Лекция 1

Общая характеристика оптического излучения (ОИ).

Раздел физики, который изучает световые явления, называется оптикой, а световые явления называются оптическими. «Оптикос» – по-гречески «зрительный».

ОИ по своей природе относится к электромагнитным колебаниям. Оно составляет лишь небольшую часть в общем спектре электромагнитных излучений.

Космич. лучи	γ-лучи	Рентген. лучи	УФ-лучи	ВИ	ИК излуче-ние	УК радио-волны	радио-волны	Перемен. токи пром. частот	Медл. электр. колеба- ния
10-6нм 10-3нм 10 нм 380нм 760нм 1 мм 10 м 10 км св. 100км

УФ

_ви

_ик

1 нм

380 нм

760 нм

1 мм

Как и всякие другие волновые процессы, излучение принято характеризовать длиной волны λ, под которой понимают линейное расстояние (по направлению излучения) между двумя соседними точками с одинаковой фазой. Со скоростью света с и частотой v (число колебаний в секунду)

длина волны связана следующей зависимостью:

(1),

где с = 3· 10⁸ м/с – скорость света,

λ - длина волны, нм.

Представления об излучении как о волновом процессе недостаточно для объяснения таких явлений, как фотоэффект. Экспериментально П.Н.Лебедев доказал, что излучение представляет собой поток материальных частиц, которые, попадая на какую-нибудь поверхность, оказывают на нее давление. М.Планк выдвинул теорию о том, что излучение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами света (от латинского слова «квантум» - количество, масса), или фотонами. Величина энергии фотона Е

зависит от длины волны излучения:

(2)

где h - постоянная Планка, равная 6,62 10 ^-34 Дж · с,

Так как по формуле (1) с = λ ν, то Е = h ν (3).

Из формулы (2) следует, что чем короче длина световой волны λ , тем больше энергия ее квантов, и наоборот. Опытом установлено, что фотон существует только в процессе движения и всегда имеет скорость, равную с. При остановке фотон исчезает, т. е. он не имеет массы покоя. В этом проявляется отличие фотона от электронов, протонов и других частиц вещества.

Испускание и поглощение излучения веществом можно объяснить с помощью квантовой теории. По квантовой теории, свет испускается атомами и молекулами вещества, находящимися в возбужденном состоянии.

По теории Н.Бора электрон может устойчиво вокруг ядра только по строго определенным (стационарным) орбитам. Когда электрон находится на ближайшей к ядру орбите, энергия атома имеет наименьшее значение. Это соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. Чем на более далекой от ядра орбите находится электрон, тем больше энергия атома.

На таких орбитах электрон долго находиться не может и через некоторое время (10^-8 с) перескакивает на более близкую к ядру орбиту. При этом энергия атома уменьшается. Освободившаяся энергия уносится в окружающее пространство в виде излучения, возникающего в момент перехода электрона с одной орбиты на другую. Эта энергия и является фотоном. Электроны могут вращаться только по орбитам, удаленным от ядра на строго определенные расстояния. Поэтому испускание энергии возбужденными атомами может происходить вполне определенными порциями.

Каждый атом характеризуется лишь несколькими энергетическими уровнями, количество которых тем больше, чем сложнее его структура. Каждому переходу атома из возбужденного состояния Е_в в состояние с более низким энергетическим уровнем Е_н соответствует освобождение энергии в виде кванта излучения (фотона) определенной частоты v:

Е_в - Е_в = hv (4).

Молекулы и кристаллы характеризуются целыми сериями энергетических уровней. Возбуждение может быть вызвано поглощением кванта излучения или столкновением атома или молекулы с электроном, обладающим большой скоростью (кинетической энергией). Свободная энергия испускается в виде излучения не при каждом таком столкновении. Чаще всего происходит передача кинетической энергии другой частице.

Поскольку при каждом определенном переходе электрона в атоме с одной стационарной орбиты на другую энергия атома изменяется всегда одинаково (4), каждому из возможных переходов электрона соответствует своя частота излучения. При этом каждый атом характеризуется определенным набором частот излучения. Поэтому все элементы отличаются друг от друга набором частот излучения атомов. Излучение Солнца и искусственных источников неоднородно и состоит из излучений различных длин волн. Если видимую часть сложного излучения, создающего ощущение белого света, разложить при помощи призмы на однородные потоки, то каждый из них будет иметь свой характерный цвет. Глаз человека способен различать > 150 цветовых оттенков, соответствующих излучениям различных длин волн. Цветовые оттенки плавно переходят друг в друга. Условно принято весь спектр видимого излучения разделять на 8 участков.