Свет. Основные светотехнические величины и единицы

• наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
• электромагнитные волны – это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику, в том числе и через вакуум.

 

3.2. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, имеют  длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет (см. Главу 4), характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к глубокому качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение  принято делить по частотным диапазонам (см. табл. 3.1). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

 

Основные характеристики видов электромагнитного излучения

Таблица 3.1

Название диапазона		Длины волн, λ	Частоты,   ν	Источники
Радио-волны	Сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных  потоках (колебательные контуры).
	Длинные	10 км – 1 км	30 кГц – 300 кГц
	Средние	1 км – 100 м	300 кГц – 3 МГц
	Короткие	100 м – 10 м	3 МГц – 30 МГц
	Ультракороткие	10 м – 1 мм	30 МГц – 300 ГГц
Инфракрасное излучение		1 мм – 780 нм	300 ГГц – 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при  тепловых и электричес-ких воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение		780–380 нм	429 ТГц – 750 ТГц
Ультрафиолетовое излучение		380 – 10 нм	7,5×1014 Гц – 3×1016 Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновское излучение		10 нм – 5 пм	3×1016 – 6×1019 Гц	Атомные процессы при воздействии  ускоренных заряженных частиц.
Гамма-излучение		менее 5 пм	более 6×1019 Гц	Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

 

 

Глава 4. ВИДИМОЕ (ОПТИЧЕСКОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, как  видно из предыдущей главы, имеют  длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн. В дальнейшем мы будем говорить о свойствах только видимого излучения, чтобы не выступать за рамки темы курсовой работы.

 

 

4.1. Свет и цвет. Дисперсия света

Данные таблицы 3.1 позволяют сделать вывод о том, что человеческий глаз способен различать электромагнитные волны, чья длина находится в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Конечно, эти границы довольно неопределённы, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколько более короткие (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 нм). Свойства этих волн, как уже сказано, различаются в зависимости от их длин.

Для разделения волн различной  длины обычно применяют какой-либо способ разложения (см. раздел 5.1) света сложного излучения в спектр (см. далее в разделе 4.1.3). В случае видимого света для этого можно воспользоваться призмой или дифракционной решёткой.

 

 

Рис. 4.1. Диапазоны электромагнитного излучения. Видимое излучение.

 

 

4.1.1. Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона

Вопрос о причине  различной окраски тел занимал человека давно. Много было наблюдений в распоряжении исследователей, и житейских, и научных, но вплоть до работ Ньютон (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила неопределённость. Считали, что цвет есть свойство самого тела, хотя люди видели, что цвет сильно меняется в зависимости от времени дня и условий освещения. Было мнение, что цвета получаются как «смесь» света и темноты, т.е. смешивались два существенно различающихся понятия – цвет и освещённость (см. раздел 5.2). С незапамятных времён наблюдались превосходные (радужные) цвета радуг и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596-1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему остались неясны. Точно так же была всем хорошо известна игра цветов в гранёных алмазах и стеклянных призмах.

 

 

4.1.2. Открытие Ньютоном дисперсии света

Ньютон обратился к  исследованию цветов, наблюдаемых при  преломлении света, в связи с  попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего  качества, Ньютон убедился, что главным  недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, он сделал свои величайшие оптические открытия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.2. Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму

(опыт Ньютона). Зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны.

 

В своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 г., он опубликовал результаты своих опытов (1671-1672) разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не привносится призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света – преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом (см. рис. 4.3.).

 

 

Рис. 4.3. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света

 

Сущностью явления дисперсии  является неодинаковая скорость распространения  лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе – оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

• у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;
• у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Однако в некоторых  веществах (например, в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила  впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр – равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

 

 

Рис.4.4. Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое

в спектроскопе), снизу – как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения Солнца.

 

 

4.2. Дифракция света

Дифракция света (Д.с.), явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие Д.с. при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос. Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие Д.с. в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф.Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О.Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света.

Д.с. играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, например на пылинках, капельках тумана и т.п. На Д.с. основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров). Д.с. определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.).

Дифракционная решётка (Д.р.) – это оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесённых на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, Д.р. представляет собой периодическую структуру: штрихи с определённым и постоянным для данной решётки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток d, называется периодом Д.р. В Д.р. происходит дифракция света. Основное свойство Д.р. – способность разлагать падающий на неё пучок света по длинам волн, т. е. в спектр, что используется в спектральных приборах. Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то Д.р. называются плоскими, если на вогнутую (обычно сферическую) поверхность – вогнутыми. Различают отражательные и прозрачные Д.р. У отражательных штрихи наносятся на зеркальную (обычно металлическую) поверхность и наблюдение ведётся в отражённом свете. У прозрачных штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки (или вырезаются в виде узких щелей в непрозрачном экране) и наблюдение ведётся в проходящем свете. В современных спектральных приборах применяются главным образом отражательные Д.р.

 

 

Рис.4.5. Дифракция лазерного луча с длиной волны 650 нм, прошедшего через отверстие

диаметром 0,2 мм

 

 

Рис.4.6. Тень винта, окруженная дифракционными полосами

 

 

4.3. Интерференция света

Интерференция света – нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691) и Робертом Гуком (1635-1703). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Интерференция света – это явление перераспределения энергии в пространстве.

 

Рис. 4.7. Интерференция света – опыт Юнга

 

 

Глава 5. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

5.1. Основные  законы геометрической оптики

Прямолинейное распространение  света. В однородной среде свет распространяется вдоль прямых линий. Ряд опытов, иллюстрирующих это положение, общеизвестен. При освещении предмета точечным источником получается резкая тень, форма которой подобна форме некоторого сечения предмета, параллельного плоскости экрана; размеры же тени определяются взаимным расположением источника, предмета и экрана в полном соответствии с проецировании при помощи прямых линий. Так же, если мы поставим на пути света непрозрачный картон с отверстиями, которые, конечно, во много раз превосходят длину световой волны, мы увидим путь света в комнате в виде узких каналов, опирающихся на края отверстий. При любом положении картона эти каналы имеют одно и то же направление, указывая на Солнце. Если же в тёмной комнате поставить внутри тёмного ящика с несколькими отверстиями яркую лампочку, то путь выходящего света обрисуется в запылённом воздухе в виде расходящихся в разные стороны пучков, при этом пучки эти сходятся в том месте, где находится нить лампы. Геометрические линии, указывающие направление распространения света, называются световыми лучами. Эти лучи в рассмотренных примерах будут почти параллельны линиям, направленным на Солнце, или радиусам, перпендикулярным поверхности сферы, описанной из места расположения нити лампочки. Вдоль этих лучей и распространяется световая волна. Польза, которую мы извлекаем из геометрического понятия световых лучей, состоит в том, что с его помощью мы можем устанавливать направление распространения лучей. Законы, определяющие изменение направления лучей, позволяют решать очень важные в оптике задачи об изменении направления распространения световой энергии.