Шрифт:
§ 4 Поглощение
Вы уже, наверное, заметили нечто странное в последней форме (31.20) нашей дисперсионной формулы. Из-за члена ig, учитывающего затухание, показатель преломления стал комплексной величиной! Что это означает? Выразим n через действительную и мнимую части:
(31.21)
причем n' и n" вещественны. (Перед in" стоит знак минус, а само n", как легко убедиться, положительно.)
Смысл комплексного показателя преломления легче всего понять, вернувшись к уравнению (31.6) для волны, проходящей сквозь пластинку с показателем преломления n. Подставив сюда комплексное n и произведя перегруппировку членов, получаем
Множители, обозначенные буквой В, имеют прежний вид и, как и раньше, описывают волну, фаза которой после прохождения пластинки запаздывает на угол w (n'-1)Dz/c. Множитель А (экспонента с действительным показателем) представляет нечто новое. Показатель экспоненты отрицателен, следовательно, А вещественно и меньше единицы. Множитель А уменьшает амплитуду поля; с ростом Dz величина А, а следовательно, и вся амплитуда падает. При прохождении через среду электромагнитная волна затухает. Среда «поглощает» часть волны. Волна выходит из среды, потеряв часть своей энергии. Этому не следует удивляться, потому что введенное нами затухание осцилляторов обусловлено силой трения и непременно приводит к потере энергии. Мы видим, что мнимая часть комплексного показателя преломления n" описывает поглощение (или «ослабление») электромагнитной волны. Иногда n" называют еще «коэффициентом поглощения».
Заметим также, что появление мнимой части n отклоняет стрелку, изображающую Еа на фиг. 31.3, к началу координат.
Отсюда ясно, почему поле ослабевает при прохождении через среду.
Обычно (как, например, у стекла) поглощение света очень мало. Именно так и получается по нашей формуле (31.20), потому что мнимая часть знаменателя igkw много меньше действительной части (w2k– w2). Однако когда частота w близка к wk, резонансный член (w2k– w2) оказывается мал по сравнению с igkw и показатель преломления становится почти чисто мнимым. Поглощение в этом случае определяет основной эффект. Именно поглощение дает в солнечном спектре темные линии. Свет, излучаемый поверхностью Солнца, проходит сквозь солнечную атмосферу (а также через атмосферу Земли), и частоты, равные резонансным частотам атомов в атмосфере Солнца, сильно поглощаются.
Наблюдение подобных спектральных линий солнечного света позволяет установить резонансные частоты атомов, а следовательно, и химический состав солнечной атмосферы. Точно так же по спектру звезд узнают состав звездного вещества. С помощью этих методов обнаружили, что химические элементы на Солнце и звездах не отличаются от земных.
§ 5. Энергия световой волны
Как мы видели, мнимая часть показателя преломления характеризует поглощение. Попробуем теперь вычислить энергию, переносимую световой волной. Мы высказали соображения в пользу того, что энергия световой волны пропорциональна Е2, среднему по времени от квадрата электрического поля волны. Ослабление электрического поля за счет поглощения волны должно приводить к потере энергии, переходящей в какое-то трение электронов и в конечном счете, как нетрудно догадаться, в тепло.
Взяв часть световой волны, падающую на единичную площадку, например на квадратный сантиметр поверхности нашей пластинки на фиг. 31.1, можно записать энергетический баланс в следующей форме (мы предполагаем, что энергия сохраняется!):
Падающая энергия в 1 сек = Выходящая энергия в 1 сек+Работа, совершаемая в 1 сек. (31.23)
Вместо первого члена можно написать аЕ2s, где а — коэффициент пропорциональности, связывающий среднее значение Е2 с энергией, переносимой волной. Во втором члене необходимо включить поле излучения атомов среды, т. е. мы должны записать
а (Еs+Ea)2 или (раскладывая квадрат суммы) a (E2s+2EsEa +-Е2а).
Все наши вычисления проводились в предположении, что
толщина слоя материала мала и показатель преломления его
незначительно отличается от единицы, тогда Еа оказывается много меньше Es (это было сделано с единственной целью — упростить вычисления). В рамках нашего приближения член
Е2а следует опустить, пренебрегая им по сравнению с EsEa . Вы можете на это возразить: «Тогда нужно отбросить и EsEa, потому что этот член много меньше El». Действительно, EsEa
много меньше Е2s, но если мы выбросим этот член, то получим приближение, в котором эффекты среды не учитываются совсем! Правильность наших вычислений в рамках сделанного приближения проверяется тем, что мы всюду оставляли члены, пропорциональные —NDz (плотности атомов в среде), но выбрасывали члены порядка (NDz)2 и более высоких степеней по NDz. Наше приближение можно было бы назвать «приближением малой плотности».
Заметим, кстати, что наше уравнение баланса энергии не содержит энергии отраженной волны. Но так и должно быть, потому что амплитуда отраженной волны пропорциональна NDz, а энергия пропорциональна (NDz)2.
Чтобы найти последний член в (31.23), нужно вычислить работу, совершаемую падающей волной над электронами за 1 сек. Работа, как известно, равна силе, умноженной на расстояние; отсюда работа в единицу времени (называемая также мощностью) дается произведением силы на скорость. Точнее, она равна F·v, но в нашем случае сила и скорость имеют одинаковое направление, поэтому произведение векторов сводится к обычному (с точностью до знака). Итак, работа, совершаемая в 1 сек над каждым атомом, равна qeEsv. Поскольку на единичную площадку приходится NDz атомов, последний член в уравнении (31.23) оказывается равным NDzqeEsv. Уравнение баланса энергии принимает вид