Световое излучение (поражающий фактор)
Световое излучение — один из поражающих факторов при взрыве ядерного боеприпаса, представляющий собой тепловое излучение от светящейся области взрыва. В зависимости от мощности боеприпаса, время действия колеблется от долей секунды до нескольких десятков секунд. Вызывает у людей и животных ожоги различной степени и ослепление; оплавление, обугливание и возгорание различных материалов.
Содержание
Механизм формирования
Световое излучение представляет собой тепловое излучение, испускаемое нагретыми до высокой температуры (
10 7 К) продуктами ядерного взрыва. Вследствие большой плотности вещества поглощательная способность огненного шара оказывается близка к 1, поэтому спектр светового излучения ядерного взрыва достаточно близок к спектру абсолютно черного тела. В спектре преобладает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения.
Защита гражданского населения
Особую опасность световое излучение представляет по той причине, что действует непосредственно во время взрыва и времени на укрытие в убежищах у людей нет.
От светового излучения могут защитить любые непрозрачные объекты — стены домов, автомобильная и прочая техника, крутые склоны оврагов и холмов. Защитить может даже плотная одежда — но в этом случае возможно её возгорание.
Защита военной техники
Бомбардировщики, предназначенные для нанесения ядерных ударов (тактические Су-24, стратегические Ту-160) для защиты от светового излучения частично или полностью покрывают белой краской, отражающей значительную часть излучения. Бронетехника предоставляет полную защиту экипажа от светового излучения.
Тени Хиросимы
Одним из наиболее пугающих свидетельств поражающего эффекта светового излучения являются так называемые тени Хиросимы (чаще всего упоминается применительно к людям) — тень от человека или другого препятствия на выгоревшем от излучения фоне. Люди после этого быстро (обычно в течение одного дня) погибали от ожогов, травм и лучевого поражения, многие сгорели в пожарах и огненном шторме, разразившемся после взрыва.
Природа света
Содержание:
Согласно современным представлениям, свет имеет не только волновую природу. Свет – это ещё и поток частиц, называемых фотонами. Являясь одновременно и волной, и потоком частиц, свет – в прямом смысле слова – яркий пример парадоксального явления, именуемого физиками «квантово-волновой дуализм».
На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.
Природа света
В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет – это видимое ультрафиолетовое излучение.
Краткая история развития представлений о природе света
Часть физики, рассматривающую световые явления, называют оптикой (от греческого «оптикос» — зрительный), а сами световые явления называют оптическими.
Падающий на предметы свет позволяет нам видеть их и ориентироваться в пространстве. Однако этим действие света не ограничивается. Вспомните, например, как сильно нагреваются тела, на которые попадает солнечный свет. Следовательно, свет обладает энергией и переносит ее в пространстве. Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, можно выдвинуть две гипотезы о природе света. Световое излучение должно состоять либо из потока мельчайших частиц, которые Ньютон назвал корпускулами, либо из волн, распространяющихся в какой-либо среде.
На основе первой гипотезы Ньютон создал корпускулярную теорию света, с помощью которой объяснялись очень многие оптические явления. Например, различные цвета излучения объяснялись различной формой составляющих его корпускул. На основе второй гипотезы в XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс создал волновую теорию света. С помощью теории Гюйгенса хорошо объяснялись такие явления, как интерференция и дифракция света и др.
Поскольку ни одна из этих теорий в отдельности не могла полностью объяснить все оптические явления, вопрос об истинной природе светового излучения оставался нерешенным. В начале XIX в. после исследований О. Френеля, Ж. Фуко и многих других ученых выяснилось преимущество волновой теории света перед корпускулярной. Однако у волновой теории был один крупный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны. Следовательно, между Солнцем и Землей должно быть вещество, так как свет свободно проходит от Солнца до Земли. Поэтому был создана гипотеза о мировом эфире, заполняющем все пространство между телами и молекулами. Если вспомнить, что поперечные волны возможны только в твердых телах (§24.15), то придется допустить, что эфир должен обладать свойствами упругого твердого тела. Однако присутствие эфира никак не отражается на движении Земли в мировом пространстве. Значит, эфир ничем себя не проявляет, кроме того, что в нем распространяется свет, хотя и обладает свойствами твердого тела. Такие противоречивые свойства эфира ставили под сомнение гипотезу о его существовании.
