Lumina este ca o undă electromagnetică. Viteza luminii. Interferența luminii: experiența lui Young; culori de film subțire. Lumina este, de asemenea, unde electromagnetice.
Conform teoriei undelor, lumina este o undă electromagnetică.
Radiații vizibile(lumină vizibilă) - radiație electromagnetică percepută direct de ochiul uman, caracterizată prin lungimi de undă în intervalul 400 - 750 nm, care corespunde unui interval de frecvență de 0,75 10 15 - 0,4 10 15 Hz. Radiația luminii de diferite frecvențe este percepută de o persoană ca culori diferite.
Radiatii infrarosii- radiația electromagnetică care ocupă regiunea spectrală dintre capătul roșu lumina vizibila(cu o lungime de undă de aproximativ 0,76 microni) și emisie radio de unde scurte (cu o lungime de undă de 1-2 mm). Radiația infraroșie creează o senzație de căldură, motiv pentru care este adesea numită radiație termică.
Radiația ultravioletă- radiatii electromagnetice invizibile pentru ochi, ocupand regiunea spectrala dintre vizibil si raze Xîn lungimi de undă de la 400 la 10 nm.
Undele electromagnetice- oscilaţii electromagnetice (câmp electromagnetic) care se propagă în spaţiu cu o viteză finită în funcţie de proprietăţile mediului (în vid - 3∙10 8 m/s). Caracteristicile undelor electromagnetice, legile excitației și propagării lor sunt descrise de ecuațiile lui Maxwell. Natura propagării undelor electromagnetice este afectată de mediul în care se propagă. Undele electromagnetice pot experimenta refracția, dispersia, difracția, interferența, reflexia internă totală și alte fenomene inerente undelor de orice natură. Într-un mediu omogen și izotrop, departe de sarcini și curenți care creează un câmp electromagnetic, ecuațiile de undă pentru undele electromagnetice (inclusiv lumina) au forma:
unde și sunt permeabilitățile electrice și, respectiv, magnetice ale mediului, și sunt constantele electrice și, respectiv, magnetice, și sunt puterile electrice și camp magnetic, 
este operatorul Laplace. Într-un mediu izotrop, viteza de fază de propagare a undelor electromagnetice este egală cu 
Propagarea undelor electromagnetice (luminoase) monocromatice plane este descrisă de ecuațiile:
kr
; 
kr
(6.35.2)
unde și sunt amplitudinile oscilațiilor câmpului electric și respectiv magnetic, k
este vectorul de undă, r
este vectorul rază al punctului,
- frecvența circulară a oscilațiilor,
este faza initiala a oscilatiilor in punctul cu coordonata r= 0. Vectori E
Și H
oscilează în aceeași fază. O undă electromagnetică (luminoasă) este transversală. Vectori E
,
H
,
k
sunt ortogonale între ele și formează un triplet drept de vectori. Valori instantanee
și în orice moment sunt legate prin relație 
Având în vedere că efectul fiziologic asupra ochiului are câmp electric, ecuația unei unde luminoase plane care se propagă în direcția axei poate fi scrisă după cum urmează:
Viteza luminii în vid este
. (6.35.4)
Raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un mediu se numește indicele absolut de refracție al mediului:
(6.35.5)
La trecerea de la un mediu la altul, viteza de propagare a undei și lungimea de undă se modifică, frecvența rămâne neschimbată. Indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul este raportul
unde și sunt indicii de refracție absoluti ai primului și celui de-al doilea mediu și sunt viteza luminii în primul și, respectiv, al doilea mediu.
1. Lumină - unde electromagnetice
Teoria electromagnetică a luminii provine din lucrările lui Maxwell. Teoria electromagnetică a luminii se bazează pe faptul că viteza luminii coincide cu viteza de propagare a undelor electromagnetice.
Din teoria lui Maxwell a rezultat că undele electromagnetice sunt transversale. Până în acel moment, non-periferia undelor luminoase fusese deja demonstrată experimental. Prin urmare, Maxwell a considerat în mod rezonabil transversalitatea undelor electromagnetice ca o altă dovadă importantă a validității teoriei electromagnetice a luminii.
După ce Hertz a primit experimental unde electromagnetice și a măsurat viteza acestora, teoria electromagnetică a luminii a fost confirmată experimental pentru prima dată. S-a demonstrat că în timpul propagării undele electromagnetice prezintă aceleași proprietăți ca undele luminoase: reflexie, refracție, interferență, polarizare etc. sfârşitul XIX-lea V. S-a stabilit în cele din urmă că undele luminoase sunt excitate de particulele încărcate care se mișcă în atomi.
