Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Это общее и очень важное соотношение, на котором фактически основывается возможность регистрации распространяющихся электромагнитных волн различными приемниками. Практически все приемники света в той или иной степени инерционны. Поэтому они регистрируют среднее значение квадрата амплитуды <..Е, '. Применяя радиофизическую терминологию, можно говорить, что приемники оптического излучения работают как квадратичные детекторы.

Рассмотрим подробнее вопрос об измерении потока лучистой энергии. Эта проблема усложнена тем, что при измерениях в видимой части спектра часто пользуются кроме обычных энергетических величин светотехническими, учитывающими зрительное восприятие света«. Все светотехнические единицы базируются на использовании силы света стандартного источника с определенным распределением энергии по спектру. Для изотропного источника световой поток Ф связан с силой света 1 равенством Ф = 4««!.

Поток выражается в люменах (лм), а освещенность поверхности — в люксах (1лк=!лм!м'). В энергетических единицах световой поток выражают в ваттах (Вт), а освещенность — в ваттах на квадратный метр (Вт!м'). Световому потоку 1 лм будет соответствовать разная мощность излучения в зависимости от его спектрального состава, и для установления между ними количественной связи используют таблицы или графики, характеризующие среднюю чувствительность глаза к излучению той или иной длины волны (см. рис.

2). Приводимые в справочниках коэффициенты для перевода люменов в ватты относятся к узкой спектральной области вблизи 2, = 5550 А, где в среднем чувствительность человеческого глаза оказывается максимальной. Если измеряется световой поток йФ, излучаемый площадкой йВ во все стороны (в пределах телесного угла 2п), то величину Я = йФ/йЗ называют светимвстью поверхности. Мы видим, что освещенность Е и светимость Я определяют одинаковым выражением, но в первом случае измеряют поток, падающий на площадку, а во втором — излучаемь«й ею. Важной характеристикой светящейся поверхности является также ее яркость.

Для определения этого понятия запишем световой поток в пределах телесного угла сЯ (рис. 1.13): йФ = ВйБ,АИ = Всоз/ййЯ'. Здесь йВ„= соз ЫЯ вЂ” элемент поверхности, ориентированный перпендикулярно проходящему излучению. Величину В называют яркостью. Для многих светящихся тел можно считать, что яркость не зависит от угла (между направлением потока и нормалью к поверхности.

Для таких «косинусных излучателей» упрощается связь между светимостью и яркостью (/с = пВ). Укажем также, что в литературе (особенно в спектроскопической) часто пользуются термином интенсивность, не имеющим четкого светотехнического определения. Важно подчеркнуть, что интенсивность излучения всегда пропорциональна яркости источника, хотя количественное определение их связи часто оказывается совсем не простым.

Укажем некоторые характерные особенности таких измерений. С помощью различных оптических устройств можно перераспределить световой поток по некоторым избранным направлениям, но нельзя увеличить исходную яркость источника, определяющую полный световой поток, испускаемый данной поверхностью. Более того, за счет поглощения, неизбежно происходящего во всех оптических си- ' Смл Ф р а ш Я, Э. Опта««савв методы ввм«реявя.

Ч. !. Л., Изх-ао ЛГУ. 197В. 32 ат«ылт, в результате такого перераспределения обязательно потеряВтг и н.нть полного потока. 11рп измерениях следует иметь в виду, что некоторые приемники Р1шн.шнн (фстОЭЛЕКтРИЧЕСКИЕ, тЕРМОЭЛЕКтРИЧЕСКИЕ И ДР.) РЕаГИРУЮт нп уоток, тогда как большая группа других приемников (в первую очередь фотохимические) измеряет не поток, а создаваемую им освещенность поверхности приемника. В частности, освещенность сетчатки человеческого глаза определяет его реакцию на свет. Хотя световой поток и создаваемая им освещенность всегда взаимосвязаны, зависимость между ними может оказаться достаточно сложной и искаженной условиями эксперимента.

Для пояснения этого Рис. 1 14. Принпипиельивя схема призменного монохромвторв Рис. 1.13. К вопросу о введении понятия яркости важного положения рассмотрим следующий простой опыт. Выделим какую-либо спектральную линию из линейчатого спектра при помощи призменного монохроматора со входной и выходной щелями (рис. 1.14). Оставляя одну из них (например, выходную щель) неизменной, будем постепенно раскрывать входную щель монохроматора.

