Электромагнитные волны

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.

Среди электромагнитных полей вообще, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

В 1831 году Майкл Фарадей установил, что любое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве  индукционного (вихревого) электрического поля.

В 1864 году Джеймс-Клерк-Максвелл высказал гипотезу о существовании электромагнитыных волн, способных распространятся в вакууме и диэлектриках. Однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет непрерывно захватывать новые области пространства. Это и есть электромагнитная волна.

Свойства электромагнитных волн

Работу выполнил ученик 11”Л” класса МБОУ “Средняя общеобразовательная школа № 37 имени Новикова Гаврила Гавриловича” г. Кемерово Кошелев Павел Руководитель – учитель физики Шинкоренко Ольга Владимировна

Электромагни́тное излуче́ние  (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.

Среди электромагнитных полей вообще, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Шкала электромагнитных волн

История открытия электромагнитных волн

В 1831 году Майкл Фарадей установил, что любое изменение магнитного поля вызывает появление в окружающем пространстве индукционного (вихревого) электрического поля

В 1864 году Джеймс-Клерк-Максвелл высказал гипотезу о существовании электромагнитыных волн, способных распространятся в вакууме и диэлектриках. Однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет непрерывно захватывать новые области пространства. Это и есть электромагнитная волна.

В 1887 году Генрих Герц опубликовал работу «О весьма быстрых электрических колебаний», где описал свою экспериментальную установку – вибратор и резонатор, - и свои опыты. При электрических колебаниях в вибраторе в пространстве вокруг него вихревое переменное электромагнитное поле, которое регистрируется резонатором.

Подразделения электромагнитного излучения

Радиоизлуче́ние  (радиово́лны, радиочастоты) — электромагнитное излучение с длинам волн 5·10 −5 —10 10  метров и частотами, соответственно, от 6·10 12  Гц и до нескольких Гц. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.

Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне 3 кГц — 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения радиоволн. Так как большая часть диапазона лежит за границами волн, которые могут быть получены при механической вибрации, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.

Применение радиоволн

Телевидение, радиовещание, радиосвязь, мобильная связь, интернет, медицина, микроволновая печь.

Инфракра́сное излуче́ние  — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами.

Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

• коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;
• средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;
• длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм.

Длинноволновую окраину этого диапазона иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

История открытия

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Применение инфракрасного излучения

Термография, инфракрасное самонаведение, инфракрасный обогреватель, инфракрасная астрономия, инфракрасная спектроскопия, инфракрасный канал, медицина, дистанционное управление, стерилизация пищевых продуктов, антикоррозийное средство, пищевая промышленность, проверка денег на подлинность.

Тераге́рцевое (ТГц) излучение  — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон ТГц частот 10 11 —10 13  Гц, диапазон длин волн 3—0,03 мм соответственно. Такие волны ещё называются субмиллиметровыми, если длина волны попадает в диапазон 1—0,1 мм.

ТГц излучение — не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода — нет.

Наука и техника ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60—70-х годов 20-го века, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения. Сейчас это бурно развивающееся направление, имеющее большие перспективы в разных отраслях народного хозяйства.

Источники излучения

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения мВт мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. В статье описывается гиротрон, выдающий 1,5 кВт мощности на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс. КПД при этом составляет 2,2 %. Новосибирский терагерцовый ЛСЭ — самый мощный в мире источник терагерцового излучения со средней мощностью 0.5 кВт.

В качестве ТГц источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны.

Приемники излучения

Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 30-х гг. Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 40-х гг. 20-го века.

Изначально эти устройства создавались для регистрации ИК (теплового) излучения. Было установлено, что выделение слабого сигнала в ТГц области невозможно без подавления тепловых шумов. Поэтому в качестве ТГц приёмников позже стали использовать охлаждаемые до температур в несколько кельвин болометры.

Для детектирования ТГц излучения также применяют радиометры, чувствительный элемент которых изготовлен на основе пироэлектрика (сегнетоэлектрика). Эффективно работают пластинки из танталата лития (LiTaO 3 ). 

ТГц спектроскопия

ТГц диапазон до недавнего времени был труднодоступен, но с развитием ТГц техники ситуация изменилась. Сейчас существуют ТГц спектрометры (Фурье-спектрометры и монохроматоры), работающие во всем ТГц диапазоне.

В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и ТГц оптические элементы, такие как ТГц дифракционные решетки, линзы, фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтры. Возможно использование призм и других диспергирующих элементов. Техника, используемая для ТГц спектроскопии, содержит черты техник для соседних СВЧ- и ИК- диапазонов, но по-своему уникальна.

