Лекції зі "Світлотехніки"

ЛЕКЦІЯ №1

Електромагнітна та квантова природа світла

С точки  теории света, основоположником которой явился ученый X. Гюйгенс, излучение представляет собой волновое движение. При этом свет рассматривался им как упругие волны, распространяющиеся в особой упругой среде, заполняющей все материальные тела, промежутки между ними и межпланетное пространство.

И. Ньютон разработал корпускулярную теорию излучения. Световое излучение в ней рассматривалось как непрерывным поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником и летят в однородной среде с определенной  (очень большой) скоростью прямолинейно и равномерно.

Электромагнитная теория света была создана выдающимся английским физиком Д. Максвеллом. Согласно этой теории излучение имеет электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Световая волна – это периодическое изменение электрической и магнитной сил, распространяющихся в пространстве с конечной скоростью (значение этой скорости было определено экспериментально в XIX в. М. Майкельсоном).

На рубеже XIX – XX вв. физики столкнулись с рядом явлений, которые нельзя было объяснить с помощью электромагнитной теории. К таким явлениям относились фотоэффект, излучение черного тела и ряд других. Квантовая теория света, объяснившая эти явления, возникла и начале XX в. Ее основоположниками были немецкие ученые М. Планк и А. Эйнштейн. Согласно их теории све-то1юс излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а определенными порциями – квантами, которые были названы фотонами. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, но по существу явилась обоснованием единства волновых и корпускулярных явлений, присущих процессу излучения. Квантовый подход наиболее эффективен при объяснении процессов испускания и поглощения света, явления фотоэффекта, а волновой – при объяснении таких явлений, как интерференция, дифракция, поляризация.

 

Квантова природа

Физически квантовая природа излучения более ярко проявляется у излучения с очень высокой частотой, и, наоборот, его волновые свойства наблюдаются при сравнительно низких частотах. Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Как отмечалось, это является следствием квантовой природы излучения. Схема опыта Боте. – у-пучок рентгеновского излучения. М – мишень. ( 7i, С ч – гейгеровские счетчики. СС – схема совпадений импульсов счетчиков. Были выполнены и другие эксперименты, однозначно указывающие на квантовую природу излучения различных диапазонов частот. Принято считать, что фотоэффект дает наиболее прямое экспериментальное доказательство квантовой природы излучения. Квантовая гипотеза и в самом деле позволяет непринужденно объяснить все основные экспериментальные закономерности фотоэффекта. Но тем не менее следует отметить, что эти закономерности получают исчерпывающее объяснение и в полуклассической теории взаимодействия излучения с веществом, рассматривающей вещество квантово-механически, а излучение – как классическое электромагнитное поле.

Установить  второй закон внешнего фотоэффекта стало возможно только после выяснения квантовой природы излучения. Таким образом, если исследования Планка, Эйнштейна и Комптона убедили сообщество физиков в квантовой природе излучения, то модель атома Бора показала, что квантовый характер присущ и атомам.

 

Енергетичні характеристики випромінювань

Випромінювання  – поняття, однаково застосовуване до різних областей електромагнітних полів (гама –, рентгенівське, оптичне, радіовипромінювання). До оптичної області спектра відноситься частина електромагнітного спектра з довжинами хвиль від =0,01мкм до =1000 мкм. Випромінювання оптичної області спектра широко застосовуються для штучного освітлення, для опромінення тварин, рослин, насіння.

Випромінювання  оптичної області спектра утворюється  в результаті електронного збудження атомів, коливального й обертального руху молекул.

Енергія випромінювання може бути вимірювана в джоулях (Дж) у системі СІ чи інших одиницях енергії.

 

Eнергія, потік, сила випромінювання.

Ене́ргія  – загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного вигляду в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії зв`язує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

В системі СІ енергія вимірюється в джоулях. В системі СГС – у ергах. Крім цих основних одиниць вимірювання на практиці використовується дуже багато інших зручних при конкретному застовуванні одиниць. В атомній і ядерній фізиках а також у фізиці елементарних частинок енергію вимірюють електрон-вольтами, в хімії калоріями, в фізиці твердого тіла градусами Кельвіна, в оптиці оберненими сантиметрами, в квантовій хімії в Гартрі.

