1.ПОЛЕ ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЙ

Любое излучение связано с переносом энергии от излучающего тела к поглощающему. Различные виды энергии выражают качественно различные формы дви­жения материи. Таким образом, энергия излучения, являясь одной из качественных разновидностей энергии, есть также мера движения материи. Из приведенного определения энергии излучения можно сделать следую­щие выводы:

1. Излучение, распространяющееся со ско­ростью, определяемой оптической плотностью среды, материально.

2. Материя излучения является материей особой формы, отличающейся от вещества тем, что ее масса покоя равна нулю, то есть: так как любая материальная частица, движущаяся со скоростью света, может иметь конечную массу лишь в том случае, если масса покоя равна нулю.

На основании этих выводов можно сформулировать наиболее общее определение излучения. Излучение - это ма­терия особой формы, имеющая массу покоя, равную нулю, и движущаяся в безвоздушном пространстве с постоянной скоростью, равной примерно 2,998∙108 м/с.

Приведенное определение не раскрывает природы его возникновения и механизма распространения в окружающем пространстве, вследствие чего сформулируем физические основы возникновения, распространения и поглощения излучения. Акад. (1891 — 1951) указал на факты, имеющие непо­средственное отношение к учению о свете:

1. Свет обладает волновыми и корпускулярными свойствами.

2. Частицы вещества, так же как и света, имеют двоякую — корпускулярную и волновую природу.

3. Частицы вещества могут превращаться в свет, а свет — в вещество.

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ

Вплоть до 60-х годов прошлого столетия распро­странение излучения рассматривалось как передача на расстояние энергии механического движения. Такая передача возможна двумя путями: распространением упругой волны (волновая теория света) и переносом мельчайших частиц излучающего тела - корпускул (корпускулярная теория света).

Основы волновой теории света были заложены Х. Гюйгенсом.. Согласно этой теории свет распространяется как распространение волны упругой деформации гипотетической среды - эфирной материи. Колебательное движение этой эфирной материи, распространялось во све стороны в виде волн. Дальнейшим развитием теории света были работы (гипотеза об электромагнитной природе световых волн: излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющее собой периодическое колебание напряженностей электрического и магнитного полей). Распространение электромагнитной волны в пространстве сопровождается переносом энергии по направлению движения волны. Согласно этой теории скорость распространение электромагнитной волны в без­воздушном пространстве с = 2,∙108 м∙с-1≈3∙108 м∙с-1.

Согласно теории Максвелла плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве по направлению оси Х прямоугольной системы координат, описывается следующим уравнением:

μμ0 H/t=- ξ/x; (1.1)

ee0 ξ/t=-H/x (1.2)

где, μ и ε– магнитная и диэлектрическая проницаемости среды;

μ0 и ε0 - магнитная и электрическая постоянные;

ξ и H - мгновенные значения напряженностей электрической и магнитной

составляющих поля;

t - время распространения волны;

x – расстояние исследуемой точки поля от источника излучения.

Для гармонической волны, характеризующей монохроматическое излучение,

ξ= ξmaxsin2π/T(t-x/υ), (1.4)

где, ξmax - амплитуда напряженности электрического поля, не зависящая от

времени;

T - время полного периода колебания;

x/υ-отношение, определяющее запаздывание колебаний в исследуемой точке

по сравнению с колебаниями в точке расположения источника излучения.

Монохроматическим является такое излучение, у ко­торого постоянны в пространстве и во времени ампли­туда колебания ξmax, скорость распространения вол­ны v и время полного периода Т.

Последняя из трех указанных характеристик излу­чения чаще всего заменяется длиной волны λ, опреде­ляемой длиной пути, пройденного за время полного периода, или частотой колебания ν :

λ = υּT; ν=1/T и λּv =υ (1.5)

Длину волны излучения принято измерять в микро­метрах (мкм) и нанометрах (нм), иногда за единцу длины волны принимают ангстрем [Ǻ] :1Ǻ=10-10 м, а частоту излуче­ния— числом колебаний в 1 с. Часто монохро­матическое излучение характеризуют волновым числом κ=2π/λ определяющим число волн данного излучения на единицу длины в вакууме.

Распространяющаяся в пространстве электромагнит­ная волна несет с собой энергию, объемная плотность которой в любой точке поля определится суммой плот­ностей электрической и магнитной энергии:

qe= (εε0 ξ2 + μμ0H2)/2 (1.6)

где, qe - мгновенное значение объемной плотности энергии электромагнитного поля.

