Давление света

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути — явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой ​​импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещенный таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок.^[5] Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.^[6]

При больших масштабах световое давление может заставить астероиды вращаться быстрее^[7], действуя на их неправильные формы, как на лопасти ветряной мельницы. Возможность сделать солнечные паруса, которые бы ускорили движение космических кораблей в пространстве, также исследуется.^[8][9]

История теорий света в хронологическом порядке Античные Греция и Рим

В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц. Однако общего признания взгляды Лукреция на природу света не получили.

Птолемей (около II века) в своей книге «Оптика» описал преломление света.

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий. Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции - пленуме. Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук и Христиан Гюйгенс. По мнению Гюйгенса световые волны распространяются в особой среде - эфире.

В начале 19 века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Было открыто, что свет представляет собой поперечные волны и характеризуется поляризацией. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в мемуаре для Академии наук Огюстен Френель. После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован, как электромагнитные волны. Победа волновой теории пошатнулась в конце 19 века, когда опыт Майкельсона-Морли не обнаружил эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Природа электромагнитных волн оказалась сложнее, чем просто распространение возмущений в веществе. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями - световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

Светова́я эне́ргия —- физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин^[1]. Характеризует способность энергии, переносимой светом, вызывать у человека зрительные ощущения. Является световым аналогом величины энергия излучения, входящей в систему энергетических величин. Получается путем преобразования значений спектральной плотности энергии излучения по формуле редуцированных фотометрических величин^[2] с использованием значений относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения ^[3]:

где  — максимальная световая эффективность излучения^[4], равная в системе СИ 683 лм/Вт^[5][6]. Её численное значение следует непосредственно из определения канделы.

Единица измерения световой энергии в СИ— люмен·секунда (лм·с).

Cо световым потоком cветовая энергия связана соотношением:

где t — длительность освещения.

Обосновать приведенную выше формулу перехода от к можно следующим образом.

Если свет представляет собой монохроматическое излучение с длиной волны 555 нм, совпадающей с положением максимума функции , то его энергии сопоставляется световая энергия , рассчитываемая по формуле:

где использовано приведенное выше значение =683 лм/Вт.

Величина коэффициента в принципиальном плане могла быть выбрана любой, в том числе и равной единице. Используемое же в СИ значение обусловлено только выбором =683 лм/Вт в определении канделы, что в свою очередь связано с традициями и причинами исторического характера.

Способность вызывать зрительные ощущения у монохроматического света с длиной волны , отличной от 555 нм, меньше, чем у света с длиной волны 555 нм в раз. Соответственно и световую энергию в этом случае полагают меньшей во столько же раз:

В случае, когда свет немонохроматичен, но занимает при этом узкий спектральный интервал , его световая энергия связана с соответствующей энергией аналогичным соотношением:

которое можно представить в виде:

Учитывая, что по определению является спектральной плотностью энергии, и используя для неё стандартное обозначение , последнее равенство переписываем в виде:

Любой свет, занимающий произвольный широкий участок спектра, можно представить, как совокупность большого числа световых излучений, каждое из которых занимает интервал . Тогда полная световая энергия этой совокупности будет представлять сумму световых энергий каждого из излучений. Таким образом, переходя в пределе от суммирования к интегрированию, получим то же, что и раньше:

Энергети́ческая фотометри́ческая величина́ — фотометрическая величина, количественно выражаемая в единицах энергии или мощности и производных от них^[1]. Энергетические величины характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения.

Энергетические фотометрические величины обозначаются подстрочным индексом «e», например, X_e.

Спектральная плотность энергетической фотометрической величины — отношение величины приходящейся на малый спектральный интервал заключённый между и , к ширине этого интервала:

Обозначением спектральной плотности величины служит буква, представляющая соответствующую величину, с подстрочным индексом, указывающим спектральную координату. В качестве последней могут выступать не только длина волны, но и частота, энергия кванта, волновое число и другие^[2].

Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что характеризуют свет с учётом его способности вызывать у человека зрительные ощущения.

Сведения об основных энергетических фотометрических величинах приведены в таблице.

Энергетические фотометрические величины СИ

Наименование (синоним[3])	Обозначение величины	Определение	Обозначение единиц СИ	Световой аналог
Энергия излучения (лучистая энергия)	или	Энергия, переносимая излучением	Дж	Световая энергия
Поток излучения (лучистый поток)	e или		Вт	Световой поток
Сила излучения (энергетическая сила света)			Вт·ср−1	Сила света
Объёмная плотность энергии излучения			Дж·м−3	Объёмная плотность световой энергии
Энергетическая светимость (излучательность)			Вт·м−2	Светимость
Энергетическая яркость			Вт·м−2·ср−1	Яркость
Интегральная энергетическая яркость			Дж·м−2·ср−1	Интегральная яркость
Облучённость (энергетическая освещённость)			Вт·м−2	Освещённость
Энергетическая экспозиция			Дж·м−2	Световая экспозиция
Спектральная плотность энергии излучения			Дж·м−1	Спектральная плотность световой энергии

Здесь  — площадь элемента поверхности источника,  — площадь элемента поверхности приёмника,  — угол между нормалью к элементу поверхности источника и направлением наблюдения.

