Сәулеленудің оптикалық аймағындағы спектрі

 

Негізгі түсінік және анықтамалар.Сәулелену - бұл материяның өмір сүруінің электр магнитті өріс түріндегі бір формасы.

Фотон – сәулеленудің қарапайым бөлігінің энергиясы (кванты):

 

,

 

мұндағы - Планк тұрақтысы; v – сәулелену жиілігі, Гц.

 

Жарық техникасы оптикалық сәулеленумен сабақтас, шамамен 1 нм-ден 1 мм-ге дейінгі ұзындықта электр магнитті сәулелену, рентген сәулелерімен радиосәулелерінің арасындағы аймақта жатады.

Спектрдің оптикалық аймағы ультракүлгін (УФ), көрінетін және инфрақызыл (ИК) болып бөлінеді.

Ультракүлгін сәулелену - оптикалық сәулелену, толқын ұзындығының монохроматты құраушылары шамамен 1-ден 380 нм аралығында жатады.

Көрінетін сәулелену (жарық) – бұл сәулелену, көздің торлы қабығына түскенде, көру түйсігін шақыруы мүмкін (түйсіну – сананы түршіктіретін сыртқы энергияға айналуы). Көрінетін сәулелену монохроматты толқын ұзындығы 380 – 780 нм шамасында болады.

Инфрақызыл сәулелену монохроматты құраушы толқындар ұзындығы, үлкен ұзындықтағы көрінетін сәулелену.

Сәулелену спектрі – монохроматты сәулелену жиынтығы, күрделі сәулелену құрамына кіреді. Сәулелену спектрі графикалық аналитикалық немесе таблицалық тәуелділікке байланысты жазылуы мүмкін. Сәулелену көздері тұтастай, жолақты, сызықты спектрлі, тұтастай және сызықты құраушылары болады.

Сәулелену ағыны - бұл сәулелену күші болып табылады:

 

, (4.1)

 

мұндағы dQ_е, - уақытта шығарылатын күрделі және монохроматты сәулелену энергиясы; және - күрделі және монохраматты сәулелену ағыны, Вт.

 

Монохроматты сәулелену ағыны кейде квант санымен уақыт бірлігімен өлшенеді.

Сәулелену ағынын баяулап тарату үшін спектр бойынша спектрлі сәуленің беріктік ағыны қолданылады:

 

. (4.2)

Көп жағдайда сәулелену көзінің мөлшері аз шағылатын қашықтықта қарастырылатындықтан, нүктелік сәулелену көзінің шартын қарастыру заңды, сонымен есептеу кезінде мөлшерлері сондай аз қабылдағышқа дейінгі ара қашықтықты елемеуге де болады.

Сәулелену көзі бірқатар заттық (денелік) бұрышта қолданылады. Әр түрлі конустық шектелген беттерде заттық бұрышты ылғи қолданылады (4.1-сурет).

 

 

4.1-сурет. Денелік бұрышты есептеу және түсіну үшін

 

Сфералық биіктік ауданы dA, сфераның заттық бұрышының центрінің биіктігінің өлшемімен қатынасы болып табылады да, сфераның радиусының квадратына сүйенеді.

Заттық бұрыштың бірлігі болып стерадиан (ср) қабылданды. Сфераның ауданын қиятын радиус квадратының ауданына тең болатын элементарлы аймақты заттық бұрышы d екі осьті конустық бетпен шектелген dα бұрышына аралас құраушы:

 

. (4.3)

 

Аймақтық заттық бұрыш үшін тең

 

. (4.4)

 

Жарық ағыны – жарық энергиясының қуаты, эффективті өлшемі люменмен есептеледі. Жарық ағынының бірлігі – люмен (лм). Сәулелену күші (жарықтың энергиялық күші) – сәулелену ағынының кеңістіктегі беріктігі сәулелену ағынымен заттық бұрыштың dw ағын шамасымен қолданылады және теңдей бөлінеді:

. (4.5)

 

Кеңістіктегі нүктелік жарық көзі заттық бұрыштың шыңында орналасқанда сәулелену күшін анықтайды. жарық күшінің бірлігі – кандела (кд).

Энергетикалық жарықтандыру (шағылыстыру) – сәулелену ағынының dФ кіші аудандағы беттің dA (жарық) шыққаннан қаралатынға дейінгі осы үлестегі ауданға қатынасы:

 

, (4.6)

 

мұндағы және - dA бетімен немесе A бетімен жіберілетін, сәулелену ағыны. Энергетикалық жарықтану өлшем бірлігі Вт/ .

 

Жарықтандыру – жарық ағынының кіші үлестік биіктігі шыққаннан қарастырылатын осы үлестегі ауданға қатынасы:

 

, (4.7)

 

мұндағы және - dA бетімен немесе A бетімен жіберілетін, сәулелену ағыны. Жарықтандыру өлшенеді.

 

Жарық – жарықтану бетінің жарық ағыны бойынша беріктігі:

 

, (4.8)

 

мұндағы және аймағының бетіне жарық түсуі және А бетінің орташа жарықтануы. Жарық өлшем бірлігі люкс (лк) болып қабылданады.

 

Дененің оптикалық және жарық техникалық сипаттамасы.Барлық денелерде үздіксіз энергия алмасу болады. Сәулелену энергиясының шағылуы және тұтылуы бойынша алғанда: сәулелену ағыны әлдебір денеге түсіп, бөлшектеніп жұтылады және оның бетінен бөлшектене шағылады, ал қалған бөлігі дененің ішіне өтеді. Көбінесе кеңістіктегі сәулелену ағынының бөлінуі осыған байланысты өзгереді және спектрі бойынша да өзгереді, денеге түскен, жұтылған, шағылысқан және өткен сәулелену ағынынан сәулелену ағынына жұтылу, шағылысу және жіберу коэффициенттері деп қатынастарын айта кетейік.

