Оптичне випромінювання

ОПТИ́ЧНЕ ВИ­ПРОМІ́НЮВА­Н­НЯ — електромагнітне ви­промінюва­н­ня з довжинами хвиль при­близно від 100 нм до 1 мм. Такий різновид ви­промінюва­н­ня описують законами оптики, що й об­умовлює його назву. У спектрал. діапазоні О. в. роз­різняють видиме ви­промінюва­н­ня, що спри­ймає око людини, — прибл. від 400 нм (фіолетове) до 700 нм (червоне), для більшої інтенсивності межі діапазону дещо роз­ширюються, збоку коротких хвиль до цього діапазону примикає ультрафіолетове ви­промінюва­н­ня, а збоку довгих хвиль — інфрачервоне ви­промінюва­н­ня. Залежно від умов спо­стереже­н­ня О. в. проявляє хвильові властивості як сукупність електромагніт. хвиль, що мають від­повід­ні характеристики — поляризацію, частоту ν, довж. хвилі λ, швидк. v, фазу φ, чи корпускулярні властивості як сукупність елементар. часток, квантів електромагніт. поля — фотонів, що мають у вакуумі енергію E = hv та імпульс p = E/c, де h — стала Планка, с — швидкість світла у ваку­умі. Швидкість світла у вакуумі є фундам. фіз. кон­стантою, що не залежить від вибору інерц. системи від­ліку та дорівнює 299 792 458 м/сек. Хвильові властивості О. в. проявляються у явищах інтерференції та ди­фракції світла. Якщо довжина хвилі О. в. є малою порівняно з попереч. роз­мірами пучка світла та роз­мірами оптич. елементів, то пошире­н­ня О. в. описують законами геом. оптики. У такому на­ближен­ні вважають, що О. в. у однорід. середовищі та у вакуумі поширюється вздовж прямих ліній у ви­гляді оптич. променів. Швидкість монохроматич. О. в. у про­зорому середовищі залежить від показника заломле­н­ня середовища n(v) і дорівнює v = c/n(v). О. в. у вакуумі поширюється без втрат, завдяки чому ми спо­стерігаємо світло від далеких косміч. обʼєктів, напр., від галактики GN-z11, від­даленої від Землі на 13,4 млрд світл. р. При падін­ні на матеріал. тіло О. в. може по­глинатися, роз­сіюватися, від­биватися від його поверх­ні, що су­проводжується обміном енергією та імпульсом між речовиною та ви­промінюва­н­ням. На межі поділу про­зорих середовищ з різними показниками заломле­н­ня n₁ та n₂ О. в. при поширен­ні із середовища з показником заломле­н­ня n₁ у середовище з показником заломле­н­ня n₂ частково від­бивається від межі, а частково проникає далі, змінюючи напрям пошире­н­ня від­повід­но до закону заломле­н­ня світла (закон Снеліуса). Цей закон повʼязує кути паді­н­ня ϑ₁ та заломле­н­ня ϑ₂, які вимірюють від нормалі до поверх­ні, що роз­діляє середовища, та показники заломле­н­ня середовищ n₁ та n₂: n₁ sin ϑ₁ = n₂ sin ϑ₂. Спів­від­ноше­н­ня між амплітудами падаючої, від­битої та заломленої хвиль ви­значають формулами Френеля. Обмін енергією між речовиною та ви­промінюва­н­ням від­бувається у ви­гляді по­глина­н­ня та ви­промінюва­н­ня тілом світла. По­глинал. та ви­промінювал. здатності тіла повʼязані між собою першим законом Кіргґофа, від­повід­но до якого від­ноше­н­ня ви­промінювал. здатності тіла до по­глинальної є універсал. функцією, однаковою для всіх тіл незалежно від їх форми та хім. складу та яка залежить від частоти ви­промінюва­н­ня v та температури тіла T: ε(v, T) / α(v, T) = f(v, T), де ε(v, T) — ви­промінювал. здатність, α(v, T) — по­глинал. здатність тіла, що дорівнює від­ношен­ню по­глинутої енергії ви­промінюва­н­ня з частотою ν до падаючої на поверх­ню тіла. Матеріал. тіло, що повністю по­глинає падаюче на нього О. в. на всіх довжинах хвиль, називають абсолютно чорним тілом. Для такого тіла α(v, T) = 1 і функція f(v, T) = ε(v, T), тобто універсал. функція f(v, T) є рівною ви­промінювал. здатності абсолютно чорного тіла. Ви­гляд функції ε(ν, T) був ви­значений 1900 нім. фізиком М. Планком

