Светимость и яркость

Министерство образования и науки ДНР

ГОУ ВПО «Донецкий национальный университет»

Физическо-технический факультет

Кафедра общей физики и дидактики физики

 

 

Б. И. Бешевли

 

Лекции по курсу

«Общая физика»

(Оптика)

 

Донецк 2020

Содержание

1 РАЗВИТИЕ ОПТИКИ

2.Основы фотометрии.

2.1 Световой поток.

2.2 Сила света.

2.3 Освещённость.

2.4 Светимость и яркость.

3. Свойства света

3.1 Определение скорости света.

3.1.1 Астрономический метод

3.1.2. Лабораторные методы.

4. Геометрическая оптика

4.1 Световая волна, ее основные свойства и характеристики

4.2 Основные законы геометрической оптики.

4.3 Ход лучей в призме.

4.4 Линзы

4.4.1 Ход лучей в линзе.

4.4.2 Формула тонкой линзы

4.4.3 Построение изображений в линзах основано на трех правилах:

4.4.5 Недостатки линз.

4. 5 Зеркала.

4.5.1. Плоское зеркало.

4.5.2. Сферическое зеркало.

5. Волновая оптика

5.1. Уравнение Максвелла

5.1.1. Теорема Гаусса для электрического поля

5.1.2. Теорема Гаусса для магнитного поля

5.1.3.Циркуляция вектора электрического поля

5.1.4. Циркуляция вектора магнитного поля

5.2 Уравнения Максвелла.

5.3 Распространение электромагнитных волн.

5.4 Вектор Умова Пойнтинга

5.5. Сложение колебаний

5.5.1 Сложение взаимно перпенди­кулярных колебаний

5.5.2 Сложение колебаний одного направления. Групповая скорость

5.6 Отражение и преломление электромагнитных волн на границе двух

диэлектрических сред. Формулы Френеля

5.7 Световая волна.

5.7.1. Отражение и преломление света.

5.8. Интерференция света

5.8.1 Двухлучевая интерференция.

5.8.2 Интерференция плоских волн

5.8.3. Интерференция в тонких пленках.

1.Плоскопараллельная пластинка.

2. Пластинка переменной толщины.

3. Кольца Ньютона.

5.8.4 Многолучевая интерференция

5.8.5 Методы наблюдения интерференции

12.2. Методы наблюдения интерференции света.

5.9 Дифракция света.

5.9.1. Принцип Гюйгенса-Френеля.

5.9.2. Зоны Френеля.

5.9.3 Графическое вычисление амплитуды результирующего колебания (метод векторных диаграмм)

5.9.4 Дифракция Френеля на простейших преградах.

а) Дифракция на круглом диске

b) Дифракция на отверстии.

5.9.5Дифракция плоских волн на полуплоскости (дифракция Фраунгофера)

5.9.6 Дифракция на краю прямолинейного полубесконечного экрана.

5.9.7. Дифракция плоских волн на щели (дифракция Фраунгофера)

5.9.8. Дифракционные решетки.

5.9.8.1 Спектральные характеристики решетки.

5.10 Дисперсия света.

5.10.1 Электронная теория дисперсии света

5.11. Поглощение и рассеивание света

Рассеяние света

5.12 Поляризация света

5.12.1. Виды поляризации, степень поляризации

5.12.2 Двойное лучепреломление при прохождении света через анизотропную среду.

5.13.Оптическая активность веществ.

5.14. Фотоэффект.

6. Тепловое излучение

6.1. Закон излучения абсолютно черного тела Кирхгофа

6.2.Закон смещения Вина

6.3 Закон Стефана-Больцмана

6.4 Классическая и квантовая теория излучений. Формула Планка

7. Корпускулярно волновой дуализм света и микрочастиц. Гипотеза де-Бройля. Принцип неопределенности Гейзенберга.

8. Атомная физика

8.1 Состав атомного.

8.1.1 Теория атома Бора.

8.2 Опыт Франка и Герца.

8.3 Спин.

8.4 Недостатки теории Бора.

8.5 Волновые свойства микрочастиц

8.6 Соотношение неопределенности Гейзенберга

8.7 Основы квантовой механики.

9. Спектральный анализ

9.1 Спектры испускания и спектры поглощения.

9.2. Виды спектров.

9.3 Энергия молекул. Виды молекулярных спектров.

9.3.1. Энергия колебаний.

9.3.2. Энергия вращения молекулы.

