Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
440
ГЛ. IV.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
rl-VZciu2 v=v*lTTvrc\ <vo-
3°. Из релятивистской теории эффекта Доплера (п. 1°) следует существование поперечного эффекта Доплера, наблюдающегося при Ь = я/2 и Ь = Зтх/2, т. е. в тех случаях, когда источник движется перпендикулярно к линии наблюдения:
V =V0Vl -(VZc)2.
Поперечный эффект Доплера значительно слабее продольного (ввиду малости V/c). Этот эффект обусловлен различием хода времени в системах отсчета, связанных с приемником и источником волн. Поэтому обнаружение на опыте поперечного эффекта Доплера явилось одним из важнейших экспериментальных подтверждений специальной теории относительности.
4°. Эффект Доплера, связанный с тепловым движением излучающих свет атомов газа, вызывает доплеровское уширение спектральных линий. Интервал частот света, регистрируемых
ДУд ДУд
приемником, простирается от V0----до V0 H—g-, где V0 —
частота монохроматического излучения неподвижного атома. Величина доплеровского уширения Дуд - JTZ т, где T — термодинамическая температура газа, т — масса атома.
ОТДЕЛ V
Оптика
Глава V.1 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
§ V.I.I. Монохроматичность и временная когерентность света
1°. Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением природы света (IV.4.4.30), закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. В волновой оптике рассматриваются оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (например, явления интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии света). Так как свет представляет собой электромагнитные волны, то в основе волновой оптики лежат уравнения Максвелла (111.14.5.1°) и вытекающие из них соотношения для электромагнитных волн (IV.4.1). В классической волновой оптике рассматриваются среды, линейные по своим оптическим свойствам (IV.3.1.70), т. е. такие, диэлектрическая є и магнитная |і проницаемости которых не зависят от интенсивности света (IV.4.2.4°). Поэтому в волновой оптике справедлив принцип суперпозиции (IV.3.4.10).
Явления, наблюдающиеся при распространении света в оптически нелинейных средах, исследуются в нелинейной оптике. Нелинейные оптические эффекты становятся существенными при очень больших интенсивностях света, излучаемого мощными лазерами (VT.2.6.80).
2°. Экспериментально установлено, что действие света на фотоэлемент, фотопленку, флюоресцирующий экран и другие Устройства для его регистрации определяется вектором электрической напряженности E электромагнитного поля световой
442
ГЛ. V.l. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
волны, который поэтому иногда называют световым вектором. К такому же выводу приводит и классическая электронная теория, согласно которой процессы, вызываемые светом в веществе, связаны с действием поля световой волны на заряженные частицы вещества — электроны и ионы. Частоты видимого и более коротковолнового света столь велики (v > IO15 Гц), что сколько-нибудь значительные по амплитуде вынужденные колебания могут совершать только электроны. Сила, действующая на электрон со стороны электромагнитного поля (111.10.1.6°),
F = -е{Е + [V1B]) = -е{Е + HHoIv 1Н]}-
Здесь —е и V1 — заряд и скорость электрона, а В = HHoH — век' тор магнитной индукции. Из (IV.4.1.5°) следует, что абсолютная величина магнитной составляющей силы F значительно меньше ее электрической составляющей,
HHol[viH]| < HW1H = 0F- -еЕ,
Q
так как скорость электромагнитных волн v - 10 м/с, а скорость электрона в атоме при вынужденных колебаниях под
действием света U1- 10 м/с.
3°. При наложении света от других нелазерных источников1 (например, одинаковых газоразрядных ламп) или даже от разных участков одного и того же источника интерференция (IV.3.5.20) не наблюдается. Следовательно, независимые источники света некогерентны (IV.3.5.10), а их излучение немонохро-матично (IV.4.1.60). Причины этого заключены в самом механизме излучения света атомами (молекулами, ионами) источника света. Возбужденный атом излучает в течение очень коротко-
_о
го промежутка времени высвечивания т - 10 с (IV.4.3.40), после чего он, растратив свою избыточную энергию на излучение, возвращается в нормальное (невозбужденное) состояние. Через некоторый промежуток времени атом может вновь возбудиться, получив энергию извне, и начать излучать. Такое
1 Имеются в виду обычные источники света (лампы накаливания и газоразрядные, электрическая дуга и т, п.), основанные на явлении спонтанного излучения (VI.2.6.60).
§ V.1.1. ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ
443
прерывистое излучение света атомами в виде отдельных кратковременных импульсов — цугов волн — характерно для любого источника света независимо от вида конкретных процессов, происходящих в нем и вызывающих возбуждение его атомов. При спонтанном излучении (VI.2.6.6°) атомы излучают независимо друг от друга со случайными начальными фазами, беспорядочно изменяющимися от одного акта излучения атома к другому. Поэтому спонтанно излучающие атомы представляют собой некогерентные источники света.
Иначе обстоит дело в случае вынужденного излучения, возникающего в неравновесной (активной) среде под действием переменного электромагнитного поля (VI.2.6.10). Вынужденное излучение всех частиц системы когерентно с возбуждающим его монохроматическим излучением, имеет ту же частоту, поляризацию и направление распространения. Эти особенности вынужденного излучения используются в квантовых генераторах — лазерах и мазерах (VI.2.6.8°).