Svjetlost je složena pojava: u nekim slučajevima ponaša se kao elektromagnetski val, u drugima kao tok posebnih čestica (fotona). NA ovaj volumen opisana je valna optika, odnosno niz pojava temeljenih na valnoj prirodi svjetlosti. Ukupnost pojava zbog korpuskularne prirode svjetlosti bit će razmotrena u trećem svesku.
U elektromagnetskom valu osciliraju vektori E i H. Kao što iskustvo pokazuje, fiziološki, fotokemijski, fotoelektrični i drugi učinci svjetlosti uzrokovani su oscilacijama električnog vektora. U skladu s tim, dalje ćemo govoriti o svjetlosnom vektoru, pod tim pojmom vektor jakosti električnog polja. Magnetski vektor svjetlosnog vala jedva ćemo spominjati.
Modul amplitude svjetlosnog vektora označavat ćemo u pravilu slovom A (ponekad ). Prema tome, promjenu u vremenu i prostoru projekcije svjetlosnog vektora na smjer uzduž kojeg on oscilira opisat ćemo jednadžbom
Ovdje je k valni broj, udaljenost mjerena duž smjera širenja svjetlosnog vala. Za ravni val koji se širi u neapsorbirajućem mediju, A = const, za sferni val A opada kao itd.
Omjer brzine svjetlosnog vala u vakuumu i fazne brzine v u nekom sredstvu naziva se apsolutni indeks loma tog medija i označava se slovom . Na ovaj način,
Usporedba s formulom (104.10) pokazuje da se za veliku većinu prozirnih tvari praktički ne razlikuje od jedinice. Stoga se može smatrati da
Formula (110.3) povezuje optička svojstva tvari s njezinim električnim svojstvima. Na prvi pogled može se činiti da je ova formula netočna. Na primjer, za vodu Međutim, mora se imati na umu da se vrijednost dobiva iz elektrostatičkih mjerenja. U brzom mijenjanju električna polja dobivena vrijednost je različita, a ovisi o frekvenciji oscilacija polja. Ovo objašnjava disperziju svjetlosti, tj. ovisnost indeksa loma (ili brzine svjetlosti) o frekvenciji (ili valnoj duljini). Zamjena u formuli (110.3) vrijednosti dobivene za odgovarajuću frekvenciju dovodi do ispravna vrijednost.
Vrijednosti indeksa loma karakteriziraju optičku gustoću medija. Za medij s velikim kaže se da je optički gušći od medija s manjim. Prema tome, medij s manjim naziva se optički manje gusto od medija s velikim .
Valne duljine vidljivo svjetlo zatvoreno unutar
Ove se vrijednosti odnose na svjetlosne valove u vakuumu. U materiji će valne duljine svjetlosnih valova biti različite. U slučaju oscilacija frekvencije v valna duljina u vakuumu jednaka je . U sredstvu u kojem je fazna brzina svjetlosnog vala važna je valna duljina. Dakle, valna duljina svjetlosnog vala u sredstvu s indeksom loma povezana je s valnom duljinom u vakuumu relacijom
Frekvencije vidljivih svjetlosnih valova nalaze se unutar
Učestalost promjena vektora gustoće toka energije nošenog valom bit će još veća (jednaka je ). Ni oko ni bilo koji drugi primatelj svjetlosne energije ne mogu pratiti tako česte promjene u protoku energije, zbog čega bilježe vremenski usrednjeni protok. Modul vremenski prosječne vrijednosti gustoće toka energije nošene svjetlosnim valom naziva se intenzitet svjetlosti u određenoj točki prostora.
Gustoća toka elektromagnetska energija određena je Pointingovim vektorom S. Prema tome,
Usrednjavanje se provodi tijekom vremena "rada" uređaja, koje je, kako je navedeno, puno duže od perioda titranja vala. Intenzitet se mjeri ili u energetskim jedinicama (na primjer, u W / m2), ili u svjetlosnim jedinicama, koje se nazivaju "lumen po četvorni metar” (vidi § 114).
Prema formuli (105.12), moduli amplituda vektora E i H u elektromagnetskom valu povezani su relacijom
(stavljamo ). Otuda slijedi da
gdje je indeks loma medija u kojem se val širi. Dakle, u odnosu na:
Modul srednje vrijednosti Poyntingovog vektora je proporcionalan pa to možemo napisati
(110.9)
(koeficijent proporcionalnosti je ). Prema tome, intenzitet svjetlosti proporcionalan je indeksu loma sredstva i kvadratu amplitude svjetlosnog vala.
