22

1.2.3.2 Електромагнітні хвилі у радіозв’язку, телебаченні, радіолокації, радіоастрономії

Електромагнітні хвилі в діапазоні до 3∙10⁵ МГц називаються радіохвилями. Радіохвилями передається інформація в радіозв’язку, в радіомовленні здійснюється передавання мови, музики, телеграфних сигналів, в телебаченні – зображень.

Радіозв’язок відбувається шляхом випромінювання радіопередавачем модульованих електромагнітних хвиль та їх демодуляції в радіоприймачі.

Модуляція електромагнітної хвилі – зміна її параметрів з частотами, які значно менші від частоти самої електромагнітної хвилі. Розрізняють: амплітудну модуляцію (змінюється тільки амплітуда хвилі), частотну (змінюється частота хвилі), фазову (змінюється початкова фаза хвилі) [1.12]. У випадку радіомовлення частота модуляції знаходиться в слуховому діапазоні 16  20000 Гц. Радіомовлення на довгих хвилях здійснюється в діапазоні λ = 10³  10⁴ м, ν = 30  300 кГц, на середніх – в діапазоні λ = 10²  10³ м, ν = 0,3  3 МГц, на коротких – в діапазоні λ = 10  100 м, ν = 3  30 МГц.

Передавання зображення по телебаченню здійснюється шляхом модуляції несучої електромагнітної хвилі згідно з яскравістю різних малих ділянок передавальних об’єктів (з використанням явищ зовнішнього і внутрішнього фотоефекту в передавальних телевізійних трубках) [1.12]. Для телевізійних передач використовують ультракороткі хвилі метрового діапазону λ = 1  10 м, ν > 30 МГц.

За допомогою радіохвиль визначають місцезнаходження різних об’єктів, що прийнято називати радіолокацією, яка ґрунтується на явищі відбиття або розсіювання радіохвиль об’єктами. В радіолокації використовуються ультракороткі радіохвилі дециметрового, сантиметрового, міліметрового діапазонів.

Методи радіолокації використовуються в радіолокаційній астрономії з метою уточнення рухомості планет сонячної системи та їх супутників. Радіоастрономія досліджує космічні об’єкти за їх власним ультракороткохвильовим радіовипромінюванням. Якраз радіотелескопи використовують для приймання і дослідження цього випромінювання.

1.2.4 Оптичні випромінювання

Світло за фізичною природою є корпускулярно-хвильовим процесом. З однієї сторони світло має хвильові властивості, обумовлені явищами інтерференції, дифракції, поляризації. З другої, світло – це потік частинок (фотонів), яким властива нульова маса спокою і швидкість руху, що дорівнює швидкості світла у вакуумі. Геометрична (променева) оптика нехтує явища дифракції і є граничним випадком хвильової оптики, що дорівнює нулю. Геометрична оптика досліджує розповсюдження світла в оптичних приладах за умови, що світлові промені розповсюджуються прямолінійно і незалежно один від одного [1.12].

1.2.4.1 Фотометрія

Особливим розділом фізики, з точки зору взаємодії світла з речовиною, є фотометрія. Фотометрія розглядає енергетичні характеристики оптичного випромінювання в процесах його випускання, розповсюдження, взаємодії з речовиною. При цьому енергія випромінювання усереднюється за малими інтервалами часу, які значно перевищують період досліджуваних електромагнітних коливань. Фотометрія охоплює експериментальні методи і засоби вимірювань фотометричних величин, що пов’язані з видимим спектром і сприймаються людським оком. Всі ці одиниці вимірювання світла ґрунтуються на властивостях адаптованого до світла ока.

Основним енергетичним поняттям фотометрії є потік випромінювання Φ_e, який має фізичний зміст потужності, що переноситься електромагнітним випромінюванням [1.1, 1.12]. Просторовий розподіл Φ_e описують енергетичні фотометричні величини, похідні від потоку випромінювання за площею і тілесним кутом. Залежності фотометричних величин від довжини хвилі випромінювання і спектральних густин енергетичних величин є предметом дослідження спектрофотометрії і спектрорадіометрії.

Фундаментальний закон для фотометрії був сформульований німецьким астрономом І. Кеплером (1604 р.) – освітленість E змінюється обернено пропорційно до квадрату відстані r від точкового джерела з силою світла I [1.12]:

. (1.35)

Основоположником експериментальної фотометрії вважають французького фізика П. Бугера, який запропонував метод кількісного порівняння джерел світла (1729 р.) – встановлення рівності освітленостей сусідніх поверхонь, використовуючи людське око як реєструючий прилад.

Залежно від використовуваних методів вимірювання фотометричних величин фотометрію поділяють на – візуальну, фотографічну, фотоелектричну.

Теоретична фотометрія ґрунтується на співвідношенні, яке виражає закон квадратів відстаней [1.12]:

, (1.36)

де dΦ_e – диференціал потоку випромінювання елементарного пучка променів;

dG – диференціал геометричного фактора;

L_e – енергетична яскравість випромінювання.

Фотометричні властивості речовини і тіл характеризуються коефіцієнтом пропускання τ, коефіцієнтом відбиття ρ і коефіцієнтом поглинання α, які для одного і того ж тіла пов’язані співвідношенням [1.12]:

. (1.37)

Зменшення інтенсивності оптичного випромінювання вузьконаправленого пучка при проходженні через речовину (тіло) є в основі поглинання світла.

