2. Оптичне випромінювання та його характеристики

Електромагнітне випромінювання – одна із форм переносу енергії у просторі електромагнітного поля і не пов’язана із переносом речовини.

Оптичне випромінювання це - електромагнітне випромінювання оптичного діапазону, частина спектру електромагнітного випромінювання протяжністю від 1 нм до 1 мм, яка ділиться на три різні області - ультрафіолетову, видиму та інфрачервону. Цей інтервал визначений Міжнародною комісією з освітлення (МКО) і є в певній мірі умовним.

Рис. 1.1. Спектр електромагнітного випромінювання

Видимою називається область тому, що за її межами візуальна фотометрія за допомогою ока людини є неможливою. За межами діапазону оптичного випромінювання зі сторони коротших довжин хвиль простягається рентгенівське, гама- і космічне випромінювання, а зі сторони довгих довжин хвиль – ультракороткі та інші радіохвилі, хвилі струмів промислової частоти та інші.

Виникає оптичне випромінювання за рахунок електронного збудження атомів і коливально-орбітального руху молекул. Оптичне випромінювання можна представити як електромагнітні хвилі, що поширюються у вакуумі зі швидкістю світла c = 299 792 458 м/с ≈ 3 ∙ 10⁸ м/с.

За визначенням, світло – це оптичне випромінювання, яке є видимим для людського ока. Світло також можна розглядати як і психофізичне поняття.

Виходячи із загальних міркувань світлові хвилі слід розглядати як окремий випадок електромагнітних хвиль, які характеризуються коливаннями двох векторів – вектора електричної напруженості Е та вектора магнітної напруженості Н.

Рис.1.3. Плоскополяризована електромагнітна хвиля однієї довжини (Е-вектор електричного поля, Н - вектор магнітного поля).

Рис.1.2. Стояча електромагнітна хвиля.

Обидва вектори коливаються у взаємно-перпендикулярних площинах і напрям швидкості поширення хвилі перпендикулярний до напрямку обох векторів Е і Н. Це означає, що електромагнітні хвилі є поперечними. У випадку, коли кожний із векторів Е і Н здійснює лінійні коливання в певній площині, світло називається плоско-поляризованим, а за площину поляризації приймається площина, в якій коливається вектор Н.

Для пояснення фізичних процесів, які відбуваються при випромінюванні, фізики користуються корпускулярно-хвильовою теорією, згідно з якою електромагнітне випромінювання це потік особливих частинок – фотонів, кожна з яких має певну енергію, масу та імпульс. Корпускулярна теорія добре пояснює взаємодію випромінювання з речовиною (процеси поглинання, розсіювання), а хвильова теорія - закони розповсюдження випромінювання (відбивання, заломлення, інтерференція, дифракція). Така двоїста природа електромагнітного випромінювання знайшла своє математичне відображення у виразах, де частота коливання ν, властива електромагнітній хвилі, визначає енергію Е та імпульс Р фотона:

Е=hν; Р= hν/с.

Під монохроматичним випромінюванням розуміють сукупність фотонів, що виділяються джерелом випромінювання, довжина хвилі яких лежить у дуже вузькому інтервалі. Якщо ж вектори Е і Н мають все можливі орієнтації у площині, перпендикулярній до напрямку поширення випромінювання, то таке випромінювання є неполяризованим (немонохроматичним). Як правило, монохроматичне випромінювання однієї довжини хвилі на практиці отримати не завжди вдається. Взагалі ж звичайне випромінювання є складним і містить сукупність монохроматичних випромінювань, які утворюють спектром випромінювання. Тіла, які випромінюють (джерела випромінювання) можуть мати суцільний, смугастий та лінійчатий спектри.

Рис.1.4. Види спектрів : а-суцільний, б-смугастий, в-лінійчатий.

Суцільний спектр безперервно заповнює інтервал випромінювання без розривів. Такий спектр притаманний джерелам теплового випромінювання та люмінесцентним джерелам, а також речовинам та тілам, що мають люмінесцентні властивості.

