Хвильові властивості випромінювання.

Хвильові властивості випромінювання.

До хвильових властивостей випромінювання належать: інтерференція,дифракція,поляризація,дисперсія.

Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти світла. Внаслідок зміни показника заломлення змінюється також довжина хвилі.

Дифракція - явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад, світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна огинати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо.

Інтерференція — явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль в результаті чого в одних місцях спостерігається підсилення результуючої хвилі (інтерференційний максимум), а в інших місцях послаблення (інтерференційний мінімум).

Поляризація хвиль - явище порушення симетрії розподілу збурень в поперечної хвилі (наприклад, напруженостей електричного або магнітного полів в електромагнітних хвилях) щодо направлення її поширення. У поздовжньої хвилі поляризація виникнути не може, оскільки обурення в цьому типі хвиль завжди збігаються з напрямком поширення.

Рівняння Максвелла для плоскої електромагнітної хвилі.

Випромінювання, що поширюються у просторі у вигляді елктромагнітні хвилі являє собою період коливання напруження електричного і магнітного полів. Поширення електромагнітної хвилі супроводжується переносом енергії в напрямку руху хвилі.

(обєднати 2 рівняння фігурною дужкою)

Монохроматичне та однорідне випромінювання.

Випромі́нювання монохромати́чне — під монохроматичним випромінюванням розуміють сукупність фотонів, що виділяються джерелом випромінювання, що мають практично однакову довжиною хвилі.

Монохроматичне (однорідне) випромінювання є абстракцією, оскільки отримати його на практиці неможливо. Монохромотична хвиля повинна б була простягатися до безмежності. Скінченний розмір області, в якій існує хвиля накладає обмеження на точність визначення її хвильового вектора. За принципом невизначеності Гайзенберга

,

де - невизначеність координати, , - невизначенітсь імпульсу (хвильового вектора), - зведена стала Планка. Отже, світло, що існує в скінченній області не може мати точно визначеного хвильового вектора, довжини хвилі, а, таким чином, і частоти.

Оптичні пристрої, що створюють монохроматичні пучки променів, називаються монохроматорами.

 

Дуалізм фотона

Дуалізм світла полягає в тому,що воно проявляє себе в одних явищах як потік елекро-магнітних хвиль,а в інших-як потік частинок-фотонів.

Енергія випромінювання.

Енергія випромінювання - [ W_е, Q, Q_е ]; (radiant energy, энергия излучения) - фізична величина, що дорівнює енергiї, яка випромінюється, перенoситься aбo oтримується у виглядi випрoмiнення.

W _е = L²MT^-2, [ W _е] = 1 Дж.

Потік випромінювання.

Потік випромінювання — повна енергія, яка переноситься світлом (або іншим випромінюванням) за одиницю часу через дану поверхню. Поняття потік випромінювання застосовується для проміжків часу, значно більших, ніж період світлових коливань.

При побудові с-ми енергетичних х-стик випромінювання вихідним параметром зручніше вважати не енергію,а потужність її переносу,тобто енергію випромінювання переносу потоком фотонів за 1 часу.

Фₑ=dQₑ/dt [Вт]

Сила випромінювання.

Сила випромінювання - одна з енергетичних фотометричних величин, що характеризує випромінювання джерела в деякому напрямку. Дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поширюється від джерела випромінювання всередині малого тілесного кута, до цього тілесному куті.

[Вт/ср ]

Тілесний кут

Тілесним кутом називається частина простору, обмежена незамкнутою поверхнею. Мірою тілесного кута з вершиною в центрі сфери є відношення площі сферичної поверхні, на яку він спирається, до квадрата радіусу сфери R:

За одиницю тілесного кута — стерадіан — прийнятий центральний тілесний кут, який вирізує ділянку сфери, площа якої дорівнює квадрату її радіуса.

Максимальний тілесний кут цілком включає сферичну поверхню і дорівнює 4π.

Енергетична яскравість.

Енергетична яскравість – сила випр. З одиничної площі проекції поверхні випромінювача на площину перпендикулярну до напрямку випр.

=

[Вт/м² ср] [Вт/м²]

20. Густина опромінення.

- густина випромінювання dA

[ ]=[Вт/м²]

 

Ф_е

Густина опромінення є функцією не тільки точки, але і напрямку.

Енергетична експозиція.

Енергетична експозиція – величина, яка визн. Енергію випромінювання, яка попала на одиницю площі опромінення тіла, на протязі певного часу.

