Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
12
никового лазера на Ga—As (X ~ 8500 А), то приходится оговаривать, что граница 7000 А соответствует яркости обычных ("до-лазерных") излучателей.
Столь же условна граница между ультрафиолетовой и видимой частями спектра, которую обычно считают равной 4000 А. Трудно также говорить о границе между инфракрасным излучением и УКВ, поскольку миллиметровые волны можно регистрировать и исследовать как с помощью обычных "оптических" методов, так и способами, характерными для УКВ-диапазона, что было показано еще в начале XX в. Условно, наконец, и различие между короткими ультрафиолетовыми волнами и мягкими рентгеновскими лучами, что было ярко продемонстрировано в работах А. П. Лукирского.
Рентгеновские лучи характеризуются весьма малой длиной волны (X < 100 А), а их свойства сильно отличаются от свойств других видов электромагнитного излучения. Рентгеновские лучи возникают в результате бомбардировки антикатода разрядной трубки быстрыми электронами. Кинетическая энергия электронов т&2/2 = qU и проникающая способность рентгеновских лучей возрастают с увеличением положенной разности потенциалов U.
Различают непрерывный и линейчатый спектры рентгеновских лучей. Последний ("характеристические лучи") образуется при больших напряжениях на трубке. При возрастании напряжения смещается также коротковолновая граница непрерывного спектра (рис. 2), причем А.гр ~ 1/и (см § 8.5). Непрерывный
рентгеновский спектр связан с появлением электромагнитного
импульса при торможении ускоренного электрона в теле антикатода. При увеличении скоростей бомбардирующих электронов возникают добавочные процессы, которые интерпретируются как переходы между внутренними оболочками атомов, связанные с выбиванием одного и внутренних электронов.
При этом возникает линейчатый спектр. Для индикации рентгеновского излучения используют те же физические
явления, что и при исследо-
вании ультрафиолетовых лучей. В первую очередь применяют фотохимичекие, фотоэлектрические и люминесцентные методы.
2. Смещение коротковолновой границы и появление характеристического излучения с ростом напряжения, приложенного к рентгеновской трубке
13
Дальнейшее продвижение по шкале в сторону еще более коротких электромагнитных волн представляется ненужным в рамках нашего курса. Но если даже ограничить шкалу электромагнитных волн, с одной стороны, УКВ, а с другой — рентгеновским излучением, то нужно считаться с тем, что у читателя неизбежно возникает вопрос, можно ли в рамках единой теории как-то связать эти разнородные процессы. Из дальнейшего мы увидим, сколь законны такие опасения, но следует еще раз указать, что классическая электромагнитная теория света — это феноменологическая теория, описывающая распространение электромагнитных волн в различных средах без детального анализа микропроцессов, что, конечно, ограничивает объем получаемой информации, но вместе с тем облегчает применение теории к описанию распространения радиации самых различных типов. Для получения необходимых сведений в некоторых случаях придется дополнять теорию соображениями о движении электронов в поле световой волны, обрыве их колебаний и другими предположениями электронной теории, конкретизирующими физическую картину рассматриваемых явлений, как это впервые сделал Лоренц в начале XX в.
Заканчивая этот краткий обзор различных электромагнитных волн, следует отметить разницу между физической оптикой, изучению которой посвящена эта книга, и физиологической оптикой, не рассматриваемой здесь. В некоторых случаях различие между ними очевидно: если ввести в дугу соль натрия и разложить ее излучение в спектр призмой или дифракционной решеткой, то мы увидим на экране ярко-желтый дублет . То, что длины волн этих линий равны 5890—5896 А, нетрудно установить измерениями, целиком относящимися к методам физической оптики. Но вопрос о том, почему эти линии кажутся нам желтыми, нельзя решить в рамках этой науки, и он относится к физиологической оптике. Конечно, проведение столь четкой границы между ними далеко не всегда возможно, и иногда трудно решить, имеем ли мы, например, дело с истинной интерференционной картиной или с "кажущимися" глазу полосами, возникновение которых связано с явлением контраста, и т. д. Некоторые интересные данные по физиологической оптике содержатся в лекциях Р.Фейнмана", который счел возможным сочетать изложение этих вопросов с основами физической и геометрической оптики.
См.: Фейямаяовскяе лекции по физике. М., 1965. Вып.III.
14
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Глава 1
В этой вводной главе прежде всего необходимо ввести основные определения и охарактеризовать свойства рассматриваемых волн оптического диапазона. Изложение начинается с анализа уравнений Максвелла и вытекающего из них волнового уравнения. При этом отмечается, что система уравнений Максвелла является следствием законов электрического и магнитного полей, обобщенных и дополненных гениальным создателем этой теории. Таким образом, сразу вводится понятие электромагнитной волны, возникающей в качестве решения волнового уравнения, и проводится рассмотрение ее свойств. При этом выявляется кажущееся противоречие между результатами экспериментальных исследований и решением волнового уравнения в виде монохроматических плоских волн. Данная ситуация может быть понята с привлечением принципа суперпозиции и спектрального разложения, базирующегося на теореме Фурье. В рамках этих представлений можно истолковать особенности распространения свободных волн в различных средах и определить понятия энергии и импульса электромагнитной волны, формулируя соответствующие законы сохранения. Рассмотрение излучения гармонического осциллятора, которым заканчивается глава, позволяет принять механизм возникновения излучения, облегчает модельные представления о законах его распространения и открывает возможность рассмотрения более сложных условий эксперимента, которое проводится в последующих главах.