Odată cu recunoașterea teoriei electromagnetice a luminii, toate dificultățile asociate cu necesitatea introducerii unui mediu ipotetic - eterul, care trebuia considerat ca fiind solid. Undele luminoase nu sunt unde mecanice într-un mediu special care pătrunde totul - eter, ci unde electromagnetice. Procese electromagnetice nu respectați legile mecanicii, ci legile electromagnetismului. Aceste legi au fost stabilite în forma lor finală de Maxwell.
Într-o undă electromagnetică, vectorii și sunt perpendiculari unul pe celălalt. ÎN lumina naturala fluctuațiile intensității câmpului electric și inducției magnetice apar în toate direcțiile perpendiculare pe direcția de propagare a undei. Dacă lumina este polarizată, atunci oscilațiile vectorilor și nu apar în toate direcțiile, ci în două planuri specifice. Unda electromagnetică prezentată în figura 7.1 este polarizată.
Se ridică o întrebare firească: dacă vorbim despre direcția oscilațiilor într-o undă luminoasă, apoi, de fapt, ale căror vector - sau - se referă la oscilațiile? Experimentele special organizate au demonstrat că un câmp electric acționează asupra retinei sau emulsiei fotografice.
undă de lumină. În acest sens, direcția vectorului intensității câmpului electric este luată ca direcție a oscilațiilor într-o undă luminoasă.
Descoperirea teoriei electromagnetice a luminii este una dintre puținele descoperiri făcute la vârful unui stilou, adică teoretic.
Teoria electromagnetică a primit recunoașterea universală, însă, numai după confirmarea ei experimentală.
2. Interferența undelor mecanice
Adăugarea de valuri. Foarte adesea mai multe valuri diferite se propagă simultan în mediu. De exemplu, atunci când mai multe persoane vorbesc într-o cameră, atunci unde sonore sunt suprapuse una peste alta. Ce se întâmplă?
Cel mai simplu mod de a urmări suprapunerea undelor mecanice este observarea undelor de la suprafața apei. Dacă aruncăm două pietre în apă, formând astfel două valuri circulare, atunci se va putea observa că fiecare val trece prin cealaltă și se comportă mai departe de parcă cealaltă undă nu ar exista deloc. În mod similar, orice număr de unde sonore se pot propaga simultan prin aer fără a interfera unele cu altele. O multime de instrumente muzicaleîntr-o orchestră sau voci într-un cor creează unde sonore care sunt captate simultan de urechea noastră. În plus, urechea poate distinge un sunet de altul.
Acum să aruncăm o privire mai atentă la ceea ce se întâmplă în locurile în care undele se suprapun. Observând valurile de la suprafața apei de la două pietre aruncate în apă, se poate observa că unele părți ale suprafeței nu sunt deranjate, în timp ce în alte locuri perturbarea s-a intensificat. Dacă două valuri se întâlnesc într-un loc cu crestele lor, atunci în acest loc crește perturbarea suprafeței apei. Dacă, dimpotrivă, creasta unui val se întâlnește cu jgheabul altuia, atunci suprafața apei nu va fi perturbată.
În general, în fiecare punct al mediului, oscilațiile cauzate de două unde pur și simplu se adună. Deplasarea rezultată a oricărei particule din mediu
este suma algebrică a deplasărilor care au avut loc
în timpul propagării uneia dintre unde în absenţa celeilalte.
Interferență. Adăugarea în spațiul undelor, în care se formează o distribuție constantă în timp a amplitudinilor oscilațiilor rezultate ale particulelor mediului, se numește interferență.
Să aflăm în ce condiții se observă interferența undelor. Pentru a face acest lucru, să luăm în considerare mai detaliat adăugarea de valuri formate la suprafața apei.
Este posibilă excitarea simultană a două unde circulare în baie cu ajutorul a două ptarikov montate pe o tijă, care efectuează oscilații armonice (Fig. 8.43). În orice punct M de pe suprafața apei (Fig. 8.44), se vor aduna oscilațiile cauzate de două valuri (din sursele O 1 și O 2). Amplitudinile oscilațiilor cauzate în punctul M de ambele unde vor diferi, în general, deoarece undele parcurg căi diferite d 1 și d 2 . Dar dacă distanța I dintre surse este mult mai mică decât aceste căi, atunci ambele amplitudini pot fi considerate practic la fel.
Rezultatul adunării undelor care ajung în punctul M depinde de diferența de fază dintre ele. După ce au depășit diferite distanțe d 1 și d 2, undele au o diferență de drum d = d 2 - d 1 . Dacă diferența de cale este egală cu lungimea de undă, atunci a doua undă este întârziată în comparație cu prima cu o perioadă (în timpul perioadei în care unda parcurge o cale egală cu lungimea de undă). În consecință, în acest caz, crestele (precum și jgheaburile) ambelor valuri coincid. 
