2.4\right),\] \[\overrightarrow{k}\times \overrightarrow{E}=\omega \overrightarrow{B}\ \left(2.5\right),\] \[\overrightarrow{k}\cdot \overrightarrow{B}=0\ \left(2.6\right),\] \[\overrightarrow{k}\cdot \overrightarrow{E}=0\ \left(2.7\right).\]

Ответ: Выражения (2.6) и (2.7) показывают, что векторы $\overrightarrow{B}$ и $\overrightarrow{E}$ плоской световой волны перпендикулярны вектору $\overrightarrow{k}$, то есть направлению распространения. Выражение (2.4)и (2.5) указывают на то, что $\overrightarrow{B}$ $\bot $ $\overrightarrow{E}$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/klassicheskaya_elektromagnitnaya_teoriya_sveta/

Booksm
Добавить комментарий