 |
Тема 2. Физические основы оптического излучения
|
|
|
|
Рассматриваемые вопросы:
- физические основы оптического излучения;
- свойства излучения и модели;
- природа оптического излучения;
- источники оптического излучения.
Рекомендуемая литература:
- Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. – М.: Колос, 1982
- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. М.: Агропромиздат, 1991
- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Учебное пособие.- Астана: Каз АТУ, 2009
Краткое содержание
Известно, что тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает лучистую энергию. Лучистая энергия переносится в пространстве электромагнитными волнами, частота которых зависит от величины кванта энергии (гл. 3.1).
Излучение представляет собой поток материальных частиц, обладающих конечной массой и скоростью в вакууме (скорость света).
Однако, имеется отличие материи излучения от материи вещества, заключающееся в том, что её масса покоя равна нулю.
Это одно из условий, при котором масса фотона остаётся конечной, при его движении со скоростью света.
Кроме скорости, излучение характеризуется длиной волны:
.
Рассмотрим, вкратце, волновые свойства излучения. При механических колебаниях (колебательное движение частиц в твердой, жидкой и газообразной среде) волновой процесс означает передачу колебаний от одной частицы к другой, так как смежные участки между ними связаны силами упругости, натяжения и др.
Электромагнитные волны передают в пространстве и во времени изменения напряженности электрического и магнитного полей, при этом изменение одной величины, влечёт за собой изменение другой.
Периодическое изменение электрического и магнитного полей служит причиной возникновения электромагнитных волн.
|
|
|
Электромагнитное излучение распространяется от источника, в вакууме или материальной среде, пока не поглотится приемником и не преобразуется в другой вид энергии.
Распространение электромагнитных волн происходит в виде гармонического колебания, которое можно описать уравнением волнового процесса:
у ∙(х,t) = U 
,
где U – амплитуда у(х, t);
Т – период;
- длина волны;
- начальная фаза, при t = 0
При подстановке в данное уравнение соответствующих величин, можно получить волновое уравнение электрического или электромагнитного полей.
Оптические волны, чаще всего, характеризуются волновым уравнением напряженности электрического поля.
Фазу колебания можно представить выражением аргумента синуса:
Понятие фазы колебания дает возможность определиться с понятием фазовой скорости распространения волнового процесса, а поверхность, по которой происходит это распространение, называется волновой поверхностью.
Напряженности электрического и магнитного полей характеризуются направлением в пространстве, поэтому они считаются векторными величинами.
Вектор, описывающий напряженность электрического поля 
и вектор магнитного поля 
находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Распространение электромагнитной волны:
Е – вектор напряженности электрического поля; Н – вектор напряженности магнитного поля; Р - вектор Умова – Пойнтинга
Перенос энергии характеризуется вектором Умова-Пойнтинга 
, ориентированным перпендикулярно векторам и :
= [ ∙ ].
Процесс электромагнитного излучения принято представлять волновой моделью и квантовомеханической моделью.
Для первой модели характерны явления отражения, преломления, дифракции и интерференции.
Для второй модели – поглощение и генерация излучения.
|
|
|
На основе квантовой модели излучения установлены закономерности формирования спектров излучения и поглощения.
Рассматривая явления генерации излучения, используют квантовую модель источника излучения (ОИ).
К квантовым системам относят системы, состоящие из ядер, атомов, электронов и т.д., подчиняющихся квантовым законам.
Одно из свойств такой системы заключается в том, что её внутренняя энергия может принимать только определенные дискретные значения.
Н.Бор изучая данные явления, предложил постулаты:
- первый постулат относится к уровням энергии и утверждает, что атом характеризуется определенными состояниями, при которых, излучение энергии не имеет места (стационарные): нижний стационарный уровень с уровнем энергии Ео называется основным, другие уровни рассматриваются как возбужденные; при поглощении атомом кванта энергии (фотона излучения) происходит его переход в возбужденное состояние, такой скачкообразный переход называется квантовым переходом.
- второй постулат Н.Бора касается квантовых переходов, согласно которому любое поглощение и испускаемое излучение соответствует квантовому переходу из одного стационарного состояния в другое.
При переходе с высокого энергетического уровня на более низкий, система отдает энергию, при обратном переходе происходит поглощение энергии (
, частота излучения определяется выражением:
,
где Еn и Еn-1 - энергия системы в стационарных состояниях.
Существуют состояния, при которых переход на более низкие уровни затруднен, такие уровни называются метастабильными.
Переход из метастабильного состояния возможен в обоих направлениях, такой переход называется безизлучательным квантовым переходом.
Атом, в возбужденном состоянии может находиться очень короткое время, примерно 10-8 с. Затем происходит излучение и переход на более низкий уровень. В нестабильном состоянии атом может находиться дольше, в течение нескольких секунд.
Излучения, вызываемые смещением электронов при нагреве или электрическом разряде, принято считать оптическими.
В ряду электромагнитных волн оптическая область занимает диапазон (1…10)∙10-9 м до (0,34…1)∙10-3 м (более подробно см. [3]).
Оптическая область граничит с рентгеновским излучением и радиоволнами, в связи с этим их воздействие на приемники сходное.
|
|
|
Например, «жесткое» ультрафиолетовое излучение ионизирует газ, так же как и «мягкое» рентгеновское, а инфракрасное излучение производит нагрев материала так же, как СВЧ – радиоволны.
Следует отметить, что энергия кванта возрастает с уменьшением длины волны.
Устройство, в котором генерируется излучение, называется генератором или источником излучения. Тела, преобразующие или поглощающие излучение, называются приёмниками.
Среда, имеющая частоту собственных колебаний близкую или одинаковую с частотой фотона, обладает рассеиванием или поглощением излучения, согласно закону Бугера – Бера:
nх = no∙e- 
,
nх – число фотонов, прошедших на глубину х;
nо – поток фотонов на поверхности;
показатель поглощения среды.
Интенсивность монохроматического потока излучения:
,
где n - число фотонов, проходящих через замкнутый контур за время 
.
Поглощённая энергия преобразуется внутри приёмника излучения в длинноволновые колебания или колебания той же частоты, что и падающие (возникает резонанс).
Резонансные излучения могут возникнуть (в однородном теле) в результате воздействия электрического, магнитного и электромагнитного полей, а так же в результате нагрева.
Резонансное излучение проявляется в виде спектральных линий, полос. Излучения одной линии приближается к монохроматическому.
Как указывалось ранее, поток монохроматического излучения определяется произведением энергии кванта на число фотонов, проходящих через замкнутый контур пространства в секунду с длиной волны .
Следует отметить, что электромагнитная теория излучения устанавливает связь между различными видами электромагнитного излучения, во всех известных случаях энергия передается посредством электромагнитных волн различных длин волн и частот.
|
|
|
