Отражение света - Кизель В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Металлооптика, как и молодая оптика полупроводников, уже давно строится на изучении отражения; в последнее время эти методы все чаще применяются к кристаллическим и аморфным диэлектрикам, особенно к кристаллам. Они позволяют решать задачи как раз в тех случаях, когда исследования пропускания невозможны или трудны. Многие результаты теории представляют интерес для оптики, радиофизики и диагностики плазмы.
Широко развиваются также применения отражения света в спектральном анализе.
Чрезвычайно ценно то, что отражение света позволяет получать информацию о структуре поверхностных слоев; такой информации другие методы дать не могут. Это делает явление отражения света интересным для широчайшего круга физических и физико-химических вопросов, в частности, для теории адсорбции, поверхностных и граничных явлений, катализа, теории растворов и физики критических явлений.
Особенно многообещающим оказывается, видимо, сочетание исследований отраженного света с электриче-
ВВЕДЕНИЕ
15
ски1Ци, магнитными и тепловыми воздействиями на вещёство.
В\наиболее общей и простой форме задача об отражений волн формулируется следующим образом. Имеются две полубесконечные среды (индексы 1 и 2), разделенные некоторой границей раздела. Из среды 1 на границ^ раздела падает некоторая волна заданного типа. Требуется определить волновое поле в среде /, зная характеристики сред и границы раздела, или, зная характеристики среды 1 и границы и измерив поле в среде 1, определить характеристики среды 2.
Для решения задачи необходимо знать уравнение распространения волн в данных средах, задать определенные граничные условия для соответствующих величин и, сверх того, необходимо соблюдение так называемого условия излучения, в данном случае сводящегося к отсутствию источников бесконечной мощности и источников на бесконечности; решение должно иметь вид уходящей волны и в бесконечности стремиться к нулю не слабее 1 /г1).
В частности, следует отметить, что рассматриваемые во многих задачах плоские, неограниченные в пространстве волны этому условию не удовлетворяют. В некоторых случаях их можно рассматривать как сферические, кривизной которых можно пренебречь. Во всех же случаях, когда анализируется энергетический баланс, необходимо рассматривать ограниченные пространственные пучки (ограниченный фронт волны), могущие быть разложенными на совокупность плоских неограниченных волн различных направлений, т. е. пучки конечной апертуры. Учет этого обстоятельства позволяет выявить ряд тонких эффектов, без этого ускользавших от внимания.
Аналогично, неограниченную во времени волну можно рассматривать лишь как грубое приближение. Монохроматическую волну нужно рассматривать как группу волн, занимающую пренебрежимо малую полосу
]) Математически это требование можно сформулировать в виде условия для амплитуд поля:
Jim (Аг) - О, = 0, 4 - Е,Н.
16
ВВЕДЕНИЕ
частот, а насколько позволено такое приближение, следует рассматривать в каждой задаче особо. /
Рассмотрение отражения ограниченной во времени волны, ее заднего и переднего фронтов также позволяет обнаружить некоторые новые детали процесса. Это особенно важно в реальной, диспергирующей среде. Здесь, в частности, понятие потока энергии вполуе определенно, тогда как понятие энергии монохроматического поля на единицу его объема в таких средах требует уточнений (ср., например, [027, 018, § 3]) и учета того обстоятельства, что идеально прозрачных сред без поглощения не существует. Особенно это относится к средам с пространственной дисперсией.
В такой постановке вопроса решаются задачи об отражении волн весьма разнообразной природы - радиоволн, оптических, рентгеновских, акустических и упругих, электронных и т. п.
При соблюдении некоторых общих физических условий могут быть получены как единообразные законы отражения, так и формулы для интенсивности отраженных волн типа известных формул Френеля.
В качестве примера таких условий укажем:
1) существование некоторых величин типа амплитуды (смещения), для которых имеет место принцип суперпозиции (аддитивности амплитуд, т. е. соответственные уравнения линейны);
2) одна из этих величин непрерывна на границе разд&ла;
3) энергия есть квадратичная функция этих величин;
4) амплитуда элементарных вторичных волн, возникающих в единице объема, пропорциональна амплитуде первичной падающей волны (вне зависимости от механизма рассеяния в данной точке).
Это перечисление показывает, что законы отражения и формулы типа Френеля скорее характеризуют общие свойства волнового процесса, нежели специфические свойства электромагнитного поля.
Вопросы общей теории волн и, в частности, их отражения, рассмотрены, например, в работах [07, 022, 023].
Прибегая к термину "отражение волн", следует иметь в виду, что это, строго говоря, термин лриближе-
ВВЕДЕНИЕ
17
ния лучевой оптики (акустики и т. п.); соответственно и формулы Френеля есть формулы лучевой оптики. С то^ки зрения волновой оптики более адекватным и строгим термином была бы "дифракция волн на неоднородностях" (ибо поверхность раздела двух сред, по существу,- своего рода неоднородность). Во всяком случае, термин "отражение" может быть применен, строго говоря, только в тех случаях, когда размеры отражающих поверхностей очень велики по сравнению с длиной волны (или, иначе, длина волны пренебрежимо мала по сравнению с размерами объекта). При уменьшении этих размеров следует говорить о "поправках на дифракцию" (это, естественно, необходимо и при рассмотрении ограниченных пучков). По достижении некоторого предела термин "отражение" перестает быть применимым, и можно говорить лишь о дифракции на предмете (например, на капле тумана).