Stare maxima. Figura 8.45 arată dependența de timp a deplasărilor x 1 și x 2 de unde la d = . Diferența de fază a oscilațiilor este egală cu zero (sau, ceea ce este același, 2, deoarece perioada sinusului este 2). Ca urmare a adunării acestor oscilații, apar oscilațiile rezultate cu o amplitudine dublată. Fluctuații ale deplasării rezultate x din figură
arătat cu o linie întreruptă colorată.
1 Din cuvintele latine inter - reciproc, între mine și ferio lovesc, lovesc
Același lucru se va întâmpla dacă nu unul, dar orice număr întreg de lungimi de undă se potrivește pe segmentul d.
Amplitudinea oscilațiilor particulelor mediului într-un punct dat este maximă dacă diferența dintre căile a două unde care excită oscilațiile în acest punct este egală cu un număr întreg de lungimi de undă:
unde k = 0, 1, 2, ... .
Stare minima. Lăsați acum jumătate din lungimea de undă să se potrivească pe segmentul Ad. Evident, în acest caz, al doilea val rămâne în urma primului cu jumătate de perioadă. Diferența de fază se dovedește a fi egală cu l, adică oscilațiile vor avea loc în antifază. Ca urmare a adunării acestor oscilații, amplitudinea oscilațiilor rezultate este zero, adică nu există oscilații în punctul considerat (Fig. 8.46). Același lucru se va întâmpla dacă pe segment se potrivește orice număr impar de semi-unde.
Amplitudinea oscilațiilor particulelor mediului într-un punct dat este minimă dacă diferența dintre căile a două unde care excită oscilațiile în acest punct este egală cu un număr impar de semi-unde:
Dacă diferența de cale d 2 - d 1 ia o valoare intermediară între atunci amplitudinea oscilațiilor rezultate ia o valoare intermediară între amplitudinea dublată și zero. Dar important este că amplitudinea oscilațiilor în orice punct nu se modifică în timp. La suprafața apei are loc o anumită distribuție, invariabilă în timp, a amplitudinilor de oscilație, care se numește model de interferență. Figura 8.47 prezintă o fotografie a modelului de interferență pentru două unde circulare din două surse (cercuri negre). Zonele albe din mijlocul fotografiei corespund înaltelor swing, în timp ce zonele întunecate corespund minimelor.
unde coerente. Pentru formarea unui model de interferență stabil, este necesar ca sursele de undă să aibă aceeași frecvență și diferența de fază a oscilațiilor lor să fie constantă.
Se numesc sursele care îndeplinesc aceste două condiții coerent 1 . Undele create de ei se mai numesc și coerente. Numai atunci când se adaugă unde coerente se formează un model de interferență stabil.
Dacă diferența de faze ale oscilațiilor surselor nu rămâne constantă, atunci în orice punct al mediului diferența de faze ale oscilațiilor excitate de două unde se va modifica în timp. Prin urmare, amplitudinea oscilațiilor rezultate se va schimba continuu în timp. Ca rezultat, maximele și minimele se mișcă în spațiu, iar modelul de interferență este neclar.
Distribuția energiei în timpul interferenței. Valurile transportă energie. Ce se întâmplă cu această energie atunci când undele sunt anulate unele de altele? Poate se transformă în alte forme, iar căldura este eliberată în minimele modelului de interferență? Nimic de genul asta!
Prezența unui minim într-un punct dat în modelul de interferență înseamnă că energia nu intră deloc aici. Din cauza interferențelor
are loc o redistribuire a energiei în spațiu. Nu este distribuit uniform pe toate particulele mediului, ci este concentrat în maxime datorită faptului că nu intră deloc în minime.
1 De la cuvântul latin cohaereus - legat.
Descoperirea modelului de interferență demonstrează că observăm un proces ondulatoriu. Valurile se pot anula reciproc, iar particulele care se ciocnesc nu se distrug niciodată complet unele pe altele. Numai undele coerente (potrivite) interferează.
Tânărul Toma (1773-1829) - Om de știință englez cu o amploare neobișnuită de interese științifice și versatilitate a talentelor. În același timp, un celebru medic și fizician cu o mare intuiție, un astronom și un mecanic, un metalurgist și un egiptolog, un fiziolog și un poliglot, un muzician talentat și chiar o gimnastă capabilă. Principalele sale merite sunt descoperirea interferenței luminii (el a introdus termenul de „interferență” în fizică) și explicarea fenomenului de difracție pe baza teoriei undelor. El a fost primul care a măsurat lungimea de undă a luminii.
