Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Свет. Основные светотехнические величины и единицы

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ им. ИВАНА ФЁДОРОВА

Курсовая работа по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»

на тему: СВЕТ. ОСНОВНЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ

Выполнила: студентка ФГИ

группы ДГ 4-3

Павлова А.А.

Проверил: доц. Королёв В.П.

МОСКВА - 2011

Содержание

Аннотация

Глава 1. О волновых явлениях

.1 Волновые явления

.2 Характеристики волны

.3 Классификации волн

.4 Происхождение волн

.5 Общие свойства волн

Глава 2. Исследования природы света

.1 Общая характеристика световых явлений

.1.1 Разнообразные действия света

.1.2 Особенности света, выявляющие его природу

.1.3 Краткие сведения из истории оптики

Глава 3. Электромагнитные волны

.1 Понятие явления

.2 Характеристики электромагнитного излучения

.3 Шкала электромагнитных волн

Глава 4. Видимое (оптическое) излучение

.1 Свет и цвет. Дисперсия света

.1.1 Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона

.1.2 Открытие Ньютоном дисперсии света

.2 Дифракция света

.3 Интерференция света

Глава 5. Геометрическая оптика

.1 Основные законы геометрической оптики

.2 Светотехнические величины

Глава 6 (дополнительная). Глаз

.1 Эволюция глаза

.2 Строение глаза человека

.2.1 Внешнее строение глаза человека

.2.2 Внутреннее строение глаза человека

.2.3 Светопреломляющий аппарат

.2.4 Аккомодационный аппарат

.2.5 Рецепторный аппарат

Глава 7 (дополнительная). Фотоны

Список использованных источников

АННОТАЦИЯ

В курсовой работе изучение вопроса о свете начинается с рассмотрения физики явления. Предварительно читатель знакомится с волновыми явлениями вообще. Далее, через краткий показ некоторых наблюдений человека за свойствами света, делается вывод об электромагнитной природе света, частном случае волновых процессов; в соответствии с последовательностью научных открытий в области света.

Затем, как частный случай электромагнитных волн, выделяется и рассматривается видимое (оптическое) излучение: основные законы геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), а также приводятся основные светотехнические величины.

В качестве дополнительных глав приводятся: глава о строении зрительного аппарата и глава о световых квантах (фотонах), уточняющая учение о природе света.

ГЛАВА 1. О ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ

.1 Волновые явления

Волна - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Рис. 1.1. Отличие колебания от волны

Перенос энергии - принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).

В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.

Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук - это лишь название для особого скоординированного типа движения тех же самых молекул. То есть большинство волн - это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

Имеются, однако, волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Так, электромагнитные волны в современной физике - это не колебание некоторой среды (называвшейся в XIX веке эфиром), а самостоятельное, самоподдерживающееся поле, способное распространяться в вакууме. Аналогично обстоит дело и с волнами вероятности материальных частиц.

1.2 Характеристики волны

Геометрические элементы. Геометрически у волны выделяют следующие элементы:

ü   гребень волны - множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия;

ü   долина (ложбина) волны - множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия;

ü   фронт волны - множество точек, имеющих в некий фиксированный момент времени одинаковую фазу колебаний. В зависимости от формы фронта волны выделяют плоские, сферические, эллиптические и другие волны.

Временная и пространственная периодичности. В отличие от стационарного колебания волны имеют две основные характеристики:

ü   временную периодичность - скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке, называемую частотой волны f;

ü   пространственную периодичность - скорость изменения фазы в определённый момент времени с изменением координаты - длина волны λ.

Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны, что отражено в законе дисперсии, который определяет, как именно волны будут выглядеть и распространяться. В упрощённом виде для линейных волн эта зависимость имеет следующий вид:

 (1.1)

где c - скорость распространения волны в данной среде.

Интенсивность волны. О силе волны судят по её амплитуде. В отличие от колебания, амплитуда волны - скалярная величина.

Но для количественной характеристики переносимой волной энергии используется вектор плотности потока энергии I. Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора. При небольших амплитудах:

 (1.2)

где A - амплитуда;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.

1.3 Классификации волн

Имеется множество классификаций волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т.п.

В зависимости от физической среды. В зависимости от физической среды, в которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают:

–             волны на поверхности жидкости;

–             упругие волны (звук, сейсмические волны);

–             объёмные волны (распространяющиеся в толще среды);

–             электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи);

–             гравитационные волны;

–             волны в плазме.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям.

–             линейные волны - волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;

–             нелинейные волны - волны с большими амплитудами, что приводит к возникновению совершенно новых эффектов и существенно изменяет характер уже известных явлений;

–             солитоны (уединённые волны);

–             ударные волны или нормальные разрывы.

По постоянству во времени.

–             одиночная волна - короткое одиночное возмущение (солитоны);

–             волновой пакет - это ряд возмущений, ограниченных во времени с перерывами между ними. Одно беспрерывное возмущение такого ряда называется цуг волн. В теории волновой пакет описывается как сумма всевозможных плоских волн, взятых с определёнными весами. В случае нелинейных волн, форма огибающей волнового пакета эволюционирует с течением времени;

1.4 Происхождение волн

Волны могут генерироваться различными способами:

.        Генерация локализованным источником колебаний (излучателем, антенной).

.        Спонтанная генерация волн в объёме при возникновении гидродинамических неустойчивостей. Такую природу могут иметь, например, волны на воде при достаточно большой скорости ветра, дующего над водной гладью.

.        Переход волн одного типа в волны другого типа. Например, при распространении электромагнитных волн в кристаллическом твёрдом теле могут генерироваться звуковые волны.

1.5 Общие свойства волн

Распространение в однородных средах. При распространении волн изменения их амплитуды и скорости в пространстве и времени зависят от свойств анизотропности среды, сквозь которую проходят волны.

Чаще волны в некоторой среде затухают, что связано с диссипативными процессами внутри среды. Но в случае некоторых специальным образом подготовленных метастабильных сред амплитуда волны может, наоборот, усиливаться (пример: генерация лазерного излучения).

На практике монохроматические волны встречаются очень редко. Поэтому наряду с фазовой скоростью волны используется и понятие групповой скорости, то есть скорость «центра тяжести» волнового пакета.

Групповая и фазовая скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Но при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.

Поскольку волна переносит энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света в вакууме, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света в среде распространения.