Си́ла све́та  —- физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин^[1]. Характеризует величину световой энергии, переносимой в некотором направлении в единицу времени^[2]. Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Единица измерения СИ: кандела (кд).

В системе энергетических фотометрических величин аналогом силы света является сила излучения . По отношению к силе излучения сила света является редуцированной фотометрической величиной, полученной с использованием значений относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения ^[3]:

где  — спектральная плотность силы излучения, равная , а  — максимальное значение спектральной световой эффективности монохроматического излучения (фотометрический эквивалент излучения), равное 683 лм/Вт^[4].

Сила света различных источников:

Источник	Мощность, Вт	Примерная сила света, кд
Свеча		1
Современная (2010 г.) лампа накаливания	100	100
Обычный светодиод	0,015..0,1	0,005..3
Сверхъяркий светодиод	1	25…500
Сверхъяркий светодиод с коллиматором	1	1500
Современная (2010 г.) люминесцентная лампа	22	120
Солнце	3,9·1026	3·1027

Световой поток — физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, «cветовой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза»^[1].

• Обозначение: Φ_ν

• Единица измерения СИ: люмен

Для определения величины светового потока, сначала необходимо спектральную плотность мощности излучения умножить на величину относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения V_λ, затем проинтегрировать в пределах видимого диапазона длин волны (то есть от 380 до 780 нм). Затем полученный результат (Φ_e; измеряется в Вт) нужно умножить на фотометрический эквивалент излучения (K_m; константа=683 лм/Вт))^[2].

Интегрирующий сферический фотометр

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров^[3]. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеяный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. .

Освещённость — отношение светового потока, падающего на малый участок поверхности, к его площади.

Освещённость численно равна световому потоку, падающему на участок поверхности малой единичной площади:

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС — фот (один фот равен 10 000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется светимостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния (Закон обратных квадратов).

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещённость от точечного источника находят по формуле:

где — сила света в канделах; — расстояние до источника света; — угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии — с помощью люксметров.

Описание	Освещённость, лк
Вне атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца[1][2]	135 000
Солнечными лучами в полдень	100 000
При киносъёмке в студии	10 000
На футбольном стадионе (искусственное освещение)	1200
На открытом месте в пасмурный день	1000
В светлой комнате вблизи окна	100
На рабочем столе для тонких работ	400–500
На экране кинотеатра	85–120
Необходимое для чтения	30–50
От полной луны	0,2
От ночного неба в безлунную ночь	0,0003

В фотометрии, светимость — это световой поток излучения, испускаемого с малого участка светящейся поверхности единичной площади. Она равна отношению светового потока, исходящего от рассматриваемого малого участка поверхности, к площади этого участка^[1]:

,

где dΦ — световой поток, испускаемый участком поверхности площадью dS. Светимость измеряется в лм/м². 1 лм/м² — это светимость поверхности площадью 1 м², излучающей световой поток, равный 1 лм.

Энергетическая светимость (излучательность) определяется аналогично, лишь вместо светового потока Φ берётся поток излучения Ф_e (в ваттах). Единица энергетической светимости — Вт/м².

Энергети́ческая свети́мость  — физическая величина, одна из энергетических фотометрических величин^[1]. Характеризует мощность оптического излучения, излучаемого малым участком поверхности единичной площади. Равна отношению потока излучения , испускаемого малым участком поверхности источника излучения, к его площади ^[1]:

Говорят также, что энергетическая светимость — это поверхностная плотность испускаемого потока излучения.

Численно энергетическая светимость равна среднему по времени модулю составляющей вектора Пойнтинга, перпендикулярной поверхности. Усреднение при этом проводится за время, существенно превосходящее период электромагнитных колебаний.

Единица измерения СИ: Вт^.м⁻².

Испускаемое излучение может возникать в самой поверхности, тогда говорят о самосветящейся поверхности. Другой вариант наблюдается при освещении поверхности извне. В таких случаях некоторая часть падающего потока в результате рассеяния и отражения обязательно возвращается обратно. Тогда выражение для энергетической светимости имеет вид:

где и  — коэффициент отражения и коэффициент рассеяния поверхности соответственно, а  — её облучённость.