Механика |
Вещество и светБыстрее всего свет движется в пустом пространстве. А как свет распространяется в прозрачных веществах: воде, кварце, в обычном стекле? Это не простой вопрос. Только поняв природу света, ученые смогли установить законы распространения световых волн в веществе во всей их полноте. И первый значительный шаг сделал английский ученый Д. Максвелл. Он вывел систему уравнений, описывающих поведение колеблющихся электрических и магнитных полей. И вот оказалось, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света и не зависит от длины волны, если волны распространяются в вакууме. Максвелл пришел к заключению, что свет - электромагнитные колебания. В дальнейшем многими опытами этот вывод был подтвержден. На рисунке 8 показана структура светового луча. В плоскости М колеблется электрическое поле Е, а в перпендикулярной плоскости N колеблется магнитное поле Н.  Рис. 8.
Если внимательно посмотреть на рисунок, то станет ясно, что частота колебаний v равна скорости света, деленной на длину волны: v =c/лямбда. За одну секунду электрическое и магнитное поля в зеленом световом луче совершают 600 биллионов колебаний. Когда световой пучок входит в прозрачное вещество, его электрическое поле, меняющееся очень быстро, не успевает раскачать тяжелые атомные ядра и связанные с ними большими силами электроны внутренних атомных оболочек. Так невозможно раскачать маятник, бросая в него маковые зерна. Зато внешние электроны, слабо удерживаемые ядрами, смещаются под действием электрического поля световой волны, повторяя ее "рисунок" (рис. 9).  Рис. 9.
Электроны здесь ведут себя так, будто они прикреплены к атомным ядрам на пружинках. Смещенные световым электрическим полем, электроны начинают колебаться и испускать свет той же длины волны и того же направления, что и падающее излучение. Первичная волна и волна, рожденная колебаниями электронов, складываются. Скорость этой результирующей волны оказывается меньше, чем скорость падающей первичной волны. Этим и объясняется замедление света в веществе, несмотря на то что между отдельными атомами свет идет с обычной скоростью с.  Рис. 10.
Физики вычислили, что отношение скорости света в вакууме с к его скорости распространения в прозрачном веществе u равно  В этой формуле а к А — постоянные величины, характеризующие данное вещество, a v — частота колебаний световых волн. Величина а для воздуха, стекла, кварца, флюорита и других прозрачных веществ больше частоты световых колебаний, и если вспомнить алгебру, то станет ясно, что отношение c/u для световой волны больше единицы, а это означает, что свет в прозрачных веществах распространяется медленнее, чем в пустоте. Отношение c/u обозначают буквой п и называют показателем преломления вещества :  Посмотрите внимательно на эту формулу. Показатель преломления растет с увеличением частоты колебаний : чем больше v, тем меньше а2-v2, a следовательно, больше величина п. Почему же отношение скоростей - назвали показателем преломления света? Разве можно сломать световой луч? Оказывается, можно. Опустим в стакан с водой ложку. На границе раздела между воздухом и водой ложка нам покажется сломанной (рис. 10). Конечно, когда мы достанем ложку из воды, на ней не будет никаких повреждений. Ведь преломлялись только световые лучи на границе воздуха и воды, и преломлялись именно потому, что скорость света в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. В общем случае для любой волны — звуковой и световой — справедлив закон:  (рис. 11). При этом падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости.  Рис. 11. во - угол падения (отражения); в - угол преломления; ab
- падающий луч; bc - отраженный луч; bd - преломленный луч.
|
 |