Это противоречие в волновой теории света в основном было устранено Д. Максвеллом. Максвелл обратил внимание на то, что скорость распространения света в вакууме совпадает с вычисленной им скоростью распространения электромагнитных волн. На этом основании он выдвинул гипотезу об электромагнитной природе света, которая затем была подтверждена многими опытами. Таким образом, к концу XIX в. была создана электромагнитная теория света, которой пользуются и в настоящее время.
Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн
Согласно электромагнитной теории света всякое световое излучение является электромагнитными волнами. Однако далеко не все электромагнитные волны являются световыми, а только те, что вызывают у человека зрительное ощущение. К световому излучению относятся только волны с частотой колебаний от 4•10 14 до 7,5•10 14 Гц. В этом интервале каждой частоте соответствует свой цвет излучения. Например, частоте 5,4•10 14 Гц соответствует зеленый цвет. По частоте излучения из формулы (27.12) всегда можно найти длину его волны в вакууме:
Расчет показывает, что световое излучение в вакууме имеет длины волн от 400 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). Заметим, что при переходе светового излучения из одной среды в другую его цвет сохраняется, так как сохраняется его частота, а длина волны изменяется вследствие изменения скорости распространения света. Когда на практике цвет излучения характеризуют длиной волны, то длины волн указывают для вакуума.
Максвелл теоретически показал, что световое излучение (как и другие электромагнитные волны) должно осуществлять давление на тела, что подтвердилось опытами П. Н. Лебедева (§ 35.2).
Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка
Анализ состава излучения светящихся тел показал, что его распределение по частотам колебаний не согласуется с законами излучения, выведенными из волновой теории света. Стремясь найти объяснение этому факту, немецкий физик М. Планк (1858—1947 гг.) предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (от латинского «квантум» — количество, масса). В настоящее время кванты света называют фотонами.
На основе анализа оптических явлений было установлено, что те из них, которые связаны с распространением света в какой-либо среде, можно объяснить только с помощью волновой теории, а те, которые связаны с испусканием и поглощением света, объяснялись только с помощью представления о квантовом составе светового излучения. Все это означало, что для объяснения оптических явлений необходима новая теория, объединяющая волновые и корпускулярные свойства света. Эта новая теория получила название квантовой теории света ив своем первоначальном виде была создана трудами Планка, Эйнштейна, Бора и других ученых.
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:
(28.1)
где 
— энергия кванта, 
— частота колебаний электромагнитного излучения и 
— постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который называют постоянной Планка. В СИ числовое значение 
следующее:
Итак, согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты v состоит из фотонов (квантов) с определенной энергией 
выражаемой формулой (28.1). Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения. Поскольку 
то из формулы (28.1) получим
(28.2)
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.
Опыт показал, что, пока фотон существует, он движется со скоростью 
(в вакууме) и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества. Тогда сам фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице. Фотон не имеет массы покоя. Эта замечательная особенность фотонов отличает их от частиц вещества, например от протонов или электронов.
Заметим, что до сих пор не ясно, почему в одних явлениях свет обнаруживает ярко выраженные волновые свойства, а в других — корпускулярные свойства и каким образом такие противоречивые свойства могут объединяться в излучении. По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще, т. е. каждая частица вещества обладает волновыми свойствами и каждая волна обладает корпускулярными свойствами.
Источники света
Все тела; молекулы и атомы которых создают видимое излучение, называют источниками света. Можно привести множество примеров различных источников света: лампа накаливания, горящая спичка, газосветные трубки.
Условно их можно разделить на группы по способу возбуждения частиц, испускающих свет.
К первой группе относятся температурные источники света, в которых свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.
Ко второй группе относятся люминесцентные источники света, возбуждение атомов и молекул которых обусловлено не высокой температурой, а потоком летящих частиц вещества, например электронов, воздействием внешнего электромагнитного излучения или химической реакцией. В этом случае энергия излучения получается за счет электрической, химической или механической. энергии, т. е. за счет энергии каких-либо внешних источников. Примерами люминесцентного излучения служат свечение экрана электронно-лучевой трубки, свечение газосветных трубок в рекламах, свечение красок и т. п. Подробнее явление люминесценции будет рассмотрено в § 35.17. К этой же группе относится свечение в веществе, обусловленное эффектом Вавилова — Черенкова. Это свечение возникает при движении электронов в веществе со скоростью, превышающей скорость распространения света в нем (§ 37.5).