Nu se observă nicio imagine stabilă cu o anumită distribuție a maximelor și minimelor de iluminare în spațiu.
Interferență în pelicule subțiri. Cu toate acestea, interferența luminii poate fi observată. Deși a fost observat foarte mult timp, pur și simplu nu au acordat nicio importanță acestui lucru.
Și tu ai văzut tiparul de interferență de multe ori când, în copilărie, te distrai suflând bule de săpun sau priveai revărsarea irizată de culori a unei astfel de pelicule de kerosen sau ulei pe suprafața apei.
„Un balon de săpun care plutește în aer... se luminează cu toate nuanțele de culori inerente obiectelor din jur. Balonul de săpun este poate cel mai rafinat miracol al naturii” (Mark Twain). Este interferența luminii care face bule de sapun atât de admirabil.
Omul de știință englez Thomas Young a fost primul care a venit cu o idee genială despre posibilitatea de a explica culorile peliculelor subțiri prin adăugarea undelor 1 și 2 (Fig. 8.48), dintre care unul (1) este reflectat de pe suprafața exterioară a filmul, iar celălalt (2) din cel interior. În acest caz, are loc interferența undelor luminoase - adăugarea a două unde, în urma căreia se observă în timp un model stabil de amplificare sau slăbire a vibrațiilor luminoase rezultate în diferite puncte din spațiu. Rezultatul interferenței (întărirea sau slăbirea oscilațiilor rezultate) depinde de unghiul de incidență a luminii pe film, de grosimea acesteia și de lungimea de undă a luminii. Amplificarea luminii va avea loc dacă unda refractată 2 rămâne în urmă cu unda reflectată 1 cu un număr întreg de lungimi de undă. Dacă a doua undă rămâne în urmă cu o jumătate de lungime de undă sau cu un număr impar de semi-unde, atunci lumina va fi atenuată.
1 Excepție fac sursele de lumină cuantică, laserele, create în 1960.
Coerența undelor reflectate de pe suprafețele exterioare și interioare ale filmului rezultă din faptul că sunt părți ale aceluiași fascicul de lumină. Trenul de unde de la fiecare atom radiant este împărțit de film în două trenuri, apoi aceste părți sunt reunite și interferează.
Jung a mai realizat că diferența de culoare se datorează diferenței de lungime de undă (sau frecvență) undelor luminoase. Fascicule de lumină de diferite culori corespund undelor cu lungimi de undă diferite. Pentru amplificarea reciprocă a undelor care diferă unele de altele ca lungime de undă (unghiuri
se presupune că sunt aceleași), sunt necesare grosimi diferite ale peliculei. În consecință, dacă filmul are o grosime inegală, atunci când este iluminat cu lumină albă, diverse culori.
inelele lui Newton. Un model de interferență simplu apare într-un strat subțire de aer între o placă de sticlă și o lentilă plan-convexă plasată pe ea, a cărei suprafață sferică are o rază mare de curbură. Acest model de interferență are forma unor inele concentrice, numite inele lui Newton.
Luați o lentilă plan-convexă cu o mică curbură a suprafeței sferice și plasați-o convex în jos pe placa de sticlă.
Examinând cu atenție suprafața plană a lentilei (de preferință printr-o lupă), veți găsi în punctul de contact dintre lentilă și placă. pată întunecată iar în jurul lui se află un set de mici inele irizate (vezi fig. III, 1 pe insertul color). Acestea sunt inelele lui Newton. Newton le-a observat și studiat nu numai în lumină albă, ci și atunci când lentila a fost iluminată cu un fascicul monocromatic (monocromatic). S-a dovedit că razele inelelor cu același număr de serie cresc la trecerea de la capătul f-pol al spectrului la cel roșu; inelele roșii au o rază maximă. Distanțele dintre inelele adiacente scad pe măsură ce razele lor cresc (vezi Fig. III, 2, 3 pe insertul color).
Newton nu a putut explica în mod satisfăcător de ce apar inelele. Jung a reușit. Să urmăm cursul raționamentului său. Ele se bazează pe presupunerea că lumina sunt unde. Luați în considerare cazul când o undă de o anumită lungime de undă este incidentă aproape perpendicular pe o lentilă plan-convexă (Fig. 8.49). Valul 1 apare ca rezultat al reflectării de pe suprafața convexă a lentilei la interfața sticlă-aer, iar valul 2 - ca rezultat al reflexiei de pe placă la interfața aer-sticlă. Aceste unde sunt coerente: au aceeași lungime de undă și o diferență de fază constantă, ceea ce are loc datorită faptului că unda 2 parcurge o distanță mai mare decât valul 1. Dacă a doua undă rămâne în urmă cu prima undă cu un număr întreg de lungimi de undă, atunci, adunând, undele se amplifică reciproc. 
