Сегодня мы расскажем о сути такого явления оптики, как монохроматическая волна. Очень подробно рассмотрим свойства световых колебаний и электромагнитную шкалу.
Свет, ветер, море, песок
Эти четыре составляющие – идеальный рецепт хорошего отдыха. Но сейчас речь пойдет не о летних каникулах, а о физике. Свет, ветер, поверхность воды и песка имеют одну общую черту – колебания. Случай ветра особый: колебания происходят не вверх-вниз - скорее, это изменение плотности по типу «разрежение-сгущение». И когда человек чувствует на своем лице прикосновения легкого бриза, то это более плотная часть воздушной атмосферы Земли стремится принять более разреженное состояние, сбрасывая лишнюю массу в область более низкого давления.
С морем и песком все проще. Колебания среды видимы, один и тот же участок поверхности колеблется в пространстве. Брошенная в море или реку бумажка при отсутствии течения будет подниматься и опускаться, но не сможет плыть к берегу.
Электромагнитные колебания, к которым относится и монохроматическая световая волна, колеблются в пространстве так же. Но помимо направления распространения, при продвижении сквозь пространство квант света порождает вектор амплитуды, волновой и вектор напряженности электрического и магнитного полей. Все они имеют по отношению друг к другу жестко заданные углы и колеблются вместе с фронтом волны. Так что монохроматическая волна – это целый пакет энергии со многими свойствами, которые распространяются в пространстве по-разному.
Свойства электромагнитного излучения как вещества: масса и импульс
В начале двадцатого века ученым пришлось признать, что любые элементарные частицы обладают одновременно и свойствами волны, и характеристиками материальной частицы. Опыты по давлению света, которые произвел российский ученый Лебедев, доказали: свет способен передавать импульс, а значит, имеет массу. Но любой справочник пояснит, что масса фотона в покое равна нулю. Его масса как бы «размазана» в пакет энергии. Сталкиваясь с веществом, свет меняет его свойства (например, нагревает), и при этом теряет свою индивидуальность и сущность.
Свойства электромагнитного излучения как волны: частота, длина, амплитуда, фаза
Но для того чтобы определить длину волны монохроматического света, требуется только знать о его волновых свойствах. К этим характеристикам относятся:
- Частота. Обозначается греческой буквой ν, если частота линейная, и ω, если циклическая. Определяется как количество волн, которые «уместятся» на определенном промежутке времени. Это временная характеристика электромагнитного излучения.
- Длина волны. Обозначается как λ. Определяет расстояние между одинаковыми фазами двух соседних волн, например, между двумя максимумами. Это пространственная характеристика электромагнитного излучения. Частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. То есть чем выше частота, тем короче длина волны.
- Амплитуда. Может обозначаться по-разному, но чаще всего встречается латинский символ А. Это высота «горбов» и «провалов» колебания. Амплитуда ответственна за интенсивность света: чем ниже колебание, тем слабее свет.
- Фаза. Эту величину, которая обозначается как φ, мы уже упоминали. Под фазой обычно подразумевают тот элемент колебания, который происходит в выбранный момент времени. Если мы «застали» одну волну на максимуме, соседнюю на подъеме, а третью в какой-то момент спуска, то фазы этих колебаний не совпадают.
Все свойства волны, кроме, пожалуй, фазы, тесно связаны с энергией. Чем выше частота, сильнее амплитуда, тем больше энергии переносит фотон. Таким образом, длина волны монохроматического излучения также задает его «температуру» и место на электромагнитной шкале.
Шкала электромагнитных волн до видимого диапазона
Все виды квантов света условно делятся по длине волны. Границы между этими зонами размыты, каждый раздел может состоять еще из нескольких. В зависимости от частоты электромагнитная шкала содержит:
- Радио- и микроволны (3 кГц-300 ГГц). Подразделяются на микроволны, сантиметровые, дециметровые, метровые, короткие, средние, длинные волны.