ТГц излучение является компонентой теплового излучения различных макроскопических объектов (на хвосте распределения М. Планка для АЧТ), наибольшее для горячих тел, таких как звезды. В ТГц диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии воды, кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решеток ионных и молекулярных кристаллов, изгибных колебаний длинных молекул, в том числе полимеров и биополимеров; характеристич. частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соотв. энергии связей примесных комплексов, экситонов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц диапазоне.

Представляет интерес изучение магнитотормозного (циклотронного и синхротронного излучения), магнитодрейфового и черенковского излучения в этом диапазоне, которые при определенных условиях дают существенный вклад в общий спектр ТГц излучения.

Применение в народном хозяйстве

• ТГц излучение уже находит применение в некоторых отраслях народного хозяйства и повседневной жизни людей.
• В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров. На рисунке справа представлено изображение, сделанное с помощью системы Tadar. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.
• В статье описывается метод получения изображения микроскопических объектов с использованием ТГц излучения, благодаря чему авторами были получены рекордные значения чувствительности и разрешающей способности.
• В медицинскую практику начинают внедряться ТГц томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько см. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.
• Совершенствование ТГц приёмных камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописи.
• В производстве ТГц излучение может найти применение для контроля качества выпускаемой продукции, мониторинга оборудования. Например, можно проводить осмотр продукции в пластиковой, бумажной таре, прозрачной в ТГц спектре, но непрозрачной в видимом.
• Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц систем связи и ТГц локации для больших высот и космоса.

Оротрон Болометр

Видимое излучение  — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 терагерц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (385—395 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется  видимым светом , или просто  светом  (в узком смысле этого слова).

В спектре содержатся не все цвета, которые различает человеческий мозг. Таких оттенков, как розовый или маджента, нет в спектре видимого излучения, они образуются от смешения других цветов.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете.

История открытия

Первые объяснения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоган Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах.

Ньютон первый использовал слово спектр (лат.  spectrum  — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Круг цветов Ньютона из книги «Оптика» (1704), показывающий взаимосвязь между цветами и музыкальными нотами

Спектр видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены с помощью света одной длины волны (точнее, с очень узким диапазоном длин волн), называются спектральными цветами.

Ультрафиоле́товое излуче́ние  (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5·10 14 —3·10 16 Гц). Термин происходит от лат.  ultra  — сверх, за пределами и фиолетовый. В разговорной речи может использоваться также наименование «ультрафиолет» .

История открытия

Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у индийского философа 13-го века в его труде. Атмосфера описанной им местности  Bhootakasha  содержала фиолетовые лучи, которые невозможно увидеть невооружённым глазом. После того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном конце спектра, с длиной волны короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Хлорид серебра белого цвета в течение нескольких минут темнеет на свету. Разные участки спектра по-разному влияют на скорость потемнения. Быстрее всего это происходит перед фиолетовой областью спектра. Тогда многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также актиническим излучением. Идеи о единстве трёх различных частей спектра были впервые озвучены лишь в 1842 году в трудахАлександра Беккереля, Македонио Меллони и др.

Природные источники

Искусственные источники

Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце

Ультрафиолетовые лампы и лазеры

Применение ультрафиолета

Стерилизация, обеззараживание воздуха и поверхностей, дезинфекция питьевой воды, химический анализ, УФ — спектрометрия, анализ минералов, качественный хроматографический анализ, ловля насекомых, искусственный загар, реставрация.

Рентге́новское излуче́ние  — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2  до 10 2  Å (от 10 −12  до 10 −8  м)

История открытия

Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал X-лучами ( x-ray ). Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опубликована 28-го декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества.

Но еще за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.

Рентгеновские трубки

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются врентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также  антикатодом ). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли. В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди. В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод,  U h  —напряжения накала катода,  U a  — ускоряющее напряжение, W in  — впуск водяного охлаждения, W out  — выпуск водяного охлаждения.

трубка Крукса

Применение рентгеновского излучения

• При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентгенография и рентгеноскопия). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция ( Z =20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода ( Z =1), углерода ( Z =6), азота ( Z =7), кислорода ( Z =8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
• Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
• В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
• При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.
• В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.
• Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия). Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

Естественные источники

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате Комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а такжекосмическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой.

Га́мма-излуче́ние  ( гамма-лучи ,  γ-лучи )  — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — менее 2·10 −10  м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.

Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 10 5  эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1—100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

История открытия

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом в 1900 году при исследовании излучения радия.

