Lý thuyết điện từ của ánh sáng

Ánh sáng là một sóng điện từ ngang có các đặc tính bắt nguồn từ các phương trình Maxwell, các phương trình này xác định tốc độ của nó và điều chỉnh sự lan truyền của nó qua các môi trường.

Definition

Mô tả ánh sáng như một dao động ngang tự duy trì của các trường điện và từ lan truyền theo các phương trình Maxwell, với tốc độ, cường độ và tán sắc được xác định bởi các đặc tính điện từ của môi trường.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả ánh sáng như một nghiệm của các phương trình Maxwell: phương trình sóng điện từ, sóng phẳng và sóng cầu, bản chất ngang của các trường, tốc độ ánh sáng liên quan đến hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường, dòng năng lượng được mô tả bởi vectơ Poynting và cường độ, và hành vi của ánh sáng trong môi trường điện môi bao gồm tán sắc và chỉ số khúc xạ phức. Nó thiết lập nền tảng sóng mà trên đó giao thoa, nhiễu xạ và phân cực được xây dựng.

Core questions

• Các phương trình Maxwell tạo ra phương trình sóng cho ánh sáng như thế nào?
• Tại sao ánh sáng là sóng ngang và điều đó ngụ ý gì đối với các trường của nó?
• Tốc độ ánh sáng liên quan đến các đặc tính của môi trường như thế nào?
• Năng lượng mang theo bởi ánh sáng được định lượng như thế nào?

Key concepts

• Các phương trình Maxwell
• phương trình sóng điện từ
• sóng ngang
• vectơ Poynting
• cường độ quang học
• chỉ số khúc xạ
• tán sắc
• tốc độ ánh sáng

Key theories

Phương trình sóng điện từ của Maxwell

Kết hợp các phương trình Maxwell trong một vùng không có nguồn tạo ra một phương trình sóng mà các nghiệm của nó lan truyền với tốc độ được xác định bởi hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường, xác định ánh sáng là một sóng điện từ.

Vectơ Poynting và cường độ quang học

Dòng năng lượng điện từ được cho bởi vectơ Poynting, mà giá trị trung bình theo thời gian của nó định nghĩa cường độ quang học mà các máy dò đo được.

Clinical relevance

Mô tả điện từ của ánh sáng là nền tảng cho việc xử lý định lượng cách mô hấp thụ, tán xạ và khúc xạ ánh sáng, điều này rất cơ bản đối với chẩn đoán quang học, tương tác laser-mô và thiết kế các hệ thống hình ảnh y tế và quang trị liệu.

History

Maxwell đã dự đoán sóng điện từ và tính toán tốc độ của chúng vào những năm 1860, nhận thấy nó bằng với tốc độ ánh sáng đo được và kết luận rằng ánh sáng là điện từ. Hertz đã xác nhận sự tồn tại của các sóng như vậy bằng thực nghiệm vào năm 1887, và lý thuyết điện tử của Lorentz sau đó đã giải thích sự tán sắc theo phản ứng của các điện tích trong vật chất.

Key figures

• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Hendrik Lorentz

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

Tại sao ánh sáng chậm lại trong thủy tinh hoặc nước?

Trong một môi trường, trường điện từ điều khiển các điện tích liên kết của vật liệu, sự tái bức xạ của chúng kết hợp với sóng ban đầu để tạo ra một sóng tổng thể tiến chậm hơn, được biểu thị bằng một chỉ số khúc xạ lớn hơn một.

Ánh sáng là sóng ngang có nghĩa là gì?

Các trường điện và từ dao động vuông góc với hướng lan truyền và vuông góc với nhau, đây là điều làm cho sự phân cực trở nên khả thi.