Основные свойства электромагнитных волн
Основные свойства классических электромагнитных волн рассмотрим на примере плоской гармонической волны. Описывающие ее уравнения имеют вид:
E?(r?, t) = E?0sin(ωt — k? ? r? + φ),
B?(r?, t) = B?0sin(ωt — k? ? r? + φ).
Здесь E?(r, t) и B?(r, t) — соответственно напряженность электрического и индукция магнитного поля в точке пространства, задаваемой радиус-вектором r? в момент времени t, k — волновой вектор, определяющий направление распространения электромагнитной волны. Из уравнений Максвелла следует, что векторы E?, B? и k? взаимно перпендикулярны и всегда образуют так называемую «правую тройку». Кроме того, величины векторов E? и B? связаны между собой соотношением
E? = vB?.
Электромагнитные волны переносят энергию. Объемная плотность энергии в плоской гармонической волне:
w(r?, t) = εε0E02sin2(ωt — k? ? r? + φ),
а ее среднее значение:
ω = ½εε0E02.
Плотность потока энергии, переносимой электромагнитной волной, задается вектором Умова-Пойнтинга
S? = [E? ? H?],
где H? — напряженность магнитного поля.
В изотропной среде направление переноса энергии совпадает с направлением распространения волны, S?↑↑k?. В анизотропной — S? может не совпадать по направлению с вектором k?.
В отсутствие дисперсии энергия переносится волной с фазовой скоростью v, при этом S? = wv. В диспергирующих средах скорость переноса энергии равна групповой скорости и может не совпадать с фазовой скоростью v.
Электромагнитные волны поперечны. Для классических волн это следует из взаимной ортогональности векторов E?, B? и k?.
При квантовом описании электромагнитного излучения этот факт проявляется в том, что спин фотона s = 1 может иметь не три проекции на направление своего импульса (как, казалось бы, следует из теории квантования момента импульса), а только две: ms = ±1. Проекция спина на направление импульса называется спиральностью.
Так вот, поперечность электромагнитных волн на квантовом языке выражается фактом отсутствия фотонов с нулевой спиральностью. Последнее утверждение тесно связано с отсутствием у фотона массы покоя.
В квантовой электродинамике показывается, что безмассовые частицы обязаны всегда двигаться со скоростью света и не могут иметь нулевую спиральность.