Принцип Гюйгенса. Световые лучи
Выясним, как волновая теория объясняет перемещение фронта волны в пространстве.
Допустим, что в какой-то момент времени фронт сферической волны, распространяющейся из точки О, занимает положение I (рис. 28.1). Через некоторый промежуток времени он займет положение II. Перемещение фронта волны в пространстве объясняют с помощью принципа Гюйгенса: все точки фронта волны являются вибраторами, от которых распространяются элементарные волны (1,2,3 и т. д. на рис. 28.1); огибающая всех этих элементарных волн дает новое положение фронта волны (поверхность II). (Огибающая представляет собой поверхность, касательную ко всем элементарным волнам.) Здесь следует учесть, что при наложении волн, идущих в сторону точки О, происходит взаимное ослабление колебаний, и в этом направлении волны гасят друг друга.
Направление перемещения фронта волны на рис. 28.1 показано стрелкой ВА. Напомним, что линию, вдоль которой перемещается фронт волны, называют лучом (§24.16). В изотропной среде свет распространяется прямолинейно, т. е. световые лучи в такой среде являются прямыми линиями. Это подтверждается многими явлениями, например появлением тени от непрозрачных тел, помещенных на пути световых лучей. (Приведите еще примеры, подтверждающие прямолинейность распространения света.)
Чем дальше от точки О (рис. 28.1) уходит фронт волны, тем меньше становится кривизна его поверхности. Поэтому на большом расстоянии от источника света маленький участок сферического фронта волны на практике можно считать плоским, а световые лучи можно считать параллельными. Например, солнечные лучи на поверхности Земли считают параллельными.
Для упрощения дальше мы условно будем говорить об энергии и цвете луча, подразумевая под этим энергию и цвет излучения, переносимого по направлению луча.
Скорость распространения света в вакууме. Опыт Майкельсона
Поскольку скорость распространения света очень велика, свет затрачивает заметное время лишь на прохождение очень больших расстояний, например от Солнца до Земли свет идет около 8 мин.
Первое измерение скорости света в вакууме было выполнено датским астрономом О. Ремером в 1675 г. при изучении затмений одного из спутников Юпитера. Он заметил, что по мере увеличения расстояния между Юпитером и Землей затмение спутника запаздывает все больше по сравнению с расчетным временем. Ремер объяснил это тем, что при увеличении расстояния от Юпитера до Земли на l свет должен затратить время t, чтобы пройти это расстояние со скоростью с. Зная l и t, он вычислил скорость света, которая оказалась близкой к 3•10 8 м/с.
В дальнейшем скорость света измеряли много раз и в разных условиях. Наиболее точный результат измерения скорости света в воздухе удалось получить американскому физику А. Майкельсону. Рассмотрим один из его наиболее удачных опытов.
На центробежной машине он укрепил барабан с зеркальными боковыми гранями, число которых обозначим k (рис. 28.2). На одну из этих граней направлялся луч света от фонаря Ф. Затем после отражения от нее и от зеркал З1, 32 и 33 он попадал на другую грань барабана и, отразившись от нее, шел в глаз наблюдателя. Расстояние l от барабана до зеркал З1 и 32 составляло около 35 км и было тщательно измерено. Наблюдатель настраивал трубу Т так, чтобы отчетливо видеть изображение источника света Ф, а затем барабан приводили во вращение. При этом изображение источника Ф в трубе исчезало. (Почему?) Когда скорость вращения барабана постепенно увеличивали, то при некотором числе n оборотов в минуту наблюдатель снова отчетливо видел изображение источника Ф. Это означало, что, пока свет шел между зеркалами, барабан успевал повернуться ровно на одну грань.
Так как время этого поворота можно выразить формулой 
то для скорости света получаем формулу
Поскольку является наибольшей возможной скоростью распространения сигналов в природе и встречается во многих формулах, ее значение является одной из важнейших физических констант. После многих проверок было установлено, что
Скорость распространения света в различных средах. Оптическая плотность среды
Скорость распространения электромагнитных волн зависит от рода среды и определяется выражением
где 
— абсолютный показатель преломления среды.