[ Вт/м²с=Дж*м² ]

 

 

Оптичні характеристики тіл

Оптичними характеристиками тіл вважають здатність тіла поглинати, розсіювати і пропускати випромінювання. Тому найбільш часто використовують поняття оптичних коефіцієнтів: коефіцієнтів відбивання,пропускання і поглинання. Оптичні х-ки тіл визначаються: -спектральним складом потоку випромінювання,що припадає на тіло; -спектральними х-ми досліджуваного тіла,які залежать від х-ру обробки поверхні, кута падіння пучка променів й довжини шляху пучка променів у досліджуваному тілі.. Cпектральний склад потоку випромінювання впливає на оптичні коефіцієнти тому, що велика кількість тіл випадково поглинають, а значить і пропускають потоки випромінювання хвиль різних довжин Існують інтегральні,спектральні й ефективні оптичні коефіцієнти, які визначаються коефіцієнтами поглинання,пропускання і відбиття

Актинічність випромінювання

Можливе значне розходження у мірі реакції приймачів однієї групи на однакове випромінювання. Щоб позбутися цього використовують коефіцієнт актинічності.

Коефіцієнт яскравості.

Коефіцієнт яскравості - це відношення яскравості світлової плями на даному матеріалі в напрямку , до яскравості ідеального рівномірного відбивання в усіх напрямках поверхні з при однакових умовах освітлення і під однаковим кутом спостереження.

Будова ока людини.

Рис. 7.1. Схема будови ока людини.

1 – рогівка; 2 – зіниця; 3 – кристалик; 4 – сітківка.

Світло, яке попадає на поверхню ока проходить через прозору тверду рогову оболонку (рогівку), у якої n = 1,37; порівняно малий радіус кривизни; оптична сила D = 33 дптр, потім через зіницю на кристалик (еластичне прозоре шарувате тіло з середнім показником заломлення n = 1,4; D = 19 ÷ 33 дптр. в залежності від його форми). Далі заломлені промені створюють на сітчатці ока зменшене обернене зображення предметів. Чіткість такого зображення предметів, розташованих на відстані більшій 10 ÷ 15 см від поверхні ока забезпечується зміною оптичної сили кристалика.

Світловий потік

Світловий потік – це ефективний потік в системі світлових величин, визначається дією на селективний приймач, спектральна чутливість якого внормована функціями відносної спектральної ефективності випромінювання або співпадає з ними.

43. Світлова енергія. Світлова енергія одна із основних величин, яка дорівнює добутку світлового потоку на час освітлення. Одиниця вимірювання (лм*с). Q=Ф Т; .

44. Світлова віддача. Світлова віддача — відношення світлового потоку, що випромінюється до спожитої потужності. Одиницею світлової віддачі є (лм/Вт). Світлова віддача газорозрядних ламп становить 40—100 лм/Вт, що в 3—5 разів перевищує світлову віддачу ламп розжарювання. Ф-світловий потік; Р – потужність що споживає джерело. Ф(t) – миттєве значення світлового потоку. (лм*с). .

 

45. Сила світла. Сила світла — відношення світлового потоку, до тілесного кута, в межах якого проходить цей потік. Одиниця вимірювання: кандела (кд). Де -сила світла під кутом ; dФ – світловий потік, який розповсюджується в межах тілесного кута . Кандела – сила світла, що випромінюється в перпендикулярному напрямку з 1/600000 квадратного метра поверхності повного випромінювача при температурі затвердіння платини і давлення (Па).

 

46. Світимість. Світимість – густина світлового потоку по поверхні елементарної ділянки тіла що випромінює світло. Світимість чисельно рівна відношенню світлового потоку до площі ділянки поверхні, випромінюючий цей потік: ; , де М-світимість елемента поверхні dА; М - середня світимість поверхні А; dФ і Ф – світлові потоки, випромінюючими цими поверхнями. Одиниці світимості лм*м .

 

47. Експозиція. Експозиція — кількість актинічного випромінювання, що отримується світлочутливим елементом. Для видимого випромінювання експозиція виражається в лк*с (люксах в секунду).Математична формула експозиції H=E*t; де Н – експозиція, Е – освітленість; t-витримка в секундах. Шкали витримки і діафрагми фотоапаратів будуються за логарифмічним принципом, тобто, при зміні значення на один рівень в будь-яку сторону, кожен параметр міняється рівно в два рази. Таким чином, збільшення витримки на один рівень з одночасним закриттям на таке ж значення діафрагми, не змінить експозицію. Проте цей закон дотримується не завжди. Відхилення від закону, зване ефектом Шварцшильда, описується точнішою формулою експозиції: H=E*t . де Р-константа Шварцшильда.