Дисперсия. Волновые цуги и негармонические волны могут быть представлены в виде суммы (суперпозиции) синусоидальных волн разных частот:

·          когда фазовые скорости всех этих волн одинаковы, то вся их группа (волновой пакет) движется с одной скоростью;

·          если же фазовая скорость волны зависит от её частоты w, наблюдается дисперсия - волны различных частот идут с разной скоростью (о дисперсии света см. Раздел 4.1.2.).

1.       Нормальная или отрицательная дисперсия (среды, прозрачные для света - стёкла и жидкости) тем больше, чем выше частота волны (за счёт дисперсии, например, луч белого света в призме разлагается в спектр, в каплях воды - в радугу).

Волновой пакет (представленный как набор гармонических волн, лежащих в диапазоне w0 ± Dw) из-за дисперсии расплывается:

–             его форма - огибающая амплитуд компонент цуга - искажается, но перемещается в пространстве со скоростью v_гр, называемой групповой скоростью;

–             при распространении волнового пакета максимумы волн, его составляющих, движутся быстрее огибающей => фазовая скорость сигнала выше групповой: с_ф > v_гр;

–             в хвостовой части пакета за счёт сложения волн возникают все новые максимумы, которые передвигаются вперёд и пропадают в его головной части.

.        В ряде случаев наблюдается также аномальная (положительная) дисперсия среды, при которой групповая скорость превышает фазовую: v_гр > с_ф, причём возможна ситуация, когда эти скорости направлены в противоположные стороны. Максимумы волн появляются в головной части пакета, перемещаются назад и исчезают в его хвосте.

Пространственные размеры волны. Пространственный размер волны - это размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой.

Теоретически большинство волн могут обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. Практически же все волны обладают конечными размерами.

v  Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны.

v  Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).

Некоторые виды волн, в частности, солитоны, являются ограниченными по построению волнами.

Поляризация. Поляризация волн - явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы - вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

-             несимметричная генерация волн в источнике возмущения;

-             анизотропность среды распространения волн;

-             преломление и отражение на границе двух сред.

Основными являются два вида поляризации:

.        Линейная - колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне».

.        Круговая - конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации, например, эллиптическую.

Рис.1.2. Линейная Рис. 1.3. Круговая Рис. 1.4. Эллиптическая поляризация

Взаимодействие с телами и границами раздела сред. Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результате этого часто наблюдаются следующие явления: отражение, преломление, рассеяние, дифракция, резонанс.

Конкретные эффекты, возникающие при этих процессах, зависит от свойств волны и характера препятствия.

Наложение волн. Излучения с разной длиной волны, но одинаковые по физической природе, могут взаимодействовать друг с другом, интерферировать. При этом могут возникнуть следующие частные эффекты:

-             стоячие волны;

-             бегущие волны;

-             биение - периодическое уменьшение и увеличение амплитуды суммарного излучения;

-             волновой пакет - образующиеся максимумы амплитуды имеют прерывистое распределение (волновой пакет Гаусса);

-             эффект Доплера - изменение длины и амплитуды волн при движении приёмника или источника излучения.

Конечный результат проявления от встречи волн зависит от их свойств: физической природы, когерентности, поляризации и т.д.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДЫ СВЕТА

.1 Общая характеристика световых явлений

.1.1 Разнообразные действия света

Чувствительность нашего зрительного аппарата (см. Главу 6) к свету чрезвычайно велика. Для получения светового ощущения, по современным измерениям, достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10^-17Дж световой энергии в секунду, т.е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равна 10^-17Вт.

Глаз принадлежит к числу самых чувствительных аппаратов, способных регистрировать присутствие света. Химическое действие света, сходное с действиями на чувствительные элементы глаза, можно наблюдать при выцветании на свету различных красок («выгорание тканей»). Химические превращения наблюдаются при поглощении света сравнительно немногочисленными светочувствительными материалами. Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и легко осуществляемый процесс, который может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии.

Энергия, доставляемая солнечным светом в южных широтах в ясный день, составляет более 1000Дж/сек на каждый м² поверхности (так что плоский железный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течения лета горячей водой).

Действие света может обнаруживаться и в некоторых электрических явлениях. Так, освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из неё электронов (фотоэффект). С помощью определённых устройств (например, фотоэлемента) можно без труда наблюдать электрический ток, возникающий под действием света (если бы можно было покрыть крышу небольшого дома веществом, используемом в таком фотоэлементе, то в ясный день удалось бы за счёт световой энергии получать электрический ток мощностью несколько киловатт).

Наконец, наблюдается и непосредственное механическое действие света. Оно проявляется в давлении света на поверхность тела, отражающего или поглощающего свет. Придавая этому телу вид лёгкого подвижного крылышка, удалось обнаружить поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Этот опыт был впервые произведён П.Н. Лебедевым в г. Москве в 1900 г. Подсчёт показывает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркальную поверхность размером 1 м², действует на неё с силой всего лишь около 4 мкН (хотя, современные лазеры позволяют при концентрации энергии на малую поверхность получить световое давление в 10⁶ атм.

Итак, все эти примеры говорят о наличии энергии в световом излучении, превращение которой и обнаруживается во всех описанных явлениях.

2.1.2 Особенности света, выявляющие его природу

Все, конечно, видели цветные полосы, красивые переливы на воде, если она покрыта пятнами нефти или масла. Обращает на себя внимание прихотливое расположение этих цветовых полос, а переливы, т.е. смена цветов при повороте головы наблюдателя, особенно. Той же природы переливы на поверхности мыльного пузыря.

Разнообразие цветов в этих примерах явно связано с тем, что мы производим своё наблюдение в белом свете. Поставим на пути света какое-нибудь цветное стекло, и мы убедимся, что вместо цветных полос будут наблюдаться полосы одного цвета, большей или меньшей яркости, разделённые тёмными промежутками. Форма и расположение полос при этом не изменяются. Например, если применим зелёное стекло, то полосы, имевшие при освещении белым светом зелёный тон, останутся практически неизменными, а красные полосы станут чёрными. Это явление станет ещё отчётливее, если в качестве одноцветного света взять пламя горелки с введённым в него кусочком асбеста в поваренной соли, что придаст, благодаря излучению паров натрия, жёлтый цвет огню; цвет этот весьма однороден. В этом свете можно наблюдать картину из ярко-жёлтых полос, постепенно переходящих в глубокие чёрные. Таким образом, картинка состоит из чередования светлых полос, посылающих много света в глаз наблюдателя (максимумы), и тёмных полос, от которых к наблюдателю совсем не идёт свет (минимумы).

