Фізика - ЛЕКЦІЇ-ий_семестр - 3_ОПТИКА - ЛК_№16-Фотометрія_світло
Тема 2. Елементи фотометрії. Природа світла.
1. Збиральні та розсіювальні лінзи.
2.Основні фотометричні величини.
3.Елементи електронної оптики.
4. Історичний розвиток уявлень про природу світла.
1. Збиральні та розсіювальні лінзи.
За оптичними властивостями лінзи діляться назбираючі та розсіювальні.
Лінзи з позитивною оптичною силою є збираючими, а з негативною - розсіюючими.
Площини, що проходять через фокуси лінзи перпендикулярно її головній оптичній осі, називаються фокальними площинами.
На відміну від збираючої лінза, що розсіює, маєуявніфокуси.
Умнимомфокусі сходяться (після заломлення) уявні продовження променів, що падають на лінзу, що розсіює, паралельно головній оптичній осі.
Ставлення лінійних розмірів зображення та предмета називається лінійним збільшенням лінзи. Негативним значенням лінійного збільшення відповідає дійсне зображення (воно перевернуте), позитивним - уявне зображення (воно пряме).
Комбінації лінз, що збирають і розсіюють, застосовуються в оптичних приладах, що використовуються для вирішення різних наукових і технічних завдань.
2.Основні фотометричні величини.
Фотометрія - розділ оптики, що займається питаннями вимірювання інтенсивності світла та його джерел.
У фотометрії використовуються такі величини:
1)енергетичні- характеризують енергетичні параметри оптичного випромінювання безвідносно до його дії на приймачівипромінювання;
2)світлові- характеризують фізіологічні дії світла і оцінюються за впливом на око (виходять із так званої середньої чутливості ока) або інші приймачі випромінювання.
Потік випромінюванняФе— величина, що дорівнює відношенню енергіїWвипромінювання на часt,за яке випромінювання відбулося:
Одиниця потоку випромінювання - Ватт (Вт).
Енергетична світність (випромінювальність)Re— величина, що дорівнює відношенню потоку випромінюванняФe,випромінюваного поверхнею, до площіSперерізу, крізь який цей потік проходить:
т. е. є поверхневу щільність потоку випромінювання.
Одиниця енергетичної світності - Ватт на метр у квадраті (Вт/м2).
Енергетична сила світла (сила випромінювання)Ie— це величина, що дорівнює відношенню потоку випромінюванняФeточкового джерела світла до тілесного кута, у якого це випромінювання поширюється:
Одиниця енергетичної сили світла - Ватт на стерадіан (Вт/ср).
Енергетична яскравість (променистість)Be— величина, що дорівнює відношенню енергетичної сили світлаIe, елемента випромінюючої поверхні до площіSпроекції цього елемента на площину, перпендикулярну напрямку спостереження:
Одиниця енергетичної яскравості - Ватт на стерадіан-метр у квадраті (Вт/(срм2)).
Енергетична освітленість (опроміненість) –це величина потоку випромінювання, що падає на одиницю освітлюваної поверхні.
Одиниця енергетичної освітленості збігається з одиницею енергетичної світності (Вт/м2).
При оптичних вимірах використовуються різні приймачі випромінювання (наприклад, око, фотоелементи, фотопомножувачі), які не мають однакової чутливості. Томусвітловівимірювання, будучи суб'єктивними, відрізняються від об'єктивних,енергетичнихі для них вводяться світлові одиниці, які використовуються тільки для видимого світла.
Примітка.Основною світловою одиницею в СІ є одиниця сили світла -свічка(св), значення якої приймається таким, щоб яскравість повного точкового випромінювача при температурі затвердіння платини дорівнювала 60 св на 1 см 2 .
Визначення світлових одиниць аналогічне енергетичним.
Світловий потікФвизначається як потужність оптичного випромінювання за викликаним ним світловим відчуттям (за його дією на селективний приймач світла із заданою спектральною чутливістю).
Одиниця світлового потоку - люмен (лм):1 лм- це світловий потік, що випускається точковим джерелом силою світла в1 сввсередині тілесного кута в1 ср – стерадіан!(при рівномірності поля випромінювання всередині тілесного кута) (1 лм = 1 свср).
СвітністьRвизначається співвідношенням
Одиниця світності - люмен на метр у квадраті (лм/м2).
ЯскравістьВсвітиться поверхні в деякому напрямкує величина, що дорівнює відношенню сили світлаIв цьому напрямку до площіSпроекції поверхні, що світиться на площину, перпендикулярну даному напрямку:
Одиниця яскравості – свічка на метр у квадраті (св/м 2 ).