РАЗВИТИЕ ОПТИКИ

Оптика (от греч. optike – наука о зрительных восприятиях) – раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой – микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне.

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика, не рассматривая вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптических изображений объекта как совокупности изображений отдельных его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование миражей, радуг и т. д.). Наибольшее значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, явилось результатом огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света, распространения света в анизотропных средах. Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической оптики – волновой оптике. Ее математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики – уравнения Максвелла. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами – значениями диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости, входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения однозначно определяют показатель преломления среды:  .

Волновая оптика позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы ее применимости. В отличие от геометрической, волновая оптика дает возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах, формирующих (или рассеивающих) световые пучки систем, значительно больших длины волны излучения, но и при любом соотношении между ними.

В классической волновой оптике параметры среды считаются независящими ни от интенсивности света, ни от времени. Однако во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо: показатель преломления зависит от напряженности поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества). Это приводит к совершенно новым явлениям и закономерностям, таким как изменение угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, сжатие и расширение световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), изменение спектрального состава света, проходящего через нелинейную среду, взаимодействие световых пучков в результате модуляции светом величин и появление в излучении комбинационных частот. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей большое практическое значение в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями(квантами), пропорциональными частоте излучения. Поэтому световому электромагнитному полю сопоставляется поток квантов света –фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона  , а в более сложном – сумме или разности энергий нескольких фотонов. Эффекты, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой оптикой методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света – наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам, – является частным случаем корпускулярно-волнового дуализма. Эта концепция была впервые сформулирована именно для оптического излучения; она утвердилась как универсальная для всех частиц микромира после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (дифракция частиц) и лишь затем была экспериментально подтверждена для радиоизлучения (квантовая электроника). В физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров обладает большой временной и пространственной когерентностью, высокой монохроматичностью (  достигает ~10–14), предельно малой, почти дифракционной расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников напряженности электрического поля, превышающие внутриатомные. Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической оптики. Оказалось возможным практически реализовать идеи голографии, большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как самостоятельный раздел нелинейная оптика, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная оптика), в т. ч. методы и средства автоматического управления оптическими системами, позволяющие компенсировать искажения световых пучков, проходящих через неоднородные среды (адаптивная оптика). В этом плане большой интерес представляет обнаруженное и технически реализованное в различных вариантах явление обращения волнового фронта. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на вещество, и начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Практические применения. Все разделы оптики имели и имеют многочисленное практическое применение. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геометрической оптики и фотометрии с учетом законов физиологической оптики, при этом используются достижения физической оптики (например, для создания люминесцентных источников света) и оптической технологии (изготовление зеркал, светофильтров, экранов и т. д.). Оптика решает задачи получения в различных спектральных областях изображений, соответствующих оригиналам, как по геометрической форме, так и по распределению яркости. Например, геометрическая оптика с привлечением физической оптики дает ответна вопрос, как следует построить оптическую систему, чтобы каждая точка объекта изображалась также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем рассматривает голография, в основу которой положена идея об однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации распределения амплитуд и фаз поля в голографии используется монохроматическое излучение. Поэтому бурное развитие голографии связано с открывшимися в результате разработки лазеров возможностями получать интенсивные когерентные оптические поля, а также с ее широкими практическими применениями (изучение плазмы, исследование деформации тел, рас познавание образов, обработка информации и т. д.).

Оптические явления и методы, разработанные в оптике, широко применяются для аналитических целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи спектров испускания, поглощения и рассеяния со структурой атомов и молекул и внутри! и межмолекулярными взаимодействиями. По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить атомный и молекулярный состав, агрегатное состояние и внутреннюю структуру вещества, проследить за кинетикой и деталями протекающих в нем физических и химических процессов. Современное развитие спектроскопии тесно связано с использованием лазеров, которые не только расширили возможности ее классических разделов, но и привели к развитию нового направления – линейной и нелинейной лазерной спектроскопии. Достижения в области генерирования сверхкоротких (пико и фемтосекундных) световых импульсов определили прогресс спектроскопии пикосекундных импульсов, позволяющей исследовать кинетику быстропротекающих внутри! и межмолекулярных процессов, в частности в биологических объектах. Большое практическое значение имеют дистанционное зондирование атмосферы с помощью лазерных устройств (лидары) и определение присутствия в ней малых примесей различных веществ.

