光的电磁理论

光是一种横向电磁波，其特性遵循麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组确定了光的传播速度并控制其在介质中的传播。

Definition

光作为电场和磁场的一种自持横向振荡，根据麦克斯韦方程组传播，其速度、强度和色散由介质的电磁特性决定。

Scope

本主题涵盖将光描述为麦克斯韦方程组的解：电磁波方程、平面波和球面波、场的横向性质、光速与介质介电常数和磁导率的关系、由坡印廷矢量和强度描述的能量流，以及光在介电介质中的行为，包括色散和复折射率。它建立了干涉、衍射和偏振所依赖的波动基础。

Core questions

• 麦克斯韦方程组如何产生光的波动方程？
• 为什么光是横波，这对它的场意味着什么？
• 光速与介质的性质有何关系？
• 光所携带的能量如何量化？

Key concepts

• 麦克斯韦方程组
• 电磁波方程
• 横波
• 坡印廷矢量
• 光强度
• 折射率
• 色散
• 光速

Key theories

麦克斯韦电磁波方程

在无源区域结合麦克斯韦方程组会产生一个波动方程，其解以由介质介电常数和磁导率确定的速度传播，从而将光识别为电磁波。

坡印廷矢量和光强度

电磁能量流由坡印廷矢量给出，其时间平均值定义了探测器测量的光强度。

Clinical relevance

光的电磁描述是定量处理组织如何吸收、散射和折射光的基础，这对于光学诊断、激光-组织相互作用以及医疗成像和光疗系统的设计至关重要。

History

麦克斯韦在19世纪60年代预测了电磁波并计算了它们的速度，发现其与测得的光速相等，从而得出光是电磁波的结论。赫兹在1887年通过实验证实了这种波的存在，洛伦兹的电子理论后来从物质中电荷的响应角度解释了色散现象。

Key figures

• James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz
• Hendrik Lorentz

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

为什么光在玻璃或水中会变慢？

在介质中，电磁场驱动材料的束缚电荷，其再辐射与原始波结合，形成一个传播速度较慢的净波，这由大于1的折射率表示。

光是横波意味着什么？

振荡的电场和磁场垂直于传播方向并相互垂直，这就是偏振得以实现的原因。