Бұл коэффициенттер дененің құрамының оптикалық сипаттамасы бойынша келесідей теңдіктермен анықталады:

, ,

(4.9)

, ,

мұндағы - жұтылу коэффиценті, шағылу және сәулелену ағындарының өтуі; - сәулелену ағындарының коэффициенттері: денемен жұтылатын, денеден шағылатын және денеден өтетін жарық ағындары.

 

Зерттелетін дене үшін жұтылу, шағылу және сәулелену ағынының өтетін коэффициенттері былай анықталады:

а) зерттелетін дененің және жұтылу, шағылысу және өткізудің спектрлік сипаттамасы. Зерттелетін денедегі шоғыр жолының ұзындығы шоғыр сәулесінің түсу бұрышынан, жазық бетті өңдеу сипаттамасынан тәуелді.

б) түскен сәуле ағынының спектрлік құрамы.

Түскен сәуленің ағынының спектрлік құрамы. Көптеген дене таңдап жұтылады, сонымен қатар және әр түрлі толқындағы сәулелену ағынын өткізеді.Соған байланысты жұтылу, шағылу және өткізу оптикалық коэффициенттеріне қатысты болады.

коэффициенттерінің спектрлі мәндері келесі теңдіктермен анықталады.

; ;

(4.10)

; ,

мұндағы - спектрлі жұтылу, шағылу және өткізу ағындары мәндерінің коэффициенттері; - жұтылған, шағылған және ұзындықта өткен толқындардың сәулелену ағындары; ұзындықтағы денеге түскен толқынның сәулелену ағыны.

 

Денеге түскен сәуле ағынының спектрлі беріктігін пайдалана отырып, спектрлі және интегралды коэффициенттердің арасындағы байланысты анықтауға болады. Дене құрамының оптикалық сипаттамасын төмендегідей береміз:

, , , (4.11)

 

мұндағы - жұтылатын, шағылатын және өтетін сәулелену ағынының өткізуші коэффициенттері; - жұтылған, шағылған және өткен сәулелену ағыны; - денеге түскен сәулелену ағыны.

 

Коэффициенттердің араларындағы байланыс энергия сақталу заңына байланысты келесідей теңдіктермен анықталады:

 

,

 

сонымен қатар қорытынды жарық ағыны:

(4.12)

Жарық өрісінің сипаттамасы.Жарық өрісі – жарық (сәулелену) көзі берілген жарық энергиясын тасымалдауда орын алатын кеңістік аймағы.

Жарық өрісінің интегралды сипаттамасының жалпы түрі төмендегідей өрнекпен анықталады:

 

, (4.13)

 

мұндағы с - жарық өрісінің нүктелік аймағында орналасқан таңдалған беттегі жарық өрісінің орташа жарықтығының интегралды сипаттамасы , бұл жарық түскен көзден таңдалған беттегі сәулелену эффективтілігін анықтайтын сәулелену функциясының құндылығы; w - қоршалған нүктенің немесе дененің бұрыштық мәнімен анықталады; dE - өрістегі зерттелетін нүктенің элементі аудандағы жарық көзінің элементіне перпендекуляр орналасқан қалыпты жарықтандыруы.

Жарық өрісінің интегралды сипаттамасы төмендегідей анықталады:

1. жарықтандырылу Е ауданының тегістегі . Бұл жағдайда функцияның сәулелену кезінде (4.2-сурет) ; шоғырланған Б нүкте үшін , мұндағы аудан бетінің жарықтандырылуы.

2. жарықтандырылу кеңістігі - берілген нүктелік өрістегі қалыпты жарықтандырылуының қосындысы екені анық.

3. орташа сфералық жарықтандырылу - аз радиусте r сфералық беттегі орташа жарықтандырылудың жоғалуы:

 

. (4.14)

 

 

 

4.2-сурет. Тегіс бетті ауданның жарықтандырылуы

4. аз радиустағы r орташа жарты сфералық жарықтандырылу 4.3, а-суретте келтірілген. Жарты сфералық беттегі орташа жарықтандырылудың жоғалуы:

 

,

(4.15)

,

 

мұндағы - жарты сфераның түпкі жарықтандырылуы, «+» таңбасы үшін, «-» таңбасы үшін.

 

Орташа жарты сфера жарықтандырылуын білу үшін жарты сфералардың негізгі жағдайын қабылдайды.

5. орташа цилиндрлік жарықтандырылу цилиндр осіне вертикалды бейімделіп, мекемені жарықтандырумен көмкеру үшін қолданылады. Кіші өлшемді d және h жұтылатын орташа цилиндр бетінің қабырғасының жарықтандырылуы орташа цилиндрлік жарықтандырылумен түсіндіріледі. Құндылық функциясы (4.3 б-сурет):

 

. (4.16)

 

 

4.3-сурет. Орташа жарты сфералық (а) және орташа цилиндрлік (б) жарықталуы

 

Цилиндр осіне бейімделуіне Е_ц жағдайы қолданылады. Жарық энергиясы уақыт бірлігінде аудан бірлігінің бағытымен тасымалдануымен және өрістің нүктелік мәні перпендекуляр орналасуымен жарық векторы анықталады.

А.А. Гершун денелік бұрышқа векторлық түсінікті енгізді. 4.4-суретте көрсетілгендей аз денелік бұрыш үздіксіз векторға бағытталған. Оның модулі . Денелік бұрыштың векторы . Жарық векторын былай түсіндіруге болады, денелік бұрыш векторының түсінігін қолдана отырып,

 

, (4.17)

 

мұндғы - денелік бұрыштың бойынша қашықтығы.

 

 

 

4.4 -сурет. Денелік бұрыш векторы және жарық векторы