В этих опытах мы видим явления, аналогичные описанным в Главе 1, получившие название интерференции волн. Там указывались условия, при которых наложение двух волн к перераспределению энергии, т.е. к образованию максимумом и минимумов энергии. В наших оптических опытах мы так же видим перераспределение энергии, в результате которого вместо равномерной освещённости образуются тёмные области (минимумы) и области повышенной освещённость (максимумы). Итак, в опытах этих проявилась способность света к интерференции, т.е. обнаружился волновой характер световых явлений. То обстоятельство, что максимум для разных цветов приходится на различные места, показывает, что различным цветам, соответствуют разные длины волн (см. Главу 4).

2.1.3 Краткие сведения из истории оптики

Ответ на вопрос о природе световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом, как это обычно и бывает, представление о природе света менялось по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления о природе света развивались ещё в 17 в. Х. Гюй-генсом и поддерживались на протяжении 18 в. Л. Эйлером, М.В. Ломоносовым и В. Франклином. Однако в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку быстро летящих частичек (И.Ньютон).

Будучи профессором математики, Ньютон большую часть своих занятий посвящал оптике. Свет и его свойства были в центре внимания естествоиспытателей в течение многих веков. А в 17 веке к этому интересу добавилось ещё одно немаловажное обстоятельство. Искусство печати, зародившееся в середине 15 века, долгое время оставалось в основном чёрно-белым, хотя уже первое издание Библии 1450 г., осуществлённое немецким изобретателем книгопечатания Иоганном Гуттенбергом, содержит некоторые заглавные буквы, выполненные в два цвета. На протяжении всего 16 столетия многие мастера-печатники пытались получить различные цвета, смешивая разные краски. Выяснилось, что основные потребности печати покрываются, если использовать всего 4 краски: 3 цветные и чёрную. Известный английский физик и химик Роберт Бойль (1627-1691) знал, что для печати достаточно 4 цветных красок, и был уверен: их число можно уменьшить до 3 (впоследствии это оказалось неверным).

Бойль ещё не смог прийти к выводу, полученному Ньютоном в годы вулсторпского уединения, что белый свет - это смесь всех цветов радуги и призма не окрашивает свет, а лишь разлагает его на составные части. Однако он вплотную приблизился к такому выводу, утверждая, например, что окраска поверхности возникает как следствие её собственных свойств, а не свойств света. Так, чёрное тело просто поглощает весь падающий на него свет. Это Бойль доказал тем, что рука в чёрной перчатке нагревается на солнце гораздо сильнее, чем рука в белой.

Ньютон много размышлял об опытах Бойля. Он смог сконструировать оптическое экспериментальное устройство, состоящее из 2х призм и диафрагм различной формы. С его помощью учёный показал, что если из разложенного призмой спектра вырезать луч определённого цвета и направить на другую призму, то она никак не изменит его.

Основываясь на результатах этого и подобных опытов, Ньютон сделал попытку построить свою теорию цвета и света, оспаривая мнение Декарта, утверждавшего, что свет - «давление». (Сам Ньютон считал, что свет - «тело».) Если бы свет был давлением, говорил он, то люди видели бы ночью так же хорошо, как днём, а возможно, даже лучше. Правда, объяснение, которое Ньютон дал такому утверждению, весьма туманно. Свои соображения он изложил в мемуаре «Новая теория света и цветов» и представил его 6 февраля 1672 г. Лондонскому королевскому обществу. Многие его члены не согласились с выводами учёного, и прежде всего с тем, который касался «телесных» свойств света. Роберт Гук и Христиан Гюйгенс показали, что эксперименты Ньютона могут быть в равной степени объяснены иначе, хотя и приняли его главный тезис: белый свет не является простым, а представляет собой смесь лучей всех цветов радуги в равных долях.

Полемизируя с ними, Ньютон строил свою защиту на том, что в мемуаре не было окончательного утверждения: «Свет - тело», а содержалось лишь предположение: «Свет, наверное, тело». Он изобретательно продемонстрировал трудности волновой теории; среди них, по его мнению, сложнее всего было объяснить прямолинейное распространение света. Ньютон даже предложил компромиссный вариант, объединивший волновые свойства света с корпускулярными, показав, как хорошо можно объяснить происхождение цветов тонких плёнок, исходя из волновых свойств. (Подробнее о взаимосвязи света и цвета см. Главу 5.)

Лишь в начале 19 века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надёжно обоснована волновая природа света. При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обусловливающими акустические явления. Однако две важные особенности отличают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удалён воздух или другая среда, тогда как звук в вакууме распространяться не может. Распространение света в вакууме можно наблюдать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух. Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звёзд, отделённых от нас огромными пространствами, содержащими в единице объёма ещё меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы (по современным данным в межзвёздном пространстве приходится в среднем около 1 атома на 1 см³, тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее 10⁸ атомов или молекул в 1 см³).

Во-вторых, отличительной особенностью световых волн по сравнению с волнами звуковыми является огромная скорость их распространения.

В подразделе 2.1.1 были рассмотрены разнообразные проявления света, показывающие, что он несёт с собой энергию. Естественен отсюда и вопрос о том, с какой скоростью распространяется световая энергия. Попытки ответить на этот вопрос предпринимались уже давно. Так, ещё Г. Галилей (1607 г.) пытался определить скорость распространения света с помощью следующего простого опыта. Представим себе двух наблюдателей А и В, находящихся на расстоянии L друг от друга и снабжённых одинаковыми хорошо выверенными часами. Если наблюдатель А в некоторый момент пошлёт световой сигнал (например, быстро откроет заслонку фонаря), а наблюдатель В отметит по своим часам тот момент, когда он увидит этот сигнал, то можно будет определить время Т, за которое свет прошёл данный путь L, и, следовательно, определить скорость света С= L/Т.

Можно значительно упростить и усовершенствовать опыт, если вместо второго наблюдателя поместить зеркало. Наблюдатель, открывающий фонарь, отметит также и момент, когда световой сигнал, отразившийся от зеркала, вернётся к нему, т.е. пройдёт путь 2L. Т.о. удалось бы определить скорость света, располагая лишь одними часами. Но опыт Галилея как в первом, так и во втором вариантах не дал определённых результатов. Естественно, что регистрация момента выхода и прихода сигнала делается с некоторыми ошибками. Скорость же света оказалась настолько большой, что время прохождения светом сравнительно небольших расстояний, на которые можно было бы отдалить пункты А и В, было значительно меньше указанных ошибок. Поэтому принципиально правильный опыт не дал удовлетворительных результатов. Необходимые возможные усовершенствования - значительное увеличение расстояния L или сильное повышение точности измерения - были внесены впоследствии и дали благоприятные результаты.

