Лекція 21. Електромагнітна природа світла.

Світло — електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×10¹⁴ — 4×10¹⁴ Гц), тобто з довжиною хвилі від 400 до 760 нанометрів. У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру. Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією й інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку — швидкістю світла. Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Довжина хвилі зв'язана з частотою законом дисперсії, який також визначає швидкість поширення світла в середовищі. Взаємодіючи з речовиною, світло розсіюється і поглинається. Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія яких залежить від частоти:

E = hν,

де E — енергія кванта, ν — частота, h — стала Планка. Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Дисперсія світла, тобто різна швидкість розповсюдження світлових променів з різною частотою у середовищі, дозволяє розкласти світло на кольорові складові. Світло переносить енергію. Зокрема, сонячне світло є одним із основних джерел енергії на Землі. Частина цієї енергії сприймається живими організмами при фотосинтезі. Використання сонячної енергії людством одна із найважливіших сучасних проблем.

Електромагнітна хвиля. Уявіть собі, що електричний заряд не просто змістився з однієї точки в іншу, а був приведений у швидкі коливання уздовж деякої прямої. Заряд рухається подібно тілу, підвішеному на пружині, але тільки коливання його відбуваються зі значно більшою частотою. Тоді електричне поле в безпосередній близькості від заряду почне періодично змінюватися. Період цих змін, очевидно, буде дорівнює періоду коливань заряду. Змінне електричне поле буде періодично змінювати магнітне поле, а воно, у свою чергу, викличе появу змінного електричного поля вже на більшій відстані від заряду і т. д. У навколишньому зарядженому просторі, захоплюючи все більші і більші області, виникає система взаємно перпендикулярних, електричних і магнітних полів. На малюнку зображений «миттєвий знімок» такої системи полів на великій відстані від коливного заряду.

Утворюється так звана електромагнітна хвиля, що біжить по всіх напрямах від коливного заряду. У кожній точці простору електричні й магнітні поля змінюються в часі періодично. Чим далі розташована точка від заряду, тим пізніше досягнуть її коливання. Отже, на різних відстанях від заряду коливання кожного з цих векторів відбуваються з різними фазами.Коливання векторів в будь-якій точці збігаються по фазі. Найкоротша відстань між двома найближчими точками, в яких коливання відбуваються в однакових фазах, є довжина хвилі в даний момент часу.

Таким чином, вектори і в електромагнітної хвилі перпендикулярні один до одного і перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Якщо обертати буравчик з правого нарізкою від вектора до вектора, то поступальне переміщення гвинта буде співпадати з напрямом вектора швидкості хвилі.

Наявність прискорення у рухомих зарядів - головна умова випромінювання ними електромагнітних хвиль.Електромагнітне поле випромінюється помітним чином не тільки при коливаннях заряду, але і при будь-якому досить швидкій зміні його швидкості. Інтенсивність випромінюваної хвилі тим більше, чим більше прискорення, з яким рухається заряд. При русі зарядженої частинки з постійною швидкістю створені нею електричне і магнітне поля, подібно розвівається шлейфу, супроводжують частку. При прискоренні частинки виявляється притаманна електромагнітного поля інертність. Поле «відривається» від частки і починає самостійне існування у формі електромагнітних хвиль. Енергія електромагнітного поля хвилі в будь-який фіксований момент часу змінюється періодично в просторі, разом зі зміною векторів. Хвиля несе з собою енергію, що переміщається зі швидкістю вздовж напрямку поширення хвилі. У результаті цього енергія, що переноситься електромагнітною хвилею в будь-якій точці простору, змінюється періодично з часом. Максвелл був глибоко переконаний в реальності електромагнітних хвиль. Але він не дожив до їх експериментального виявлення. Лише через 10 років після його смерті електромагнітні хвилі були експериментально отримані Г. Герцем.

Електромагнітні хвилі виникають через те, що змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле. Це змінне магнітне поле, в свою чергу, породжує змінне електричне поле. Головною особливістю є те, що електромагнітна хвиля має здатність переносити енергію.

Із людських органів чуття найбільше інформації про довкілля дає нам зір. Однак бачити навколишній світ ми можемо тільки тому, що існує світло. Людина бачить електромагнітні хвилі у видимому діапазоні тому, що має відповідні рецептори, які поглинають світло таких частот, викликаючи при цьому відповідні імпульси в нервовій системі. Сітківка людського ока має два типи світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички не мають особливої чутливості до певного діапазону спектру, зате чутливіші до світла взагалі, тому дозволяють бачити чорно-біле зображення. Колбочки мають у своєму складі молекули, які чутливі до різних діапазонів видимого спектру, тому дозволяють бачити в кольорі.

Колір	Діапазон довжин хвиль, нм	Діапазон частот, ТГц	Діапазон енергії фотонів, еВ
Фіолетовий	380—440	790—680	2,82—3,26
Синій	440—485	680—620	2,56—2,82
Блакитний	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелений	500—565	600—530	2,19—2,48
Жовтий	565—590	530—510	2,10—2,19
Помаранчевий	590—625	510—480	1,98—2,10
Червоний	625—740	480—405	1,68—1,98

Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на віддаль за допомогою радіо, телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, дицеметровий, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини електомагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі з вищою частотою належать до інфрачервоного діапазону. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання тіла. Реєстрація цього випроміювання лежить в основі роботи приладів нічного бачення. Інфрачервоні хвилі застосовуються також для вивчення теплових коливань у тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів та рідин. Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 800 нм належать до діапазону видимого світла. В залежності від частоти й довжини хвилі видиме світло розрізняється за кольорами. Хвилі з довжиною меншою за 400 нм називаються ультрафіолетовими. Людське око їх не розрізняє, хоча їхні властивості не дуже відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Більша частота, а, отже, й енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівної дії ультрафіолетових хвиль на біологічні об'єкти. Земна поверхня захищена від шкідливої дії ультрафіолетових хвиль озоновим шаром. Для додаткового захисту природа наділила людей темною шкірою. Проте ультрафіолетові промені потрібні людині для продукування вітаміну D. Саме тому люди в північних широтах, де інтенсивність ультрафіолетових хвиль менша, втратили темне забарвлення шкіри.

Електомагнітні хвилі ще вищої частоти належать до рентгенівського діапазону. Вони називають так тому, що їх відкрив Рентген, вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмуванні електронів. В закордонній літературі такі хвилі заведено називати X-променями, поважаючи бажання Рентгена, щоб промені не називали його іменем. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють із речовиною, сильніше поглинаючись там, де густина більша. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються також для елементного аналізу та вивчення структури кристалічних тіл. Найвищу частоту й найменшу довжину мають γ-промені. Такі промені утворюються внаслідок ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. γ-промені мають велику руйнівну дію на біологічні об'єкти. Проте вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик атомного ядра.