1.3. Энергия электромагнитных волн

Электромагнитные волны переносят энергию. Плотность потока энергии можно получить, умножив плотность энергии на скорость волны. Плотность потока энергии имеет размерность мощности, деленной на площадь. Соответственно ее выражают в единицах, называемых ватт на квадратный метр [Вт/м²]. В свою очередь плотность энергии носит название джоуль на кубический метр [Дж/м³].

Рассмотрим случай, когда электромагнитная волна распространяется в вакууме. В этом случае скорость волны равна С. Плотность энергии электромагнитного поля слагается из плотности энергии электрического поля и плотности энергии магнитного поля:

. (1.13)

Положив в (1.10) для вакуума , придем к соотношению

. (1.14)

Отсюда следует, что плотности энергии электрического и магнитного полей волны в каждый момент времени одинаковы: .

С учетом (1.14) выражению (1.13 можно придать вид

. (1.15)

Умножив найденное выражение для на скорость волны , получим модуль плотности потока энергии:

. (1.16)

Векторы и взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему. Поэтому направление вектора совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен . Следовательно, вектор плотности потока электромагнитной энергии можно представить как векторное произведение и :

. (1.17)

Вектор называется вектором Пойнтинга.

Формула (1.17) оказывается справедливой и в случае, когда электромагнитная волна распространяется в диэлектрической или проводящей среде.

1.4. Шкала электромагнитных волн

Материя непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение. В зависимости от длины волны в вакууме (или частоты ), а также способа генерации или регистрации излучения различают несколько видов электромагнитных волн: космическое излучение, гамма-излучение, рентгеновское излучение, оптическое излучение и радиоволны. В табл. 1.1 представлен спектр электромагнитных излучений. Необходимо отметить, что электромагнитные волны, соответствующие различным участкам спектра, имеют одинаковую физическую природу, поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются и границы между ними условны.

Космические лучи разделяются на первичные и вторичные. Первичные космические лучи падают на Землю из космоса. Они состоят из заряженных частиц: протонов, альфа-частиц и др. Проходя через толстый слой земной атмосферы, они претерпевают сложную цепь превращений, в результате чего возникает новое излучение, которое и называется вторичными космическими лучами. Частицы космических лучей обладают громадными кинетическими энергиями по сравнению с частицами обычного вещества, даже нагретого до миллиардов кельвинов.

Таблица 1.1. Спектр электромагнитных излучений

				Оптический диапазон
Вид излуче-ния	Косми- ческое	Гамма излуче-ние	Рент-гено-вское	УФ	Види-мое	ИК	Микро-волно-вое	Радио- волны	Длинно- волновые электри- ческие колебания
Длина волны	0,001 Å 1 Å 10 нм 0,4 мкм 0,8 мкм 1 мм 10 см 10 км
Частота, Гц	1021 1018 1016 1015 1014 1012 109 104
Энергия, эВ	108 104 102 101 100 10-3 10-5 10-10

Гамма-излучением, или гамма-лучами, называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме менее 0,1 нм, которое испускается атомными ядрами при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, а также возникает при распаде частиц, аннигиляции пар «частица ― античастица» и других процессах.

Рентгеновским излучением, или рентгеновскими лучами, называется электромагнитное излучение, которое возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества и характеризуется длинами волн в вакууме, лежащими в широком диапазоне с условными границами от 10 – 100 нм до 0,001 – 1 пм.

Оптическим излучением или светом называются электромагнитные волны (электромагнитное излучение), длины которых в вакууме лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению относят: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Следовательно, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие участки электромагнитного излучения – инфракрасный и ультрафиолетовый. Выделение оптической области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для их исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусировки излучения, призмы, дифракционные решетки, дифракционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Ультрафиолетовым излучением (УФ) называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 10 нм до 380 нм.

Видимым излучением, или видимым светом, называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 380 до 770 нм, которое способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.

Инфракрасным излучением (ИК) называется электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого лежат в пределах от 770 нм до 1 мм.

Радиоволнами называются электромагнитные волны, длина которых в вакууме больше 1 мм.

Оптикой, точнее – физической оптикой, называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.