Оптический диапазон спектра

 

Область спектра электромагнитных излучений, состоящая из видимой области и примыкающих к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областей, называется оптическим диапазоном.

Оптическое излучение возникает при колебаниях зарядов в атомах и молекулах.

К нему примыкает с коротковолновой стороны рентгеновское излучение, возникающее при торможении быстрых электронов, с длинноволновой - излучение, генерируемое радиотехническими средствами.

Характерной особенностью излучения оптического диапазона является наличие у него корпускулярных и волновых свойств. Корпускулярно - волновой дуализм оптического излучения проявляется во взаимодействии его с веществом. В одних случаях проявляются волновые свойства оптического излучения (интерференция, дифракция, поляризация), в других - квантовые (фотоэффект, фотохимическое действие, люминесценция).

 

С корпускулярной точки зрения излучение представляют как поток фотонов - элементарных частиц - с энергией e = hν;, массой m = ε;/ c ² и импульсом p = hν;/ c, где h =6.626х10^-34 Дж·с - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме, с = 2.998·10⁸ м/с.

Волновые свойства излучения характеризуются частотой или длиной волны. В оптике используется как круговая частота ω; = 2 π;/ T,где Т - период колебаний, так и частота ν;=1/ Т (число колебаний в секунду). Длина волны λ;, круговая частота ω; и частота ν; связаны между собой соотношениями

ω; = 2 π;/ T = 2 πν;, λ; = c · T = с / ν; = 2 πс / ω;.

Энергию кванта часто выражают в электрон-вольтах, то есть приравнивают его энергию к энергии электрона, которую он приобретает при прохождении разности потенциалов U: hν;= hc / λ;= eU.

При подстановке постоянных получим:

ε; = 4.13·10^-5 ν; = 1.24/ λ;,

где ν; выражено в Гц, λ; - в нм, 1 эв = 1.6·10^-19 Дж.

 

Теоретически возможны излучения всех частот от ν; = 0 до ν; = ∞. Однако корпускулярные свойства излучения накладывают на эти возможности ограничения. Бесконечные частоты невозможны, так как в этом случае соответствующие кванты обладали бы бесконечной энергией.

Если существует минимальное значение ε;₀энергии кванта, то частота ν; не может быть меньше ν;_min = ε; ₀/ h. В настоящее время в физике нет фактов ограничения энергии фотонов снизу. Минимальная частота электромагнитных волн, зарегистрированная в стоячих волнах между ионосферой и поверхностью Земли, составляет 8 Гц. Следовательно, минимальная энергия фотонов меньше 10^-33 Дж.

Спектр электромагнитных излучений можно разделить на следующие диапазоны (табл. 1):

 

Таблица 1.

 

Название диапазона	Границы по λ;	Границы по энергии квантов
γ- излучение	<0.0012 нм	>1 Мэв
Рентгеновское излучение	0.0012 ÷ 12 нм	1 Мэв ÷100 эв
УФ - излучение	12 ÷ 380 нм	100 ÷ 3.2 эв
Видимое излучение	380 ÷ 760 нм	3.2 ÷ 1.6 эв
ИК - излучение	760нм÷ 106нм=1мм	1.6 ÷ 1.2?10-3 эв
Радиоволны	> 1мм	<1.2·10-3эв

 

Существует большое количество источников оптического диапазона, генерирующих излучения разного спектрального состава. Излучение, характеризуемое одной длиной волны (или частотой), называется монохроматическим. Излучение, состоящее из нескольких или многих монохроматических излучений, называется сложным или полихроматическим (его также называют немонохроматическим).

Спектр монохроматического излучения состоит из одной бесконечно узкой спектральной линии. Спектр немонохроматического излучения представляется либо в виде набора отдельных спектральных линий (линейчатый спектр), либо из непрерывной их последовательности (сплошной спектр).

Абсолютно монохроматического излучения в природе не существует - это абстракция. Идеальное монохроматическое излучение математически представляется бесконечной синусоидой, не имеющей ни начала, ни конца. Следовательно, процесс испускания такого излучения должен быть бесконечен. Однако, любой элементарный акт излучения конечен. Классическая оптика дает для времени излучения атома значение, равное 10^-8 с. По теореме Фурье такое короткое излучение может быть представлено в виде непрерывного набора монохроматических компонент в некотором интервале частот (длин волн), в котором их интенсивности заметно отличаются от нуля, причем этот интервал тем шире, чем меньше время излучения. Поэтому на практике используют термин "квазимонохроматическое" излучение (т.е. как бы монохроматическое), под которым понимают излучение в достаточно узком интервале длин волн, чтобы его можно было охарактеризовать указанием одной длиной волны (как правило равной длине волны середины интервала длин волн).

 

Для характеристики монохроматичности излучения используют отношение δ λ;/ λ; = δ ν;/ ν;, которое называют степенью монохроматичности. Она показывает, во сколько раз интервал длин волн квазимонохроматического излучения меньше средней длины волны этого интервала. Так, например, для He-Ne лазера это отношение составляет 10^-7 ¸ 10^-8, для монохроматора - 10^-3 ¸ 10^-5, для интерференционного светофильтра - 10^-2 ¸ 10^-3.