В методе датского астронома Олафа Рёмера (1644-1710), предложенном в 1675 г., были использованы огромные расстояния, с которыми имеет дело астроном. Световым сигналом, исходящим из пункта А, служили затмения спутника Юпитера, наблюдатель на Земле регистрировал момент затмения. Обращение ближайшего к Юпитеру спутника происходит за 1³/₄ дня, т.е. затмения его весьма часты. Рёмер установил, что наблюдаются затмения не вполне регулярно. Если, например, начиная с положения Земли З₁, предвычислить моменты ожидаемых затмений и произвести наблюдения при положении Земли примерно через Ѕ года (Период обращения Юпитера почти в 12 раз больше периода обращения Земли. Поэтому Ю₁, Ю₂, Ю₃ разделены промежутками около полугода), то момент затмения оказывается запоздавшим против вычисленного почти на 16 мин. Однако те же вычисления дают правильный результат, если вновь провести наблюдения к моменту положения Земли З₃, т.е. ещё через полгода.

Рёмер дал простое объяснение этим явлениям: надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошёл добавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99х10⁸ км, добавочное время - 966,4 с, отсюда скорость света С равна приблизительно 300000 км/с. Сам Рёмер нашёл для скорости света С значение 215000 км/с.

Другой, во много раз более точный способ определить скорость света, не прибегая к огромным расстояниям между пунктами А и В, предложил французский физик Леон Фуко (1819-1868). Его метод назван методом вращающегося зеркала. Скорость света, определённая Фуко с помощью этого зеркала, равна 296000 км/с. А также, помещая на пути движения света трубу с водой, он смог измерить скорость распространения света в воде и получил значение, в ⁴/₃ раза меньшее, чем в воздухе, в соответствии с представлениями Х.Гюйгенса.

Введя ряд остроумных усовершенствований в метод вращающегося зеркала, американский физик Альберт Майкельсон (1852-1931) значительно повысил точность определения скорости света. По его определениям (1927) С=299796 км/с.

И в дальнейшем это число уточнялось. Так, в 1973 г. решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным науки и техники, обобщившим все известные экспериментальные данные, скорость света в вакууме принято считать равной 299792458±1,2 м/с.

Однако в масштабах астрономических эта скорость не так уж и велика. Так, свет идёт от Солнца до Земли около 8 мин., а от ближайшей звезды - около 4 лет. За год свет проходит расстояние примерно в 10¹³ км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она названа световым годом.

Наряду с этой единицей астрономы используют парсек. Парсек (т.е. параллакс-секунда) - это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн. км) виден под углом 1². Парсек равен примерно 3¹/₄ светового года.

Огромная скорость света выделяла оптические явления из всех других, известных в первой четверти 19 в. Примерно полвека спустя Дж. Максвелл установил, исходя из теоретических соображений, что с такой именно скоростью должно распространяться всякое электромагнитное возмущение (см. Главу 3). Через некоторое время Г. Герц на опыте осуществил электромагнитные волны, скорость распространения которых действительно оказалась равной скорости распространения света.

Дальнейшими исследованиями и в первую очередь опытами П.Н. Лебедева, получившего самые короткие по тому времени электромагнитные волны (6 мм), было установлено, что все основные свойства электромагнитных волн (см. Главу 3) совпадают со свойствами волн световых. Все эти важные факты привели к мысли, что световые волны представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся от волн, обычно применяемых в радиотехнике, своей очень малой длиной, меньше микрометра (см. Главу 4).

Электромагнитной природой световых волн объясняется испускание электронов освещёнными металлами, т.е. фотоэлектрический эффект, Существует и ряд других явлений, обнаруживающих связь между светом и электромагнитными процессами. Светящиеся тела (например, Солнце) испускают электромагнитные (первичные) волны. Попадая на какое-нибудь тело, такая первичная волна вызывает вынужденные колебания его электронов, которые становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Всё многообразие световых явлений, все видимые нами окраски и очертания предметов представляют собой суперпозицию (наложение) первичных и вторичных волн. Многие черты световых волновых явлений оказываются сходными для волновых процессов самой разнообразной природы, поэтому знакомясь в дальнейшем с некоторыми основными понятиями геометрической, а также физической оптики, мы будем пользоваться сведениями о волнах, изложенных в Главе 1.

Накопление новых экспериментальных данных привело в 20 веке к заключению, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами (кванты света, или фотоны), о которых см. в Главе 7.

В настоящее время квантовая теория объединяет волновые и корпускулярные представления о свете в единое целое, так же как она объединяет волновые и корпускулярные представления об электронах, атомах и других частицах.

свет оптика отражение преломление

Глава 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

.1 Понятие явления

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) - это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (т.е. взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение (см. схему справа).

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

3.2 Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света. В большинстве случаев (обычно) скорость - и групповая, и фазовая - распространения электромагнитного излучения в веществе отличается от таковых в вакууме очень незначительно.

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (Стандартная модель) при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем - при еще более высоких энергиях - как ожидается - со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику - предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других - медицинских и биологических - позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей - фундаментальных и прикладных - таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего - определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

ü  наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

ü  электромагнитные волны - это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику, в том числе и через вакуум.

3.2 Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет (см. Главу 4), характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к глубокому качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. табл. 3.1). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Основные характеристики видов электромагнитного излучения

Таблица 3.1

Глава 4. ВИДИМОЕ (ОПТИЧЕСКОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, как видно из предыдущей главы, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн. В дальнейшем мы будем говорить о свойствах только видимого излучения, чтобы не выступать за рамки темы курсовой работы.

4.1 Свет и цвет. Дисперсия света

Данные таблицы 3.1 позволяют сделать вывод о том, что человеческий глаз способен различать электромагнитные волны, чья длина находится в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Конечно, эти границы довольно неопределённы, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколько более короткие (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 нм). Свойства этих волн, как уже сказано, различаются в зависимости от их длин.

Для разделения волн различной длины обычно применяют какой-либо способ разложения (см. раздел 5.1) света сложного излучения в спектр (см. далее в разделе 4.1.3). В случае видимого света для этого можно воспользоваться призмой или дифракционной решёткой.

