1 КУРС (Лекции по оптике и электричеству и магнетизму) / Lektsia_9_pdf-77762392

Введение.

Крахалев М.Н.

Природа света (продолжение):

Благодаря работам Юнга и Френеля, систематически исследовавших явления интерференции и дифракции, а так же работ по исследованию поляризации и длины волны света (Малюс, Био, Брюстер, Френель, Араго) к середине XIX века волновая теория света стала преобладающей. Юнг (1817 г.) и независимо от него Френель (1821 г.) высказали мысль о поперечности световых волн.

В 60-х годах XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны.

Классическая физика оказалась недостаточной для истолкования явлений атомного масштаба. Потребовалось введение квантовых представлений, необходимость и плодотворность которых ранее всего обнаружилась при изучении проблемы распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Планк в конце 1900 г. получил формулу для распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. При этом он ввел чуждое классической физике представление, что излучение и поглощение света осуществляется не непрерывно, а конечными порциями, или квантами энергии. Через 5 лет Эйнштейн показал, что не только излучение и поглощение, но и распространение света в пространстве происходит конечными порциями – квантами света, обладающими определенной энергией и определенным импульсом (фотоны). Таким образом, было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам.

Введение.

Крахалев М.Н.

Законы отражения и преломления света вытекают из принципа Ферма.

Введение.

Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение. Эти участки спектра различаются не по своей физической природе, а по способу генерации и приема излучения.

Радиоволны (l > 0.1 мм) делятся на: сверхдлинные волны (l > 10 км), длинные (l = 10- 1 км), средние (l = 1 км – 100 м), короткие (l = 100 – 10 м) и ультракороткие (l < 10 м). Из-за больших значений l распространение радиоволн можно рассматривать феноменологически без учета атомистического строения среды. Практически не сказываются квантовые свойства радиоизлучения.

Введение.

Крахалев М.Н.

Радиоволны (l > 0.1 мм) делятся на: сверхдлинные волны (l > 10 км), длинные

(l= 10-1 км), средние (l = 1 км – 100 м), короткие (l = 100 – 10 м) и

ультракороткие (l < 10 м). Из-за больших значений l распространение радиоволн можно рассматривать феноменологически без учета атомистического строения среды. Практически не сказываются квантовые свойства радиоизлучения.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую

оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для ее исследования. Оптический спектр занимает диапазон от условной границы инфракрасного излучения (l = 2 мм) до условной коротковолновой границы ультрафиолета (l = 10 нм). Видимое излучение (l = 400 - 760 нм), ультрафиолет (l = 10 - 400 нм), инфракрасное излучение (l = 760 нм — 2 мм). В оптической области спектра частоты перестают быть малыми по сравнению с собственными частотами атомов и молекул, а длины волн большими по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По той же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Границы областей рентгеновского и гаммаизлучения, в особенности коротковолновые, могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ - 1 МэВ (l = 50 – 10-3 нм), а энергия гамма-квантов больше

0,1 МэВ (l < 10-2 нм).

Фотометрические величины.

Крахалев М.Н.

Основной задачей фотометрии является измерение энергии, приносимой световой волной, а так же измерение величин, которые так или иначе связанны с ней.

Используется два типа величин: энергетические величины, характеризующие энергетические параметры безотносительно к его действию на приемник излучения, т.е. не зависящие от частоты (неселективное действие), и световые, которые характеризуют физиологическое действие света, оцениваемое по воздействию на глаз и другие селективные приемники света (с учетом спектральной чувствительности).

Для описания энергетических характеристик света используются следующие фотометрические понятия и величины: поток излучения, сила света,

освещенность поверхности, энергетическая светимость поверхности, яркость источника света.

Поток излучения, или поток лучистой энергии dF есть количество лучистой энергии dW, протекающий через площадку s в единицу времени:

или это мощность сквозь площадку s. Измеряется в ваттах (Вт).

где I – интенсивность потока излучения.

Интенсивность потока излучения – величина светового потока, протекающего через единицу видимого сечения по направлению угла i внутрь единичного телесного угла.

Фотометрические величины.

Крахалев М.Н.

Для характеристик протяженного источника используют яркость и светимость.

Поверхностная яркость (яркость) в данном направлении называется поток, посылаемый в этом направлении единицей видимой поверхности внутрь единичного телесного угла. Яркость источника света B определяется как отношение силы света J к площади проекции светящегося элемента поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:

Размерность яркости ватт / (стерад·м2)

Источники, для которых величина яркости не зависит от направления называются

подчиняющимися закону Ламберта.

Энергетическая светимость поверхности R – поток излучения с единичной площадки излучающей поверхности по всем направлениям (внутрь телесного угла 2p):

Размерность светимости ватт / м2

Освещенность и светимость характеризуют мощность света, который распространяется вблизи определенной точки пространства во всех направлениях.

Геометрическая оптика.

Крахалев М.Н.

Раздел оптики, основывающийся на представлении о световых лучах, называется геометрической (лучевой) оптикой.

Основные понятия и определения:

В изотропной среде под лучами понимаются линии, нормальные к волновым поверхностям. Вдоль этих линий распространяется энергия. Представления геометрической оптики справедливы лишь в той степени, в какой можно пренебречь явлениями интерференции и дифракции света.

Совокупность лучей образует пучок. Если лучи при своем продолжении пересекаются в одной точке, пучок называется гомоцентрическим. Гомоцентрическому пучку лучей соответствует сферическая волновая поверхность. Частным случаем гомоцентрического пучка является пучок параллельных лучей (плоская световая волна).