Если пренебречь явлением дифракции, играющим существенную роль лишь при очень узких щелях (см. гл. Ч1), то можно считать, что световой поток будет возрастать по линейному закону с раскрытием входной щели. Используя фотоэлемент или фотоумножитель, установленный на выходе монохроматора, легко проверить эту зависимость. Но если установить в фокальной плоскости линзы Ье фотопластинку (т. е. превратить монохроматор в спектрограф), то она уже будет регистрировать не световой поток, а освещенность в том месте, где получается изображение входной щели. Освещенность этого участка останется неизменной, так как при раскрытии щели поток возрастает, но в том же отношении увеличится и площадь изображения входной щели и, следовательно, отношение Ф/а останется прежним.

Если тот же опыт проделать с использованием источника сплошного спектра, то получаются более сложные соотношения, которые сейчас не имеет смысла детально разбирать. Следовательно, измерение потока лучистой энергии всегда требует тщательного анализа условий эксперимента. К сказанному нужно добавить, что большинство приемников радиации селективно, т. е.

неодинаково реагирует на излучение различных длин волн. Это также надо учитывать при опытах, проводимых для сравнения потока лучистой энергии в разных участках спектра. Еще ббльшие трудности вошпкают в том случае, когда измеряют абсолютное значение све- 2 Зьк 1729 33 тового потока или создаваемую им освещенность. Для этого необходимо цроградуировать используемый приемник радиации, что часто оказывается совсем не просто. 5 Ьз. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГННТНОИ ВОЛНЫ Рассмотрим более подробно понятие скорости распространения электромагнитной волны и = с/)/еп, которая фигурирует в качестве параметра в выражении для плоской волны Е = Ее Е, ехр (/ю (1 — г/и)), где и характеризует скорость распространения фазы волны и называется фазовой скоростью. Значение и легко получить из условия постоянства фазы распространяющейся волны.

Действительно, если для плоской волны а (1 — г/и) = сопз1, то, дифференцируя это выражение по 1, находим и = 4(з/Ж, т. е. скорость распространения волны вдоль оси Я. Запишем условие постоянства фазы, используя волновое число й. Имеем (в/ — йг) = сопз1. Тогда для фазовой скорости монохроматической волны получаем Очевидно, что все эти формулировки полностью согласуются с введенным ранее основным соотношением и = ИТ. Если мы имеем дело только с монохроматическим излучением, то проблема полностью исчерпана и понятие фазовой скорости достаточно для описания всех явлений, связанных с распространением электромагнитных волн. Но на самом деле радиация распространяется в виде импульсов, представляющих собой совокупность различных монохроматических волн. При движении в реальных средах импульс деформируется и невозможно охарактеризовать происходящие при этом сложные процессы лишь одним значением и = 4э/й.

Приходится вводить новые, более сложные понятия. Проанализируем экспериментальные данные. Если в = р, = 1, то и = с. Опыты по определению скорости света ведутся уже более 300 лет и характеризуются совершенно особыми масштабами. Здесь нет ничего удивительного. Знание числового значения скорости света важно для всех разделов физики. Более того, она в значительной мере определяет метрику окружающего нас мира, а требование ее неизменности лежит в основе важнейших теорий естествознания.

Первая оценка скорости света в вакууме была проведена еще в конце Х"1/П в. и базировалась на астрономических наблюдениях. Было замечено, что промежуток времени между затмениями ближайшего спутника Юпитера уменьшается при сближении его с Землей и увеличивается при их расхождении. Анализируя эти наблюдения, Ремер предположил, что свет распространяется с конечной скоростью, равной 3,1 ° 10" см/с. Эта смелая идея находилась в противоречии 34 с господствовавшими„' тогда1;взглядами школы Декарта, согласно которым свет должен распространяться мгновенно. В Х1Х в. усилиями Физо, Фуко и других физиков, развивавших волновую теорию света, были проведены тщательные измерения этой константы.

Характеристики

Список файлов книги