- Терагерцовые волны (300 ГГц-3 ТГц).
- Инфракрасные волны (150 ГГц-405 ТГц). Подразделяются на ближний и дальний ИК-диапазоны.
- Видимые волны (405-790 ТГц). Подразделяются на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Видимый спектр так называется именно потому, что человеческий глаз способен его воспринимать. Инфракрасный свет несет тепло, а радиоволны поддерживают связь.
Шкала электромагнитных волн после видимого диапазона
А вот излучение, которое располагается на электромагнитной шкале дальше видимого, смертельно опасно для человека и других живых существ:
- Ультрафиолетовые волны (7,5*1014 – 3*1016 Гц). Подразделяются на ближний, средний, дальний, экстремальный (вакуумный) спектры.
- Рентгеновские волны (2*1015 – 6*1019 Гц). Имеют также название «лучи Х», так как в англоязычной литературе этот раздел электромагнитной шкалы обозначается просто как «X-rays». Подразделяются на мягкий и жесткий спектры.
- Гамма-излучение (совпадает с рентгеновским спектром). Может встречаться и обозначение с греческой буквой – «γ-излучение». Отличается от рентгеновского спектра по способу получения. Хотя гамма-лучи могут иметь более высокие энергии, чем рентгеновские.
Человечество нашло применения и этим видам света. Обычно, когда рассматривается электромагнитное излучение, подразумевается видимый, ИК и УФ диапазон. Но на самом деле существует монохроматический свет с длиной волны, соответствующей рентгену и даже гамма-излучению. Просто в искусственных условиях получить такую синхронность для этих волн очень непросто.
Источники электромагнитного излучения
Самыми распространенными генераторами электромагнитного излучения во вселенной являются звезды. В их могучих недрах масса невероятно сжатого газа порождает энергию в чистом виде – кванты света. Солнце излучает во всех спектрах, но, к счастью, у Земли есть атмосфера. Она защищает все живое от губительных волн с высокой и сверхвысокой энергией.
Но не надо думать, что человечеству доступно лишь Солнце. Свет звезд – это тоже электромагнитное излучение. Иногда космос рождает гамма-вспышки такой силы, что эти фотоны долетают ливнем до поверхности нашей планеты. К счастью, рождение сверхновых происходит достаточно далеко от Земли. Иначе все живое на глубину до километра от поверхности стало бы стерильным.
Но люди – хитрые существа. Они проникли в основу производства квантов и поставили их себе на службу. Одни – специально, другие – случайно. Человечество может получить излучение любого диапазона: от гамма-лучей в атомных реакторах до сверхдлинных волн для радиосвязи.
Монохроматическое электромагнитное излучение
Теперь мы вплотную подошли к основной проблеме. Итак, если все колебания электромагнитного поля из одного источника имеют одинаковую длину волны, то это – монохроматическая волна. В идеальном случае источником такого света должен стать один разрешенный переход. Но на практике монохроматическим светом называют пучок с очень узким разбросом длин волн. В таких случаях говорят, что длина волны монохроматического света равна самому вероятному значению из всех полученных, то есть самому часто встречающемуся фотону в пучке. Источником такого потока света является лазер. Ни один природный генератор (например, Солнце) не способен «заставить» свои атомы излучать одинаково.
Применение монохроматических потоков света
Количество применений лазера неисчислимо. Они пригодились везде.
Производство, медицина, биология, геология, география, археология в современном мире были бы иными без лазеров. Но чаще всего этим устройством пользуются ученые. Наиболее интересен случай, когда монохроматическая волна падает нормально на поверхность изучаемого вещества. В этом случае прозрачные кристаллы раскрывают все свои неоднородности, а если вещество обладает какими-то нелинейными свойствами, например, изменяет показатель преломления света, то на выходе получаются практически произведения искусства. Перпендикулярно направленный пучок света поможет определить погрешности непрозрачных поверхностей, отличие линз от сферы или уровень отражения света.
