光的電磁理論

光的電磁理論是關(guān)于光的本質(zhì)的現(xiàn)代理論，由麥克斯韋在20世紀60年代提出。把光想象成有一定頻率的電磁波。能解釋光的傳播、干涉、衍射、散射、偏振和其他現(xiàn)象，以及光和物質(zhì)的相互作用定律。

光的電磁理論是光本質(zhì)上是電磁波的理論。但因為光也是微粒，所以不能解釋光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等物理現(xiàn)象。

光的電磁理論是由j.C.麥克斯韋提出的。經(jīng)過多年的努力，他于1864年發(fā)表了一個相對完整的理論。在麥克斯韋之前，科學家已經(jīng)意識到光是一種橫波。為了說明這種剪切波.J.一些科學家，比如菲涅耳，設(shè)想光波是在一種特殊的介質(zhì)以太中傳播的波，但是他們遇到了不可克服的困難（見以太論）隨著光學的發(fā)展，電磁學有了很大的進步。麥克斯韋引入位移電流，建立電磁場方程（通常稱為麥克斯韋方程組）從這組方程組出發(fā)，麥克斯韋從理論上推導(dǎo)出電磁波的存在，電磁波的速度與光速相同。因此，光波被認為是電磁波。

到1888年H.R.赫茲證實了電磁波的存在，并測量了電磁波的速度。然后他證實了電磁波和光波一樣是衍射的、折射、偏振等性質(zhì)，最終建立了光的電磁理論。

從電磁場方程出發(fā)，闡述了光的電磁理論。在寫電磁場方程時，將采用高斯系統(tǒng)，因為它更容易解釋人 的認知過程。當介質(zhì)中沒有自由電荷和電流時，方程如下с是電荷的電磁單位與靜電單位之比。在各向同性介質(zhì)中，電場強度E與電位移矢量d之間存在關(guān)系：其中ε $是介電常數(shù)。磁場強度H和磁感應(yīng)強度b有關(guān)系：式中μ為磁導(dǎo)率。

由式(1)～(6)可以導(dǎo)出式(7)與(8)是典型的波動方程。他們說明電磁場是以波的形式傳播的，波速在真空中，所以電磁波速度是с。在1856年，w.E.韋伯與R.H.A.Kohlrausch曾經(jīng)確定с的值大約等于米/秒。1862年J.B.L.福柯測得光速等于100米/秒。這兩個值非常接近。由于電磁波在真空中也能傳播，如果把光看成電磁波，那就根本不需要引入以太的假設(shè)。這解決了菲涅耳等人未能解決的問題。電磁波在介質(zhì)中傳播時的速度公式(9)決定。由光學可知，介質(zhì)中的光速是真空中的光速除以折射率n。于是由式(9)得出光在介質(zhì)中的折射率在非磁性介質(zhì)中的結(jié)論這時就可以將實驗n與數(shù)值進行比較，從而判斷理論的正確性。下表給出了一些數(shù)值：這些數(shù)值的重合證明了光的電磁理論的正確性。但在其他情況下，n和有很大的區(qū)別。這并不意味著電磁理論是不正確的。在這種情況下，需要考慮構(gòu)成介質(zhì)的原子或分子的結(jié)構(gòu)，以及電磁波與原子或分子的相互作用（見光的色散）

電磁波中有電場分量和磁場分量，不獨立傳播。由于電磁場方程(1)2)3)4)說明e和h是相互關(guān)聯(lián)的。如果E是平面波，其傳播方向可以用單位矢量n表示，那么H也是沿n方向傳播的平面波，與E波相位相同。事實上，E、H和n之間有如下關(guān)系，這個公式表明E和H相互垂直，并且垂直于傳播方向n。這說明電磁波和光波也是橫波。

下圖是平面單色電磁波在某一時刻的E和H的關(guān)系。圖中傳播方向取X方向，E取Y方向，H取Z方向。該曲線給出了不同x值下的e和h。可以看出E和H是一樣的，都服從公式(11)所表示的關(guān)系。

因為電磁波具有相互垂直的電場和磁場強度，所以產(chǎn)生了光學中所謂的光振動矢量在電磁理論中對應(yīng)什么的問題。嚴格來說，根據(jù)電磁學理論，光波的完整描述需要電場和磁場的強度。但是兩者之間有一定的關(guān)系給定的電場強度同時決定了磁場強度。另一方面，在研究光波與物質(zhì)的相互作用時，涉及到電磁場和帶電粒子（電子、原子核）的相互作用。

一般來說，磁場強度的作用比電場強度的作用小一個因子，這里υ是帶電粒子的速度，往往比光速с小很多。所以，現(xiàn)代人認為電場強度矢量一般應(yīng)該對應(yīng)光振動矢量。

光的能量密度在波動理論中，人們認為光的能量密度與光振動矢量的平方成正比。現(xiàn)在光是電磁波，光的能量密度就是電磁場的能量密度。根據(jù)電磁場理論，電磁場的能量密度公式為(11)可以看出，ω與E的二次冪成正比，這與光學中把能量密度看成與光振動矢量成正比是一致的。

根據(jù)光的電磁理論，光的能流密度矢量可以用坡印亭矢量來表示，即這個公式表明光強與電矢量的二次冪成正比。