Рис. 4.1. Диапазоны электромагнитного излучения. Видимое излучение.

4.1.1 Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона

Вопрос о причине различной окраски тел занимал человека давно. Много было наблюдений в распоряжении исследователей, и житейских, и научных, но вплоть до работ Ньютон (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила неопределённость. Считали, что цвет есть свойство самого тела, хотя люди видели, что цвет сильно меняется в зависимости от времени дня и условий освещения. Было мнение, что цвета получаются как «смесь» света и темноты, т.е. смешивались два существенно различающихся понятия - цвет и освещённость (см. раздел 5.2). С незапамятных времён наблюдались превосходные (радужные) цвета радуг и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596-1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему остались неясны. Точно так же была всем хорошо известна игра цветов в гранёных алмазах и стеклянных призмах.

4.1.2 Открытие Ньютоном дисперсии света

Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, он сделал свои величайшие оптические открытия.

Рис. 4.2. Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона). Зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны.

В своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 г., он опубликовал результаты своих опытов (1671-1672) разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не привносится призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света - преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом (см. рис. 4.3.).

Рис. 4.3. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света

Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

ü   у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;

ü   у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Однако в некоторых веществах (например, в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр - равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

Рис.4.4. Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу - как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения Солнца.

4.2 Дифракция света

Дифракция света (Д.с.), явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие Д.с. при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос. Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие Д.с. в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света.

Д.с. играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, например на пылинках, капельках тумана и т.п. На Д.с. основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров). Д.с. определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.).

Дифракционная решётка (Д.р.) - это оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесённых на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, Д.р. представляет собой периодическую структуру: штрихи с определённым и постоянным для данной решётки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток d, называется периодом Д.р. В Д.р. происходит дифракция света. Основное свойство Д.р. - способность разлагать падающий на неё пучок света по длинам волн, т. е. в спектр, что используется в спектральных приборах. Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то Д.р. называются плоскими, если на вогнутую (обычно сферическую) поверхность - вогнутыми. Различают отражательные и прозрачные Д.р. У отражательных штрихи наносятся на зеркальную (обычно металлическую) поверхность и наблюдение ведётся в отражённом свете. У прозрачных штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки (или вырезаются в виде узких щелей в непрозрачном экране) и наблюдение ведётся в проходящем свете. В современных спектральных приборах применяются главным образом отражательные Д.р.

Рис.4.5. Дифракция лазерного луча с длиной волны 650 нм, прошедшего через отверстие диаметром 0,2 мм

Рис.4.6. Тень винта, окруженная дифракционными полосами

4.3 Интерференция света

Интерференция света - нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691) и Робертом Гуком (1635-1703). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Интерференция света - это явление перераспределения энергии в пространстве.

Рис. 4.7. Интерференция света - опыт Юнга

Глава 5. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

.1 Основные законы геометрической оптики

Прямолинейное распространение света. В однородной среде свет распространяется вдоль прямых линий. Ряд опытов, иллюстрирующих это положение, общеизвестен. При освещении предмета точечным источником получается резкая тень, форма которой подобна форме некоторого сечения предмета, параллельного плоскости экрана; размеры же тени определяются взаимным расположением источника, предмета и экрана в полном соответствии с проецировании при помощи прямых линий. Так же, если мы поставим на пути света непрозрачный картон с отверстиями, которые, конечно, во много раз превосходят длину световой волны, мы увидим путь света в комнате в виде узких каналов, опирающихся на края отверстий. При любом положении картона эти каналы имеют одно и то же направление, указывая на Солнце. Если же в тёмной комнате поставить внутри тёмного ящика с несколькими отверстиями яркую лампочку, то путь выходящего света обрисуется в запылённом воздухе в виде расходящихся в разные стороны пучков, при этом пучки эти сходятся в том месте, где находится нить лампы. Геометрические линии, указывающие направление распространения света, называются световыми лучами. Эти лучи в рассмотренных примерах будут почти параллельны линиям, направленным на Солнце, или радиусам, перпендикулярным поверхности сферы, описанной из места расположения нити лампочки. Вдоль этих лучей и распространяется световая волна. Польза, которую мы извлекаем из геометрического понятия световых лучей, состоит в том, что с его помощью мы можем устанавливать направление распространения лучей. Законы, определяющие изменение направления лучей, позволяют решать очень важные в оптике задачи об изменении направления распространения световой энергии.

Рис. 5.1. Прямолинейное распространение света

Отражение света (О.с.) явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой воздействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. При этом, по крайней мере, первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.

Пространственное распределение интенсивности отражённого света определяется отношением размеров неровностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излучения. Если неровности малы по сравнению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О.с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О.с. диффузно. Возможно также смешанное О.с., при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть - диффузно. Если же неровности с размерами =l и более расположены регулярно, распределение отражённого света имеет особый характер, близкий к наблюдаемому при О.с. от дифракционной решётки. О.с. тесно связано с явлениями преломления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности).

Зеркальное О.с. отличает определенная связь положений падающего и отражённого лучей:

.        Отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности.

.        Угол отражения i` равен углу падения i (см. рис. 5.2).

Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от α и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 второй и первой сред (о преломлении света см. ниже).

Рис. 5.2. Зеркальное отражение света: N - нормаль к отражающей поверхности (границе раздела); i - угол падения; i` -угол отражения (i = i`).

Диффузное О.с. - его рассеивание неровной поверхностью второй среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Диффузное О.с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в первую среду. И поглощение, и рассеяние света во второй среде могут сильно зависеть от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом) визуально воспринимается как окраска тел.

Преломление света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения. Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Установим наклонно карандаш в сосуде с водой. Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3. Иллюстрация к явлению преломления света

Падающий, отраженный и преломленный лучи нетрудно наблюдать, сделав узкий световой пучок видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцентом воде аквариума (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Отражение и преломление падающего луча

Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред - преломлением света.

Закон преломления света определяет взаимное расположение падающего луча АВ (см. рис. 5.5), преломленного луча DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол a называется углом падения, а угол b - углом преломления.

Рис. 5.5. Закон преломления света

Закон преломления звучит так:

1.       Луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к поверхности раздела лежат в одной плоскости.

2.       Угол падения и угол преломления связаны соотношением

 (5.1)

где n - постоянная величина, не зависящая от угла падания и определяющаяся оптическими свойствами среды.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т.е. от температуры вещества его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого - меньше, чем для фиолетового. Например, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно п₁»1,000292.

