Основные фотометрические характеристики, световые величины в фотометрии

Фотометрия – раздел оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. При этом значительное внимание уделяется вопросам измерения интенсивности света и его источников. Энергетические величины в фотометрии – характеризуют энергетические параметры оптического излучения без учета особенностей его воздействия на тот или иной приемник излучения.

Поток излучения Φ_e–величина, равная отношению энергии Wизлучения ко времени t, за которое излучение произошло (мощность излучения). Единица потока излучения –ватт (Вт).Энергетическая светимость (излучательность) R_e–величина, равная отношению потока излучения Φ_e, испускаемого поверхностью, к площади Sсечения, сквозь которое этот поток проходит (поверхностная плотность потока излучения). Единица энергетической светимости –(Вт/м²).Энергетическая сила света (сила излучения) I_e–величина, равная отношению потока излучения Φ точечного источника к телесному углу ω, в пределах которого это излучение распространяется. Единица энергетической силы света –(Вт/ср). Энергетическая освещенность (облученность) E_e–характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица энергетической освещенности –(Вт/м²).Энергетическая яркость (лучистость) B_e–величина, равная отношению энергетической силы света Ы_eэлемента излучающей поверхности к площади ASпроекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Единица энергетической яркости – (Вт/(ср·м²)).Различные приемники, используемые при оптических измерениях, обладают селективностью (избирательностью).Для каждого из них характерна своя кривая чувствительности к энергии различных длин волн. Световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических, и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является единица силы светаI–(кд).Единица светового потокаΦ (мощности оптического излучения) –(лм):1лм - световой поток, испускаемый точечным источником силой света в 1кд внутри телесного угла в 1ср (1лм=1кд·ср).СветимостьR–суммарный поток, посылаемый светящейся площадкой с площадью S. Единица светимости - (лм/м²). Яркостьсветящейся поверхности в некотором направлении φесть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади Sпроекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Единица яркости – (кд/м²). ОсвещенностьE -величина, равная отношению светового потока Φ,падающего на поверхность, к площади Sэтой поверхности. Единица освещенности – (лк).

Поглощение света

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения. Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества. Это очень чувствительный метод.

Вопросы для самоконтроля:

1) Какое явление называют дифракцией света и при каких условиях оно наблюдается?

2) В чем заключается принцип Гюйгенса – Френеля? Как объяснить прямолинейность распространения света с точки зрения волновой теории?

3) Какое явление называют интерференцией света?

4) На каком принципе основана работа микроскопа?

5) Что называется оптической силой линзы?

6) Что такое светимость и чем она отличается от яркости?

Список литературы

Основная

1. Пронин, В.П. Краткий курс физики / В. П. Пронин. – Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с.

Дополнительная

1. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р. И. Грабовский. – СПБ. : Издательство «Лань», 2002. – 608 с

Лекция 16

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Интерференция света

Волновая теория света основывается на принципе Гюйгенса:каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Законы отражения и преломления света легко выводятся, используя принцип Гюйгенса.

Пусть на границу раздела двух сред падает плоская волна (плоскость волны — AB), распространяющаяся вдоль направления I. Пока фронт проходит расстояние BC(за время t), фронт вторичных волн из точки Aпроходит расстояние AD.

При отражении: ∆ABC = ∆ADC, следовательно i₁′ = i₁.

При преломлении: за время t фронт падающей волны проходит расстояние BC=υ ₁t, а фронт преломленной - AD=υ₂t. Из соотношения : ,следует

Сложение электромагнитных волн одной частоты колебаний, идущих от различных источников света, называется интерференцией света. Для электромагнитных волн при их наложении применим принцип суперпозиции, фактически впервые сформулированный итальянским учёным эпохи Возрождения Леонардо да Винчи: Независимые волны, которые в процессе своего распространения одновременно проходят через одну и ту же точку среды, складываются, но друг друга не искажают. Перекрещивающиеся волны, разойдясь, не несут на себе никаких следов наложения. Принцип суперпозиции точно справедлив лишь для волн бесконечно малой амплитуды. Монохроматическая световая волна описывается уравнением гармонических колебаний: , где y – величины напряжённостей и , векторы которых колеблются во взаимоперпендикулярных плоскостях.

Если имеются две волны одинаковой частоты:

и ;

приходящие в одну точку, то результирующее поле равно их сумме (в общем случае – геометрической): ,

где

Если ω₁ = ω₂ и (φ₀₁ – φ₀₂) = const, волны называются когерентными. Источники света одинаковой частоты колебаний, у которых разность фаз не зависит от времени и которые, таким образом, дают устойчивую во времени интерференцию света.

Величина А в зависимости от разности фаз лежит в пределах:

|А₁ – А₂| ≤ А ≤ (А₁ + А₂)

(0 ≤ А ≤ 2А, если А₁ =А₂)

Если А₁ = А₂, (φ₀₁ – φ₀₂) = π или (2k + 1)π, cos(φ₀₁ – φ₀₂) = –1, то А = 0, т.е. интерферирующие волны полностью гасят друг друга (min освещённости, если учесть, что Е²~J, где J – интенсивность).

Если А₁ = А₂, (φ₀₁ – φ₀₂) = 0 или 2kπ, то А² = 4А², т.е. интерферирующие волны усиливают друг друга (имеет место max освещённости).

Если (φ₀₁ – φ₀₂) – изменяется хаотически со временем, с очень большой частотой, то А₁ = 2А₁, т.е. равна просто алгебраической сумме обоих амплитуд волн, излучаемых каждым источником. В этом случае положения max и minбыстро меняют своё положение в пространстве, и мы будем видеть некоторую среднюю освещённость с интенсивностью 2А₁. Эти источники – некогерентные. Любые два независимых источника света – некогерентны. Когерентные волны можно получить от одного источника, путём разбиения пучка света на несколько пучков, имеющих постоянную разность фаз.