У всех веществ, в которых может распространяться световое излучение, т. е. прозрачных для света, относительная магнитная проницаемость 
очень мало отличается от единицы; следовательно, скорость распространения света в веществе определяется его диэлектрической проницаемостью 
(Заметим, что е зависит от частоты колебаний вектора Е, поэтому и скорость распространения света в диэлектриках тоже зависит от частоты колебаний в световом излучении.)
Величину, характеризующую зависимость скорости распространения света от рода среды, называют оптической плотностью среды. Она измеряется числовым значением абсолютного показателя преломления среды 
(§ 27.7).
Ясно, что оптическая плотность вакуума равна единице. Поскольку показатель преломления n для воздуха равен 1,003, то скорость света в воздухе очень часто принимают за c. Скорость распространения света в воде впервые измерил Ж. Фуко. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в воздухе, т. е. у воды 
Изменение скорости распространения света является причиной преломления света, т. е. изменения направления его распространения при переходе из одной прозрачной среды в другую.
Услуги по физике:
Лекции по физике:
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔ 
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Световое излучение
Световое излучение — один из поражающих факторов при взрыве ядерного боеприпаса, представляющий собой тепловое излучение от светящейся области взрыва. В зависимости от мощности боеприпаса, время действия колеблется от долей секунды до нескольких десятков секунд. Вызывает у людей и животных ожоги различной степени и ослепление; оплавление, обугливание и возгорание различных материалов.
История изучения свойств света
В ранней истории науки свет было принято описывать как поток крошечных частиц, что соответствовало геометрической оптике. Однако было собрано все больше свидетельств волновой природы света, что привело к появлению волновой теории Христиана Гюйгенса, опубликованной в 1690 году, как основы волновой оптики.
Дальнейшие систематические эксперименты, в частности наблюдение Домиником-Франсуа-Жаном Араго привели к научной работе и термину «пятно Араго». Начало всеобщему признанию волновой оптики как правильного описания света.
В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл отождествил оптические волны с электромагнитными волнами, что еще раз подтвердило их природу. К большому удивлению научного сообщества, значительные новые доказательства в природе частиц был найден в начале 20-го века Альбертом Эйнштейном.
В конце концов, квантовая теория стала определяющей, охватывающая как волновую, так и корпускулярную природу света. Свет теперь понимается как электромагнитное излучение. В большинстве случаев его описывают с помощью классической теории, однако со ссылкой на квантовую оптику.
Видимый и невидимый свет
В узком смысле свет понимается как электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, в котором он виден людям, то есть там, где он может возбуждать сетчатку человеческого глаза для создания визуального впечатления.
Однако в технологическом контексте этот термин часто используется для значительно более широкого спектрального диапазона, который также включает ультрафиолетовый и инфракрасный свет. Они не видны, но во многих отношениях обладают схожими физическими свойствами, включая их распространение.
Дальнейшее расширение концепции света является результатом рассмотрения того, что электромагнитное излучение более или менее сильно взаимодействует с прозрачными средами (например, с оптическими стеклами). В частности, в случаях с сильными такими взаимодействиями, детали среды играют большую роль в наблюдаемых явлениях. Например, при определенных обстоятельствах наблюдается «медленный» свет со скоростью намного меньшей скорости света в вакууме.
Затем можно рассматривать свет как явление, которое включает в себя как электромагнитное поле, так и взаимодействующую с ним материю, где оба играют важную роль.
Свет – это не только основа одного из важнейших органов чувств человека, но и центральное явление в научных и технических областях оптики и фотоники. Следовательно, работа со светом была чрезвычайно важна для прогресса человечества с точки зрения науки, технологий и развития бизнеса.
Типы света и характеристики
Монохроматический свет
Свет с одной оптической частотой, в котором оптический спектр содержит только одну оптическуйю частоту. Например, соответствующая напряженность электрического поля в определенной точке пространства, которая демонстрирует синусоидальные колебания с постоянной мгновенной частотой и нулевой полосой пропускания.
Термин «монохромный» изначально означает одного цвета. Разные длины оптических волн видимого света связаны с разными воспринимаемыми цветами. Однако на практике светлые цвета редко являются критерием монохроматичности, и немонохроматический свет также может иметь определенные цвета. Кроме того, этот термин применяется к инфракрасному и ультрафиолетовому свету, а также к видимому.