 

48. Яскравість поверхні. Яскравість в системі світлових величин – величина, аналогічна енергетичній яскравості в системі енергетичних величин. Під яскравістю ділянки поверхні в даному напрямку розуміють відношення сили світла, що випромінюється ділянкою поверхні в даному напрямку, до проекції ділянки поверхні що світиться на плоскість, перпендикулярну даному напрямку. (1) де d і - сили світла випромінюючі ділянкою поверхні dA і поверхні А в напрямку ; (2). Формула (1) справедлива якщо поверхня А – точкове джерело світло, а (2) якщо А – плоска поверхня. Яскравість дуже важлива величина, оскільки око реагує на яркость. Одиниці вимірювання яскравості (кд/м ).

 

 

49. Освітленість поверхні. Освітленість поверхні – це густина падаючого світлового потоку по поверхні ділянки освітленого тіла. де Е і - освітленість поверхонь dA i A; dФ і Ф – світлові потоки, падаючі на ці поверхні. Одиниці вимірювання (лк) люкси.

 

50. Освітленість сітчатки ока. Освітленість сітківки оболонки ока E в зоні зображення визначається множенням яскравості об’єкту спостереження L на площину зіниці А : (1), де - коефіцієнт пропускання очних середовищ; f – передня фокусна відстань оптичної системи ока. Підставляючи значення f=17мм, отримуємо , де d- діаметр зіниці ока, мм. За одиницю освітленості сітківки ока запропоновано прийняти густину світлового потоку на сітківці оболонки ока, яка створюється випромінюванням яскравістю L =1 кд*м при площині вхідної зіниці ока q=1 мм . Ця одиниці освітленості сітківки називається троланд (трол). Освітленість сітківки ока трол отримуємо користуючись формулами (1) і (2).

 

Еквівалентна яскравість.

Еквівалентна яскравість випромінювання заданого спектрального складу – це яскравість рівносвітлого оптично-суміжного випромінювання заданого спектрального складу з кольоровою температурою Т = 2045 К. Еквівалентну яскравість можна виміряти спів вставляючи досліджуване випромінювання з еталонним з = 2045 К по їх світлості.

Закон Віна

Закон Релея-Джінса

Закон Планка

71.Закон Стефана-Больцмана.

В 1879 р Стефан на основі аналізу даних виміряної енергетичної світимості різних тіл, проведеним ним особисто і рядом послідовностей,прийшов до висновку,що енергетична світимість прпопорційна четвертій степені температури для любого теплового випромінення.В1884р Больцман довів,що ця закономірність має місце лише для чорного тіла.Якщо відома температура чорного тіла,то по закону Стефана –Больцмана легко визначити енергетичну світимість його.

,де ,Т- температура чорного тіла.

Закон заміщення Віна.

На основі оптичних кривих розподіленій спектральній густині енергетичної світимості по спектру чорного тіла Вінполучив аналогічне вираження, описуючи довжину хвилі lmax, на яку приводиться максимум кривої mеs(lT) при даній температурі Т:

lmaxТ=С’,

Де С’=2896 мкм*К.Це відношення називають законом Віна.Із закону Віна видно,що для температури чорного тіла до 4760 К максимум кривої mеs(lT) лежить в інфрачервоній області спектру,для температури від 4760 до 10000К максимум такої кривої переміщається в видиму частину спектра

 

Функція Планка у відносних координатах.

Функція Планка у відносних координатах для розв’язання певної групи задач де треба визначити долю випромінювання,що припадає на певну ділянку спектру,Закон планка круще у вигляді.

, ,

відносне значення довжини хвиль.

, ,

Застусовуючи криву Планка у відносних координатах просто розв’язати задачі про вирішення далі випромінювання.

Сірі випромінювачі.

Враховуючи характер залежності коефіцієнта випромінювання від довжини хвилі, всі випромінювачі поділяють на сірі та селективні. Сірими випромінювачами називаються такі, в яких ε(λ)=const, тобто постійний для усіх довжин хвиль при заданій температурі. Для сірих випромінювачів спектральний коефіцієнт випромінювання являється постійною складовою для любої частини спектру. Наприклад для сірого випромінювача може служити ацетиленове полум’я.,спектральної розподіленої енергії випромінювання короткого подібно спектральному розподіленню енергії чорного тіла при температурі 2360 К.

Радіаційна температура.

Радіаційна температура - це температура абсолютно чорного тіла при якій густина його випромінювання така сама як і в досліджувального тіла,яке знаходиться в своїй істині температурі.

де радіаційна температура, Т-реальна температура., -коефіцієнт входящий в формулу Стефана Больцмана, інтегральний коефіцієнт теплового випромінення.

.

Вимірювання радіаційної температури проводяться за допомого. радіаційного пірометра.