Dimpotrivă, dacă a doua undă rămâne în urma primului cu un număr impar de semi-unde, atunci oscilațiile cauzate de acestea se vor produce în faze opuse, iar undele se vor anula reciproc.
Dacă se cunoaște raza de curbură R a suprafeței convexe a lentilei, atunci este posibil să se calculeze la ce distanțe de la punctul de contact al lentilei cu placa de sticlă diferențele de cale sunt astfel încât undele de o anumită lungime de undă anulează fiecare alte. Aceste distanțe sunt razele inelelor întunecate ale lui Newton. La urma urmei, linii de grosime constantă a aerului
straturile sunt cercuri. Măsurând razele inelelor, se pot calcula lungimile de undă.
Lungimea undei luminoase. În urma măsurătorilor, s-a constatat că pentru lumina roșie kp = 8 . 10 -7 m, iar pentru violet - f \u003d 4. 10 7 m. Lungimile de undă corespunzătoare altor culori ale spectrului iau valori intermediare. Pentru orice culoare, lungimea de undă a luminii este foarte scurtă. Să explicăm asta în exemplu simplu. Imaginați-vă o medie val de mare o lungime de undă de câțiva metri, care a crescut atât de mult încât a ocupat tot Oceanul Atlantic de la coasta Americii până în Europa. Lungimea de undă a luminii, mărită în aceeași proporție, ar depăși doar puțin lățimea acestei pagini.
În cazul curenților constanți sau al distribuțiilor de sarcină care se modifică lent în timp, concluziile din ecuațiile lui Maxwell sunt practic aceleași cu concluziile din acele ecuații de electricitate și magnetism care existau înainte de introducerea curentului de deplasare de către Maxwell. Totuși, dacă curenții sau încărcăturile se modifică în timp, mai ales dacă se modifică foarte repede, ca în cazul, de exemplu, a două bile, unde sarcina se grăbește din bilă în bilă (Fig. 351), ecuațiile lui Maxwell permit soluții care nu nu exista inainte.
Luați în considerare un câmp magnetic generat de un curent (de exemplu, care curge printr-un fir). Acum imaginați-vă că lanțul este rupt. Când curentul scade, câmpul magnetic din jurul firului scade și el și, prin urmare, un câmp electric este excitat (conform legii lui Faraday, un câmp magnetic alternativ excită un câmp electric). Când viteza de modificare a câmpului magnetic scade, câmpul electric începe să scadă. În conformitate cu ideile pre-Maxwelliene, nu se întâmplă nimic altceva: câmpurile electrice și magnetice dispar când curentul ajunge la zero, deoarece se credea că câmpul electric alternativ nu a avut niciun efect.
Cu toate acestea, din teoria lui Maxwell rezultă că un câmp electric în scădere excită un câmp magnetic în același mod în care un câmp magnetic în scădere excită un câmp electric și că aceste câmpuri sunt combinate în așa fel încât atunci când unul dintre ele scade, apare altul.
puțin mai departe de sursă și, ca urmare, întregul impuls se mișcă în spațiu în ansamblu. Dacă valoarea lui B este egală cu valoarea lui E și acești doi vectori sunt reciproc perpendiculari, atunci, după cum rezultă din ecuațiile lui Maxwell, impulsul trebuie să se propagă în spațiu cu o anumită viteză.
Acest impuls are toate proprietățile pe care le-am caracterizat anterior mișcarea ondulatorie. Dacă nu avem unul, ci o mulțime de impulsuri, cauzate, de exemplu, de fluctuații sarcini electriceîntre două bile, atunci o anumită lungime de undă poate fi asociată cu un astfel de set de impulsuri, adică distanța dintre crestele adiacente. Impulsurile se propagă de la un punct la altul în același mod ca o undă. Și, ceea ce este deosebit de important, în același timp principiu principal, și anume principiul suprapunerii, deoarece câmpurile electrice și magnetice au proprietăți aditive. Astfel, mișcarea impulsurilor electrice și magnetice este caracterizată de proprietățile undei.
Luați în considerare din nou sistemul planetar de particule încărcate (Fig. 352). Conform teoriei lui Maxwell, o particulă încărcată (în special un electron) care se mișcă pe o orbită circulară (ca orice particulă cu accelerație) excită o undă electromagnetică.