Значения показателей преломления для некоторых веществ относительно воздуха приведены в табл. 5.1 (данные относятся к желтому свету).

Значения показателей преломления веществ относительно воздуха

Таблица 5.1

Ход лучей в треугольной призме. Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов.

Рис. 5.6. Ход лучей в треугольной призме

На рисунке 5.6 изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и 0В. Угол j между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол q отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы j, показателя преломления п материала призмы и угла падения a. Он может быть вычислен с помощью закона преломления.

5.2 Светотехнические величины

Количественные показатели:

1.       Лучистая энергия (Дж).

2.       Лучистый поток (Вт, количество энергии/t).

.        Световой поток (F, люмен (лм)).

.        Освещённость (поверхностная плотность светового потока, E=F/S, люкс (лк)).

.        Сила света (пространственная плотность светового потока, I=F/W, кандела (кд), W - телесный, или пространственный угол (стерадиан)).

6.       Яркость (B=I/SЧcos , кд/м² , нит).

.        Коэффициент отражения.

Качественные показатели:

1.       Коэффициент пульсации.

2.       Показатель ослеплённости и показатель дискомфорта.

.        Спектральный состав света.

Также для оценки условий зрительной работы используются такие характеристики, как:

4.       Фон.

5.       Контраст объекта с фоном.

.        Видимость объекта.

Сила света источника (I). Это количественная величина потока излучения, приходящегося на единицу телесного угла (Ω) предела его распространения. Иными словами это количество света (в люменах), приходящееся на 1 стерадиан. Стерадиан (ср (кириллицей), sr) - единица измерения (в системе СИ) телесного угла. Единицей силы света является кандела (кд), от от лат. candela - свеча, ранее определяемая как сила света, испускаемая с поверхности абсолютно чёрного тела площадью 1/600000 м², нагретого до температуры затвердевания платины (2046,65°К) и при давлении 101325 Па. Современное определение: сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540Ч1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому. До 1970 г. называлась свечой, так как сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе.

Телесный угол - часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность (которая называется поверхностью, стягивающей данный телесный угол). Частными случаями телесного угла являются трёхгранные и многогранные углы. Границей телесного угла является некоторая коническая поверхность.

Телесный угол измеряется отношением площади той части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы:

 (5.2)

Рис. 5.7. Телесный (пространственный) угол, стерадиан

Очевидно, телесные углы измеряются отвлечёнными (безразмерными) величинами. Как уже сказано выше, единицей измерения телесного угла является стерадиан, равный телесному углу, вырезающему из сферы радиуса r поверхность с площадью r². Полная сфера образует телесный угол, равный 4π стерадиан (полный телесный угол). Кроме стерадианов, телесный угол может измеряться в квадратных градусах, квадратных минутах и квадратных секундах, а также в долях полного телесного угла.

Коэффициенты пересчёта единиц телесного угла

Таблица 5.2

Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы ограничиваемый им поток можно было бы считать наиболее равномерным. Тогда единица телесного угла в этом направлении от источника будет содержать силу света численно равную световому потоку I:

 -

Если световой поток Ф испускается точечным источником равномерно по всем направлениям, то есть истинная сила света точечного источника по любому направлению.

Световой поток (Φ). Световой поток - физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом. Единица измерения СИ: люмен (лм). Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кдЧср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Для определения величины светового потока, сначала необходимо спектральную плотность мощности излучения умножить на кривую спектральной чувствительности глаза V_λ, затем проинтегрировать в пределах видимого диапазона длин волны (т.е. от 380 до 780 нм). Затем полученный результат (Φ_e; измеряется в Вт) нужно умножить на фотометрический эквивалент излучения (K_m; константа=683 лм/Вт).

(5.4)

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов - сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях - в телесный угол 4π.

Для этого можно использовать сферический фотометр - прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/мІ) по площади сферы (мІ), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр. Можно также использовать простой фотоэлемент, если сравнивать измеренный поток с потоком от эталонного источника.

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением основной фотометрической величины - канделы, а именно, одна кандела - это сила света, излучаемая в каком-либо направлении источником монохроматического излучения с частотой 540Ч10¹² Гц, имеющим в этом направлении мощность излучения 1/683 Ватт/стерадиан. Излучение с частотой 540Ч10¹² Гц соответствует в воздухе длине волны 555 нм, т.е. максимуму кривой спектральной чувствительности светоадаптированного глаза. Поэтому коэффициент K_m находится из тождества:

1 кд = K_m·V_λ(555)·1/683 Вт/ср, (5.5)

следовательно

_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется. Поскольку величина канделы не зависит от вида кривой спектральной чувствительности, то все предыдущие соображения остаются справедливыми. Для определения величины фотометрического эквивалента излучения ночного зрения K'_m достаточно заменить значение V_λ(555)=1 на V'_λ(555)=0,402 (на значение кривой спектральной чувствительности для ночного зрения на длине волны 555 нм). При этом получим K'_m=1699 лм/Вт.

Человеческий глаз считается светоадаптированным при яркостях более 100 кд/мІ. Ночное зрение наступает при яркостях менее 10⁻³ кд/мІ. В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Освещённость (Е). Физическая величина, численно равная световому потоку Ф, падающему на единицу поверхности S:

(5.6)

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС - фот (один фот равен 10000 люксов). В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещённость  от точечного источника находят по формуле:

(5.7)

где - сила света в канделах;

- расстояние до источника света;

- угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Освещённость в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии - с помощью люксметров.

Значения освещённости в различных условиях

Таблица 5.3

Яркость (В). Это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Или - характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

(5.8)

В системе СИ измеряется в канделах на мІ, единицей измерения служит нит (1нт=1кд/1мІ).

Существуют также другие единицы измерения яркости - стильб и апостильб. Апостильб (обозначение: асб, asb; от греч. Αποστίλβω - сверкаю)- устаревшая единица яркости освещённой поверхности в системе СГС.

апостильб- это яркость поверхности, равномерно рассеивающей свет по всем направлениям и обладающей светимостью 1 лм/мІ:

асб = 1/π Ч 10⁻⁴ сб = 0,3199 нт.

Яркость рассчитывается по формуле:

Ярк=0,3ЧR+0,59ЧG+0,11ЧB (5.9)

Данные коэффициенты обусловлены физиологическими особенностями человеческого глаза. Формула приведена для аддитивной системы цветовой передачи RGB.

