Том 2. Электромагнетизм и материя

Те же рассуждения верны и для электрического поля в волне, но до тех пор, пока длина ее много больше расстояния между атомами. При таком ограничении

(32.28)

Именно это локальное поле следует использовать вместо Е в (32.8), т. е. это выражение должно быть переписано следующим образом:

(32.29)

Подставляя теперь Е_лок из формулы (32.28), находим

или

(32.30)

Иными словами, Р для плотного материала все еще пропорциональна Е (для синусоидального поля). Однако константа пропорциональности будет уже ε₀Nα/[1-(N/3)], а не ε₀Nα, как раньше. Таким образом, нам нужно поправить формулу (32.25):

(32.31)

Более удобно переписать это в виде

(32.32)

который алгебраически эквивалентен прежнему. Это и есть известная формула Клаузиуса — Моссотти.

В плотном материале возникает и другое усложнение. Поскольку атомы расположены слишком тесно, они сильно взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренние гармоники осцилляции изменяются. Собственные частоты атомных осцилляций размазываются этими взаимодействиями и обычно весьма сильно подавляются ими, а коэффициент трения становится очень большим. Таким образом, все ω₀ и γ твердого вещества будут другими, чем для свободных атомов. С этой оговоркой мы все-таки можем представлять α, по крайней мере приближенно, уравнением (32.7), так что

(32.33)

Наконец, последнее усложнение. Если плотный материал представляет собой смесь нескольких компонент, то каждая из них дает свой вклад в поляризацию. Полная α будет суммой вкладов различных компонент смеси [за исключением неточности приближения локального поля в упорядоченных кристаллах, т. е. выражения (32.28) — эффекты, которые мы обсуждали при разборе сегнетоэлектриков]. Обозначая через N_j число атомов каждой компоненты в единице объема, мы должны заменить формулу (32.32) следующей:

(32.34)

где каждая α_j будет определяться выражением типа (32.7). Выражение (32.34) завершает нашу теорию показателя преломления. Величина 3(n²-1)/(n²+2) задается комплексной функцией частоты, каковой является средняя атомная поляризуемость α(ω). Точное вычисление α(ω) (т. е. нахождение f_k, γ_k и ω_0k) для плотного вещества — одна из труднейших задач квантовой механики. Это было сделано только для нескольких особенно простых веществ.

§ 4. Комплексный показатель преломления

Обсудим теперь следствия нашего результата (32.33). Прежде всего обратите внимание на то, что α — комплексное число, так что показатель преломления n тоже оказывается комплексным. Что это означает? Давайте возьмем и запишем n в виде вещественной и мнимой частей:

(32.35)

где n_R и n_I — вещественные функции ω. Мы написали in_I с отрицательным знаком, так что n_I для обычных оптических материалов будет положительной величиной. (Для обычных оптически неактивных материалов, которые не служат сами источниками света, как это происходит у лазеров, γ—положительное число, а это делает мнимую часть n отрицательной.) Наша плоская волна запишется теперь через n следующим образом:

Если подставить n в виде выражения (32.35), то мы получим

(32.36)

Множитель exp[iω(t-n_Rz/c)] представляет просто волну, бегущую со скоростью c/n_R, т. е. n_R будет как раз то, что мы обычно считаем показателем преломления. Но амплитуда этой волны равна

и с увеличением z она экспоненциально убывает. График напряженности электрического поля как функции от z в некоторый момент времени и для n_I≈ n_R/2π показан на фиг. 32.1.

Фиг. 32.1. График поля Е_хв некоторый момент t при n_I≈n_R2/π.

Мнимая часть показателя преломления из-за потерь энергии в атомных осцилляторах приводит к ослаблению волны. Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды, так что

Часто это записывается как

где β=2ωn_I/с — коэффициент поглощения. Таким образом, в уравнении (32.33) содержится не только теория показателя преломления вещества, но и теория поглощения им света.

В тех материалах, которые мы обычно считаем прозрачными, величина c/ωn_I, имеющая размерность длины, оказывается гораздо больше толщины материала.

§ 5. Показатель преломления смеси

В нашей теории показателя преломления имеется еще одно предсказание, которое можно проверить экспериментально. Предположим, что мы рассматриваем смесь двух материалов. Показатель преломления смеси не будет средним двух показателей, а определяется через сумму двух поляризуемостей, как в уравнении (32.34). Если, скажем, мы интересуемся показателем преломления раствора сахара, то полная поляризуемость будет суммой поляризуемостей воды и сахара. Но каждая из них, разумеется, должна подсчитываться исходя из данных о числе молекул N данного сорта в единице объема. Другими словами, если в данном растворе содержится N₁ молекул воды, поляризуемость которой α₁, и N₂ молекул сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁), поляризуемость которой α₂, то мы должны получить

(32.37)