Сьогодні ми розповімо про суть такого явища оптики, монохроматична хвиля. Дуже докладно розглянемо властивості світлових коливань і електромагнітну шкалу.

Світло, вітер, море, пісок

Ці чотири складові – ідеальний рецепт гарного відпочинку. Але зараз мова піде не про літніх канікулах, а про фізику. Світло, вітер, поверхню води і піску мають одну спільну рису – коливання. Випадок вітру особливий: коливання відбуваються не вгору-вниз - швидше, це зміна щільності за типом «розрідження-згущення». І коли людина відчуває на своєму обличчі дотику легкого бризу, то це більш щільна частина повітряної атмосфери Землі прагне прийняти більш розріджений стан, скидаючи зайву масу в область більш низького тиску.


З морем і піском все простіше. Коливання середовища видимі, один і той же ділянку поверхні коливається в просторі. Кинута в море або річку папірець при відсутності течії буде підніматися і опускатися, але не зможе пливти до берега. Електромагнітні коливання, до яких відноситься і монохроматична світлова хвиля, коливаються в просторі так само. Але крім напрямку поширення, при просуванні крізь простір квант світла породжує вектор амплітуди, хвильовий і вектор напруженості електричного і магнітного полів. Всі вони мають по відношенню один до одного жорстко задані кути і коливаються разом з фронтом хвилі. Так що монохроматична хвиля – це цілий пакет енергії з багатьма властивостями, які поширюються в просторі по-різному.

Властивості електромагнітного випромінювання як речовини: маса та імпульс

На початку двадцятого століття ученим довелося визнати, що будь-які елементарні частинки володіють одночасно властивостями хвилі, і характеристиками матеріальної частинки. Досліди по тиску світла, які провів російський вчений Лебедєв, довели: світло здатний передавати імпульс, а отже, має масу. Але будь-довідник пояснить, що маса фотона в спокої дорівнює нулю. Його маса як би «розмазана» в пакет енергії. Стикаючись з речовиною, світло змінює його властивості (наприклад, нагріває), і при цьому втрачає свою індивідуальність і сутність.

Властивості електромагнітного випромінювання як хвилі: частота, довжина, амплітуда, фаза

Але для того, щоб визначити довжину хвилі монохроматичного світла, потрібно тільки знати про його хвильові властивості. До цих характеристик відносяться:

Частота. Позначається грецькою літерою ?, якщо частота лінійна, і ?, якщо циклічна. Визначається як кількість хвиль, які «вмістяться» на певному проміжку часу. Це тимчасова характеристика електромагнітного випромінювання.

Довжина хвилі. Позначається як ?. Визначає відстань між однаковими фазами двох сусідніх хвиль, наприклад, між двома максимумами. Це просторова характеристика електромагнітного випромінювання. Частота і довжина хвилі обернено пропорційні один одному. Тобто чим вище частота, тим коротша довжина хвилі.

Амплітуда. Може позначатися по-різному, але найчастіше зустрічається латинський символ А. Це висота «горбів» і «провалів» коливання. Амплітуда відповідальна за інтенсивність світла: чим нижче коливання, тим слабше світло.

Фаза. Цю величину, яка позначається як ?, ми вже згадували. Під фазою зазвичай мають на увазі той елемент коливання, який відбувається у вибраний момент часу. Якщо ми «застали» одну хвилю на максимумі, сусідню на підйомі, а третю в якийсь момент спуску, то фази цих коливань не збігаються.

Всі властивості хвилі, окрім, мабуть, фази, тісно пов'язані з енергією. Чим вище частота, сильніше амплітуда, тим більше енергії переносить фотон. Таким чином, довжина хвилі монохроматичного випромінювання також задає його «температуру» і місце на електромагнітної шкалою.

Шкала електромагнітних хвиль до видимого діапазону

Всі види квантів світла умовно діляться по довжині хвилі. Межі між цими зонами розмиті, кожен розділ може складатися ще з декількох. В залежно від частоти електромагнітна шкала містить:

Радіо - і мікрохвилі (3 кГц-300 ГГц). Поділяються на мікрохвилі, сантиметрові, дециметрові, метрові, короткі, середні, довгі хвилі.