Frecvența acestei unde este egală cu frecvența orbitei electronului. Folosind valorile numerice obținute în Cap. 19, găsiți
Din relația dintre frecvență și lungime de undă, avem
Ca urmare
Să presupunem, de exemplu, că viteza de propagare a undei este cm/s. Apoi
Aceasta este lungimea de undă a radiației ultraviolete, adică radiația cu o lungime de undă mai scurtă decât lumina violetă. (Lungimea de undă minimă a luminii vizibile de ordine cm.)
Sistemul planetar de particule încărcate emite unde electromagnetice, adică pierde energie (undele transportă energie cu ele, deoarece sunt capabile să lucreze la sarcini care sunt departe de sursă) și, prin urmare, pentru existența sa stabilă, pompează energie suplimentară. din exterior este necesar.
Când Maxwell și-a dat seama că ecuațiile sale permit o astfel de soluție, el a calculat viteza cu care unda ar trebui să se propage în spațiu. El scrie:
„Viteza oscilațiilor undelor transversale în mediul nostru ipotetic, calculată din experimente electromagnetice Kohlrausch și Weber coincide atât de exact cu viteza luminii calculată din experimentele optice ale lui Fizeau, încât cu greu putem refuza concluzia că lumina este formată din vibrații transversale ale aceluiași mediu, care este cauza fenomenelor electrice și magnetice.
„Mi-am luat ecuațiile în timp ce locuiam în provincii și nu bănuiam apropierea vitezei de propagare a efectelor magnetice pe care am găsit-o față de viteza luminii, așa că cred că am toate motivele să consider mediile magnetice și luminoase ca una și la fel…" .
[A fost mult mai dificil pentru Maxwell să obțină celebrul său rezultat decât ni s-ar părea nouă. Pentru comoditate, am introdus litera c, care indică viteza luminii, pentru a raporta modificările câmpului magnetic de câmpul electric excitat de acesta, înlocuind un număr destul de arbitrar cu valoarea.Apoi am folosit aceeași valoare c pentru a descrie relația dintre câmpul magnetic și curenții și variabilele care îl excită câmpuri electrice. Conform legii lui Ampère, circulația măsurată a câmpului magnetic trebuie să fie proporțională cu valoarea măsurată a curentului care curge prin suprafață. S-a dovedit, de exemplu, că
unde numărul CGS este luat din măsurătorile reale ale câmpului magnetic și curentului care curge prin suprafață. Când Maxwell a considerat aceste ecuații împreună și a găsit o soluție corespunzătoare propagării unui impuls de radiație electromagnetică,
a obţinut din aceste numere măsurate un alt număr, care dădea viteza de propagare a acestui impuls. Și acest număr s-a dovedit a fi de aproximativ cm / s. Dar numărul cm/s este valoarea măsurată a vitezei luminii. De aceea, Maxwell a identificat impulsul de radiație cu lumina însăși. El a scris:
„... avem motive întemeiate să concluzionăm că lumina în sine (inclusiv căldura radiantă și alte radiații) este o perturbare electromagnetică sub formă de unde care se propagă printr-un câmp electromagnetic în conformitate cu legile electromagnetismului”.
Smochin. 353. Figura prezintă soluția ecuațiilor lui Maxwell corespunzătoare unei unde care se propagă în vid cu viteza luminii. Vectorii E și B sunt reciproc perpendiculari și egali ca mărime. Sunt posibile atât impulsuri, cât și soluții periodice corespunzătoare undelor de o lungime dată. Vidul este un mediu fără dispersie, adică în el toate undele periodice se propagă cu aceleași viteze.
Surpriza era universală, dar existau și îndoielnici. Deci, într-una dintre scrisorile către Maxwell se spunea:
„Potrivirea dintre viteza observată a luminii și viteza oscilațiilor transversale pe care le-ați calculat în mediul dumneavoastră arată ca rezultat excelent. Totuși, mi se pare că astfel de rezultate nu sunt de dorit până când nu convingi oamenii că ori de câte ori există electricitate, un mic rând de particule se strânge între două rânduri de roți rotative.
După ce lumina a fost identificată cu o undă electromagnetică [diferitele culori corespund unor frecvențe diferite (Fig. 354), sau lungimi de undă ale radiației, lumina vizibilă doar o mică parte din spectrul total al radiației electromagnetice] și din moment ce interacțiunile electrice și magnetice erau cunoscute câmpuri cu particule încărcate (formula Lorentz), pentru prima dată s-a dovedit a fi posibilă crearea unei teorii a interacțiunii luminii cu materia (presupunând că mediile constau din particule încărcate). Deci, de exemplu, după publicarea lucrărilor lui Maxwell, Lorentz și Fitzgerald, încercând să arate asemănarea dintre comportamentul unei unde electromagnetice și comportamentul luminii în timpul reflectării și refracției sale, au calculat cazul trecerii.
undă electromagnetică prin limita a două medii; s-a dovedit că comportamentul acestei unde coincide cu comportamentul observat al luminii.