Imajte na umu da kada razmatramo širenje svjetlosti u homogenom mediju, možemo pretpostaviti da je intenzitet proporcionalan kvadratu amplitude svjetlosnog vala:
Međutim, u slučaju prolaska svjetlosti kroz sučelje između medija, izraz za intenzitet, koji ne uzima u obzir faktor , dovodi do neočuvanja svjetlosnog toka.
Linije duž kojih se širi svjetlosna energija nazivaju se zrake. Prosječni Poyntingov vektor (S) usmjeren je na svaku točku tangentu na zraku. U izotropnim sredinama pravac (S) se poklapa s normalom na valna površina, tj. sa smjerom valnog vektora k. Prema tome, zrake su okomite na valne površine. U anizotropnim medijima normala na valnu površinu općenito se ne poklapa sa smjerom Poyntingovog vektora, tako da zrake nisu okomite na valne površine.
Iako su svjetlosni valovi transverzalni, obično ne pokazuju asimetriju u odnosu na zraku. To je zbog činjenice da u prirodnom svjetlu (tj. svjetlu koje emitiraju obični izvori) postoje oscilacije koje se javljaju u različitim smjerovima okomito na snop (sl. 111.1). Zračenje svjetlećeg tijela sastoji se od valova koje emitiraju njegovi atomi. Proces zračenja pojedinog atoma traje oko . Tijekom tog vremena, niz grba i udubljenja (ili, kako kažu, niz valova) dug oko 3 m ima vremena da se formira.
Mnogi atomi "bljesnu" u isto vrijeme.
Nizovi valova koje oni pobuđuju, postavljeni jedan na drugi, tvore svjetlosni val koji emitira tijelo. Ravnina titranja za svaki niz je nasumično orijentirana. Stoga su u rezultirajućem valu s jednakom vjerojatnošću predstavljene oscilacije različitih smjerova.
U prirodnom svjetlu, vibracije različitih smjerova brzo i nasumično izmjenjuju jedna drugu. Svjetlost u kojoj su smjerovi titranja poredani na neki način naziva se polarizirana. Ako se oscilacije vektora svjetlosti događaju samo u jednoj ravnini koja prolazi kroz zraku, svjetlost se naziva ravno (ili linearno) polarizirana. Poredak može ležati u činjenici da vektor E rotira oko zrake, istovremeno pulsirajući u magnitudi. Kao rezultat, kraj vektora E opisuje elipsu. Takva svjetlost se naziva eliptično polarizirana. Ako kraj vektora E opisuje kružnicu, svjetlost se naziva kružno polarizirana.
U poglavljima XVII i XVIII bavit ćemo se prirodnim svjetlom. Stoga nas smjer titranja vektora svjetlosti neće posebno zanimati. Metode dobivanja i svojstva polarizirane svjetlosti razmatraju se u Pogl. XIX.
Svjetlosni valovi su Elektromagnetski valovi, koji uključuju infracrveni, vidljivi i ultraljubičasti dio spektra. Valne duljine svjetlosti u vakuumu koje odgovaraju primarnim bojama vidljivog spektra prikazane su u donjoj tablici. Valna duljina je dana u nanometrima, .
Stol
Svjetlosni valovi imaju ista svojstva kao i elektromagnetski valovi.
1. Svjetlosni valovi su transverzalni.
2. Vektori i osciliraju u svjetlosnom valu.
Iskustvo pokazuje da su sve vrste utjecaja (fiziološki, fotokemijski, fotoelektrični itd.) uzrokovane oscilacijama električnog vektora. On je pozvan svjetlosni vektor . Jednadžba svjetlosnog vala ima znalački oblik
Amplituda vektora svjetlosti E m se često označava slovom A a jednadžba (3.24) se koristi umjesto jednadžbe (3.30).
3. Brzina svjetlosti u vakuumu 
.
Brzina svjetlosnog vala u sredstvu određena je formulom (3.29). Ali za prozirne medije (staklo, voda), obično, dakle.
Za svjetlosne valove uvodi se pojam - apsolutni indeks loma.
Apsolutni indeks loma je omjer brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u određenom mediju
Iz (3.29), uzimajući u obzir činjenicu da za prozirne medije , možemo napisati jednakost .
