ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Отражение электромагнитной волны от поверхности металла. Комплексный показатель преломления из "Волновая оптика " При построении строгой физической теории, описывающей отражение электромагнитных волн металлами, необходимо учитывать вторичные волны, обусловленные вынужденными колебаниями свободных электронов, плотность которых внутри металла весьма велика. Такая теория должна быть сугубо квантовой, так как ллектронь[ в металле подчиняются законам не классической, а квантовой физики. Изложение подобной теории выходит далеко за пределы. этой книги. [c.100] Ниже показано, что основные оптические свойства метЕшлов могут быть рассмотрены в рамках развиваемой здесь феноменологической теории. Но прежде всего выясним специфичность этой задачи. Большинство металлов, как известно, характеризуется высоким коэффициентом отражения. Кроме того, даже в тонком слое металла излучение очень сильно поглощается. Опыт показывает также, что при отражении электромагнитной волны от металлической поверхности наблюдается эллиптическая поляризация излучения, отсутствующая лишь при нормальном падении. [c.100] Проникновение электромагнитной волны внутрь металла неизбежно приводит к возникновению тока проводимости j = оЕ и соответствующих потерь на джоулеву теплоту. Поэтому при построении теории будем, как и прежде, исходить из уравнений Максвелла, но учтем теперь члены, описывающие электропроводимость среды (j 0), тогда как при исследовании диэлектриков мы ими пренебрегали. [c.100] Соотношение между потоками отраженной и поглощенной энергий должно зависеть от электропроводимости металла ст. Опыт показывает, что чем больше электропроводимость металла, тем лучше он отражает световые волны (благородные и щелочные металлы служат хорошими отражателями). Хуже проводящие ток металлы характеризуются низким коэффициентом отражения (например, Fe). Потери на джоулеву теплоту для хорошего проводника доллсны быть ничтожно малыми. Будем называть идеальным (ст ) проводник, который полностью отражает электромагнитную волну (./ - I). В дальнейшем изложении мы уточним это определение. [c.100] При формулировке основных положений теории необходимо прежде всего учесть наличие поглощения электромагнитной волны, которое ранее никак не учитывалось. При рассмотрении явлений на границе двух диэлектриков мы исходили из соотношения + = 1 И считали, что сумма потоков энергии для отраженной и преломленной волн равна потоку падающей энергии. [c.100] Бугера. Она количественно описывает спадание интенсивности излучения по мере его проникновения в поглощающую среду. При записи дифференциального уравнения коэффициент поглощения q считается не зависящим от интенсивности света. Это положение лежит в основе всех обсуждаемых ниже явлений. Справедливость такого линейного приближения доказана множеством самых разных экспериментальных фактов. Лишь при использовании источников света очень бoльuJOЙ мощности (лазеров), появившихся в последнее время, возникла необходимость учета зависимости q от 1, что и послужило одной из причин возникновения нелинейной оптики (см. 4.7, 8.5). [c.101] Введем теперь вместо q величину а = q ./ A-Ji), характеризующую поглощение в каком-либо веществе (в данном случае в металле) излучения с длиной волны. Подчеркнем, что . [c.101] Такая запись оказывается более удобной для описания поглощения света металлами. Например, при пх = 1 в металле на пути, численно равном длине волны в вакууме (г = Xq), интен сивность уменьшится в е раз ( 100 000). Для большинства металлов лж изменяется в пределах от 1 до 5. [c.101] Таким образом, мы снова приходим к положению, которое разбиралось в предыдущем параграфе, с той разницей, что в данном случае ф2 комплексно при (р О, а не только при Ф Фпред 1 эк в случае полного внутреннего отражения. [c.102] Комплексное значение ф2 приведет к тому, что комп.тексными окажутся амплитуды отраженной и преломленной волн в формулах Френеля, что, как известно, связано с эллиптической поляризацией излучения. Следовательно, если на металл падает линейно поляризованная волна, то как отраженная, так и преломленная волны будут эллиптически поляризованы. Исследование преломленной волны затруднительно, так как она нацело поглощается в очень тонком слое металла, и поэтому обычно экспериментально изучают волну, отраженную от металла. Этот метод, предложенный в начале XX и. Друде, служит основным способом определения оптических характеристик металла. [c.102] Следует учитывать, что если угол р строго равен нулю, то никакой эллиптической поляризации в отраженной волне не будет. [c.103] Комплексный показатель преломления п связан с этим комплексным значением диэлектрической проницаемости к соотношением п ---= VT, . [c.104] Это значит, что ае - 1 при ст оо. Вместе с тем из у равнения л зе = a/v получается, что п оо при а - оо. Теперь можно уточнить понятие идеального проводника, установив, что в этом случае а = 1,о- ил- оо. Подставляя л - оо в уравнение (2.25), видим, что действительно в этом случае = 1, т.е. вся энергия отражается. [c.104] Рассмотрение данных табл. 2.1 (полученных для 5893 А — желтый свет) показывает, что в некоторых случаях л 1. Отсюда следует, что фазовая скорость и с/л в металле больше скорости электромагнитных волн в вакууме. Это нас не должно особенно удивлять, так как хорошо известно, что никаких ограничений для фазовой скорости нет. [c.105] Из данных табл. 2.2 следует удовлетворительное сог.иасие между приведенными в ней значениями отношения потерь на отражение (1 — Л )/ Л — Я2) и /A,2Ai = V25/12 = 1,5. [c.105] В аналогичных опытах, проведенных в начале XX в., бы.аа также исследована зависимость а Т), которая, как известно, для не очень низких температур хорошо согласуется с законом а 1/Т. Полученные из оптических измерений значения электропроводимости подчинялись этой зависимости. [c.105] Таким образом, для инфракрасной области спектра наблюдается удовлетворительное согласие теории, развитой Друде, с данными эксперимента и открывается возможность вычисления а и с по формулам (2.27) из экспериментально найденных оптических констант металла п и лае. Следует отметить, что обратный путь (получение п и пае из измерения а и е) не приводит к успеху, так как в области столь высоких частот отсутствуют достаточно точные методы определения этих электрических констант. [c.106] Закончим изложение физических явлений, связанных с отражением электромагнитной волны, рассмотрением причин возникновения давления света. Расчет этого весьма общего явления впервые был проведен Максвеллом для случая отражения световой волны от поверхности металла. Экспериментальное подтверждение расчета П. Н. Лебедевым сыграло большую роль в утверждении электромагнитной теории снега. [c.107] Вернуться к основной статье