і нині ві­домий як закон ви­промінюва­н­ня Планка. Ви­промінювал. здатність ε(v, T) ви­значає спектрал. густину інтенсивності (енергію з одиниці площі за одиницю часу) монохроматич. лінійно поляризованого ви­промінюва­н­ня з частотою ν, що ви­промінюється абсолютно чорним тілом у стані термодинаміч. рівноваги з т-рою T нормально до його поверх­ні в одинич. тілес. кут. Інтенсивність ви­промінюва­н­ня з частотами, що лежать у проміжку (v, v + dv) дорівнює dI = ε(v, Т)dv. Ви­промінювал. здатність має роз­мірність Дж с^-1 стер^-1 м^-2 Гц^-1. Для неполяризованого ви­промінюва­н­ня вираз для ε(ν, T) у формулі Планка до­множається на 2. Якщо ви­промінювал. здатність подати у залежності від довжини хвилі, то для неполяризованої хвилі

Довж. хвилі λm, при якій цей вираз набуває макс. значе­н­ня, і температура T по­вʼязані спів­від­ноше­н­ням λmT = const, ві­домим як закон зміще­н­ня Віна. λmT ≈ 2898 мкм К, якщо λm по­дана в мікрометрах, а T — в кельвінах. Обʼємна спектрал. густина енергії монохроматич. неполяризованого ви­промінюва­н­ня дорівнює

Повна (інтегрована по усіх частотах від 0 до ∞) густина енергії ви­промінюва­н­ня, що ви­промінюється одиницею поверх­ні абсолютно чорного тіла, –

,

що від­повід­ає закону Стефана-Больцмана. Інтенсивність ви­промінюва­н­ня абсолютно чорного тіла (енергія, що ви­промінюється одиницею площі за одиницю часу) дорівнює I = σT⁴, де σ = ≈ 5,6704 ∙ 10^–8Дж м^–2 с^–1 К^–4 — стала Стефана-Больцмана. Природ. джерелами О. в. є пере­важно на­гріті тіла — бага­т­тя, роз­жарений метал, блискавка, феєрверк, космічні джерела — Сонце, інші зорі, галактики, туман­ності. Ви­промінюва­н­ня нетепл. походже­н­ня збуджується внаслідок хім. та біол. процесів: хемолюмінесценції — світі­н­ня продуктів хім. реакцій та біо­люмінесценції — світі­н­ня деяких видів бактерій (фотобактерії), най­простіших, грибів, молюсків, риб тощо. Ві­домо понад 2 тис. видів жуків, що світяться. Такі природні обʼєкти, як Місяць та блакитне небо, не є джерелами влас. ви­промінюва­н­ня, а лише від­бивають та роз­сіюють сонячне світло. З огляду на значну роль світла у житті людини, здавна були ві­домі штучні світильники — факели, масляні та гасові лампи, свічки, газові ліхтарі тощо. У 20 ст. знач. пошире­н­ня набули електр. джерела ви­промінюва­н­ня — лампи роз­жарюва­н­ня, які нині замінюють економічнішими та енергоощаднішими газорозряд., люмінесцент. та світлодіод. лампами. 2014 за вина­йде­н­ня нового енергоефектив. та екологічно чистого джерела світла — синього світлодіода, що є основою білих ефектив. джерел світла, япон. вчені Ісаму Акасакі, Хіроші Амано та Шуджі Накамура були удостоєні Нобелів. премії. Джерелами О. в. є також прилади, у яких світло ви­промінюють заряджені частки, що рухаються з швидкостями, близькими до швидкості світла (релятивіст. швидкості) по криволіній. траєкторіях у синхротронах (синхротрон­не ви­промінюва­н­ня) та зі швидкостями, що пере­вищують швидкість світла у сере­довищі (черенков. ви­промінюва­н­ня). Джерелами когерент. О. в. є лазери — прилади, у яких генерація ви­промінюва­н­ня здійснюється за рахунок вимушених пере­ходів у середовищі з інверсією населеності, поміщеному в оптич. резонатор. Вони є унікал. джерелами когерент. О. в. з параметрами, що раніше були нед­осяжними. Лазери генерують ви­промінюва­н­ня практично на всіх дов­жинах хвиль оптич. діапазону, як у неперервному, так і в імпульс. режимах та дають можливість отримувати світл. потоки з рекорд. параметрами — тривалістю в одиниці фемтосекунд (1 фс = 10^–15 с), потужністю, що на­ближається до 10 ПВт (1 ПВт = 10¹⁵ Вт), та густиною потоку енергії на поверх­ні мішені, що пере­вищує 10²³ Вт см^–2. При таких густинах енергії будь-яка речовина на Землі пере­творюється у плазму. Нині лазерне О. в. використовують у системах пере­дава­н­ня інформації оптоволокон. мережами, для запису голо­грам, вимірюва­н­ня від­стані, різа­н­ня, зварюва­н­ня та обробле­н­ня матеріалів, прецизій. вимірюва­н­ня, у метрології, наук. дослідже­н­нях.

Завантажити статтю