Световое излучение и его характеристики

Световое излучение и его характеристики

Свет представляет собой материальный объект, обладающий двойственной природой (корпускулярно-волновым дуализмом). В одних явлениях свет ведёт себя как электромагнитная волна (процесс колебаний электрических и магнитных полей распространяющийся в пространстве), в других – как поток особых частиц - фотонов или квантов света.

В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E, магнитного поля H и скорость распространения волны V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему.

Вектора E и H колеблются в одной фазе.

Для волны выполняется условие:

Уравнение световой волны имеет , где w– циклическая частота, - волновое число, - радиус-вектор, - начальная фаза.

При взаимодействии световой волны с веществом наибольшую роль играет электрическая составляющая волны (магнитная составляющая в немагнитных средах влияет слабее), поэтому вектор E (напряжённость электрического поля волны) называют световым вектором и его амплитуду обозначают А.

Характеристикой переноса энергии световой волны является интенсивность I – это количество энергии переносимое за единицу времени световой волной через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны. Линию, по которой распространяется энергия волны, называется лучом.

Когерентность. Интерференция световых волн. Интерференционная картина от двух источников.

Когерентность – согласованное проникание двух или более колебательных процессов.

Когерентные волны при сложении создают интерференционную картину.

Интерференция – процесс сложения когерентных волн, заключающийся в перераспределении энергии световой волны в пространстве, которое наблюдается в виде тёмных и светлых полос.

Причина отсутствия наблюдения интерференции в жизни – это некогерентность естественных источников света. Излучение таких источников образуется совокупностью излучений отдельных атомов, каждый из которых в течение ~10^-8с испускает «обрывок» гармонической волны, который называется цугом.

Когерентные волны от реальных источников можно получить, разделяя волну одного источника на два и более, затем, давая возможность им пройти разные оптические пути, свести их в одной точке на экране. Пример – опыт Юнга.

Оптическая длина пути световой волны

,

где l — геометрическая длина пути световой волны в среде с показателем преломления п.

Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины, равного наклона, кольца Ньютона.

Просветление оптики

Просветление оптики – состоит в том, что на поверхность стеклянной детали наносится тонкая прозрачная плёнка, которая за счёт интерференции устраняет отражение падающего света, повышая, таким образом, светосилу прибора. Показатель преломления просветляющей пленки n должен быть меньше показателя преломления стеклянной детали n_об. Толщина этой просветляющей пленки находится из условия ослабления света при интерференции по формуле

Закон Брюстера

,

где e_B — угол падения, при котором отразившийся от диэлектрика луч полностью поляризован; n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Тепловое излучение. Энергетическая светимость. Спектральная плотность энергетической светимости. Монохроматический коэффициент поглощения. Абсолютно черное тело. Серое тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Оптическая пирометрия.

Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.

Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:

1. Спектральная плотность энергетической светимости r(l, Т) на некоторой длине волны l - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны l). Эта величина зависит от температуры тела, длины волны, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ r(l, T) имеет размерность [Вт/м³].

2. Энергетическая светимость R(T) - количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы и состояния поверхности излучающего тела.

Энергетическая светимостьR(T) связана со спектральной плотностью энергетической светимости r(l, T) следующим образом:

(1)

Размерность энергетической светимости в системе СИ - [Вт/м²]

3. Коэффициент монохроматического поглощения - отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:

(2)

Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина a(l,T) может принимать значения от 0 (если тело полностью отражает излучение) до 1(если полностью поглощает, т.е. для абсолютно черного тела). Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение (ничего не отражая и не пропуская).

Основные законы излучения абсолютно черного тела:

Закон Стефана-Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры.

,

где R_e — энергетическая светимость абсолютно черного тела, s —постоянная Стефана— Больцмана; Т — термодинамическая температура Кельвина.

Если тело не является абсолютно черным, то закон Стефана—Больцмана применяют в виде

,

где a— коэффициент (степень) черноты тела (a<1).

Закон смещения Вина: Длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела (l_max), обратно пропорциональна его температуре.

,

где l_m — длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения; b — постоянная Вина.

Для нечерных тел справедлив закон Кирхгофа:

для всех тел системы, находящихся в термодинамическом равновесии, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения не зависит от природы тела, является одинаковой для всех тел функцией, зависящей от длины волны l и температуры Т.

(5)

Так как для абсолютно черного тела a(l, T)=1, то из формулы (5) следует, что универсальная функция f(l, T) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела. Выражение для нее предложил Планк

Эффект Комптона.

Эффект Комптона состоит в увеличении длины волны света, рассеянного свободными или слабосвязанными электронами вещества, причём изменение λ зависит от угла рассеивания. Эффект Комптона наблюдается для коротких длин волн (например рентгеновского излучения).

Формула Комптона

,

где l₁ — длина волны фотона, встретившегося со свободным или слабосвязанным электроном; l₂ — длина волны фотона, рассеянного на угол q после столкновения с электроном; т_о — масса покоящегося электрона.

Комптоновская длина волны

.

Давление света.

Выражение для давления, производимого светом на освещаемую поверхность, можно получить на основе представления света потоком фотонов. Фотон обладает импульсом. При падении его на поверхность тела он может передать импульс этому телу, т.е. оказать давление на эту поверхность. Давление света при нормальном падении на поверхность

,

где Е_е — энергетическая освещенность, w — объемная плотность энергии излучения; R — коэффициент отражения, i – угол падения света.

Световое излучение и его характеристики

Свет представляет собой материальный объект, обладающий двойственной природой (корпускулярно-волновым дуализмом). В одних явлениях свет ведёт себя как электромагнитная волна (процесс колебаний электрических и магнитных полей распространяющийся в пространстве), в других – как поток особых частиц - фотонов или квантов света.

В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E, магнитного поля H и скорость распространения волны V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему.

Вектора E и H колеблются в одной фазе.

Для волны выполняется условие:

Уравнение световой волны имеет , где w– циклическая частота, - волновое число, - радиус-вектор, - начальная фаза.

При взаимодействии световой волны с веществом наибольшую роль играет электрическая составляющая волны (магнитная составляющая в немагнитных средах влияет слабее), поэтому вектор E (напряжённость электрического поля волны) называют световым вектором и его амплитуду обозначают А.

Характеристикой переноса энергии световой волны является интенсивность I – это количество энергии переносимое за единицу времени световой волной через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны. Линию, по которой распространяется энергия волны, называется лучом.