Полихроматический свет
Свет с несколькими оптическими частотами называется полихроматическим. Он имеет несколько оптических частот. В некоторых случаях полихроматический свет представляет собой смесь некоторого количества компонентов с дискретной длиной волны, в то время как в других случаях его оптический спектр является непрерывным.
Типичным примером полихроматического света является жизнь, созданная как тепловое излучение. Например, в лампе накаливания свет имеет широкий диапазон оптических частот.
Белый свет
Белый свет – это свет, который человеческому глазу кажется белым. Это может быть широкополосный свет, где спектральная яркость не слишком сильно меняется в видимой области спектра. Или со структурированным оптическим спектром, но все же с подходящим балансом спектральных компонентов. Воспринимаемый цветовой тон в конечном итоге определяется только силой, с которой возбуждаются фоторецепторы L, M и C человеческого глаза.
Однако для некоторых приложений человеческое восприятие не является интересующим аспектом, и требования к свойствам оптического спектра белого света могут быть разными. Белый свет бывает теплым, нейтральным белым и холодным и зависит от температуры цвета.
Инфракрасное излучение
Невидимый свет с длиной волны примерно от 750 нм до 1 мм. Инфракрасный свет – это свет с длиной волны вакуума больше ≈ 700–800 нм, верхней границей видимого диапазона длин волн. Этот предел четко не определен, поскольку в этой спектральной области чувствительность глаза снижается очень постепенно. Хотя чувствительность, например, при 700 нм, уже очень низкая, даже свет от некоторых лазерных диодов на длинах волн свыше 750 нм можно увидеть, если этот свет достаточно интенсивный.
Такой свет может быть вредным для глаз, даже если он не воспринимается как очень яркий. Верхний предел инфракрасной спектральной области по длине волны также точно не определен; обычно считается, что он составляет примерно 1 мм.
Ультрафиолетовый свет
Ультрафиолетовый свет – это свет с длиной волны короче ≈ 400 нм, нижнего предела видимого диапазона.
Для различения разных спектральных областей используются разные определения:
Однако точные определения этих спектральных областей различаются в литературе.
УФ-свет находит широкое применение в дезинфекцию воды и инструментов, контроль качества многих материалов и возбуждение флуоресценции в аналитических целях. Во время кризиса Covid-19 способность технологии ультрафиолетового света дезактивировать вирусы привлекла повышенное внимание.
Свет лазера
Лазерный свет (лазерное излучение) – это просто свет, генерируемый лазерным устройством. Такой свет обладает некоторыми очень особыми свойствами, которые очень сильно отличают его от света другого происхождения:
Лазерный свет обычно доставляется в виде лазерного луча, то есть он распространяется преимущественно в четко определенном направлении с умеренной расходимостью луча. Он имеет высокую (иногда чрезвычайно высокую) степень пространственной когерентности. Это означает, что электрические поля в разных местах по профилю луча колеблются с жестким фазовым соотношением.
Именно эта когерентность является причиной того, почему лазерный луч может распространяться на большие расстояния без значительного распространения в поперечных направлениях, и почему он может быть сфокусирован в очень маленькие точки.
Лазерный свет также имеет высокую степень временной когерентности, которая эквивалентна большой длине когерентности. Это означает, что жесткое фазовое соотношение также сохраняется в течение относительно длительных интервалов времени, соответствующих большим расстояниям распространения (часто многие километры) или огромному количеству циклов колебаний. В большинстве случаев лазерный свет имеет линейную поляризацию. Это означает, что электрическое поле колеблется в определенном пространственном направлении.
Флуоресценция
Флуоресценция – это короткоживущая фотолюминесценция, возбуждаемая при облучении вещества светом (атомы, ионы или молекулы в образце. Они распадаются на нижележащие состояния (например, основные состояний) посредством спонтанного излучения фотонов флуоресценции. Это явление используется для освещения, особенно в люминесцентных лампах. Это также происходит как побочный эффект в различных типах лазеров и усилителей с оптической накаякой.
Например, в твердотельных лазерах и усилителях на легированных изоляторах, включая волоконные лазеры и усилители, в полупроводниковых лазерах с оптической накачкой. Получающееся в результате излучение называется флуоресцентным светом.
