Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С

Вид материала

Документы

Содержание Световое давление Рис. 1. Схема опыта Лебедева: В — источ­ник света (угольная дуга); С — конденса­тор; D — металлич. диафрагма; К — линза; W — све G (рис. 1). На крылышки с по­мощью спец. оптич. системы и зеркал направлялся свет от сильной элект­рич. дуги В. Рис. 2. Схема действия лазерного пучка на ч-цы с разными показателями преломле­ния. На верхнем рис. ч-ца втягивается ла­зерным л Рис. 3. Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления. Световое поле Световой вектор Е напря­жённости электрического поля Световой год Световой конус Световой поток Д. Н. Лазарев. Основные световые величины Лазерная плазма. Световой пучок Световые величины Световые единицы Све­товые величины. Световые измерения

Подобный материал:

• Синдром удлинённого интервала qt и проблемы безопасности психофармакотерапии, 109.2kb.
• Товариство з обмеженою, 119.57kb.
• Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.
• Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
• Татьяна Евгеньевна Зыкова. Сюных лет ему была интересна литература, 95.59kb.
• Электронная газета в рамках «Дня науки», посвященного Году российской космонавтики, 85.16kb.
• Лекция Логические основы компьютеров , 369.25kb.
• Игра ) Имя известного ученого, в честь которого названа самая популярная программа, 21.91kb.
• Физика биологических систем, 39.45kb.
• Динамика культурных процессов в современной России, 39.45kb.

^ СВЕТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ (давление све­та), давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, ч-цы, а также отд. молекулы и атомы, частный случай пондеромоторного дей­ствия света.

Гипотеза о С. д. впервые была вы­сказана нем. учёным И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873 англ. физик Дж. К. Максвелл, исходя из эл.-магн. теории, предсказал величину С. д., к-рая оказалась исключительно малой даже

665


для самых сильных источников света (Солнце, электрич. дуга). В земных условиях С. д. маскируется побоч­ными явлениями (конвекционными то­ками, радиометрич. силами; см. Ра­диометрический эффект), к-рые могут превышать величину С. д. в тысячи раз. Поэтому измерить величину С. д. было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить С. д. уда­лось П. Н. Лебедеву в 1899,

Осн. частью прибора Лебедева слу­жили плоские лёгкие крылышки (диа­метром 5 мм) из разл. металлов и слюды, к-рые подвешивались на тон-



^ Рис. 1. Схема опыта Лебедева: В — источ­ник света (угольная дуга); С — конденса­тор; D — металлич. диафрагма; К — линза; W — светофильтр; S₁—S₆ — зеркала; L₁ и L₂ — линзы; R — изображение диафрагмы D на крылышках (на рис. крылышки не показаны) внутри стеклянного баллона G; P₁ и Р₂ — стеклянные пластинки; Т — тер­мобатарея; R, — изображение диафрагмы D на поверхности термобатареи.


кой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного вакуумиров. со­суда ^ G (рис. 1). На крылышки с по­мощью спец. оптич. системы и зеркал направлялся свет от сильной элект­рич. дуги В. Перемещение зеркал S₁, S₄ давало возможность изменять направление падения света на кры­лышки. Устройство прибора и мето­дика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрич. силы и обнаружить С. д. на отражаю­щие или поглощающие крылышки, к-рые под его воздействием отклоня­лись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал С. д. на газы, что было ещё труднее, т. к. оно в сотни раз меньше С. д. на тв. тела.

Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследований полно­стью согласовывались с величиной С. д., рассчитанной Максвеллом, что явилось ещё одним подтверждением эл.-магн. теории света.

Согласно этой теории, давление, к-рое оказывает на поверхность тела плоская эл.-магн. волна, падающая

перпендикулярно к поверхности, рав­но плотности и эл.-магн. энергии около поверхности. Эта энергия скла­дывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность эл.-магн, волны, па­дающей на 1 см² поверхности тела, равна Q эрг/см²•с, а коэфф. отражения R, то вблизи поверхности плотность энергии u=Q(1+R)/c. Этой величине и равно С. д. на поверхности тела: p=Q(1+R)/c (эрг/см³ или Дж/м³). Напр., мощность солнечного излу­чения, приходящего на Землю, равна 1,4•10⁶ эрг/см²•с или 1,4•10³ Вт/м²; следовательно, для абсолютно погло­щающей поверхности р=4,3•10^-5 дин/см=4,3•10^-6 Н/м². Общее дав­ление солнечного излучения на Землю равно 6•10¹³ дин (6•10⁸ Н), что в 10¹³ раз меньше силы притяжения Солнца.

Существование С. д. показывает, что поток излучения обладает не только энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квант. теории, С. д.— резуль­тат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отраже­ния света. Квант. теория даёт для С. д. те же формулы.