Уникальной чувствительностью обладают измерительные устройства, использующие интерференцию света. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий, определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютного и относительного измерений длин, измерений угловых размеров звезд и других космических объектов. В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, расширившие возможности интерференционных методов за счет большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации)света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри! и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Широко применяются поляризационно-оптический метод исследования напряжений, возникающих в твердых телах (например, при механических нагрузках), по изменению поляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования свойств поверхности тел по изменению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности – как контрольные при производстве оптически активных веществ (сахариметрия), в оптическом приборостроении – для повышения точности отсчетов приборов (например, фотометров).

Широкое распространение получили дифракционные решетки как диспергирующие элементы в спектральных приборах (монохроматорах, спектрографах, спектрофотометрах и др.) и как элементы резонаторов в лазерах с перестройкой частоты излучения. Они используются также в качестве ответвителей монохроматического (лазерного) излучения, велика их роль в интегральных оптических устройствах. Дифракция на ультразвуке в прозрачных средах позволяет определить упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света, применяемые в светодальномерах, оптических локаторах и системах оптической связи.

Оптические методы, основанные на анализе рассеяния света, послужили одной из существенных основ становления молекулярной физики и ее приложений. Так, нефелометрия дает возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярную массу макромолекул полимеров, а также частиц в коллоидных системах, взвесях и золях. Ценные сведения о структуре уровней энергии молекул, их взаимодействии и строении вещества дает изучение комбинационного рассеяния света и рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Использование лазеров резко увеличило информативность спектроскопии рассеяния, привело к открытию вынужденных рассеяний и к развитию нового направления, основанного на воздействии лазерного излучения на распределение рассеивающих частиц (молекул) по энергетическим состояниям (активная лазерная спектроскопия).

Чрезвычайно широка сфера практических применений фотоэлектронных приборов, основанных на квантовых оптических явлениях, –фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, фотодиодов, фотосопротивлений, электронно-оптических преобразователей, передающих телевизионных трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрическую энергию (солнечные батареи). Фотохимическое действие света лежит в основе фотографии

и изучается в специальной области, пограничной между химией и оптикой, – фотохимии. Изменение оптических свойств веществ под действием света (фотохромизм) используется при разработках новых систем записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и создания защитных светофильтров, автоматически увеличивающих поглощение света при возрастании его интенсивности.

Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило оптике найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине. В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов. Благодаря возможности с помощью лазеров за короткое время концентрировать на площадках с линейными размерами ~10 мкм большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плотной плазмы с целью осуществления лазерного термоядерного синтеза.

Успехи оптики стимулировали развитие оптоэлектроники. В ее задачу входит разработка оптических устройств для замены элементов и отдельных блоков в вычислительных машинах, а также разработка новых подходов к решению задач вычислительной техники и обработки информации на основе принципов голографии и когерентной оптики. Технической основой оптоэлектроники является интегральная оптика, предлагающая для решения ее задач широкое использование волноводных систем и многофункциональных миниатюрных модулей с линейным и нелинейным преобразованием оптического излучения. С появлением лазеров дальнейшее развитие получили оптическая дальнометрия, оптическая локация и оптическая связь. Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведется слежение за ИСЗ; по линиям лазерной оптической связи ведутся телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой практические разработки систем кабельной оптической связи, имеющей ряд преимуществ по сравнению с электрической проводной связью.

Физиологическая оптика изучает строение и функционирование всего аппарата зрения – от глаза до коры мозга; разрабатывается теория зрения, восприятия света и цвета. Результаты физиологической оптики используются в медицине, физиологии, технике при разработке разнообразных устройств – от осветительных приборов и очков до цветного кино и телевидения.

Исторический очерк.

Древние греки (Аристотель, Платон, Евклид) нашли законы прямолинейного распространения и отражения света. В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами; около 1590 г. З. Янсен (Z. Janssen) построил первый двухлинзовый микроскоп; в 1609 г. Г. Галилей (G. Gali!lei) изобрел телескоп. Точные законы преломления света были экспе!риментально установлены около 1620 г. В. Снеллиусом (W. Snellius) и в1637 г. Р. Декартом (R. Descartes). Последующей формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света [Ф. Гримальди (F.M. Grimaldi), опубликовано в1665 г.], двойного лучепреломления [Э. Бартолин (Е. Bartolin), 1669 г.] ис работами И. Ньютона (I. Newton), P. Гука (R. Hooke) и X. Гюйгенса(Ch. Huygens). Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир. Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок, дифракция света и его дисперсия. Именно Ньютон осознал поляризацию как «изначальное» свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу. X. Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. Первое ее экспериментальное определение произвел в 1676 г. О. Ремер (О. Ch. Rоmer). Наибольшим вкладом Гюйгенса в оптику является принцип Гюйгенса–Френеля, а также объяснение двойного лучепреломления. Однако Гюйгенс не разработал последовательно волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона.