Chiar dacă Maxwell nu ar fi reușit să identifice radiația electromagnetică cu lumina, descoperirea sa ar fi totuși de mare importanță. Pentru a vedea acest lucru, ne amintim că un câmp electric poate lucra cu o sarcină. Prin urmare, o sarcină care oscilează într-un punct din spațiu generează un impuls electromagnetic care se poate propaga la orice distanță dorită de sarcina în mișcare și al cărui câmp electric poate lucra pe o altă sarcină acolo.
Smochin. 354. Spectrul oscilaţiilor electromagnetice. Razele X, lumina vizibilă, undele radio etc. sunt toate unde electromagnetice cu lungimi de undă diferite. Lumina vizibilă diferă de „invizibilă” doar prin aceea că aceasta din urmă nu este percepută de ochiul uman.
Nu a trecut multă apă pe sub pod de la prima dată când a fost posibilă transmiterea prin fir energie electrica pentru a lucra departe de generatoarele care produc curent. Acum Maxwell și-a propus să transmită energie pe distanțe lungi fără ajutorul unor fire, capabile să lucreze pe corpuri încărcate îndepărtate. În plus, cu ajutorul modificărilor controlate ale unei astfel de undă electromagnetică, este posibilă transmiterea informațiilor care nu sunt greu de descifrat în orice punct îndepărtat. Această concluzie nu putea decât să aibă consecințe practice importante.
Lumina este o undă electromagnetică. La sfârșitul secolului al XVII-lea, au apărut două ipoteze științifice despre natura luminii - corpuscularȘi val. Conform teoriei corpusculare, lumina este un flux de particule de lumină minuscule (corpusculi) care zboară cu viteză mare. Newton credea că mișcarea corpusculilor de lumină se supune legile mecanicii. Astfel, reflexia luminii a fost înțeleasă în mod similar cu reflectarea unei mingi elastice dintr-un plan. Refracția luminii a fost explicată prin modificarea vitezei particulelor în timpul tranziției de la un mediu la altul. Teoria undelor a considerat lumina ca un proces ondulatoriu, similar cu unde mecanice. Conform ideilor moderne, lumina are o natură duală, adică. este caracterizată simultan atât prin proprietăți corpusculare, cât și prin proprietăți ondulatorii. În fenomene precum interferența și difracția, proprietățile de undă ale luminii vin în prim-plan, iar în fenomenul efectului fotoelectric, cele corpusculare. În optică, lumina este înțeleasă ca unde electromagnetice cu o gamă destul de îngustă. Adesea, lumina este înțeleasă nu numai ca lumină vizibilă, ci și ca zone largi ale spectrului adiacente acesteia. Din punct de vedere istoric, a apărut termenul „lumină invizibilă” - lumină ultravioletă, lumină infraroșie, unde radio. Lungimile de undă ale luminii vizibile variază de la 380 la 760 de nanometri. Una dintre caracteristicile luminii este ea culoare, care este determinată de frecvența undei luminoase. Lumina albă este un amestec de unde de diferite frecvențe. Poate fi descompus în unde colorate, fiecare dintre acestea fiind caracterizată de o anumită frecvență. Astfel de unde sunt numite monocromatic. Conform ultimelor măsurători, viteza luminii în vid Raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în materie se numește indicele absolut de refracție substante.
Când o undă luminoasă trece din vid în materie, frecvența rămâne constantă (culoarea nu se schimbă). Lungime de undă într-un mediu cu indice de refracție n schimbări:
Interferență luminoasă- Experiența lui Jung. Lumina de la un bec cu filtru de lumină, care creează o lumină aproape monocromatică, trece prin două fante înguste, adiacente, în spatele cărora este instalat un ecran. Pe ecran va fi observat un sistem de benzi luminoase și întunecate - benzi de interferență. ÎN acest caz o singură undă luminoasă este împărțită în două provenind din fante diferite. Aceste două unde sunt coerente între ele și, atunci când sunt suprapuse una peste alta, dau un sistem de maxime și minime ale intensității luminii sub formă de benzi întunecate și luminoase de culoarea corespunzătoare.