Основним законом, що описує поглинання є закон Бугера [1.12]:

, (1.38)

який пов’язує інтенсивність I пучка світла, що пройшов шар поглинаючого середовища товщиною l, з інтенсивністю падаючого пучка світла I₀. Коефіцієнт поглинання K_λ не залежить від інтенсивності світла I₀ і приймає різні значення для різних довжин хвиль λ. Експериментально цей закон був встановлений французьким фізиком П. Бугером (1729 р.) і теоретично виведений німецьким вченим І. Ламбертом (1760 р.) за умови – що при проходженні через будь-який прошарок речовини інтенсивність світлового потоку зменшується на певну величину, що залежить від K_λ і товщини шару [1.12]:

. (1.39)

Процес втрати фотонів, що характеризується K_λ, не залежить від їх густини в світловому пучку, тобто від інтенсивності світла і від товщини поглинаючого шару l. Залежність K_λ від довжини хвилі світла λ називається спектром поглинання речовини.

Поглинання твердих тіл характеризується широкими ділянками (тисячі і десятки тисяч Å) з великим значенням K_λ. Коли світло поглинається молекулами речовини, розчиненої в непоглинаючому розчині, K_λ є пропорційним до числа поглинаючих молекул на одиницю довжини шляху світлової хвилі, тобто пропорційний концентрації C [1.12]:

. (1.40)

Тоді закон поглинання Бугера-Ламберта-Бера

, (1.41)

де æ_λ – коефіцієнт, який не залежить від концентрації і характерний для молекули поглинаючої речовини.

Значне поглинання світла в провідних середовищах сильно впливає на всі процеси розповсюдження світла в них [1.12].

Експериментальні методи фотометрії ґрунтуються на абсолютних і відносних вимірюваннях потоку випромінювання різними селективними і неселективними приймачами випромінювання. Для визначення розмірних фотометричних величин використовують фотометри або з неперервним порівнянням невідомого і відомого потоків випромінювання, або попередньо градуйовані у відповідних одиницях випромінювання енергетичних або редукованих фотометричних величин. Редуковані фотометричні величини – характеризують оптичне випромінювання або по його дії на ті чи інші селективні приймачі оптичного випромінювання, а енергетичні – безвідносно до його дії на приймачі випромінювання, тобто на основі одиниць енергії [1.12]. Зокрема, для передавання значень світлових величин використовують звірені з державними світловими еталонами зразкові або робочі світловимірювальні лампи (джерела з відомими фотометричними характеристиками). Фотометрія лазерного випромінювання використовує зразкові і робочі неселективні приймачі випромінювання, звірені з державними еталонами потужності і енергії когерентного випромінювання лазерів. Вимірювання безрозмірних величин τ і ρ здійснюють фотометрами з використанням відносних методів.

Імпульсна фотометрія вивчає імпульсні світлові потоки та їх використання для отримання оптичних характеристик тіл (коефіцієнт відбиття, коефіцієнт пропускання т. і.) [1.12]. Імпульсна фотометрія охоплює розрахунок і вимірювання енергетичних просторових, спектральних і часових характеристик джерел імпульсного випромінювання, теоретичне обґрунтування методів і розрахунок похибок вимірювань, метрологічне забезпечення єдності вимірювань.

Для вимірювання фотометричних величин використовують фотометри (від грецького photos – світло і metreo – вимірюю). Фотометр певним чином просторово виділяє потік випромінювання і реєструє його приймачем випромінювання із заданою спектральною чутливістю [1.12]. Оптичний блок фотометра (фотометрична головка) складається з лінзи, світлорозсіювальних пластинок, послаблювачів світла, світлофільтрів, діафрагми, приймача випромінювання. Інтегруючий фотометр дозволяє визначати світловий потік за одним вимірюванням.

З квантової точки зору випромінювання нелазерних джерел світла складається з фотонів, які випускаються незалежно окремими частинками, причому їх випускання відбувається спонтанно (в довільних напрямках), у випадкові моменти часу, а довжина хвилі, що виникає при складанні множини актів випускання не має точно визначеного значення і знаходиться в межах, залежних від розкиду індивідуальних властивостей випромінюваних систем. Дія лазерів (з англійського – підсилення світла вимушеним випромінюванням) – ґрунтується на вимушеному випусканні фотонів під дією зовнішнього електромагнітного поля. Існуючі лазери охоплюють широкий діапазон довжин хвиль λ від ультрафіолетового до субміліметрового [1.12]. Когерентність і направленість – основні характеристики випромінювання лазерів. Вимушене випромінювання і зворотній зв’язок – головні процеси, що приводять до генерації.

Застосування лазерів є багатогранним. Здатність лазера концентрувати світлову енергію в просторі, в часі і в спектральному інтервалі може використовуватись двояко:

1) нерезонансна взаємодія потужних світлових потоків з речовиною в неперервному та імпульсному режимах (лазерна технологія, лазерний термоядерний синтез);

2) селективний вплив на атоми, іони, молекули, молекулярні комплекси, які викликають фотодисоціації, фотохімічні реакції (лазерна хімія, лазерне розділення ізотопів т.і.).

Надстабільні лазери є основою оптичних стандартів частоти, лазерних сейсмографів т. і. Лазери з перестроюваною частотою у спектроскопії дозволяють збільшити роздільну здатність і чутливість методу з точністю до спостереження спектрів окремих атомів.

В медицині лазери використовуються як безкровні скальпелі, при хірургічному лікуванні очних, шкірних захворювань т. і. Лазерна локація дозволяє контролювати розподіл забруднень в атмосфері на різних висотах, визначати температуру і склад атмосфери. З лазерами пов’язана нелінійна оптика і голографія.