Победа волновой оптики связана с работами Т. Юнга (Th.Young) иО. Френеля (A. J. Fresnel). В 1801 г. Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких пленок. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Араго (D.F. Arago) было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют. Это дало основания высказать идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил теорию кристаллооптических явлений. Таким образом, все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Детальная разработка представлений о свете как упругих поперечных колебаниях эфира приводила к необходимости искусственных теоретических построений(так, эфир наделялся свойствами твердого состояния и в то же время допускалось, что в нем могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены при последовательном развитии учения Дж.К. Максвелла (J.С. Maxwell) об электромагнитном поле. Основываясь на открытии М. Фарадея (М. Faraday), Максвелл пришел к выводу, что свет есть электромагнитные, а не упругие волны.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было открытие Фарадеем (1848 г.) вращения плоскости поляризации света в магнитом поле (эффект Фарадея). Далее было установлено, что отношение электромагнитных и электростатических единицс илы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с [В. Вебер (W. Weber) и Ф. Кольрауш (F. Kohlrausch), 1856 г.].Максвелл теоретически показал, а Г. Герц (Н.R. Hertz) в 1888 г. подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью.

Открытие в 1862 г. Ф. Леру (F.P. Leroux) аномальной дисперсии, которая связана с поглощением света, привело к представлению о веществе как совокупности осцилляторов, с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872 г.). В 90!х гг. XIX в. П. Друде (P. Drude),Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz) и X. Лоренц (Н.A. Lorentz) при разработке электронной теории строения вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Представление об электронах как об осцилляторах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсию. Подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 г.П. Зееманом (P. Zeeman) и истолкование в 1897 г. Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (эффектЗеемана). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, измеренная П.Н. Лебедевым в 1899 г. Электромагнитная теория света стала отправным пунктом и при создании теории относительности. Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла–Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например, при истолковании И.Е. Таммом иИ.М. Франком (1937 г.) эффекта излучения Черенкова–Вавилова, в выдвижении Д. Габором (D. Gabor, 1947 г.) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трехмерной голографии, начало которому положили работы Ю.Н. Денисюка (1962 г.) и т. д.

Электродинамическая теория, однако, оказалась недостаточной для описания процессов поглощения и испускания света. М. Планк(М. Planck), анализируя спектры излучения абсолютно черного тела, пришел к заключению (1900 г.), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает волновую энергию электромагнитному полю или получает ее от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, – квантами. Работы М. Планка и А. Эйнштейна(A. Einstein, 1905), который приписал квантам кроме энергии также импульс и массу, вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Интенсивность электромагнитного поля в квантовой оптике определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Таким образом, при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие при актах испускания света и существующие только при движении со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы фотоэффекта, впервые исследованные А.Г. Столетовым в 1888–1890 гг. Они дают наглядное истолкование существованию коротковолновой границы в тормозном излучении электронов, эффекту Комптона, открытому в1923 г., стоксову сдвигу частоты излучения фотолюминесценции, комбинационному рассеянию света [открытому в 1928 г. Л.И. Мандельшта!мом и Г.С. Ландсбергом и независимо Ч.В. Раманом (Ch.V. Raman)] идругим явлениям взаимодействия света с веществом.

В современной оптике квантовые представления не противопоставляются волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния оптики на развитие квантовой теории может служить открытие собственного механического момента – спина – и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона и других частиц, повлекшее за собой установление принципа Паули (1926 г.) и истолкование сверхтонкой структуры спектров (В. Паули 1928 г.).Наибольшее важное событие современной оптики – экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется активная среда с инверсией населенности, этот процесс может многократно повторяться – происходит усиление начального светового потока. Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн – мазеры) были созданы А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и Ч. Таунсом (Ch. Н. Townes) в 1954 г.В  настоящее время (90!е гг.) используются различные методы получения инверсной населенности, строятся лазеры на твердых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало дальнейшее развитие традиционных областей оптики и привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая оптика, оптическая обработка материалов), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография, управляемый термоядерный синтез, оптический компьютер).