ОсвітленістьЕ— величина, що дорівнює відношенню світлового потоку Ф, що падає на поверхню, до площі S цієїповерхні:
Єдині освітленості - люкс (лк):1 лк- освітленість поверхні, на1 м2якої падає світловий потік в1 лм(1 лк = 1 лм/м2).
3.Елементи електронної оптики.
Область фізики та техніки, в якій вивчаються питання формування, фокусування та відхилення пучків заряджених частинок та отримання з їх допомогою зображень під дією електричних та магнітних полів у вакуумі, називається електронною оптикою.
Комбінуючи різні електронно-оптичні елементи - електронні лінзи, дзеркала, призми - створюють електронно-оптичні прилади, наприклад електронно-променеву трубку, електронний мікроскоп, електронно-оптичний перетворювач.
1.Електронні лінзиявляють собою пристрої, за допомогою електричних та магнітних полів яких формуються та фокусуються пучки заряджених частинок.
За принципом дії розрізняють електростатичні та магнітні лінзи.
Як електростатична лінза може бути використана система металевих електродів і діафрагм. Магнітна лінза зазвичай є соленоїдом з сильним магнітним полем, коаксіальним пучку електронів.
2.Електронний мікроскоп- пристрій, призначений для отримання зображення мікрооб'єктів; в ньому на відміну від оптичного мікроскопа замість світлових променів використовують прискорені до великих енергій (30-100 кэВі більше) в умовах глибокого вакууму (приблизно0,1 мПа) електронні пучки, а замість звичайних лінз - електронні лінзи.
3. Електронно-оптичний перетворювач— це пристрій, призначений для посилення яскравості світлового зображення та перетворення невидимого оком зображення об'єкта (наприклад, в інфрачервоних)або ультрафіолетових променях) у видиме.
4. Історичний розвиток уявлень про природу світла.
До початкуXVIII ст.існувало два протилежні підходи до пояснення природи світла:корпускулярна теорія Ньютонаіхвильова теорія Гюйгенса.
Експериментальний доказ справедливості хвильової теорії було отримано в1851 р.,колиЕ. Фуко (і незалежно від нього А. Фізо) виміряв швидкість поширення світла у воді і отримав значення, що відповідає передбаченню оновою теорією.
На початокXIXстоліття корпускулярна теорія була повністю відкинута і перемогла хвильова теорія.
Незважаючи на визнання хвильової теорії, вона мала цілу низку недоліків. Наприклад, теорія Гюйгенса не могла пояснити фізичної природи наявності різних кольорів.
Наука про світло накопичувала експериментальні дані, що свідчать про взаємозв'язок світлових, електричних і магнітних явищ, що дозволилолорду Джеймсу Кларку Максвеллуу 70-х роках минулого століття створити електромагнітну теорію світла.
Відповідно до електромагнітної теорії Максвелла, дезіv— відповідно швидкості поширення світла у вакуумі та в середовищі з діелектричною проникністюта магнітною проникністю.
Але електромагнітна теорія було пояснити явище дисперсії (залежність показника заломлення від довжини хвилі). Ця проблема була подолана наприкінціXIXв. Лоренцем, який запропонував електронну теорію, згідно з якою діелектрична проникністьзалежить від довжини хвилі падаючого світла.
Теорія Лоренцаввела уявлення про електрони, що коливаються всередині атома, ідозволила пояснити явища випромінювання та поглинання світла речовиною.
Незважаючи на величезні успіхи електромагнітної теорії Максвелла та електронної теорії Лоренца, їх застосування супроводжувалося рядом труднощів для опису деяких експериментів.
Так,теорія Максвеллане змогла пояснити процесів випромінювання та поглинання світла, фотоелектричного ефекту і т. д.Теорія Лоренца, у свою чергу, не змогла пояснити багато явищ, пов'язаних із взаємодією світла з речовиною.
Перераховані труднощі та протиріччя були подолані завдяки сміливій гіпотезі (1900р.) німецького фізикаМакса Планка, згідно з якою випромінювання та поглинання світла відбувається не безперервно, а дискретно, тобто певними порціями (квантами), енергія яких визначається частотою:
(1)
деh- Постійна Планка.
У 1905р. великийАльберт Ейнштейн. створив квантову теорію світла, за якою як випромінювання світла, а й його поширення відбувається як потоку світлових квантів — фотонів, енергія яких визначається співвідношенням (1), а маса дорівнює
(2)
Квантові уявлення про світло добре узгоджуються із законами випромінювання та поглинання світла, законами взаємодії світла з речовиною.