Смугастий спектр характеризується монохроматичними складовими, які утворюють дискретні групи (смуги). Смугасті спектри властиві для випромінювання газів, а також парам різних речовин.

Лінійчатий спектр складається із окремих дуже вузьких монохроматичних випромінювань, що не примикають один до одного. Такі спектри характерні для хімічних елементів у газоподібному стані.

В реальних умовах більшість твердих і рідких тіл при нагріванні випромінюють суцільним спектром у широкому інтервалі довжин хвиль.

Розглянемо деякі параметри і характеристики електромагнітного випромінювання.

Довжина хвилі випромінювання (λ) визначається як відстань, що відповідає одному періоду коливань, або як відстань між послідовними максимумами чи мінімумами. Як правило, використовуються наступні одиниці вимірювання довжини хвилі, які між собою співвідносяться так:

1нм (нанометр) =10^-9 м =10^-7см =10Å;

1мкм (мікрометр) = 10^-6 м = 10^-4 см = 10 000Å;

1Å(ангстрем) = 10^-10 м = 10^-8 см.

Ангстрем- це одиниця довжини, що дорівнює 1/6438,4696 частини довжини хвилі випромінювання червоної лінії у спектрі кадмію.

Рис.1.5 . Енергетичні рівні атома

Частота (ν) відповідає числу періодів коливань хвилі за одиницю часу:

ν = ; [с^-1] = [Гц].

Відмітимо, що частота є єдиною характеристикою електромагнітного випромі-нювання, яка не залежить від природи середовища, через яке проходить випромі-нювання, в той час як швидкість поширення хвилі та її довжина зазнають змін в

середовищі.

Хвильове число k – показує число хвиль на одиницю шляху: k = = ; Розмірність хвильового числа k = [см ^-1]. Для відстані в 1 мікрометр

k = .

Оптичне випромінювання можна також розглядати і як потік квантів світла – фотонів, які характеризуються своїм набором параметрів - енергією, напрямом розповсюдження і т. д.

Оптичний квант, фотон – характеризує квантованість форми електромагнітної хвилі. Енергія фотона в одиницях електрон-вольтів для довжини хвилі у мікрометрах:

Е = hν = ; [еВ]

Причина оптичного випромінювання тіл, полягає у наступному. В основному стані всі електрони розміщуються на найнижчих енергетичних рівнях, які характеризуються певним значенням кінетичної і потенціальної енергії.

В результаті процесу збудження через електричну або теплову енергію електрони можуть переходити на вищий рівень. Цей збуджений вищий рівень (стан) є нестабільним і тому через дуже короткий час електрон повертається назад у вигідніший за енергією нижчий найближчий рівень, внаслідок чого випромінюється квант енергії(див. рис ) :

Е₃ – Е₂ = hν.

Енергія, що поширюється у вигляді електромагнітних хвиль, у радіометрії називається енергією випромінювання, а у фотометрії – світловою енергією. Енергія, що поширюється у вигляді фотонів як частинок, називається інтенсивністю світла.

Радіометрія займається вимірюванням енергетичних величин, що характеризують електромагнітне випромінювання, і знаходяться в діапазоні від радіохвиль до рентгенівського випромінювання.

Фотометрія займається вимірюванням енергетичних величин, що характеризують світло. Фотометрія оперує рядом понять і величин, зокрема фотометричними величинами. Радіометричні і фотометричні одиниці безпосередньо пов’язані між собою.

Хоча історично фотометрія виникла першою, на даний час вона розглядається як окрема галузь радіометрії.

Світлові величини – це фотометричні величини, які, як правило, приведені у відповідність до спектральної чутливості середньо-статичного ока людини адаптованого до денного освітлення.

Фотометрична величина – це адитивна фізична величина, яка визначає часовий, просторовий і спектральний розподіл енергії оптичних випромінювань і властивості речовин, середовищ і тіл як посередників випромінювання або приймачів.

Енергетична фотометрична величина – це фотометрична величина, яка кількісно виражена в одиницях енергії або в одиницях потужності і похідних від них.