Za vakuum ε = 1 i n= 1. Za bilo koje fizičko okruženje n> 1. Na primjer, za vodu n= 1,33, za staklo. Za medij s višim indeksom loma kaže se da je optički gušći. Omjer apsolutnih indeksa loma naziva se relativni indeks loma:
4. Frekvencija svjetlosnih valova je vrlo visoka. Na primjer, za crveno svjetlo s valnom duljinom 
.
Kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, frekvencija svjetlosti se ne mijenja, ali se mijenjaju brzina i valna duljina.
Za vakuum - ; za okoliš - , zatim
.
Dakle, valna duljina svjetlosti u mediju jednaka je omjeru valne duljine svjetlosti u vakuumu i indeksa loma
5. Budući da je frekvencija svjetlosnih valova vrlo visoka 
, tada oko promatrača ne razlikuje pojedine oscilacije, već percipira usrednjene tokove energije. Tako se uvodi pojam intenziteta.
intenzitet je omjer prosječne energije nošene valom prema vremenskom intervalu i površini mjesta okomito na smjer širenja vala:
Budući da je energija vala proporcionalna kvadratu amplitude (vidi formulu (3.25)), intenzitet je proporcionalan prosječnoj vrijednosti kvadrata amplitude
Karakteristika intenziteta svjetlosti, uzimajući u obzir njegovu sposobnost da izazove vizualne senzacije, je svjetlosni tok - F .
6. Valna priroda svjetlosti očituje se, na primjer, u takvim pojavama kao što su interferencija i difrakcija.
11.3. valna optika
11.3.1. Raspon i glavne karakteristike svjetlosnih valova
Valna optika koristi koncept svjetlosnih valova, čija interakcija međusobno i medija u kojem se šire, dovodi do pojava interferencije, difrakcije i disperzije.
Svjetlosni valovi su elektromagnetski valovi određene valne duljine i uključuju:
- ultraljubičasto zračenje(valne duljine su od 1 ⋅ 10 −9 do 4 ⋅ 10 −7 m);
- vidljiva svjetlost (valne duljine od 4 ⋅ 10 −7 do 8 ⋅ 10 −7 m);
- infracrveno zračenje(valne duljine su od 8 ⋅ 10 −7 do 5 ⋅ 10 −4 m).
Vidljiva svjetlost zauzima vrlo uzak raspon elektromagnetskog zračenja (4 ⋅ 10 −7 - 8 ⋅ 10 −7 m).
Bijela svjetlost je kombinacija svjetlosnih valova različitih valnih duljina (frekvencija) i pod određenim uvjetima može se rastaviti u spektar na 7 komponenti sa sljedećim valnim duljinama:
- ljubičasto svjetlo - 390–435 nm;
- plavo svjetlo - 435–460 nm;
- plavo svjetlo - 460–495 nm;
- zeleno svjetlo - 495–570 nm;
- žuto svjetlo - 570–590 nm;
- narančasto svjetlo - 590–630 nm;
- crveno svjetlo - 630–770 nm.
Valna duljina svjetlosti dana je sa
gdje je v brzina širenja svjetlosnog vala u određenom mediju; ν je frekvencija svjetlosnog vala.
Brzina širenja svjetlosni valovi u vakuumu podudaraju se s brzinom širenja elektromagnetskih valova; određena je temeljnim fizičke konstante(električna i magnetska konstanta) i sama je temeljna veličina ( brzina svjetlosti u vakuumu):
c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,
gdje je ε 0 električna konstanta, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; µ 0 - magnetska konstanta, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.
Brzina svjetlosti u vakuumu je najveća moguća brzina u prirodi.
Pri prelasku iz vakuuma u medij s konstantnim indeksom loma (n = const), karakteristike svjetlosnog vala (frekvencija, valna duljina i brzina širenja) mogu promijeniti svoju vrijednost:
- frekvencija svjetlosnog vala se u pravilu ne mijenja:
ν = ν 0 = const,
gdje je ν frekvencija svjetlosnog vala u mediju; ν 0 - frekvencija svjetlosnog vala u vakuumu (zrak);
- brzina širenja svjetlosnog vala smanjuje se za n puta:
gdje je v brzina svjetlosti u mediju; c je brzina svjetlosti u vakuumu (zrak), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n je indeks loma medija, n = ε μ ; ε je dielektrična konstanta medija; µ - magnetska permeabilnost medija;
- valna duljina svjetlosti smanjena je n puta:
λ = λ 0 n ,
gdje je λ valna duljina u mediju; λ 0 - valna duljina u vakuumu (zrak).
