Шкала электромагнитных волн и перспективы использования излучения оптического диапазона спектра
Министерство науки и образования Российской Федерации
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования Московской области
Университет «Дубна»
Инженерно-физический институт
Кафедра проектирования электроники для установок «мегасайенс»
Реферат
По курсу «Оптические измерения»
На тему:
«Фотометрические измерения»
По направлению подготовки 11.03.03
«Конструирование и технология электронных средств»
Профиль подготовки
«Проектирование и технология радиоэлектронных средств»
Выполнил:
Студент 4 курса группы 4141 Богатов В.С.
Проверил
_______________ к.т.н. Бородин.А.Н.
Оглавление
Введение. 1
1. ВОЛНОВЫЕ И КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2
2. Шкала электромагнитных волн и перспективы использования излучения оптического диапазона спектра. 4
3.................. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ.. 6
4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ 7
Введение
Фотометрия как самостоятельная отрасль науки начала создаваться лишь в XVIII в. в связи с потребностью установления основных законов распространения электромагнитного излучения (света), а также измерения электромагнитного излучения в видимом спектральном диапазоне.
Создателем начальных основ фотометрии является француз П. Бугер (1698–1758), который впервые ввел понятие силы света, освещенности и яркости. П. Бугер впервые вывел экспоненциальный закон ослабления излучения при прохождении его через однородную оптическую среду, разработал методику для измерения силы света и на основе экспериментальных данных установил чувствительность глаза к малым световым потокам и пороговые потоки для оценки реакции глаза на световое излучение.
|
|
|
И.Ламберт (1728–1777) развил и усовершенствовал теоретические основы фотометрии, сформулировал понятие световых величин и создал теорию фотометрических расчетов для определения освещенности поверхностей световым потоком, падающим на них от точечных излучателей.
К вопросам фотометрии вновь вернулись в начале XX в., когда появилась дисциплина светотехника, анализирующая качественное искусственное освещение в рабочих и бытовых помещениях. В связи с использованием электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне в военной технике особое внимание стали уделять количественной фотометрии в диапазоне от 10−5 до 1000 мкм.
Современная теоретическая фотометрия развивается и углубляется на базе волновых и квантовых свойств электромагнитного излучения. Большие заслуги в разработке теории электромагнитного поля принадлежат С.И. Вавилову, Д.К. Максвеллу, П.Н. Лебедеву, А.А. Гершуну, М.М. Суревичу, Н.Г. Болдыреву, В.А. Фоку, Р.А. Сапожникову, В.В. Мешкову, создавшим научную базу современной теоретической фотометрии.
|
|
|
ВОЛНОВЫЕ И КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Любое электромагнитное излучение связано с переносом энергии от излучающего тела к поглощающему. Излучение является материей особой формы, имеющей массу покоя, равную нулю, и движущейся в безвоздушном пространстве с постоянной скоростью, равной примерно 2,998•108 м/с. Для раскрытия природы возникновения излучения и механизма распространения его в окружающем пространстве С.И. Вавилов указал на следующие факторы:
— электромагнитное излучение обладает волновыми и корпускулярными свойствами;
— частицы вещества, так же как и излучения, имеют двоякую корпускулярную и волновую природу;
— частицы вещества могут превращаться в излучение, а излучение — в вещество.
Математическую теорию электромагнитного излучения разработал Д.К.Максвелл в 1861 г. Согласно этой теории, излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой периодическое колебание напряженностей электрического и магнитного полей. Распространение электромагнитной волны в пространстве сопровождается переносом энергии по направлению движения волны. Эта теория была подтверждена Герцем в 1889 г. и П.Н. Лебедевым в 1895 г., получившим излучение с длиной волны λ = 6 мм.
|
|
|
Согласно теории Максвелла, плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве по направлению Х, описывается следующими уравнениями:
где µ и ε — магнитная и диэлектрическая проницаемости среды; µ0 и ε0 — магнитная и электрическая постоянные в международной системе единиц СИ; ξ и H — мгновенные значения напряженностей электрического и магнитного полей; t — время распространения волны; x — расстояние исследуемой точки поля от источника излучения.
Дифференцируя (1) и (2) по t и решая полученные уравнения совместно, получаем уравнение электромагнитной волны [1]
так как в системе СИ
откуда
где c0 — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; c02/µε = 2 — фазовая скорость распространения электромагнитных волн в любой среде.