Терагерцових хвилі (300 ГГц До 3 ТГц).

Інфрачервоні хвилі (150 ГГц-405 ТГц). Поділяються на ближній та дальній ІЧ-діапазонів.

Видимі хвилі (405-790 ТГц). Поділяються на сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Видимий спектр так називається саме тому, що людське око здатне сприймати його. Інфрачервоне світло несе тепло, а радіохвилі підтримують зв'язок.

Шкала електромагнітних хвиль після видимого діапазону

А ось випромінювання, яке розташовується на електромагнітної шкалою далі видимого, смертельно небезпечно для людини і інших живих істот:

Ультрафіолетові хвилі (75*10 14 – 3*10 16 Гц). Поділяються на ближній, середній, далекий, екстремальний (вакуумний) спектри.

Рентгенівські хвилі (2*10 15 – 6*10 19 Гц). Мають також назву «промені Х», так як в англомовній літературі цей розділ електромагнітної шкали позначається просто як «X-rays». Поділяються на м'який і жорсткий спектри.

Гамма-випромінювання (збігається з рентгенівським спектром). Може зустрічатися і позначення з грецькою літерою – «?-випромінювання». Відрізняється від рентгенівського спектра за способом отримання. Хоча гамма-промені можуть мати більш високі енергії, ніж рентгенівські.

Людство знайшло застосування і цими видами світла. Зазвичай, коли розглядається електромагнітне випромінювання, мається на увазі видимий, ІЧ та УФ діапазону. Але насправді існує монохроматичне світло з довжиною хвилі, що відповідає рентгену і навіть гамма-випромінювання. Просто в штучних умовах отримати таку синхронність для цих хвиль дуже непросто.

Джерела електромагнітного випромінювання

Найпоширенішими генераторами електромагнітного випромінювання у всесвіті є зірки. В їх могутніх надрах маса неймовірно стисненого газу породжує енергію у чистому вигляді – кванти світла. Сонце випромінює у всіх спектрах, але, на щастя, у Землі є атмосфера. Вона захищає все живе від руйнівних хвиль з високою та надвисокою енергією. Але не треба думати, що людству доступно лише Сонце. Світло зірок – це теж електромагнітне випромінювання. Іноді космос народжує гамма-спалаху такої сили, що ці фотони долітають зливою до поверхні нашої планети. На щастя, народження наднових відбувається досить далеко від Землі. Інакше все живе на глибину до кілометра від поверхні стало б стерильним. Але люди – хитрі створіння. Вони проникли в основу виробництва квантів і поставили їх собі на службу. Одні – спеціально, інші – випадково. Людство може отримати випромінювання будь-якого діапазону: від гамма-променів в атомних реакторах до наддовгих хвиль для радіозв'язку.

Монохроматичне електромагнітне випромінювання

Тепер ми впритул підійшли до основної проблеми. Отже, якщо всі коливання електромагнітного поля з одного джерела мають однакову довжину хвилі, то це – монохроматична хвиля. В ідеальному випадку джерелом такого світла повинен стати один дозволений перехід. Але на практиці монохроматичним світлом називають пучок з дуже вузьким діапазоном довжин хвиль. У таких випадках кажуть, що довжина хвилі монохроматичного світла дорівнює самому вірогідним значенням з усіх отриманих, тобто самому часто встречающемуся фотону в пучку. Джерелом такого потоку світла є лазер. Жоден природний генератор (наприклад, Сонце) не здатний «змусити» свої атоми випромінювати однаково.

Застосування монохроматичних потоків світла

Кількість застосувань лазера незлічити. Вони стали в нагоді скрізь. Виробництво, медицина, біологія, геологія, географія, археологія в сучасному світі були б іншими без лазерів. Але найчастіше цим пристроєм користуються вчені. Найбільш цікавий випадок, коли монохроматична хвиля падає нормально на поверхню досліджуваного речовини. У цьому випадку прозорі кристали розкривають всі свої неоднорідності, а якщо речовина володіє якимись нелінійними властивостями, наприклад, змінює показник заломлення світла, то на виході виходять практично твори мистецтва. Перпендикулярно спрямований пучок світла допоможе визначити похибки непрозорих поверхонь, відмінність лінз від сфери або рівень відбивання світла.