Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Естествознание постнеклассической науки

Шепель О. М.,

§ 1.1.7. Электромагнитные волны

При взаимодействии электрических и магнитных полей, образующихся при колебательном движении электрического заряда, возникает электромагнитная волна (рис. 1.8), состоящая из фотонов (рис. 1.6) и бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. При этом энергия одного фотона (Е), описывается равенством:

Е = hν, (1.9)

где h – постоянная Планка:

h = 6,6∙10–34 Дж/Гц;

ν – частота колебаний электромагнитной волны, то есть количество колебаний (N) электромагнитного поля, совершаемых в единицу времени в данной точке пространства:

[ν] = Гц, 1 Гц ≡ 1 c–1. Величина, обратная ν называется периодом колебаний (Т) и представляет собой промежуток времени, через который колеблющаяся система возвращается к исходной фазе:

T = 1/ν.

Установлено, что для электромагнитных волн:

(1.10)

или λ∙ν = с,

где c – скорость движения фотона, (в вакууме с ≈ 300 000 км/c), которую иногда называют скоростью света; λ – длина электромагнитной волны (рис. 1.6). В прозрачных средах (воздух, вода, стекло, алмаз) скорость света меньше, чем в вакууме – определяется природой среды и длиной падающей электромагнитной волны. Длина электромагнитной волны в этих средах также уменьшается, но частота остаётся неизменной (1.10). Следует подчеркнуть, что одной и той же длине электромагнитной волны в одной и той же среде соответствует только одно значение амплитуд Е0 и В0.

Поскольку, направление колебаний электрической и магнитной волн фотона перпендикулярно направлению его движения (поперёк), то электромагнитную волну относят к поперечным волнам.

Направление движения фотона можно определить по правилу буравчика (правого винта):

Если направление движения фотона совпадает с направлением поступательного движения буравчика (правого винта), то направление вращения ручки буравчика (шляпки правого винта) совпадает с направлением поворота от вектора к вектору .

Электромагнитные волны с 4∙10–7 м ≤ λ ≤ 8∙10–7 м воспринимаются человеком как свет. Поэтому нередко их называют световыми волнами. Причём, если λ = 4∙10–7 м, то свет фиолетовый, а если λ = 8∙10–7 м,
то свет красный.

В интервале 4∙10–7 м < λ < 8∙10–7 м человеческий глаз воспринимает всевозможные оттенки синего, голубого, зелёного, жёлтого и оранжевого цветов. Поток всевозможных световых волн, включающий в себя фотоны со всеми значениями от 4∙10–7 м до 8∙10–7 м, воспринимается белым цветом. Хотя в прозрачных средах, скорость распространения световой волны и её длина меняются, однако, поскольку частота остаётся неизменной, то восприятие человеческим глазом также остаётся неизменным.

Излучения электромагнитных колебаний с λ > 8∙10–7 м называются: инфракрасным излучением, радиоволнами и низкочастотными колебаниями (перечислены в порядке возрастания λ).

Излучения электромагнитных колебаний с λ < 4∙10–7 м называются: ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением и гамма излучением (перечислены в порядке убывания).

Примеры решения задач

Задача 1

Определить цвет, который увидит наблюдатель, если его глаза воспринимают электромагнитную волну с энергией фотона 2,475∙10–19 Дж.

λ = 6,6∙10–34·3 ∙108/2,475∙10–19 = 8∙10–7 (м).

Электромагнитная волна с λ = 8∙10–7 м воспринимается человеческим зрением как красный цвет.

Ответ: наблюдатель увидит красный цвет.

Задача 2

Во сколько раз изменится (увеличится или уменьшится) длина электромагнитной волны, падающей в воду, если скорость её распространения в воде составляет 225 564 км/c.

 – длина электромагнитной волны в воде;

;

Ответ: длина электромагнитной волны при падении в воду уменьшится в 1,33 раза.

Задачи для самостоятельного решения

1. Определить длину электромагнитной волны, воспринимаемой наблюдателем, если энергия её фотона составляет 4,95∙10–19 Дж.

2. Увидит ли человек электромагнитную волну, частота колебаний которой составляет 1013 Гц?

3. Приближается фотон к наблюдателю или удаляется от него, если минимальный угол поворота от вектора магнитной индукции к вектору напряжённости электрического поля этого фотона направлен относительно наблюдателя против часовой стрелки?

1. При каких условиях возникает электромагнитная волна?

2. Сформулируйте правило определения направления движения фотона.

3. Что такое световые волны?