Коэффициент отражения (). Этот коэффициент характеризует способность поверхности к отражению падающего на неё светового потока. Определяется как отношение отражённого светового потока Ф_отр к падающему на поверхность световому потоку Ф_пад. (подробно см. раздел 5.1).

Фон. Поверхность, которая прилегает к объекту различения. Фон характеризуется коэффициентом отражения: =Ф_отр/Ф_пад. Если >0,5, то фон считается светлым, если <0,5, то фон средний, если <0,2, то фон тёмный.

Контраст между объектом и фоном (К). Степень различения объекта и фона характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона.

К= (В_ф-В_о)/В_ф (5.10)

где В_ф - яркость фона (кд/м²);

В_о - яркость объекта (кд/м²).

Контраст считается большим, если К>0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при К=0,2...0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при К<0,2 (объект слабо заметен на фоне).

Видимость (). Характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е.

V = К/К_пор (5.11)

где К_пор - пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

Коэффициент пульсации освещенности К_E. Это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока:

К_E= (Е_max- Е_min)/(2Е_cp)100% (5.12)

где Е_min, Е_max, Е_ср - минимальное, максимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для газоразрядных ламп K_E = 25...65%, для обычных ламп накаливания К_E = 7%, для галогенных ламп накаливания К_Е = 1%.

Показатель ослеплённости (Р_о). Критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой:

_o= (V1/V2-1)100 (5.13)

где V1/V2=S (коэффициент ослеплённости);и V2 - видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

Показатель ослепленности является безразмерной величиной и регламентируется нормами в зависимости от точности зрительной работы: чем точнее работа, тем меньший показатель ослепленности допускается, и изменяется в диапазоне от 10 до 40.

В английских нормах используется индекс блескости GI (glare index). В американских стандартах в течение долгого времени использовался показатель - вероятность зрительного комфорта VCP (visual comfort probability). В новых европейских и международных стандартах для регламентации прямого слепящего действия в производственных помещениях используется обобщенный показатель дискомфорта UGR (unified glare raiting). Он учитывает все светильники, создающие слепящую блескость на рабочем месте. Для оценки прямого слепящего действия используются таблицы UGR, предоставляемые производителями светильников. Оба метода хорошо согласуются друг с другом.

Отраженная блескость и коэффициент передачи контраста. На практике отражающие свойства объекта и фона отличаются от равномерно-диффузного отражения. Отражения ярких частей осветительных приборов от поверхностей с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, попадающие в поле зрения работающего, оказывают отрицательное влияние на зрительную работоспособность. Пространственное распределение светового потока может или увеличить контраст, облегчив работу зрения, или уменьшить его, усложнив зрительную задачу. Направленно-рассеянное, зеркальное или смешанное отражение света приводит к возникновению отраженной блескости, снижающей контраст объекта с фоном. Для характеристики этого процесса Международной комиссией по освещению МКО был введен коэффициент передачи контраста CRF (contrast rendering factor).

Коэффициент передачи контраста определен как отношение контраста тест-объекта в реальных условиях освещения к контрасту в «стандартных» условиях освещения - при освещении равнояркой полусферой. Его величина может быть как больше, так и меньше единицы. Расчет коэффициента передачи контраста проводится на основе программных средств.

Зрительные работы с матовыми материалами. При технической невозможности отведения отраженного блика от глаз работающего яркость выходного отверстия светильника, определяющая яркость блика на рабочей поверхности с зеркальным или направленно-рассеянным отражением, должна ограничиваться. Согласно российским строительным нормам СНИП 23-05-95, наибольшая допустимая яркость рабочих поверхностей с зеркальным и направленно-рассеянным отражением определяется в соответствии с табл. 5.4.

Значения наибольшей допустимой яркости рабочих поверхностей

Таблица 5.4

Большинство объектов различения промышленного производства являются трехмерными (объемными или рельефными), а коэффициенты отражения объектов различения и фона одинаковы. Видимость, воспринимаемые глазом размеры трехмерного объекта и его контраст с фоном определяются микрораспределением яркости по поверхности трехмерного объекта и прилегающему к нему участку фона.

Контраст трехмерных объектов с диффузным отражением может быть повышен за счет образования собственных теней на объекте и прилегающем к нему фоне при направленном освещении. Контраст трехмерных объектов с зеркальным или направленно-рассеянным отражением может быть повышен за счет образования изображения излучателя в различаемом объекте, которое зеркально отражается и направлении глаз работающего.

Повышение контраста трехмерных объектов различения также можно характеризовать коэффициентом передачи контраста CRF. Наиболее удобным тест-обьектом при этом может служить полусферическая вмятина, расположенная на горизонтальной поверхности с равномерно-диффузным отражением. В «стандартных» условиях освещения - освещении равнояркой полусферой, - яркость в любой точке сферической поверхности является постоянной величиной, а контраст с прилегающей поверхностью фона зависит только от коэффициента отражения поверхности.

При направленном освещении контраст тест-обьекта повышается за счет образования собственно тени на его поверхности, достигая наибольших значений при направлении света от точечного источника под малым углом к освещаемой поверхности.

Равномерность распределения яркости в поле зрения. В нормах освещения регламентируется равномерность распределения яркости на рабочей поверхности и в освещаемом пространстве путем указания максимально допустимых соотношений яркости различных поверхностей или путем предъявления определенных требований к распределению освещенности и к отражающим свойствам поверхностей, находящихся в поле зрения. Центральная часть поля зрения, где производится зрительная работа, не должна быть темнее окружения или много светлее его. В то же время яркость поля зрения не должна быть равномерна, что выявляет неприятное ощущение монотонности. Наилучший вариант, когда яркость окружения несколько меньше яркости центра.

В отечественных нормах регламентируется только равномерность распределения освещенности по помещению. Отношение B_мин/B_макс должно быть не менее 0,33 для зрительных работ I-II разрядов и 0,2-0,5 для зрительных работ IV-VIII разрядов.

В европейских нормах нормируемые освещенности определены как средние значения в пределах рабочей зоны. Освещенность в зоне окружения, прилегающей к рабочей зоне, выбирается, как правило, меньшей. В каждой из зон должна быть обеспечена требуемая равномерность освещения B_мин/B_макс: не менее 0,7-0,8 в рабочей зоне и не менее 0,5 в зоне окружения.

Рекомендуемые освещенности в рабочей зоне и зоне окружения в международных стандартах представлены в табл. 5.5.

