МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.Н.УЛЬЯНОВА

Кафедра общей физики

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ "ЭЛЕМЕНТЫ ФОТОМЕТРИИ"

УЛЬЯНОВСК 1999

Печатается по решению редакционно-издательокого совета УлГПУ имени И.Н.Ульянова

УДК 1000 /07/

САМОХИНА. С.С.Методическое пособие "Элементы фотометрии".-Ульяновск : УлГПУ им. И. Н.Ульянова, 1999.- 28с.

Методическое пособие содержит Теоретические сведения об источниках и приемниках оптического излучения, световых характеристиках, о соответствии энергетических и световых фотометричес­ких величин. Приводятся задачи по теме "Фотометрия", указывается литература, которая может быть использована при изучении данной темы.

Методическое пособие предназначено для студентов физико-математического факультета при изучении оптики в курсе общей физики.

Составитель - кандидат педагогических наук, доцент С.С.Самохина

Ответственный за выпуск - кандидат физико-математических наук, доцент Э.Н. Старов

Рецензент - старший преподаватель В.Д. Рябинова

© Ульяновский государственный педагогический университет им, И.Н.Ульянова, 1999

ЭЛЕМЕНТЫ ФОТОМЕТРИИ

Фотометрия - это раздел физической оптики, рассматривающий оптическое излучение и его характеристики в процессе испускания распространения и взаимодействия световой волны с веществом.

1. Энергия электромагнитных волн

Электромагнитные волны в зависимости от энергии, переносимой волной, частоты колебаний, способа излучения и методов регистрации можно разделить на диапазоны и представить в виде шкалы ЭМВ

рис. 1.

Таблица 1. Классификация спектра электромагнитных колебаний.

Область спектра	-	Длина волны в наиболее употребляемых единицах
Низкочастотные колебания	Инфразвуковые, звуковые	18000 км
		18000-18 км
Радиоволны	длинные	18000-2000 м
	средние	2000-200 м
	промежуточные	200-50 м
	короткие	50-10 м
	ультракороткие	10 м - 1 см
	микроволны	1 см - 0,75 мм
Инфракрасное излучение (ИО)	длинноволновое	750-15 мкм
	средневолновое	15-1,5 мкм
	коротковолновое	1,5-0,75 мкм
Видимое излучение	красное	750-620 нм
	оранжевое	620-590 нм
	жёлтое	590-560 нм
	зеленое	560-500 нм
	голубое	500-480 нм
	синее	480-450 нм
	фиолетовое	450-400 нм
Ультрафиолетовое излучение (УФ)		400-10 нм
Рентгеновское излучение (X)		100-0,04 Å
Гамма-излучение (Y)		<0,04 Å

Для получения оптического излучения (инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые лучи) используют следующие явления:

1. свечение раскаленных твердых тел, дающих сплошной спектр;

2. свечение возбужденных газов за счет квантовых переходов валентных электронов в атомах и молекулах (линейчатые и полосатые спектры);

3. свечение различных тел вследствие люминесценции.

В плоской бегущей электромагнитной волне, описываемой уравнениями (1) и (2), происходит направленный перенос энергии электромагнитного поля в пространстве:

Е(r, t)=E_o*cos(ω*t –k*r+φ) (1)

H(r,t)= H_o*cos(ω*t –k*r+φ) (2)

Электромагнитные волны поперечны (рис. 2), причем в вакууме и в непроводящей среде колебания и в волновой зоне совпадают по фазе (рис. 2).

рис.2. Распространение электромагнитной волны:

Е-вектор напряженности электрического поля; Н-вектор напряженности магнитного поля;

П-вектор Умова-Пойнтинга.

Объемная плотность анергии электрического (3) и магнитного(4) полей соответственно равны:

(3),

(4);

Поток энергии (Ф₀) - скалярная физическая величина, численно равная количеству энергии, переносимой волной через некоторую поверхность в единицу времени:

(5)

Единицы измерения в системе СИ: [ ]=Дж/с=Вт

Размерность потока энергии:

Плотность потока энергии ( ) - векторная физическая величина, характеризующая перенос энергии в различных точках пространства, численно равная потоку энергии через единичную площадку, расположенную в данной точке перпендикулярно направлению переноса энергии:

(6)

Единицы измерения плотности потока энергии в системе СИ: [П]=Вт/м²

Размерность плотности потока энергии:

Причем: (7),

где -объемная плотность энергии электромагнитного поля в световой волне;

-фазовая скорость волны.

Вектор Умова-Пойнтинга ( ) равен:

(8)

Интенсивность волны (I) - это среднее по времени значение плотности потока энергии, переносимой волной:

(9),

где - показатель преломления среды.

Таким образом, плотность потока энергии и интенсивность ЭМВ пропорциональна квадрату амплитуды электрического поля (светового вектора).

Способы регистрации излучения в оптическом диапазоне основаны на измерении приемниками потока переносимой волной энергии. Все приемники инерционны и, следовательно, измеряют величины, усредненные по времени. Для этого можно использовать фотоэлектрические и фотохимические явления, люминесценцию, термоэлектрические явления.