1. Фізичні основи оптичного випромінювання

1.1. Виникнення оптичного випромінювання, його хвильова і квантова природа

Усі тіла в природі, температура яких вища за абсолютний нуль, випромінюють у навколишнє середовище енергію.

Випромінювання – одна з форм матерії, яка має масу спокою, що дорівнює нулю та рухається у вакуумі зі швидкістю м·с^-1. Воно характеризується хвильовими (Максвелл 1864; Герц 1886 – 1889) і квантовими властивостями (М. Планк, 1900).

Хвильові властивості випромінювання були передбачені Максвеллом у 1864 р і підтверджені Г. Герцем у 1886 – 1889 рр. Відповідно до хвильової теорії, випромінювання поширюється в просторі у вигляді електромагнітної хвилі, що являє собою періодичне коливання напруженостей електричного й магнітного полів. Поширення електромагнітної хвилі в просторі супроводжується перенесенням енергії за напрямком руху хвилі, тобто енергія випромінювання переноситься у просторі електромагнітними хвилями.

Виходячи із хвильових властивостей, випромінювання характеризують довжиною хвилі ( ), швидкістю ( ) і частотою ( ), які взаємозалежні:

, (1.1)

де – довжина хвилі, мкм, нм, м, (1м = 10⁶ мкм = 10⁹ нм); – частота, с^-1; с – швидкість поширення, м·с^-1.

На рубежі XIX і XX сторіч при поясненні окремих властивостей випромінювання теорія хвильової природи світла зазнала деяких труднощів. У 1900 р. М. Планк висунув квантову теорію, висловивши гіпотезу, що енергія випромінюється тілами не безупинно, а якимись порціями. Мінімальну порцію енергії випромінювання М. Планк назвав квантом енергії. Квант енергії випромінювання дорівнює добутку сталої величини на частоту випромінювання :

, (1.2)

де – стала Планка, що дорівнює 6,626·10^-34 Дж·с.

У 1905 р. А. Ейнштейн, опираючись на теоретичні праці М. Планка й експериментальні дані, сформулював фотонну теорію випромінювання. Відповідно до цієї теорії випромінювання розглядається як потік частинок випромінювання, які були названі фотонами. Таким чином, фотон – матеріальна частинка масою

. (1.3)

Для оптичної частини спектра  г.

Електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль від 1 нм до 1 мм, що лежить в області між рентгенівськими променями та радіовипромінюванням, називають оптичним випромінюванням.

Оптичне випромінювання виникає в результаті переходу електрона на більш низький енергетичний рівень (меншу орбіту обертання навколо ядра атома).

У початковий момент елементарні частинки речовини перебувають у стані енергетичної рівноваги. Позитивний заряд ядра атома врівноважується негативними зарядами електронів, що обертаються навколо ядра. При підведенні ззовні (з навколишнього середовища) до нейтральних атомів певної енергії запас її в частинці (атомі) збільшується. При досягненні якогось значення енергії, запасеної в атомі, його електрони збуджуються, тобто частина електронів (в основному верхнього рівня) переходить на іншу, більш високу орбіту. Електрон не може перебувати довгий час у збудженому стані й вертається на свою постійну орбіту. При переході з більше високої на низьку орбіту електрон віддає надлишкову енергію у вигляді випромінювання. Випущення енергії відбувається порцією, квантом. Величина кванта енергії залежить від будови атома, його структури, кількості енергетичних рівнів, на які може піднятися електрон. Енергія кванта визначається різницею енергій енергетичних рівнів електрона. Розрізняють резонансне й нерезонансне випромінювання.

Рисунок 1.1 – До виникнення випромінювання

Нерезонансне випромінювання – випромінювання, що виникає в результаті переходу електронів з одного збудженого стану в інший з меншою енергією, але не на основний – незбуджений.

Резонансне випромінювання – випромінювання, що виникає в результаті переходу електронів зі збудженого стану в незбуджений.