Рекомендуемые освещенности в рабочей зоне и зоне окружения (международные стандарты)

Таблица 5.5

Ограничение блёскости. Во многих странах разработаны практические способы, позволяющие гарантировать, что осветительная установка не создаст блескости, приводящей к некоторой степени дискомфорта.

Блескость от окон. Можно дать несколько общих рекомендаций с целью уменьшения блескости:

1.       Прошедший через окна солнечный свет может служить главным источником блескости при непосредственном попадании в глаза или после отражения. В каждом из таких случаев следует предусматривать систему экранирования солнечных лучей.

2.       Степень дискомфорта, вызванная блескостью, создаваемой окном, зависит главным образом от яркости неба, видимого через окно, и в очень малой степени от размеров окна, за исключением случая, когда оно очень маленькое или значительно удалено от наблюдателя.

.        Исключая очень пасмурные дни, работник, взглянув на небо через окно без гардин, может испытать некоторое неудобство. За исключением тех случаев, когда нормальное положение персонала на своих рабочих местах исключает попадание окон в их поле зрения, все окна должны быть снабжены какими-либо средствами защиты (например, гардинами, шторами, ставнями), снижающими яркость неба в ясные дни, пропуская или не пропуская солнечный свет.

.        Другие способы уменьшения дискомфорта, возникающего из-за наличия окон, без снижения количества прошедшего в помещение дневного света, состоят в разумном выборе формы и коэффициента отражения поверхностей, окружающих окна, чтобы увеличить яркость пространства, непосредственно вокруг светопроема.

.        Слепящая блескость устраняется при таком расположении рабочих мест, чтобы свет неба высокой яркости, проходящий через окно, не попадал в поле зрения при выполнении задания.

Блеск и вуалирующие блики. Существует много способов устранения воздействия блеска и вуалирующих бликов. Наиболее эффективным способом является размещение персонала и/или реального источника света таким образом, чтобы его отражения не попадали в глаза работающему. Дополнительный способ направлен на снижение яркости используемых материалов.

Блики, отвлекающие или расстраивающие внимание и находящиеся вблизи поля зрения при выполнении задания, могут быть устранены, если исключить применение направленно-отражающих покрытий для рабочих столов и других подобных плоскостей.

Вуалирующие блики приводят к снижению контрастов задания. Карандашные линии, например, различаются с трудом, если на них падает свет, так как отблески меняют их окраску от черного до бледно-серого. Печатные тексты испытывают такое же воздействие. В этом случае лучшим способом защиты является правильное взаимное размещение, при котором вуалирующие блики не попадают в глаза. Если это невозможно, то нежелательный эффект можно устранить, увеличив освещенность объекта посредством местного освещения, направленного таким образом, чтобы оно само не способствовало появлению вуалирующих бликов.

Другие способы состоят в выборе светильников с большой площадью поверхности и низкой яркостью или светильников с пониженной яркостью в направлении возможного отражения. Увеличивая яркость всего потолка при использовании матовых отделочных покрытий с высоким коэффициентом отражения для потолка, стен и пола и желательно добавляя к этому светильники, направляющие свет вверх, добиваются снижения блеска и вуалирующих бликов. Коэффициент передачи контраста (КПК) введен как количественное выражение этих эффектов.

Показатель дискомфорта (М). Критерий оценки дискомфортной блёскости, вызывающей неприятные ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле зрения, выражающийся формулой:

(5.14)

где L_с - яркость блеского источника, кд/м²;

ω - угловой размер блеского источника, ср;

φ_θ - индекс позиции блеского источника относительно линии зрения;

L_ад - яркость адаптации, кд/м².

Глава 6. Глаз

Глаз (лат. <#"581722.files/image033.gif">

Рис. 6.1. Эволюция глаза: глазное пятно- глазная ямка- глазной бокал- глазной пузырь - глазное яблоко.

Глаз человека <#"581722.files/image034.gif">

Рис. 6.2. Внутреннее строение глаза человека

. Задняя камера

. Зубчатый край

. Ресничная (аккомодационная) мышца

. Ресничный (цилиарный) поясок

. Шлеммов канал

. Зрачок

. Передняя камера

. Роговица

. Радужная оболочка

. Кора хрусталика

. Ядро хрусталика

. Цилиарный отросток

. Конъюнктива

. Нижняя косая мышца

. Нижняя прямая мышца

. Медиальная прямая мышца

. Артерии и вены сетчатки

. Слепое пятно

. Твердая мозговая оболочка

. Центральная артерия сетчатки

. Центральная вена сетчатки

. Зрительный нерв

. Вортикозная вена

. Влагалище глазного яблока

. Жёлтое пятно

. Центральная ямка

. Склера

. Сосудистая оболочка глаза

. Верхняя прямая мышца

. Сетчатка

С функциональной <#"581722.files/image035.gif">

Рис. 6.3. Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L.

Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.

В сетчатке <#"581722.files/image036.gif">иногда

Состав

-

Семья

бозон

Группа

калибровочный бозон

Поколение

-

Участвует во взаимодействиях

электромагнитное, гравитационное

Античастица

Теоретически обоснована

М.Планк (1900); А.Эйнштейн (1905-1917)

Обнаружена

1923 <http://ru.wikipedia.org/wiki/1923> (окончательное подтверждение)

Количество типов

1

Масса:

0 (< 10⁻¹⁸ эВ)

Время жизни

стабилен

Каналы распада

-

Электрический заряд

0 (<10⁻³⁵ <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B4>)

Цветовой заряд

-

Спин

1

Количество спиновых состояний

2

Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») - элементарная частица, квант электро-магнитного излучения (в узком смысле - света). Это безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, обеспечивая таким образом взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.

Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости. Фотону свойствен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой ν, проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперименты показывают, что фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (например, электронами). Таким образом, фотоны в процессах излучения и поглощения ведут себя как точечноподобные частицы. В то же время это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов.

Фотоны в веществе. Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.

С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью света. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама - Бриллюэна.

Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей скорости света. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.

В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода заключается в том, что, используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности, удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью - возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).

Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав, таким образом, переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию трансизомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.

Список использованных источников

1.  Физический энциклопедический словарь. Под ред. А.М. Прохорова. - М.: Советская энциклопедия. 1983.

2.       Элементарный учебник физики. Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Том 3. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1986.

.        Энциклопедия для детей. Физика. Под ред. В.А. Володина. Том 1. - М.: Аванта+. 2002.

.        http://ru.wikipedia.org

.        http://www.fizika9kl.pm298.ru

6.       <http://www.expertunion.ru>