Для гармонической волны, характеризующей монохроматическое излучение,
где ξmax — не зависящая от времени амплитуда колебания; T — время полного периода колебания; x/ — отношение, определяющее запаздывание колебаний в исследуемой точке по сравнению с колебаниями в точке расположения источника излучения.
|
|
|
Монохроматическим называется излучение, у которого постоянны в пространстве и во времени амплитуда колебаний ξmax, скорость распространения волны и время полного периода T.
На практике удобнее вместо T использовать длину волны λ, определяемую длиной пути, пройденного за время периода T, или частотой ν колебания: λ = T; =1/T и λν = . Длину волны излучения принято измерять в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм), а частоту излучения — числом колебаний в 1 с или в герцах. Распространяющаяся электромагнитная волна несет энергию, мгновенное значение объемной плотности которой в любой точке поля определяется суммой плотностей электромагнитной и магнитной энергии: qe = 0,5(εε0ξ2 + µµ0H2).
Среднее значение объемной плотности энергии за период
где ξmax и Hmax — амплитуды напряженности электрического и магнитного полей.
Эти уравнения позволяют определить поток энергии, проходящий замкнутый контур единичной площади, расположенный перпендикулярно направлению распространения волны. Мгновенное
значение потока энергии через единицу площади сечения, перпендикулярного потоку, равно произведению объемной плотности энергии на фазовую скорость распространения волны =
так как согласно уравнению
Cреднее значение потока энергии для этого случая будет
где — фазовая скорость распространения волны в веществе.
Можно сделать вывод, что поток излучения, проходящий через единичную, перпендикулярно расположенную площадку, определяется произведением квадрата амплитуды напряженности электрического поля на скорость распространения излучения в исследуемой среде и на ее абсолютную диэлектрическую проницаемость.
В 1900 г. Макс Планк высказал мысль о дискретности излучения атомами и молекулами. Минимальную порцию энергии монохроматического излучения Планк назвал квантом энергии излучения (энергия протона)
где ν — частота излучения; h — постоянная Планка (квант действия), равная 6,626•10−34 Дж•с.
В 1905 г. А.Эйнштейн сформулировал фотонную теорию излучения. В этой теории излучение рассматривается как поток частиц излучения, названных им фотонами, с энергией hν. Из его теории следует, что фотоны возникают и распространяются дискретно, а поглощение происходит дискретно отдельными фотонами. Фотоны, энергия которых определяется частотой излучения, являются частицами материи, обладающими
энергией (hν), импульсом силы (количеством движения — произведением силы на время действия) и массой.
Вектор импульса фотона равен произведению постоянной Планка на волновой вектор: = σ
Волновой вектор направлен вдоль расположения излучения и численно равен волновому числу:
где — единичный вектор направления распространения излучения; c — скорость распространения излучения в безвоздушном пространстве.
В соответствии со вторым законом механики, модуль вектора импульса силы равен приращению количества движения: ft = ∆(m). Откуда импульс фотона с частотой ν равен
масса фотона
Учитывая эти свойства фотона, следует различать понятие фотона и кванта энергии излучения. Это различие объясняет механизм процесса возникновения излучения, заключающийся не только в преобразовании энергии, сообщенной излучающей микрочастице, в самостоятельно существующий квант излучения, но и в переходе материи из формы вещества в форму электромагнитного излучения (поля). При поглощении излучения веществом происходит обратное превращение, которое возможно лишь в такой микросистеме (молекуле, атоме), в которой разность энергии двух из возможных энергетических состояний равна энергии фотона поглощаемого излучения. В элементарных процессах взаимодействия фотона с частицей вещества должны соблюдаться законы сохранения энергии и импульса взаимодействующей системы:
где Qe и , Qe′ и ′ — энергия и импульс частицы до и после взаимодействия; hν, hσ и hν′, hσ′ — энергия и импульс фотона до и после взаимодействия.
Приведенный материал квантовой теории взаимодействия свидетельствует о том, что в природе излучения вновь вернулись к корпускулярной теории излучения на волновой основе, что позволило объяснить сложные явления физической оптики: интерференцию, поляризацию, дифракцию, фотоэффект, фотолюминесценцию и т.д. А истинное понимание всех свойств излучения определяется единством его волновых и корпускулярных свойств.
