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. об’єктів, 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 пов’язує 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 пов’язані 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 по­в’язані співвідношенням λmT = const, відомим як закон зміщення Віна. λmT ≈ 2898 мкм К, якщо λm подана в мікрометрах, а T — в кельвінах. Об’ємна 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 об’єкти, 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.

Рекомендована література

1. M. Planck. The theory of heat radia­tion. Philadelphia, 1914;
   Google Scholar Internet
2. C. Danson, C. Haef­ner, C. Bromage et al. Petawatt and exawatt class lasers worldwide // High Power Laser Science and Engineering. 2019. Vol. 7.
   Google Scholar Internet

Завантажити статтю