- •1. Основные понятия
- •1.1. Волновое уравнение для электромагнитного поля
- •1.2. Плоская электромагнитная волна
- •1.3. Энергия электромагнитных волн
- •1.4. Шкала электромагнитных волн
- •2. Световая волна
- •2.1. Показатель преломления среды
- •2.2. Интенсивность света
- •3. Энергетические и фотометрические величины и единицы
- •Примечание. Укажем для примера, что сила света лампы накаливания мощностью 1 Вт составляет примерно 55-75 кд, сила света свечи близка к 1 кд.
1.3. Энергия электромагнитных волн
Электромагнитные волны переносят энергию. Плотность потока энергии можно получить, умножив плотность энергии на скорость волны. Плотность потока энергии имеет размерность мощности, деленной на площадь. Соответственно ее выражают в единицах, называемых ватт на квадратный метр [Вт/м2]. В свою очередь плотность энергии носит название джоуль на кубический метр [Дж/м3].
Рассмотрим
случай, когда электромагнитная волна
распространяется в вакууме. В этом
случае скорость волны равна С.
Плотность энергии электромагнитного
поля
слагается из плотности энергии
электрического поля и плотности энергии
магнитного поля:
.
(1.13)
Положив в (1.10) для вакуума , придем к соотношению
.
(1.14)
Отсюда
следует, что плотности энергии
электрического и магнитного полей волны
в каждый момент времени одинаковы:
.
С учетом (1.14) выражению (1.13 можно придать вид
.
(1.15)
Умножив
найденное выражение для
на скорость волны
,
получим модуль плотности потока энергии:
.
(1.16)
Векторы
и
взаимно перпендикулярны и образуют с
направлением распространения волны
правовинтовую систему. Поэтому направление
вектора
совпадает с направлением переноса
энергии, а модуль этого вектора равен
.
Следовательно, вектор плотности потока
электромагнитной энергии можно
представить как векторное произведение
и
:
.
(1.17)
Вектор
называется вектором
Пойнтинга.
Формула (1.17) оказывается справедливой и в случае, когда электромагнитная волна распространяется в диэлектрической или проводящей среде.
1.4. Шкала электромагнитных волн
Материя
непрерывно испускает и поглощает
электромагнитное излучение. В зависимости
от длины волны в вакууме
(или частоты
),
а также способа генерации или регистрации
излучения различают несколько видов
электромагнитных волн: космическое
излучение, гамма-излучение, рентгеновское
излучение, оптическое излучение и
радиоволны. В табл. 1.1 представлен спектр
электромагнитных излучений. Необходимо
отметить, что электромагнитные волны,
соответствующие различным участкам
спектра, имеют одинаковую физическую
природу, поэтому
между ними нет резких переходов, сами
участки перекрываются и границы между
ними условны.
Космические лучи разделяются на первичные и вторичные. Первичные космические лучи падают на Землю из космоса. Они состоят из заряженных частиц: протонов, альфа-частиц и др. Проходя через толстый слой земной атмосферы, они претерпевают сложную цепь превращений, в результате чего возникает новое излучение, которое и называется вторичными космическими лучами. Частицы космических лучей обладают громадными кинетическими энергиями по сравнению с частицами обычного вещества, даже нагретого до миллиардов кельвинов.
Таблица 1.1. Спектр электромагнитных излучений
|
|
|
|
Оптический диапазон |
|
|
|
||
Вид излуче-ния |
Косми- ческое |
Гамма излуче-ние |
Рент-гено-вское |
УФ |
Види-мое |
ИК |
Микро-волно-вое |
Радио- волны |
Длинно- волновые электри- ческие колебания |
Длина волны |
0,001 Å 1 Å 10 нм 0,4 мкм 0,8 мкм 1 мм 10 см 10 км |
||||||||
Частота, Гц |
1021 1018 1016 1015 1014 1012 109 104 |
||||||||
Энергия, эВ |
108 104 102 101 100 10-3 10-5 10-10 |
||||||||
Гамма-излучением, или гамма-лучами, называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме менее 0,1 нм, которое испускается атомными ядрами при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, а также возникает при распаде частиц, аннигиляции пар «частица ― античастица» и других процессах.
Рентгеновским излучением, или рентгеновскими лучами, называется электромагнитное излучение, которое возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества и характеризуется длинами волн в вакууме, лежащими в широком диапазоне с условными границами от 10 – 100 нм до 0,001 – 1 пм.
Оптическим излучением или светом называются электромагнитные волны (электромагнитное излучение), длины которых в вакууме лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению относят: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Следовательно, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие участки электромагнитного излучения – инфракрасный и ультрафиолетовый. Выделение оптической области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для их исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусировки излучения, призмы, дифракционные решетки, дифракционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Ультрафиолетовым излучением (УФ) называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 10 нм до 380 нм.
Видимым излучением, или видимым светом, называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 380 до 770 нм, которое способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.
Инфракрасным излучением (ИК) называется электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого лежат в пределах от 770 нм до 1 мм.
Радиоволнами называются электромагнитные волны, длина которых в вакууме больше 1 мм.
Оптикой, точнее – физической оптикой, называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.