Основы фотометрии.

Действие света на глаз и другие приемники света, в основном, колебаниями электрического вектора света Е (светового вектора).

График спектральной чувствительности человеческого глаза (кривая видности), где V _λ- коэффициент видности.

Для среднего глаза диапазон видимости ~400-700 нм, хотя у некоторых людей эти границы могут достигать до ~300 или ~900нм. Максимум чувствительности человеческого глаза совпадает с максимумом излучения Солнца и максимумом пропускания света нашей атмосферой (~555нм, т.е. с излучением зеленного цвета). Чувствительность глаза для более длинных и более коротких волн резко снижается, достигая нуля для инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поэтому несколько источников монохроматического света, обладающих одинаковой мощностью, но испускающих свет различного света представляются глазу не одинаково ярким. Наиболее ярким кажется источник зеленного цвета. Для того чтобы, например, красный свет (λ=760нм) казался столь же ярким, как зеленый, необходимо, чтобы его мощность в 20000 раз превышал мощность зеленого цвета (!). Средний человеческий глаз начинает различать разницу в цветах при V_λ ≥ 2нм.

Размер изображения в глазу зависит в конечном счете от угла зрения между лучами, идущими в глаз от крайних точек предмета. Наименьший угол зрения, под которым еще можно различать форму предмета, составляет примерно 1 минута, что соответствует рассмотрению отрезка длиной около 0,07мм, находящегося на расстоянии ясного зрения (25 см). При меньших значениях угла зрения все изображение помещается на одном светочувствительном элементе сетчатки и предмет воспринимается как точка.

Из-за этого невооруженным глазом нельзя рассматривать как близкие, но слишком мелкие предметы, так и крупные, но слишком далекие предметы. В этих случаях пользуются оптическими приборами, увеличивающими угол зрения (микроскопом − в случае мелких близких объектов и телескопом – в случае крупных далеких объектов).

Исторический определили 7 цветов, (7 цветов радуги), очередность которых определяется поговоркой: Каждый Охотник Желает Знать Где Седит Фазан. Красный - Оранжевый - Желтый - Зеленый - Голубой - Синий – Фиолетовый

В действительности основных цветов всего 3, смешивая которых можно получить все остальные. Существует три основных способа смешивания цветов: оптическое, пространственное и механическое.

Оптическое (аддитивное) смешение цветов основано на волновой природе света. Его можно получить при очень быстром вращении круга, сектора которого окрашены в необходимые цвета. Основные цвета в оптическом смешении - красный, зеленый и синий.

при механическом смешении происходит при смешивании красок на бумаге, холсте или палитре.

Чёрный

Основные цвета - красный, синий и желтый. Очень часто механическое смешение красок может дать результаты, похожие на результаты оптического смешения, но обычно они различны. Например, в то время как при оптическом смешении всех красок получается белый цвет, при смешении механическом мы получим серый, бурый, черный или коричневый цвета.

Пространственное смешение цветов получается, если посмотреть на некотором расстоянии на небольшие, касающиеся друг друга цветовые пятна, Эти пятна сольются в одно сплошное пятно, которое будет иметь цвет, полученный от смешения цветов мелких участков.

Каждому цвету соответствует определенная длина волны или частота электромагнитных волн.

Монохроматический свет или монохроматический луч (волна) это свет определенной и строго постоянной частоты или длины волны.

Светочувствительность глаза – 2.10-10эрг/с это составляет несколько десятков фотонов за 1с. Верхний безболезненный предел 100 эрг/с, т.е. разница составляет ~10¹² раз.

2.1 Световой поток.

Из всего диапазона электромагнитных волн глаз воспринимает лишь узкую часть - видимый свет. Диапазон видимого света 400нм-760нм. При этом чувствительность глаза к свету с разной длиной волны неодинаковая. Глаз наиболее чувствителен к λ=555нм (1нм=10^-9 м.) жёлто-зеленый цвет спектра.

Распределение потока энергии по длинам волн можно характеризовать с помощью функции распределения

где dФ_э(λ)- поток энергии в интервале dλ=λ₂-λ₁.

Полный поток излучения

 

 

Чувствительность среднего нормального глаза к излучению разных длин волн характеризуется кривой относительной спектральной чувствительности V(λ).