Шкала электромагнитных волн и перспективы использования излучения оптического диапазона спектра
В связи с выходом человека в космос и разработкой рентгеновских лазеров можно считать оптическим диапазоном спектра ∆λ от 10−5 до 400–1000 мкм. Следует отметить, что разные авторы приводят разные пределы длин волн на границах оптического излучения. Очевидно, будет правильнее считать, что диапазон длин волн от 400 до 1000 мкм может использоваться в оптических и радиоприборах.
На рис. 5.1 приведен спектр электромагнитного излучения, который в оптическом диапазоне можно разбить на шесть интервалов, в мкм:
10−5–10−3 — рентгеновское излучение;
10−3–0,38 — ультрафиолетовое (УФ) излучение;
0,38–0,78 — видимый диапазон спектра;
0,78–1,5 — ближний инфракрасный (ИК) диапазон;
1,5–20 — средний диапазон;
20–(400–1000) — длинноволновый диапазон спектра электромагнитного излучения.
Условимся измерять длину волны λ в микрометрах, а частоту ν — в герцах.
Длина волны и частота связаны следующей формулой:
концентрировать где с0 — скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме, равная 2,998•105 км/с или 2,998•1014 мкм/с, для практических расчетов обычно принимают с0 = 3•1014 мкм/с. Подставляя значение с0 в формулу (5.4), имеем λ0ν = 3•1014 мкм/с, где λ0 — длина волны в вакууме. В любой другой среде с показателем преломления n длина волны определяется как λ = λ0/n.
В дальнейшем будем пользоваться в основном скоростью распространения излучения в вакууме, которую обозначим c. Радиоволны обычно излучаются с помощью антенн, являющихся разомкнутыми контурами с высоким сопротивлением излучению, а также с помощью квантовых генераторов радиодиапазона (мазеров).
Инфракрасное излучение возникает при изменении вращательных движений атомов и молекул для дальней ИК-области и колебательных движений атомов для ближней ИК-области. Источниками ИК-диапазона являются тепловые источники, а также квантовые генераторы. Принято ИК-диапазон спектра подразделять на ближний λ = 0,8–1,5 мкм, средний λ = 1,5–20 мкм, дальний λ = 20–(400–1000) мкм.
Световые волны излучаются при изменении энергетического состояния электронов во внешней оболочке атомов. Источниками излучения видимого диапазона являются лампы накаливания, импульсные и дуговые источники, квантовые генераторы (лазеры) и др.
Ультрафиолетовые лучи, как и видимые, излучаются при переходе электронов с внешней оболочки на внутреннюю, но с большей энергией кванта. В качестве источников излучения УФ-диапазона используются ртутные, криптоновые, ксеноновые лампы и др.
Рентгеновские лучи возникают при резком торможении быстролетящих электронов ( = 104–105 км/с). Источники — кварцевые вакуумные трубки, в которых под действием высокой разности потенциалов (десятки киловольт) положительные ионы выбивают из катода электроны. Последние ускоряются электрическим полем и резко тормозятся при ударе об анод.
Гамма-лучи возникают при радиоактивном распаде элементов, а также при резком торможении или ускорении электронов в веществе.
Космические лучи возникают в космическом пространстве.
Оптико-электронные системы используют излучение оптического диапазона, что обеспечивает им ряд преимуществ по сравнению с радиоприборами. Благодаря меньшей длине волны (на несколько порядков) уменьшаются габаритные размеры, масса, снижается стоимость аппаратуры и существенно повышается точность. Многие оптико-электронные приборы являются пассивными, т.е.
используют излучение целей, а не демаскируют себя при работе.
В последние годы особый интерес вызывает ИК-излучение в связи с наличием широких окон пропускания излучения в атмосфере для этих лучей, а также благодаря тому, что ИК-лучи испускаются всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля. Широкое распространение получили ИК-пеленгаторы и локаторы, приборы наведения и самонаведения, а также приборы спектрального анализа в ИК-области.
В связи с выходом человека в космос вновь самое пристальное внимание обращает на себя рентгеновский и ультрафиолетовый диапазоны оптического излучения, поскольку они имеют широкую полосу частот, обеспечивают большую разрешающую способность, дают возможность большую энергию в единице пространственного угла, что обеспечивает большую дальность действия аппаратуры
Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 56; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!