Основные свойства электромагнитных волн

Оптический диапазон электромагнитных волн

Электромагнитной волной называется процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве. К электромагнитным волнам относятся радиоволны, свет, рентгеновское излучение, гаммаизлучение. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Ё порождает магнитное поле Я, а изменяющееся Я — вихревое электрическое поле: обе компоненты? и Я, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга.

Впервые существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом как прямое следствие из уравнений электромагнитного поля. Числовое значение электродинамической постоянной, ^ —.

• 0 л/^еоЯо
• 3,1 -10⁸ м/с оказалась равной скорости света в вакууме. Другое важное

свойство электромагнитных волн и света обусловлено поперечностью волн. Эти два факта привели Максвелла к заключению, что свет представляет собой электромагнитные волны.

В конце XIX в. Г. Р. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн. С помощью металлического зеркала Герц наблюдал отражение и преломление волн, исследовал их поляризацию, получил стоячие волны, доказав тем самым их способность к интерференции. Длина волн, генерированных и детектированных в опытах Герца, составляла примерно 66 см.

В соответствии с длинами волн весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей — от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн^[1].

Видимый диапазон и примыкающие к нему диапазоны ультрафиолетового и инфракрасного излучений в совокупности составляют диапазон электромагнитных волн, изучаемый в оптике. Кванты излучения видимого диапазона называются фотонами. Они имеют энергию в интервале¹:

Практически все материальные тела излучают электромагнитные волны, которые рассеиваются или поглощаются другими телами. Интенсивность этих процессов зависит от температуры тела, частоты излучения, а также других факторов.

Основным источником электромагнитного излучения является Солнце (t_n0B = 6000 К), спектр излучения которого является спектром излучения абсолютно черного тела. Международная классификация электромагнитных волн представлена в табл. 1.1.1, 1.1.2.

В процессе прохождения сквозь атмосферу Земли солнечное излучение частично поглощается, частично — рассеивается, в результате чего состав солнечного спектра существенно изменяется в зависимости от толщины проходимого светом слоя воздуха, запыленности и других факторов. На рис. 1.1.1 представлен весь электромагнитный спектр Солнца: от ультрафиолетовых длин волн до метровых радиоволн с указанием областей сильного атмосферного поглощения. Радиоспектр обрезается со стороны коротких длин волн из-за поглощения их в земной атмосфере молекулами и атомами кислорода, азота и водяных паров.

Таблица 1.1.1

Международная классификация электромагнитных волн по частотам.

¹ Краснушкин П. Е., Яблочкин Н. А. Теория распространения сверхдлинных волн. 2-е изд. М.: Вычисл. Центр АН СССР, 1963.

В результате спектр у поверхности Земли обрывается примерно на волне X = 0,3 мкм, волны солнечного излучения с меньшей длиной волны поверхности Земли не достигают. Это обусловливается поглощением их озоном 03 в верхних слоях атмосферы¹.

Таблица 1.1.2

Диапазоны электромагнитного излучения.

Таким образом, при прохождении атмосферы наиболее сильно ослабляется коротковолновая часть спектра. Это является, в частности, причиной покраснения Солнца при восходе и заходе. За счет поглощения в атмосфере доля энергии ультрафиолетовой части спектра уменьшается, а инфракрасной и микроволновой — увеличивается.

Абсолютно объяснимо, что именно в видимом диапазоне электромагнитных волн развилась способность человека к зрению: мы можем видеть предметы посредством отраженного света и самым подходящим для зрения является интервал вблизи длины волны, на которую приходится максимальная интенсивность излучения, т. е. X = 0,5 мкм.

Тем не менее достаточное количество энергии приходится на микроволновую часть спектра, которая непригодна для зрения. Это связано с корпускулярными свойствами электромагнитного излучения и существованием больших «шумов» в этом диапазоне, которые делают невозможным зрение глазами, имеющими температуру порядка температуры тела человека или животных.

Рис. 1.1.1. Спектр электромагнитного излучения Солнца и его прохождение через атмосферу Земли.

• [1] Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.