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物理光学(梁铨廷)chip1-5_图文

物理光学(梁铨廷)chip1-5_图文

§1-5光波的辐射
?一、电偶极子辐射模型: ?二.辐射能:

?三

对实际光波的认识:

§1-5光波的辐射
?一、电偶极子辐射模型:
?光波是电磁波,光源发光就是物体的辐射

电磁波的过程。大部分物体发光属于原子 发光类型,因此我们只研究原子发光的情 况。 ?经典电磁场理论认为:原子发光是原子内 部运动过程形成的电偶极子的辐射。

§1-5光波的辐射
?原子由带正电的原子核和带负电的绕核运转

得的电子组成。在外界能量的激发下,由于 原子核和电子的剧烈运动和相互作用,原子 的正电中心和负电中心常不重合,且正、负 中心的距离在不断的变化,从而形成一个振 荡的电偶极子。如图1-13所示: ? ? p ? ql ?该系统的电偶极距为

§1-5光波的辐射
?最为简单的振荡电偶极子是电偶极距随时

间作简谐变化的电偶极子,此时电偶极距 ? ? ? ?i?t p p ? p0 e 可表示为 ? ? p0 是振幅 ? 是角频率。
?既然原子是一个振荡电偶极子,它必定在

周围空间产生交变电磁场,即辐射出光波。

§1-5光波的辐射
?由图1-4所示,振荡电偶极子振动一个周

期,称电磁场将向外传播一个空间周期, 即电磁场分布有一定的空间周期?,这就 是电磁波的波长 。 ?振荡电偶极子辐射的电磁场: 可由 MAXSWELL方程组计算,在经典的电动力 学著作中均可找到,我们只给结果。 ?1.作简谐振动的电偶极子在距离很远的P 点辐射的电磁场的数值为:

§1-5光波的辐射
? 2 p 0 sin ? i ( kr ??t ) E ? e 2 4??? r ? 2 p 0 sin ? i ( kr ??t ) B ? e 2 4??? r ?r是电偶极子到P点的距离 ? ?是r与电偶极子轴线之间的 夹角。 ? 式中 ? ? ??= 1 是电磁波的传播速度 ? ?? ? ??是波的角频率与电偶极 子的振荡角频率相同 ?
? 显然,上式为一球面波,但与标准球面波不同

的是,电偶极子辐射的球面波的振幅随?角而变。

§1-5光波的辐射
? ? ? E ?2. ,在 P 和 r 所在平面内振动,

在与之垂直的平面内振动, ? ? ? 同时E 和 B又都垂直于波的传播方向, ? ? ? E, B, k 三者组成右旋系统, ? ?表明了其偏振性。
?

? B

§1-5光波的辐射
?二.辐射能 : ?振荡电偶极子不断地向外界辐射电磁场,

由于电磁场具有能量,所以,在辐射过程 中伴随着电磁场能量的传播。 ?电磁学告诉我们,在各向同性的煤质中, ? 电场的能量密度(单位体积内的能量) E : 1 ? ? 1 2 3 ? E ? E ? D ? ?E ( J / m ) 2 2

§1-5光波的辐射
?磁场的能量密度

1 ? ? 1 2 3 ?m ? H ? B ? B (J / m ) 2 2? ? ? ?在电磁波情况下:由 E 和 B 的数量关系 : 1 c E ? ?B ? B? B n ??
?知到:

?m 为 :

?E ? ?m

§1-5光波的辐射
?总电磁波能量密度?为:

? ? ? E ? ? m ? ?E ?
2

1

? ?因为电磁波以速度?沿方向k 传播,所以单 ? 位时间内穿过与k 相垂直的单位面积的能 量S为:
s ? ?v ? 1

?

B (J / m )

2

3

?

EB ?

? 2 E ( J / s ? m 2或w / m 2 ) ?

§1-5光波的辐射
? ?考虑到传播方向,可以定义波印廷矢量 S
? ? 1 ? S ? E?B

?

? ? S ? S 的方向表示电磁波的传播方向, 的大 小表示电磁波所传递的能流密度。 ? ?所以 S 又可以叫做能流密度矢量。

§1-5光波的辐射
?对于光波来说B和E都随时间快速变化,所

以S的大小也随时间快速变化。在可见光 14 区E和B的频率达5?10 HZ ,故S的频率为 15 10 HZ 数量级。 目前任何接收器都来不及反映这样高频的 能量变化,通常把S在接收器能分辨的时 间间隔内的平均值叫做电磁波的强度I。 ? 1 I ?? s ?? ? sdt

?

0

§1-5光波的辐射
?对于平面波而言,S及其平均值<s>有很简

单的形式:
? s ??

1

?

? Sdt ? ??A
0

?

2

1

?

cos2 (kr ? ?t ) ?
0

?

1 1 2 ? ??A ? 2 2
?

? 2 A ?

?式中A是平面波的振幅。

§1-5光波的辐射
?在物理光学中,通常把辐射强度的平均值

<s>称为光强度,以I表示,由上式知
? ?在许多场合比例系数

I ? A1
2

2

故常写为:

2

? ?

并不重要,

I?A

§1-5光波的辐射
?三

对实际光波的认识: ?以上讨论只是一种理想情况,实际远非如此 ? <1>由于原子的剧烈运动,彼此间不断的碰 撞,使原子系统的辐射过程常常中断,致使 原子发光是间歇的。 ?原子每次发光的间歇时间是原子两次碰撞的 时间间隔,这样原子发出的光波是由一段段 有限长的称为波列的光波组成;

§1-5光波的辐射
?每段波列,其振幅在持续时间内保持不变或

缓慢变化,前后各段波列之间没有固定的位 相关系,光矢量的振动方向也不相同。 ?<2> 普通光源辐射的光波,没有偏振性, 其发出的光波的振动具有一切可能的方向 (在垂直于传播方向的平面内各个方向都是 可能的),它可以看作是具有各个可能振动 方向的许多光波的和,在各个可能振动方向 上没有一个振动方向较之其它方向更占优势。 这样的光波称微自然光。即普通光源是自然 光。


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