При уменьшении освещенности кривая относительной спектральной чувствительности глаза сдвигается в голубую область, и в сумерках максимум спектральной чувствительности глаза приходится на λ=515нм. Это явление называется эффектом Пуркинье.

Значение функции V(λ) обратно пропорционально значением потоков энергии, которые вызывают одинаковое по интенсивности зрительное ощущение

За пределами интервала 400-760нм. V(λ)=0. В этой связи количественная характеристика световых лучей оценивается не по энергии, которую они переносят, а по зрительным ощущениям.

Оцениваемый по зрительным ощущениям поток энергии световой волны называется световым потоком Ф.

Для интервала dλ световой поток энергии как dФ=V(λ) dФ_э(λ)d(λ), а полный световой поток:

 

 

Так как V(λ) величина безразмерная тогда размерность Ф-поток энергии.

 

максимум в спектральной кривой интенсивности излучения Солнца приходится на λ=555нм, но у многих животных такого совпадения не наблюдается. Птицы - лучше всего воспринимают красный свет, насекомые (большинство) - коротковолновая часть спектра, включая ультрафиолет.

Единица светового потока - Люмен. Для λ=555нм световой поток равен 683 лм при мощности излучения 1Вт.

1лм=0,0016 Вт.

Световому потока в 1лм соответствует поток энергии

Сила света.

r

dl

dφ

r

dS

dΩ

Рассмотрим понятие телесного угла - меры расширения некоторой конической поверхности.

Плоский угол радиан

Телесный угол Ω - как отношение площади поверхности шарового сегмента S к квадрату радиуса сферы.

стерадиан

Источник света, размерами которого можно пренебречь в сравнении с расстоянием от места наблюдения до источника, называется точечным

В однородной и изотропной среде волна, которая излучается точечным источником, является сферической.

Сила света числено равна световому потоку в единичном телесном угле.

Если I не зависит от направления, тогда источник называют изотропным

так как

Если источник протяжённый, тогда под dФ подразумевают поток, который излучается площадкой dS в границах телесного угла dΩ.

Основная единица силы света в СI - Кандела (Кд)

 

Освещённость.

Степень освещённости некоторой поверхности падающим на нее светом характеризуется освещённостью.

Освещённость - физическая величина, которая численно равна световому потоку, падающему на единицу поверхности.

 [люкс]

dΩ

n

dS

r

dS′

α

1лк=1лм/1м

Для точечного источника

тогда

Если поверхность освещается параллельным пучком света, то

E=E₀cos

Где E₀ - освещенность при нормальном падении света;

j - угол между лучом и нормалью к поверхности (угол падения).

 

Светимость и яркость.

Если источник нельзя считать точечным, то вводится понятие светимости и яркости, которые характеризуют излучения единицы площади светящейся поверхности.

Светимость - физическая величина, которая численно равна отношению светового потока, который излучается площадкой по всем направлениям к величине этой площадки.

 лм/м²=люкс

Если светимость возникает за счет отраженного света, тогда под Δф понимают световой поток отраженный ΔS по всем направлениям.

DФ - поток излучаемый площадью ΔS внутрь телесного угла 2π радиан.

0< a <p / 2

Светимость характеризует излучение (или отражение) света данным местом поверхности по всем направлениям.

Яркость служит для характеристики излучения (или отражения) в данном направлении.

  НИТ [НТ]

где dI - сила света, излучаемого площадкой dS в данном направлении

dS =dScosφ – проекция dS на площадь перпендикулярную направления угла.

Так как

то

В общем случая яркость различна для разных направлений. L=L(φ,θ)

q-азимутальный угол

j-полярный угол.

Световой поток площадки dS

dФ=L(φ,θ)·dΩ·dS·cosφ

 

Лишь у абсолютно черного тела и в идеальных рассеивателях типа матовых стёкол яркость одинаковая по всем направлениям, то есть L=const. Их называют Ламбертовскими (или косинусными), так как они подчиняютсяя закону Ламберта (Иоганн Генрих, 26.07.1728-25.09.1777г., немецкий ученый, установил основные понятие фотометрии.) так как

dФ~cosφ

Светимость и яркость ламбертовских источников связаны соотношением

dΩ=sinφ·dφ·dθ

а из dФ=L(φ,θ)·sinφ·dφ·dθ·dS·cosφ

 

Свойства света