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四、光波的辐射和辐射能
光是电磁波,光源发光是物体辐射电磁波的过程。物体微观上可认为由大量分子、原子、电子所组成,可看成电荷体系,大部分物体发光属于原子发光类型。
(一)电偶极子辐射模型
经典电磁理论把原子发光看成是原子内部过程形成的电偶极子的辐射。
在外界能量的激发下,原子中电子和原子核不停运动,以致原子的正电中心(原子核)和负电中心(高速回转电子)往往不重合,且两者的距离不断变化,使原子成为一个振荡的电偶极子。振荡电偶极子在周围空间产生交变的电磁场,并在空间以一定的速度传播,伴随着能量的传递。
不相干(不同原子发的光)
不相干(同一原子先后发的光)
∴
∵
原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成;每段波列,其振幅在持续时间内保持不变或缓慢变化,前后各段之间无固定的位相关系,甚至光矢量的振动方向也不同。
实际光源辐射的光波无偏振性。
实际光源由大量原子和分子组成,所发出的光振动方向杂乱无章。
在观察时间内,每个原子发生多次辐射,每次辐射的振动方向和位相无规则。
实际光源辐射的光不是偏振光而是自然光。
光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0~360°内的一切可能的方向,且没有哪一个方向占有优势。具有上述特性的光,称为自然光。
偏振性:振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。
例:普通单色光
:10-2100A
激光:10-810-5A
0
0
I
I0
I0/2
谱线宽度
衡量单***好坏的物理量是谱线宽度
(三)辐射能
电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递。空间某一区域中单位体积的辐射能可以用电磁场的能量密度w表示。
电场能量密度和磁场能量密度
辐射强度矢量-------坡印亭矢量(描述电磁能量的传播)
的方向表示能量流动的方向,其大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量。
对于光波,电场、磁场变化迅速,变化频率在1015赫兹左右,的值也迅速变化,无法接收的瞬时值,只能接收其平均值。称辐射强度矢量的时间平均值为光强,记为I。对于平面波的情况,有
光强I与平面波振幅A的平方成正比。