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光的波动性-麦克斯韦预言存在电磁波

光是电磁波
       一提到光,人们会立刻联想到太阳光和电灯光。光是一种电磁波,太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反,光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光,具有极窄的光谱宽度。点光源是只有几何位置而没有大小的光源。在自然界,理想的点光源是不存在的,但是对于均匀发光的小球体,如果它本身的大小和它到观察点的距离相比小得多,我们就可以近似地把它看作点光源。激光器发出的光也可以看作是点光源。光线是光向前传播的一条类似几何线的直线。有一定关系的一些光线的集合叫光束。
光是电磁波
       光具有两种特性,即波动性和粒子性,下面分别加以介绍。
光的波动性——麦克斯韦预言存在电磁波
 
       麦克斯韦电磁学论文《论法拉第力线》的诞生过程。
       英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James ClerkMaxwell,1831—1879年)的电学研究始于1854年,当时他刚从剑桥大学毕业不过几星期,读到了法拉第的《电学实验研究》,立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。当时人们对法拉第的观点和理论看法不一,有不少非议。原因之一就是法拉第理论的严谨性还不够,法拉第是实验大师,有着常人所不及之处,唯独欠缺数学功力,所以他的学术创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿的物理学理论,对法拉第的学说感到不可思议。在剑桥大学的学者中,这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥大学里一名很有见识的学者之一,麦克斯韦对他敬佩不已,麦克斯韦特意给汤姆逊写信,向他求教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁,对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下,麦克斯韦得到启示,相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。他认真地研究了法拉第的著作后,感受到力线思想的宝贵价值,也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望,决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。
       1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第力线》。7年后,年仅31岁的麦克斯韦就从理论上科学地预言了电磁波的存在。1873年出版的《论电和磁》,把电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来,这些数学表达式经赫兹整理和改写,成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。因此,《论电和磁》被称为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部极为重要的物理学经典。
       1864年,麦克斯韦(Maxwell)通过理论研究指出,和无线电波、X射线一样,光是一种电磁波,光学现象实质上是一种电磁现象,光波就是一种频率很高的电磁波,光波是电磁波谱的一个组成部分,如图2.1.1 所示。
电磁波频率与波长的换算
图2.1.1电磁波频率与波长的换算
       英国物理学家麦克斯韦完成了19世纪最美妙的科学发现——电磁场理论,并预言了电磁波的存在,他的理论预言得到了赫兹的实验证实。人类的无线电技术,就是在电磁场理论的基础上发展起来的。
       利用它的波动性可解释光的反射、折射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光称为单色光,在均匀介质中,可用麦克斯韦波动方程的弱导近似形式描述,即
麦克斯韦波动方程的弱导近似形式描述
   式中,▽2是二阶拉普拉斯运算符;υ是在均匀介质中的波速;E和H分别是电场和磁场。可以用下面的纯正弦波描述一个传播的电磁波(用电场描述):
纯正弦波描述一个传播的电磁波
式中,Ex是随时间和空间不断变化的电场;Eo是波幅;ωo=2πνo是角频率;ko是波数或传播常数。假定该电磁波无限扩展到所有空间,并在所有时间均存在,如图2.2.1所示。
       光波可以用频率(波长)、相位和传播速度来描述。频率是每秒传播的波数,波长是在介质或真空中传输一个波(波峰-波峰)的距离。
       频率用赫兹(Hz)、MHz、GHz或THz表示,1赫兹=1次/秒,即在单位时间内完成振动的次数,赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希· 鲁道夫·赫兹(Heinrich Rodolf Hertz)。通常,将式(2.1.2)描述的正弦波幅度在1s内的重复变化次数称为信号的“频率”,用ν表示;而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”,用T表示,以秒(s)为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”,用λ表示,以米(m)为单位,ν、T和λ的关系为
                                        ν=1/T,c=λν
式中,c是电磁波的传播速度,c=3×108m/s。
       波长用微米(μm)或纳米(nm)表示。在日常生活中,把“光”定义为可用眼睛看见的辐射。图2.1.2a表示人的眼睛对各种波长辐射的相对灵敏度,由图可见,人眼对黄绿光最灵敏。
       在总结了前人近百年的电磁学研究成果之后,麦克斯韦对法拉第的电磁感应理论(见5.1.2节)加以发展,他指出,变化的磁场能产生变化的电场,变化的电场也能产生变化的磁场,这种交替变化的电磁场会以波的形式在空间传播。麦克斯韦的电磁场理论,把光学和电磁学统一了起来,是19世纪科学史上极伟大的科学理论之一。
光的波动性和光子性
图2.1.2光的波动性和光子性
a)人眼对不同波长光的灵敏度b)光电效应实验装置图
       詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879年),英国物理学家、数学家,经典电动力学创始人,统计物理学奠基人之一。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理,毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授,最后是在剑桥大学任教。普遍认为,麦克斯韦是对物理学非常有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。1879年,48岁的麦克斯韦因病与世长辞,他光辉的生涯就这样过早地结束了。
       麦克斯韦的主要成就是,建立了麦克斯韦方程组,创立了经典电动力学,预言了电磁波的存在,提出了光的电磁说。代表作品有《电磁学通论》《论电和磁》等。麦克斯韦方程组简洁深刻,被誉为“上帝谱写的诗歌”。
物理学家麦克斯韦
英国物理学家麦克斯韦
       1886年,赫兹经过反复实验,发明了一种金属环,用这种环做了一系列的实验,终于在1888年证实了人们怀疑和期待已久的电磁波的存在。赫兹的实验公布后,轰动了科学界,由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论,至此取得了决定性的胜利。麦克斯韦的伟大遗愿终于实现了。
       1891—1893年,德国物理学家赫兹又用实验方法测出了电磁波的传播速度,它和光的传播速度近似相等。