Primjer 20. Na određenom segmentu putanje u vakuumu stane 30 valnih duljina zelene svjetlosti. Odredite koliko valnih duljina zelene svjetlosti stane u isti segment u prozirnom mediju s indeksom loma 2,0.
Riješenje . Duljina svjetlosnog vala u mediju se smanjuje; posljedično, veći broj valnih duljina će stati u medij preko određenog segmenta nego u vakuumu.
Duljina navedenog segmenta je proizvod:
- za vakuum -
S = N 1 λ 0 ,
gdje je N 1 broj valnih duljina koje odgovaraju duljini danog segmenta u vakuumu, N 1 = 30; λ 0 - valna duljina zelene svjetlosti u vakuumu;
- za okoliš -
S = N 2 λ,
gdje je N 2 - broj valnih duljina koje odgovaraju duljini određenog segmenta u mediju; λ je valna duljina zelene svjetlosti u mediju.
Jednakost lijevih strana jednadžbi omogućuje nam da zapišemo jednakost
N 1 λ 0 = N 2 λ.
Odavde izražavamo željenu vrijednost:
N 2 \u003d N 1 λ 0 λ.
Valna duljina svjetlosti u sredstvu se smanjuje i omjer je
λ = λ 0 n ,
gdje je n indeks loma medija, n = 2,0.
Zamjenom omjera u formulu za N 2 dobiva se
N 2 \u003d N 1 n.
Izračunajmo:
N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.
Na naznačeni segment u medij stane 60 valnih duljina. Imajte na umu da rezultat ne ovisi o valnoj duljini.
NA krajem XVII stoljeća pojavile su se dvije znanstvene hipoteze o prirodi svjetlosti - korpuskularni i val.
Prema korpuskularnoj teoriji, svjetlost je tok sićušnih svjetlosnih čestica (korpuskula) koje lete velikom brzinom. Newton je vjerovao da se kretanje svjetlosnih tjelešaca pokorava zakonima mehanike. Dakle, refleksiju svjetlosti shvaćali smo slično refleksiji elastične lopte od ravnine. Lom svjetlosti objašnjavao se promjenom brzine čestica pri prijelazu iz jednog medija u drugi.
Valna teorija smatrala je svjetlost valnim procesom sličnim mehaničkim valovima.
Prema modernim idejama, svjetlost ima dvojaku prirodu, tj. istodobno ga karakteriziraju i korpuskularna i valna svojstva. U pojavama kao što su interferencija i difrakcija dolaze do izražaja valna svojstva svjetlosti, a u pojavi fotoelektričnog efekta korpuskularna.
Svjetlost kao elektromagnetski valovi
U optici se pod svjetlošću podrazumijevaju elektromagnetski valovi prilično uskog raspona. Svjetlost se često ne shvaća samo kao vidljiva svjetlost, već i kao široka područja spektra uz nju. Povijesno se pojavio izraz "nevidljiva svjetlost" - ultraljubičasto svjetlo, infracrveno svjetlo, radio valovi. Valne duljine vidljive svjetlosti kreću se od 380 do 760 nanometara.
Jedna od karakteristika svjetlosti je njezina boja, koji je određen frekvencijom svjetlosnog vala. Bijela svjetlost je mješavina valova različitih frekvencija. Može se rastaviti na obojene valove od kojih svaki karakterizira određena frekvencija. Takvi se valovi nazivaju monokromatski.
brzina svjetlosti
Prema posljednjim mjerenjima, brzina svjetlosti u vakuumu
Mjerenja brzine svjetlosti u raznim prozirnim tvarima pokazala su da je ona uvijek manja nego u vakuumu. Na primjer, u vodi se brzina svjetlosti smanjuje 4/3 puta.
Elektrodinamika i optika. Promjena fizikalnih veličina u procesima
Zadatak pripada osnovnoj razini težine. Za točnu izvedbu dobit ćete 2 boda.
Rješenje traje otprilike 3 -5 minuta.
Za rješavanje zadatka 17 iz fizike potrebno je znati:
- elektrodinamika (promjena fizikalnih veličina u procesima)