Среднее значение объемной плотности энергии за время полного периода:

­­­­­­­­­_ _ _

qe= 0.5(εε0 ξ2 + μμ0H2)= 0.25(εε0 ξ2max + μμ0H2max) , (1.7)

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

где ξmax и Hmax -- амплитуды напряженности электрического и магнитного полей.

Полученное уравнение позволяет определить поток энергии, пронизывающий замкнутый контур единичной площади в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Так как энергия поля перемещается с фазовой скоростью υ=c/√εμ, то мгновенное значение потока энергии через единицу площади сечения, перпендикулярному потоку, равно произведению объемной плотности энергии на скорость распространения волны:

Φе= qeυ=0,5υ(εε0 ξ2 + μμ0H2)=сε0 ξ2√ε/μ= ξ H, (1.8)

так как согласно уравнению (1.1) H= ξ√ε/μ0 с√μ

Среднее значение потока энергии через единичную площадь в плоскости, перпендикулярной распространению волны,

_ _ _ _ _

Φе= qeυ=0,5υ(εε0 ξ2 + μμ0H2)=сεε0 ξ2= сεε0/2 ξ2max, (1.8а)

где υ- фазовая скорость распространения волны в исследуемом веществе.

Приведенное уравнение показывает, что поток оптического излучения, пронизывающий контур единичной площади, расположенный в плоскости, перпендикулярной распространению излучения, определяется произведение квадрата амплитуды напряженности электрического поля на скорость распространения излучения в исследуемой среде и на ее абсолютную диэлектрическую проницаемость.

КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ

В теоретических работах М. Планк [1858 — 1947] предположил что энергия элементарных излучателей может меняться только скачками. кратными некоторому значению hν, постоянному для данной частоты излучения. Минимальную "порцию" энергии монохроматического излучения Планк назвал квантом энергии:

E = hּν,

где E - квант энергии фотона;ν- частота излучения; h - постоянная Планка, равная 6, 626ּ10-34Джּс. Кванты (фото­ны) не только возникают и распространяются дискретно, но также и поглощение излучения происходит отдель­ными фотонами. Это позволило объяснить сложные явления физической оптики: интер­ференцию, поляризацию, дифракцию, фотоэффект, фото­люминесценцию и пр. Следовательно, истинное понима­ние всех свойств излучения определяется единством его волновых и корпускулярных свойств.

ОПТИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ.

Непрерывный спектр электромагнитных излучений распространяется от гамма-лучей с минимальной длиной волны 10-7 мкм, возникающих при распаде радиоактив­ных элементов, до длинноволновых радиоизлучений и излучений генераторов переменного тока промышленной частоты с длиной волны 6000 км. В соответствии с ши­роким диапазоном изменения длин волн и частот излу­чений очень значительно изменяются и их свойства, определяемые в значительной мере энергией фотона. Средняя область спектра электромагнитных излучений, охватывающая инфракрасные излучения с длинами волн от 1,0 мм до 0,78 мкм, видимые излучения — от 0,78 до 0,38 мкм и ультрафиолетовые излучения — от 0,38 до 0,01 мкм, носит название оптической области спектра. Излучения этой области спектра называются оптическими излучениями. Объединение этих излучений в одну, группу объясняется единством принципов возбуждения оптических излучений и общностью методов их преобразования и использования.

Видимое излучение (свет) — излучение, вызывающее непосред­ственно зрительное ощущение. Из полного диапазона оптической области спектра, состоящей из 15 октав, на видимую часть оптических излучений приходится одна октава. Октавой спектра излучения принято считать область с диапазоном изменения длин волн (частот) в 2 раза.

Наибольшей частью оптической области спектра является участок инфракрасных излучений, состоящий из 10 октав. Оптические излучения этого участка спектра обладают малыми значениями энергии фотона, вследствие чего инфракрасные излучения в основном обнаружива­ются по их тепловому действию. Инфракрасные излучения применяют в фотографической технике.

Ультрафиолетовые излучения обладают наибольшими для оптических излучений значениями энергии фотона, очень активно вступают во взаимодействие с веществом.

Любое материальное тело, имеющее температуру выше нуля абсолютной шкалы, излучает энергию в окружающее пространство. Следовательно, все тела непрерывно обмениваются энергией, так как любой поток излучения' переносит энергию от излучающего тела к поглощающему. Потоки излучения создают постоянно существующее поле оптических излучений, характеризуемое направлением и интенсивностью переноса энергии излучения.