Квантовая природа оптического излучения

5 Оптика. Квантовая природа излучения Глава 21 Элементы геометрической и электронной оптики § 165. Основные законы оптики. Полное отражение

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптики: закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде; закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике); закон отражения света; закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстояния до него). Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит сквозь очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Закон независимости световых пучков: эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диа­фрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

Если свет падает на границу раздела двух сред (двух прозрачных веществ), то падающий луч I (рис. 229) разделяется на два — отраженный II и преломленный III, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол i‘₁ отражения равен углу i₁ падения:

Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведен­ный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

где n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Индексы в обозначениях углов i₁, i‘₁, i₂ указывают, в какой среде (первой или второй) идет луч.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолют­ных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называется величина n, равная от­ношению скорости c электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости v в среде:

Сравнение с формулой (162.3) дает, что , где  и  — соответственно электри­ческая и магнитная проницаемости среды. Учитывая (165.2), закон преломления (165.1) можно записать в виде

Из симметрии выражения (165.4) вытекает обратимость световых лучей. Если обратить луч III (рис.229), заставив его падать на границу раздела под углом i₂, то преломлен­ный луч в первой среде будет распространяться под углом i₁, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления n₁ (оп­тически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n₂ (оптически менее плотную) (n₁>n₂), например из стекла в воду, то, согласно (165.4),

Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления i₂ больше, чем угол падения i₁ (рис. 230, а). С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 230, б, в) до тех пор, пока при некотором угле падения (i₁= i_пр) угол преломления не окажется равным /2. Угол i_пр называется предельным углом. При углах падения i₁> i_пр весь падающий свет полностью отражается (рис. 230, г).

По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного — растет (рис. 230, а—в). Если i₁=i_пр, то интенсив­ность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 230, г). Таким образом, при углах падения в пределах от i_пр до /2 луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол i_пр определим из формулы (165.4) при подстановке в нее i₂=/2.

Уравнение (165.5) удовлетворяет значениям угла i_пр при n₂  n₁. Следовательно, явление полного отражения имеет место только при падении света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения Показатель прелом­ления стекла равен n 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло — воздух равен i_пр=arcsin(1/1,5)=42°. Поэтому при падении света на границу стекло—воздух при i > 42° всегда будет иметь место полное отражение. На рис. 231, а—в показаны призмы полного отражения, позволяющие: а) повернуть луч на 90°; б) повернуть изображение; в) обернуть лучи. Такие призмы применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломле­ния, измеряя i_пр, находим относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления другой среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах (светопроводах), представля­ющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала. В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцеви­на) которого окружается стеклом — оболочкой из другого стекла с меньшим показателем прело­мления. Свет, падающий на торец световода под углами, большими предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение н распространяется только по световедущей жиле.

Таким образом, с помощью световодов можно как угодно искривлять путь светового пучка. Диаметр световедущих жил лежит в пределах от нескольких микрометров до нескольких мил­лиметров. Для передачи изображений, как правило, применяются многожильные световоды. Вопросы передачи световых волн и изображений изучаются в специальном разделе опти­ки — волоконной оптике, возникшей в 50-е годы XX столетия. Световоды используются в элект­ронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медици­не (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики и т. д.

Источник

1Возникновение оптического излуения его волновая и кванотовая природа

Оптическое излучение — одна из форм существования материи,имеющей массу покоя, равную нулю, и движущейся в вакууме со скоростью с = 2,988 ⋅ 108 м ⋅ с–1. Согласно волновой теории оптическое излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн, редставляющих собой периодические колебания напряженностей электрического и магнитного полей.Оптическое излучение характеризуется волновыми и квантовыми свойствами. Оптическое излучение характеризуют длиной волны, скоростью распространения и частотой повторения амплитуды:

где λ — длина волны, м (нм, мкм); ν — частота повторения амплитуды волны, с–1; с — скорость распространения волны, м ⋅ с–1.Согласно квантовой теории М. Планка энергия излучается порциями, минимальное значение которых называют квантом. Кванты оптического излучения называют фотонами.

2 Спектр оптического излучения и характеристики его отдельных участков

Электромагнитное излучение характеризуется чрезвычайно широким интервалом длин волн. Лишь небольшую часть этого интервала между областями рентгеновских лучей (λ > 1…10 нм) и радиоизлучений (λ < (3,4…10) ⋅ 105 нм) составляет оптическое излучение.

Спектральное распределение оптического излучения

Вид оптического Излучения Зоны излучения Длина волны излучения, нм

Зона А (УФ-А) 315…380 Фиолетовый цвет 380…450 Синий цвет 450…480 Голубой цвет 480…510

Зеленый цвет 510…555 Желтый цвет 555…585 Оранжевый цвет 585…620

Красный цвет 620…780 Зона А (ИК-А) 780…1400 Зона В (ИК-В) 1400…3000

Спектр оптического излучения неразрывно связан с процессом переноса лучистой энергии от тела излучающего к телу поглощающему. Он может быть линейчатым, состоящим из монохроматического излучения одной или нескольких длин волн, сплошным или смешанным спектральная плотность потока излучения

ϕеλ= dФλ/dλ (Вт ⋅ м–1):

Значение спектральной плотности потока излучения ϕеλ удобнее представлять графически в виде относительной спектральной плотности излучения ϕλ (относительные единицы):

φ λ= φeλ /(φe λ) mах

где (ϕеλ)max — максимальное значение спектральной плотности излучения излучателя.

Сумма потоков монохроматического излучения источника определяет его полный поток излучения ФΣ (Вт): Ф Σ = ∫ Ф.

силой излучения. Сила излучения I, Вт ⋅ ср–1, определяется отношением потока излучения dФ к телесному углу dω с вершиной в точке расположения излучателя, в пределах которого равномерно распределен этот поток:

Телесный угол — коническое тело, вершиной которого служит центр сферы произвольного радиуса, а основанием является часть поверхности этой сферы, на которую этот конус опирается

4Система энергетических величин ои плотность излучения облученность сила излучения экспозиция облучения

=энергия излучения Qe дж =поток излучения Фе Вт

=олученность-Отношение потока излучения Ф, падающего на облучаемую поверхность, к площади этой поверхности S называют облученностьюEe вт/м^2

=энергетическая светимость Me Вт/м^2

=энергетическая экспозичияHe дж/м^2

Величина, определяющая общее количество энергии излучения, приходящейся на единицу площади облучаемой поверхности в течение времени действия излучения, называется дозой облучения или экспозицией Н, Дж ⋅ м–2:

Источник