Яскравісна температура.

Яскравісна температура- це температура абсолютного чорного тіла при якій його яскравість в зоні L=655 нм,однакова з яскравістю випромінювального досліджувального тіла в тій самій зоні спектру яке знаходиться при істинній температурі.

.,де С1,С2-коефіцієнти із рівняння Віна, ε(λ,Т)-спектральний коефіцієнт теплового випроміненя.

Для вимірювання яскравісної температури використовують оптичний пірометр з невидимою ниткою.

Кольорова температура.

Кольорова температура- це температура абсолютно чорного тіла при якій кольоровість його випромінювання така яка ж кольоровість досліджувального тіла,шо знаходиться при своїй істинній температурі.

. ,

Для вимірювання кольорової температури реального тіла можна використати пірометр з невидимою ниткою.

Принцип Франка - Кондона

Частина електронної енергії при поглинанні і випусканні світла повинна витрачатися на збільшення коливань структури, перетворюватися на тепло. Явище спостерігається в результаті різкої зміни градієнта електронної енергії близько ядер при збудженні і релаксації.

Правило Стокса

Максимум інтенсивності в спектрі люмінесценції зсувається порівняно з максимумом у спектрі поглинання в сторону більших довжин хвиль. Це правило виконується у люмінофорів з широкою областю спектра випромінювання.

 

Правило Стокса - Ломмеля

Спектр люмінесценції, як правило, зсунутий відносно спектра поглинання в сторону довгих хвиль. Дане правило прийнято пояснювати втратою деякої частини поглиненої енергії на тепловий рух молекул. Зазначимо, що існує антістоксовскій люмінофор випромінює більш короткохвильове випромінювання ніж падаюче. Як правило одне і теж речовина здатна випускати випромінювання як в стоксовой, так і в антистоксової областях спектру, щодо частоти збуджуючого люмінесценцію випромінювання.

Закони Вавілова

Перший закон Вавілова

Енергетичний вихід фотолюмінесценції зростає прямо пропорційно довжині хвилі λ поглинається випромінювання, а потім, досягаючи в деякому інтервалі при λ ~ λ _макс максимального значення, швидко спадає до нуля при подальшому збільшенні λ. Енергетичний вихід має бути меншим за 1.

Другий закон Вавілова

При збудженні люмінесценції речовини частиною спектру поглинання енергетичний вихід (ɳ_е) зростає пропорційно довжині хвилі збуджуючого потоку випромінювання потім на деякому спектральному інтервалі залишається постійним. В області де енергетичний вихід зменшується із збільшенням різниці тим швидше чим нища температура люмінесцентної речовини ɳ_е=А* А- коефіцієнт актинічної пропорційності.

=А

Відповідно до закону Вавілова квантовий вихід фотолюмінесценції не залежить від довжини хвилі збуджуючого світла в стоксовой області (v _возб> v _Люм) і Різко падає в області антистоксовой випромінювання (v _возб <v _Люм).
93. Яскравість фотолюмінесценції

Якщо збудження люмінофора відбувається не однорідним променевим потоком, то потік, випромінюваний люмінофором, можна визначити із виразу:

Де - функція спектральної інтенсивності потоку збудження, падаючого на люмінофор

- спектральне значення коефіцієнта поглинання люмінофора у функції довжини хвилі

- спектральне значення енергетичного виходу у функції довжини хвилі

і - границі спектра збудження.

Світловий потік фотолюмінесценції Ф_л=к_л*Ф_л, де к_л- світлова чутливість фотолюмінесценції, рівна Заміним значення Ф_Л і їх інтегральними виразами, отримаєм спільне рівняння для світлового потоку фотолюмінесценції:

Ф_Л=

- функція відногсної спектральної чутливості ока

і - границі полоси випромінюючого люмінофором світлового потоку

Хвильові властивості випромінювання.

До хвильових властивостей випромінювання належать: інтерференція,дифракція,поляризація,дисперсія.

Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти світла. Внаслідок зміни показника заломлення змінюється також довжина хвилі.

Дифракція - явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад, світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна огинати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо.

Інтерференція — явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль в результаті чого в одних місцях спостерігається підсилення результуючої хвилі (інтерференційний максимум), а в інших місцях послаблення (інтерференційний мінімум).

Поляризація хвиль - явище порушення симетрії розподілу збурень в поперечної хвилі (наприклад, напруженостей електричного або магнітного полів в електромагнітних хвилях) щодо направлення її поширення. У поздовжньої хвилі поляризація виникнути не може, оскільки обурення в цьому типі хвиль завжди збігаються з напрямком поширення.