Види енергії.

У відповідності до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів  енергії: механічна, електромагнітна, хімічна, ядерна, теплова, гравітаційна та ін. Цей поділ є досить умовним. Так хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів, їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Крім того, розрізняють енергію  внутрішню і енергію у полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул між собою. Внутрішня енергія ізольованої системи є постійною.

У різномантнітних фізичних процесах різні види енергії можуть перетворюватися один у інший. Наприклад, ядерна енергія в атомних електростанціях перетворюється спочатку у внутрішню теплову енергію пари, яка обертає турбіни (механічна енергія), що в свою чергу індукують електричний струм в генераторах (електрична енергія), який використовується для освітлення (енергія електромагнітного поля) і т.д.

Енергія системи однозначно залежить від параметрів, що характеризують її стан. У випадку неперервного середовища вводять поняття густини енергії – енергія в одиниці об`єму, і густини потоку енергії, що дорівнює добутку густини енергії на швидкість її переміщення.

Потік:

Потужність (кількість енергії  в одиницю часу) випромінювання оптичного діапазону спектру називається потоком випромінювання.

Потік випромінювання – дуже важливе поняття, яке необхідно для оцінки кількості енергії випромінювання, одержуваної приймачами. Деякі приймачі (наприклад фотоелементи) безпосередньо реагують на потік випромінювання. Для вимірювання потоку випромінювання використовується загальноприйнята одиниця потужності – Ват;

Потік випромінювання за кінцевий інтервал часу t визначається за формулою Fe = Qe / t,

де Qe – енергія випромінювання джерела за інтервал t.

Потік випромінювання характеризується розподілом у часі, за спектром, у просторі і по приймальні і випромінюючої поверхнях.

Сила випромінювання:

Сила випромінювання точкового  джерела – це просторова щільність потоку випромінювання в межах елементарного тілесного кута.

За одиницю сили випромінювання прийнято сила випромінювання такого джерела, у якого в межах тілесного кута в 1ср рівномірно поширюється потік випромінювання в 1Вт, Вт.ср-1. Незважаючи на те що всі реальні джерела випромінювання мають кінцеві розміри, дуже часто використовуються поняттям точкового джерела випромінювання.

Енергетична світність як поверхнева щільність потоку випромінювання.

Енергетична світність – щільність  потоку випромінювання по поверхні елементарної ділянки випромінюючого (відбиваючого чи проникного) тіла. Енергетична світність чисельно дорівнює відношенню потоку випромінювання до площі ділянки поверхні, що випромінює цей потік.

де Me і Мeср – енергетична світність елемента поверхні d і середня енергетична світність поверхні А, dФе і Фе – потоки випромінювання, випромінювані з поверхонь dA і A.

Одиниця енергетичної світності –  ват з квадратного метра, (Вт*м-2), назви не має.

Світність – щільність світлового потоку по поверхні елементарної ділянки випромінюючого ( відбиваючого чи проникного) світло тіла.

Світність чисельно дорівнює відношенню світлового потоку до площі ділянки  поверхні, що випромінює цей потік.

Одиниці світності лм*м-2. Раніш ця одиниця називалася радлюксом, рлк. Нижче приводяться енергетичні світності і світності деяких поверхонь.

Енергетична яскравість і щільність  потоку випромінювання

Енергетична яскравість

Під енергетичною яскравістю ділянки поверхні розуміють  відношення сили випромінювання цієї ділянки в даному напрямку до площі його проекції на площину, перпендикулярну даному напрямку. Якщо джерело випромінювання точкове, то його середня енергетична яскравість у даному напрямку дорівнює відношенню його сили світла в цьому напрямку до проекції його випромінюючої поверхні на площину, перпендикулярну даному напрямку:

Яскравість  у системі світлових величин – величина, аналогічна енергетичної яскравості в системі енергетичних величин.

Щільність потоку випромінювання 

Щільність потоку випромінювання – це кількість енергії, яку переносять полем в одиницю часу через одиницю площині. У самому простому випадку, коли світловий потік перпендикулярний поверхні, то щільність потоку буде дорівнює освітленості. Але якщо поверхню під кутом, то освітленість буде спадати пропорційно косинусу кута між нормаллю до поверхні і напрямком випромінювання.