Тепловое излучение
Любой объект излучает некоторое количество электромагнитного излучения теплового характера, которое называется тепловым излучением или иногда тепловым излучением. Это означает, что часть тепловой энергии преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Только при абсолютном нуле температуры, которая никогда не может быть достигнута точно, это тепловое излучение исчезнет.
В то же время предметы могут полгощать излучение и в результате нагреваться. Таким образом, тепловое излучение обеспечивает механизм обмена теплом между объектами.
Тепловое излучение хорошо известно, например, от лампочек и от солнца. Даже если температура недостаточно высока для генерации видимого теплового излучения, может наблюдаться сильное инфракрасное излучение, которое можно почувствовать, например, на коже.
Общие свойства света
Свет – это электромагнитное излучение с чрезвычайно высокими частотами. Для видимого света эти частоты лежат примерно между 400 ТГц и 750 ТГц, что соответствует диапазону длин волн от 400 до 750 нм. (Границы ультрафиолета и особенно инфракрасного размыты из-за постепенного снижения чувствительности человеческого глаза.) Чрезвычайно высокие частоты колебаний подразумевают циклы колебаний продолжительностью всего несколько фемтосекунд.
В то время как некоторые источники излучают квазимонохроматический свет с четко определенной оптической частотой, другие могут иметь очень большую оптическую полосу пропускания в сотни терагерц. Оптические частоты слишком высоки для прямого измерения и, тем не менее, могут быть определены с необычайной точностью.
Оптические частоты слишком высоки, например, для прямого измерения с помощью электронных средств. Тем не менее, в настоящее время существуют сложные методы фазово-когерентной связи оптической частоты с частотой микроволн, например, от атомных часов. Это позволяет измерять оптические частоты с чрезвычайно высокой точностью. И наоборот, можно использовать высокоточные оптические стандарты честоты и точно получать из них электронные сигналы низкой частоты.
Скорость света
Свет обычно распространяется с чрезвычайно высокой скоростью. В вакууме фазовая и групповая скорость немного ниже 300 000 км / с. Согласно устоявшимся теориям физики, никакие частицы и никакая передача информации не могут быть быстрее этого.
При распространении в среде свет обычно имеет разную фазовую скорость и групповую скорость. В большинстве случаев, особенно для обычных оптических материалов, обе скорости существенно уменьшаются. Фазовая скорость уменьшается на показатель преломления, а групповая скорость уменьшается на групповой показатель.
Есть определенные ситуации, когда фазовая скорость света в среде даже больше, чем скорость света в вакууме ( быстрый свет → сверхсветовая передача). Иногда даже групповая скорость может быть выше, но без передачи информации со сверхсветовой скоростью. С другой стороны, бывают случаи, когда групповая скорость становится намного ниже, чем обычно (медленный свет).
Ультракороткие световые импульсы
Потенциал света иметь чрезвычайно широкую полосу пропускания является основой для возможности генерировать чрезвычайно короткие световые импульсы (вспышки света). Короткий импульс неизбежно имеет полосу пропускания, которая по крайней мере порядка обратной длительности импульса; поэтому не может быть очень коротких импульсов, не имеющих большой полосы пропускания, рассчитанной с помощью преобразования Фурье.) Для длительностей импульса не более несколько десятков пикосекунд, широко распространен термин ультракороткие импульсы. Самые короткие импульсы, которые могут генерироваться некоторыми лазерными источниками с синхронизацией мод, имеют длительность около 5 фемтосекунд (5 фс); еще более короткие длительности возможны за счет применения методов нелинейной компрессии импульсов. тогда как оптический спектр существенно превышает видимый диапазон.
Короткие волны
Следствием коротких оптических длин волн является то, что эффекты дифракции и интерференции не так легко наблюдать. Волновая природа света, таким образом, не очень очевидна в повседневной жизни. С другой стороны, геометрическая оптика, описывающая распространение света лучами, по той же причине является полезным приближением во многих ситуациях. Коллимированный световой пучок с высокой пространственной когерентностью и не слишком малым диаметром в ее фокусе может распространяться с приблизительно постоянная диаметром пучка над значительными расстояниями, и в некоторой степени похож на луче.
