§ 2. Лучистая энергия и спектральный состав оптических излучений

2.1. Современная модель природы света

Физическое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию излучения, а само тело называется излучателем. Энергию излучают как естественные излучатели (Солнце, звезды, биоорганизмы) за счет проходящих в них различных физических процессов, так и искус­ственные излучатели за счет приложенной к ним тепловой, элект­рической, механической и других видов энергии, вызывающих на­грев физического тела.

Энергия излучается в окружающее пространство в виде эле­ментарных частиц – фотонов, каждый из которых обладает кван­том энергии. Рассмотрим на рис 1.2.1 упрощенную схему излучения энергии.

Рис. 1.2.1 – Упрощённая схема излучения лучистой энергии.

Известно, что атом вещества состоит из ядра и электронов, связанных между собой электромагнитными силами. Электроны находятся на опре­деленных энергетических уровнях. Самый ближний к ядру уровень, на котором находятся электроны при спокойном состоянии атома, на­зывается основным (О), соответствующим минимальной доли энер­гии. Остальные уровни, наиболее удаленные от ядра – возбужден­ные (В). Для перехода электронов с основного уровня на возбуж­денные нужно сообщить электронам и всему атому в целом до­полнительную энергию (W). Поглощая приложенную энергию, атом приходит в возбужденное состояние и электроны удаляются от ядра атома на более высокие энергетические уровни (возбуж­денные уровни). Чем больше приложенная энергия, тем на более высокий уровень удаляются электроны. Но это состояние неустой­чивое, и в силу электромагнитных притяжений электроны стре­мятся вернуться на основной уровень. При переходе электронов с одного энергетического уровня на другой выделяется минималь­ная порция лучистой энергии W_ф=Q – квант, переносимая фото­ном.

Фотон обладает конечной массой и скоростью и существует только в движении. Поглощая энергию, атом поглощает фотоны, которые перестают существовать, а их энергия передается атому. При излучении энергии атом создает фотон и его энергия форми­руется атомом. Фотоны излучаются в пространство и поглощаются телами отдельными порциями, т. е. дискретно и эта дискретность определяет частоту излучений. Движение фотонов в пространстве происходит в форме волн гармонических синусои­дальных электромагнитных колебаний, которые характеризуются рядом величин (рис.1.2.2):

- Длина волны, определяющая расстояние между двумя точками, находящимися в одной фазе волнового колебания. Длина волны обозначается λ и измеряется в метрах (м). Для световых излучений длины волн обычно приводятся в нанометрах (нм). Нано­метр является удобной международной единицей и он эквивален­тен миллимикрону. В таблице 1.2.1 показана взаимосвязь различных единиц длины и их можно легко переводить друг в друга.

Таблица 1.2.1.

- Частота, определяющая число волновых колебаний в единицу времени. Частота обозначается ν и измеряется в герцах (Гц).

- Период колебаний, определяющий время, за которое проис­ходит полное волновое колебание. Период обозначается Т и изме­ряется в секундах (с).

Период является величиной, обратной часто­те:

Т=1/ν , с (1.2.1)

Частота колебаний и длина волны электромагнитных излучений связаны между собой такими соотношениями:

ν = С_о /λ, Гц или λ= С_о / ν, м, (1.2.2)

где С_о – скорость распространения электромагнитных волн любой длины в вакууме, является величиной постоянной и равна скорос­ти распространения света 2,9979·10⁸ ≈ 3·10⁸ м/с.

Рис.1.2.2. Схема синусоидальных колебаний с различными длинами волн, где λ₂>λ₁, определяющими Т₁ – период, время движения фотона от т. 1 до т. 3 и Т₂ – период, время движения фотона от т. 1 до т. 4; по оси ординат Y~W.

Энергия фотона – квант, согласно формулы Планка, зависит от частоты электро­магнитных колебаний:

W_ф=h·ν, Дж, (1.2.3)

где h = 6,626·10^-34 Дж·с – постоянный коэффициент, выведенный физиком М. Планком и названный постоянной Планка.

Физическая природа всех видов электромагнитных излучений единая, т. е, во всех случаях энергия распространяется в виде элект­ромагнитных волн разной длины, которым соответствуют элект­ромагнитные колебания разных частот. В простой электромагнитной волне со­держатся электрическая и магнитная волны, перпендикулярные друг другу, но совершающие колебания в одной фазе (Рис.1.2.3).

Рис.1.2.3 – Модульное изображение простой электромагнитной волны (а) и вид пакета волн (вдоль оси z ), совпадающих по фазе (б).

Они ко­леблются в направлении, перпендикулярном оси z, которая на­зывается вектором распространения волны. Скорость света от­носится к скорости прохождения света в направлении распро­странения (направление z). Электрическая и магнитная волны также часто описываются векторами. Вектор электрического по­ля волны взаимодействует с электрическими полями в атомах, и поэтому он очень важен для последующего изложения материала.

Cледуя волновой модели, интенсивность потока света можно определить квадратом амплитуды а электрического вектора (рис.1.2.3), т. е.

I =ka², (1.2.4)

где k – постоянная величина. Поэтому, чем больше амплитуда волны, тем интенсивнее излучение. Однако в корпускулярной теории света амплитуда не имеет значения, так как модель основыва­ется на понятии фотонов. Следовательно, необходим другой путь описания интенсивности света. В корпускулярной модели интен­сивность света пропорциональна числу фотонов, приходящихся на единицу объема светового потока, или, иными словами, про­порциональна «фотонной плотности». Можно показать, что оба понятия интенсивности – плотность и амплитуда – согласуются друг с другом и уравнение (1.2.4) справедливо независимо от ис­пользуемой световой модели. Об интенсивности света можно го­ворить как о потоке фотонов или об амплитуде волны. Оба понятия используются в зависимости от их применения.

Магнитный вектор электромагнитного излучения не представляет здесь такого интереса, как электрический век­тор, поскольку только электрический вектор может взаимодей­ствовать с электронами и электрическими полями в атоме или молекуле. Это взаимодействие электрического вектора вызыва­ет отражение, преломление и пропускание волны, а также цвет, химические реакции и нагревание в большинстве веществ. Все эти явления будут рассматриваться в других разделах книги.

Выражение hv часто используется в описании химиче­ских реакций для того, чтобы указать, что для их протекания необходим фотон электромагнитного излучения. Например, важ­ная для человеческого зрения реакция включает вызванную све­том изомеризацию витамина А, содержащегося в сетчатке глаза. Величина hv характеризует энергию света и не нарушает баланса масс химической реакции.