Поліхроматичне та монохроматичне світло

Поліхроматичне  світло

Поліхроматичне світло (від полі – багато,  грецьк. – chrōma, родовий відмінок chromatos – колір) – світло, що містить не тільки одну довжину хвилі (як лазерне випромінювання), але досить широкий діапазон, включаючи видиме світло і частину інфрачервоного діапазону. Довжина хвилі світла в даній системі змінюється від 480 нм до 3400 нм. Даний електромагнітний спектр не містить ультрафіолетового випромінювання.

Поліхроматичне світло можна  назвати «складним» світлом,  це означає, що його можна розкласти  на кольори.

Монохроматичне  світло

Монохроматичне світло (від  моно... і  грецьк. – chrōma, родовий відмінок chromatos – колір), електромагнітна хвиля однієї певної і строго постійної частоти з діапазону частот, що безпосередньо сприймаються людським оком. Походження терміну «М-коду. с.» пов'язане з тим, що відмінність в частоті світлових хвиль сприймається людиною як відмінність в кольорі. Проте по своїй фізичній природі електромагнітні хвилі видимого діапазону не відрізняються від хвиль ін. діапазонів (інфрачервоного, ультрафіолетового, рентгенівського і т. д.), і по відношенню до ним також використовують термін «монохроматичний» («однобарвний»), хоча жодного відчуття кольору ці хвилі не дають.

Енергетична експозиція.

Енергетична експозиція – [H_e, H]; (radianсе exposure, энергетическая экспозиция) – фізична величина, що визначається співвідношенням

H_e = ∆E_edt,

де E_e – енергетична освітленість поверхні, t – час опромінення.

Якщо енергетична освітленість поверхні не залежить від часу, то визначальне співввідношення для енергетичної експозиції спрощується:

H_e = E_e·t.

dim H_e = MT^-2,       [H_e] = 1 Дж/м².

Джоуль на квадратний метр (J/m², Дж/м²) дорівнює енергетичній експозиції, при якій енергетична освітленість поверхні залишається незмінною і протягом 1 с дорівнює 1 Вт/м².

Методи монохроматизації

Методи монохроматизації:

Анігіляція  на льоту швидких позитронів

Суть методу полягає у використанні процесу  анігіляції на льоту позитронів, що рухаються з релятивістськими швидкостями.

Швидкий позитрон з енергією Epos, рухаючись  в речовині, може випробувати анігіляцію, не встигнувши втратити скільки-небудь значну частину своєї первісної енергії. При анігіляції позитрона можуть утворюватися два і більше фотонів. Найбільш ймовірний процес – двохфотонна анігіляція. Саме цей процес і призводить до утворення монохроматичних фотонів. Освіта більшого числа фотонів, наприклад трьох, призводить до безперервного енергетичного розподілу.

Мічені  фотони

У цьому методі досліджувані мішені опромінюються пучком гальмового випромінювання, і для кожного випадку фотоядерної реакції визначається енергія фотона, який цю реакцію викликав.

Комптон-ефект

Комптон-ефект  на спочиваючому електроні. Для створення джерела монохроматичних фотонів регульованої енергії можна використовувати комптон-ефект на спочиваючому електроні, що й рухається ( так званий прямій і зворотний комптон-ефект). У першому випадку пучок монохроматичних -квантів, що утворюються в якій-небудь ядерній реакції, випробовує розсіювання на електронах нерухливої мішені. У другому – фотонний пучок потужного лазера пучок розсіюється на зустрічному пучку високоенергетичних монохроматичних електронів .

Зворотне комптоновське розсіювання  лазерних фотонів на електронах

Монохроматичні γ- кванти більш високої енергії можна одержати, використовуючи зворотний комптон-ефект .

Комптон-ефект  на електроні, що рухається, має важливу  особливість – у процесі розсіювання виникають фотони значно більш тверді, чому, що розсіюються. Так при розсіюванні світлових фотонів на релятивістських електронах неуважні фотони мають енергію, порівнянну з енергією первинних електронів.

Вимірювання інтенсивності світлових потоків.