Свет – энергетический транспорт
Свет переносит энергию. Например, Земля получает огромное количество энергии в день в виде солнечного света (в основном это инфракрасный свет); крошечная часть этого, преобразованная в полезные формы, такие как электрическая энергия, в принципе могла бы удовлетворить все потребности в энергии на Земле. Возможно прямое преобразование света в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических элементов; эффективность преобразования часто составляет порядка 20%, но в некоторых случаях может быть значительно больше (> 40%), например, с тандемными ячейками. Такие технологии начали вносить существенный вклад в удовлетворение потребностей человечества в энергии.
Первоначально он был очень дорогим, но в последние десятилетия стал одним из самых дешевых источников электроэнергии. Его потенциал будет ограничен доступностью солнечного света, изменяющейся во времени.
Поскольку свет может быть сильно сфокусирован на небольших точках, при условии, что он демонстрирует высокую степень пространственной когерентности. Это позволяет вкладывать энергию строго контролируемыми способами, особенно для лазерного света и является фундаментальной основой возможностей лазерной обработки материалов.
Еще одним важным аспектом является концентрация световой энергии во временной области. Интенсивный ультракороткий импульс может иметь чрезвычайно короткую длительность, поэтому может иметь чрезвычайно высокую пиковую мощность, даже если энергия импульса довольно умеренная.
Источники света
Свет может генерироваться множеством источников. Отличаются друг от друга способом получения светового излучения, потребляемой мощностью и темпартурой цвета. Наиболее популярные из них кратко описаны ниже:
Лампы накаливания
Лампы накаливания – это источники света, которые производят тепловое излучение от электрически нагретой нити накала. Обычно эта нить накала сделана из вольфрама, что позволяет работать при относительно высоких температурах порядка 2400–2800 Кельвинов. Ранние лампы накаливания изготавливались с углеродной нитью, которая была гораздо менее термостойкой.
Нить накала может поддерживаться только двумя токоведущими проводами или, альтернативно, также дополнительными опорными проводами, которые закреплены в изоляционном стекле.
Чтобы предотвратить быстрое окисление нити накала, ее помещают в стеклянную колбу, которую либо откачивают, либо (чаще) заполняют инертным газом низкого давления, таким как азот, аргон или криптон, который замедляет испарение нити. материал, но также уносит тепло.
Газоразрядные лампы
Газоразрядные лампы – это источники света, в основе которых лежит электрический разряд в ионизированном газе или парах металла. Некоторые из них уже использовались со второй половины 19 – го века на, в то время как другие были изобретены гораздо позже. В последние десятилетия технология в некоторых областях получила дальнейшее развитие. В настоящее время доступен очень широкий спектр газоразрядных ламп, основные параметры которых, такие как выходная мощность и длительность импульса, варьируются на порядки.
Принцип работы газоразрядной лампы заключается в том, что атомы или молекулы газа переводятся в возбужденные электронные состояния за счет столкновения электронов или, альтернативно, за счет передачи энергии от других атомов, ионов или молекул газа. Впоследствии возбужденные частицы излучают люминесцентный свет, который часто находится либо в видимом спектральном диапазоне, либо в ультрафиолетовом, иногда и в инфракрасном.
Люминесцентные лампы
Люминесцентные лампы – это устройства, которые излучают флуоресцентный свет. Эта флуоресценция возникает в люминофоре (флуоресцентном материале), который обычно возбуждается ультрафиолетовым светом от электрического разряда в каком-либо газе, обычно в парах ртути.
Впоследствии флуоресцентное покрытие на внутренней поверхности трубки поглощает ультрафиолетовый свет и преобразует его в флуоресцентный свет, в основном в видимой области спектра. А любой оставшийся ультрафиолетовый свет поглощается стеклянной трубкой.
Люминофор содержит несколько активных (светоизлучающих) веществ, которые смешаны таким образом, что общий спектр излучения приводит к восприятию свтеа как белого цвета.
Светодиоды
Светоизлучающие диоды или просто светодиоды являются одними из наиболее широко используемых полупроводниковых диодов различных типов. доступных сегодня. Обычно используются в телевизорах, цветных дисплеях, а также в светодиодном освещении.
Светоизлучающие диоды сделаны из очень тонкого слоя полупроводникового материала с достаточно высокой степенью легирования. В зависимости от используемого полупроводникового материала и количества легирования, при прямом смещении светодиод будет излучать цветной свет с определенной спектральной длиной волны.