Применение гамма-излучения

• Гамма-дефектоскопия, контроль изделий просвечиванием γ-лучами.
• Консервирование пищевых продуктов.
• Стерилизация медицинских материалов и оборудования.
• Лучевая терапия.
• Уровнемеры.
• Гамма-каротаж в геофизике.
• Гамма-высотомер, измерение расстояния до поверхности при приземлении спускаемых космических аппаратов.
• Гамма-стерилизация специй, зерна, рыбы, мяса и других продуктов для увеличения срока хранения

Свойства электромагнитных волн

Поглощение электромагнитного излучения  — процесс потери энергии потоком электромагнитного излучения вследствие взаимодействия с веществом. Количественные характеристики процесса поглощения изучает фотометрия. Зависимость поглощения от частоты задаётся спектром поглощения. Альтернативным к поглощению процессом является рассеяние электромагнитного излучения, частным случаем которого является отражение электромагнитных волн на границе раздела сред.

В классической физике поглощение обусловлено вынужденными колебаниями электрических зарядов в переменном поле электромагнитной волны при том условии, когда существует канал диссипации энергии этих колебаний, обусловленный, например, трением. В квантовой физике поглощение происходит порциями, квантами в результате переходов квантовой системы между различными квантовыми состояниями.

Поглощённая энергия может перейти в тепло, быть излученной в процессе фотолюминесценции, вызвать фотохимические реакции и тому подобное.

Рассе́яние све́та  — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока.

Отраже́ние  — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

Дифра́кция во́лн  (лат.  diffractus  — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Общим свойством всех эффектов дифракции является зависимость степени её проявления от соотношения между длиной волны  и размером ширины волнового фронта , либо непрозрачного экрана на пути его распространения, либо неоднородностей структуры самой волны.

Дифракция первого и второго порядка как интерференция волн, образованных при падении плоской волны на непрозрачный экран с парой щелей. Стрелками показаны линии, проходящие через линии интерференционных максимумов

История исследований

Основы теории дифракции были заложены при изучении дифракции света в первой половине XIX века в трудах  Юнга  и  Френеля . Среди других учёных, которые внесли значительный вклад в изучение дифракции: Гримальди, Гюйгенс, Араго, Пуассон, Гаусс, Фраунгофер,Бабине, Кирхгоф, Аббе, У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг, фон Лауэ, Роуланд, Зоммерфельд, Леонтович, Фок, Ван-Циттерт, Цернике (см. История оптики).

Обнаружение дифракции частиц (электронов) в 1927 году (опыт Дэвиссона и Джермера) сыграло большую роль в подтверждении существования волн де Бройля и в подтверждении концепции корпускулярно-волнового дуализма (идеи двойственной природы волн и частиц). В XX и XXI веках продолжились исследования дифракции волн на сложных структурах.

Преломле́ние  ( рефра́кция )  — изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.

Интерференция волн  — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Интерферировать могут все волны, однако устойчивая интерференционная картина будет наблюдаться только в том случае, если волны имеют одинаковую частоту и колебания в них не ортогональны. Интерференция может быть стационарной и нестационарной. Стационарную интерференционную картину могут давать только полностью когерентные волны. Например, две сферические волны на поверхности воды, распространяющиеся от двух когерентных точечных источников, при интерференции дадут результирующую волну, фронтом которой будет сфера.

При интерференции энергия волн перераспределяется в пространстве. Это не противоречит закону сохранения энергии потому, что в среднем, для большой области пространства, энергия результирующей волны равна сумме энергий интерферирующих волн.

Поляриза́ция волн  — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В  продольной  волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор поляризации представляет собой вектор напряженности электрического поля. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
• анизотропность среды распространения волн;
• преломление и отражение на границе двух сред.

В общем случае для гармонических волн конец вектора колеблющейся величины описывает в плоскости, поперечной направлению распространения волны, эллипс, и такая поляризация называется  эллиптической . Важными частными случаями являются  линейная поляризация , при которой колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости, в таком случае говорят о « плоско-поляризованной  волне», и  круговая  или  циркулярная поляризация , при которой конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний, круговая поляризация в зависимости от направления вращения вектора может быть  правой  или  левой .

Поляризация описывается Фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты.

Линейная поляризация

Эллиптическая поляризация

Круговая поляризация

Спасибо за внимание!

Список литературы

• http://ru.wikipedia.org/wiki/%C8%ED%F2%E5%F0%F4%E5%F0%E5%ED%F6%E8%FF_% E2%EE%EB%ED
• http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EE%EB%FF%F0%E8%E7%E0%F6%E8%FF_% E2%EE%EB%ED
• http://ru.wikipedia.org/wiki/% D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
• http://ru.wikipedia.org/wiki/% D0%94%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F
• http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0 )
• http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B5%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5_% D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0
• http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_% D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
• http://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EB%E5%EA%F2%F0%EE%EC%E0%E3%ED%E8%F2%ED%EE%E5_% E8%E7%EB%F3%F7%E5%ED%E8%E5
• http://www.edu.severodvinsk.ru/after_school/nit/2006/web/shemakina/svva.html