Interferență luminoasă- conditii maxime si minime. Stare maxima: Dacă un număr par de semi-unde sau un număr întreg de unde se încadrează în diferența optică a căii undei, atunci la un punct dat de pe ecran se observă o creștere a intensității luminii (max). , unde este diferența de fază a undelor adăugate. Conditie minima: Dacă un număr impar de semi-unde se potrivește în diferența optică a căii undei, atunci există un minim în punct.
Maxwell pentru a dezvolta teoria câmpului electromagnetic. El a demonstrat că undele electromagnetice trebuie să existe în natură. Maxwell a calculat viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid și într-un mediu: υ=с/ . unde c este viteza de propagare a lor în vid, ε și μ sunt permeabilitatea dielectrică și magnetică a mediului. Lumina este unde electromagnetice.
Prin urmare, teoria valurilor despre natura luminii a evoluat în teoria electromagnetică a luminii. Conform acestei teorii lumina este unde electromagnetice dintr-un anumit domeniu optic. Radiația optică în lungimi de undă de la 760 nm la 380 nm este capabil să evoce direct o senzație vizuală în ochiul uman. Prin urmare, este vizibil. Radiația optică cu λ > 760 nm se numește infraroșu și cu λ< 380 нм - ультрафиолетовым.Как любые электромагнитные волны, световые волны могут быть описаны с помощью вектора напряженности Eu câmp electric și vector de inducție magnetică În câmpul magnetic al undei. Dar când lumina acționează asupra unei substanțe, componenta electrică a câmpului de undă, care acționează asupra electronilor atomilor substanței, are o importanță primordială, prin urmare undele luminoase sunt descrise de ecuația: E \u003d E 0 cos (ωt- 2πr / λ).frecvență, λ-lungime de undă, r- distanță până la sursa de lumină.
viteza luminii
Viteza luminii în vid este una dintre cele mai importante constante fizice.Deoarece viteza luminii este foarte mare, luminii are nevoie de o perioadă semnificativă de timp doar pentru a parcurge distanțe foarte mari. Prin urmare, pentru a determina viteza luminii, ar trebui să se determine fie intervale de timp foarte mici, fie distanțe astronomice.Astronomul danez Roemer a măsurat viteza luminii pentru prima dată în 1676. Prima observație a fost făcută într-un moment în care Pământul, în mișcare în jurul Soarelui, era cel mai aproape de Jupiter. O re-observare efectuată 6 luni mai târziu, când Pământul s-a îndepărtat de Jupiter cu aproximativ diametrul orbitei sale, a arătat că Io a întârziat cu 22 de minute să iasă din umbra lui Jupiter. Această întârziere este cauzată de faptul că lumina durează 22 de minute pentru a parcurge o distanță aproximativ egală cu diametrul orbitei pământului. Împărțind această distanță la timpul de întârziere, Roemer a găsit viteza luminii (215.000 km/s). Ulterior, au fost dezvoltate alte metode mai precise pentru măsurătorile de laborator ale vitezei luminii.
În 1881, Michelson a determinat viteza luminii folosind o prismă oglindă octogonală rotativă.Pentru măsurătorile sale, Michelson a folosit două vârfuri de munte: Antonio și Wilson (în California), distanța dintre care (35,426 km) a fost măsurată cu atenție. Pe vârful muntelui Wilson a fost instalată o sursă puternică 5, lumina din care, trecând printr-o fantă, a căzut pe o prismă oglindă octaedrică. A. Lumina reflectată de pe fața oglinzii prismei a căzut pe oglinda concavă ÎN, aşezat pe vârful Muntelui Antonio. Apoi, lumina a căzut pe oglindă T și, reflectată din ea, a căzut în alt punct al oglinzii ÎN, după care a lovit a doua faţă a prismei oglinzii A si reflectat. Lumina reflectată a fost captată cu ajutorul lunetei C. Lumina care iese din fantă putea intra în lunetă numai dacă nimic nu se schimba în locația oglinzilor în timpul propagării luminii de la un munte la altul și înapoi.
prismă oglindă A cu ajutorul unui motor, acesta a fost rotit, iar viteza motorului a fost reglată astfel încât fanta S să fie vizibilă continuu prin telescop. Acest lucru ar putea fi doar cu condiția ca în timpul rotației prismei cu 1/8 dintr-o revoluție, lumina să parcurgă o cale egală cu distanța dublă dintre vârfurile munților. Cunoscând numărul de rotații ale oglinzii pe secundă și calea parcursă de lumină, Michelson a descoperit că viteza luminii în aer
Viteza luminii în diferite substanțe, după cum arată experimentele, nu este aceeași. În apă, de exemplu, viteza luminii este de aproximativ 225.000 km/s; în sticlă, aproximativ 200.000 km/s.