С. д. играет важную роль в двух противоположных по масштабам об­ластях явлений — астрономич. и атом­ных. В астрофизике С. д. наряду с давлением газов обеспечивает стабиль­ность звёзд, противодействуя силам гравитац. сжатия. С. д. существенно для динамики околозвёздного и меж­звёздного газа: так, напр., высоко­скоростное (2•10⁸ см/с) испускание газа горячими звёздами объясняется превышением С. д. над гравитац. при­тяжением. К эффектам С. д. в ат. области близко явление передачи вы­сокоэнергичными фотонами (γ-квантами) части своего импульса эл-нам, на к-рых они рассеиваются (см. Комптона эффект), или ядрам атомов кри­сталла в процессах излучения и по­глощения (см. Мёссбауэра эффект).

Возможности использовать С. д. в решении целого ряда практич. земных задач появились после создания лазе­ров. Лазерный луч, обладающий вы­сокой монохроматичностью и прост­ранств. когерентностью, можно фоку­сировать в пятно с радиусом, близким к теор. пределу,— порядка длины волны. При этом в результате кон­центрации световой энергии возникает сила С. д., достаточная для удержания маленьких ч-ц (0,1 —100 мкм) в воз­духе или иной среде

(о п т и ч е с к а я л е в и т а ц и я) и даже их перемеще­ния. Т. к. ч-цы одного и того же в-ва, но разных размеров будут испытывать разл. С. д. и поэтому двигаться с разл. скоростями, их можно разде­лять по размерам. Возможно также разделение ч-ц с разл. (относительно среды) показателями преломления. На рис. 2 изображены две сферы с раз­ными показателями преломления, на­ходящиеся на краю пучка, имеющего гауссовское распределение интенсивности. Лучи а и b, расположенные симметрично относительно центра сфе­ры, проходя через неё, искривляются т. о., что возникают две силы С. д. F_a и F_b, направленные вдоль изме­нения импульса лучей. Т. к. луч о расположен ближе к центру сечения пучка, то F_a>F_b и существует ре­зультирующая поперечная компонен­та, направленная к центру пучка, если показатель преломления сферы больше показателя преломления сре­ды (рис. 2, вверху), и от центра — в обратном случае (рис. 2, внизу). Такой способ разделения может оказаться очень удобным для разделения биол. объектов (вирусы, макромоле­кулы, клетки), находящихся в жид­кости (при предотвращении чрезмер­ного нагрева).




^ Рис. 2. Схема действия лазерного пучка на ч-цы с разными показателями преломле­ния. На верхнем рис. ч-ца втягивается ла­зерным лучом на нижнем — выталкивается.


Двумя встречными лазерными пуч­ками можно создать т. н. «оптич. ло­вушку», в к-рой ч-цы в воздухе, име­ющие высокий показатель преломле­ния, находятся в устойчивом равно­весии, т. к. любое смещение приводило бы к появлению возвращающей оп­тич. силы (оптич. левитация). Будучи захваченной, ч-ца остаётся в воздухе, пока на неё сфокусирован свет. Дви­жением линзы можно очень точно перемещать фокус луча и тем самым положение ч-цы. Точная микромани­пуляция с ч-цами очень ценна, напр., в проблеме термоядерных исследова­ний: с помощью лазера можно вво­дить и поддерживать на весу малень­кую ч-цу, играющую роль мишени для мощного импульсного лазера.

Возможным использованием С. д. в высоком вакууме явл. ускорение микрочастиц в-ва до больших скоро­стей. Ограничением предельно дости­жимых скоростей явл. плавление и испарение ч-цы. Если считать плавле­ние предельным случаем, то при из­вестных показателе преломления и коэфф. поглощения можно найти пре­дельно допустимую мощность луча и рассчитать предельную скорость. Для ч-ц диаметром 0,5 мкм, имеющих коэфф. поглощения 3•10^-5 см^-1, ко­нечная скорость может быть 3•10⁸ см/с. Если такую ч-цу направить на мишень или др. ч-цу таких же размеров и скорости, то была бы получена мощ-

666


ность ~10¹¹ Вт в течение 10^-13 с. Ч-ца испарилась бы и образовала высокотемпературную плазму, в к-рой возможны термоядерные реакции. По­этому эта методика может представлять интерес в термоядерных исследова­ниях, однако здесь имеются техн. трудности, связанные с подавлением нелинейного поглощения, и др.

Сила С. д. на отд. атомы невелика, но вследствие малости массы атома, эффект механич. воздействия света может быть значительным. Особенно велико такое воздействие, если ча­стота лазерного излучения равна ча­стоте ат. перехода (оптич. резонанс). Поглощая фотон, атом получает им­пульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбуждённое состоя­ние, в к-ром находится конечное время. При спонтанном испускании фотона атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов про­извольно направленные импульсы све­товой отдачи взаимно гасятся, и в конечном итоге резонансный атом по­лучает импульс, направленный вдоль светового луча — резонансное световое давление. С увеличением мощности оптич. излучения резонанс­ное С. д. насыщается, что связано с конечным временем жизни возбуждён­ного состояния. Если ср. время жизни ~10^-8 с, то атом в среднем может рассеять не более 10⁸ фотонов в 1 с. В действительности из-за наличия вынужденного излучения в возбуждён­ном состоянии атом может рассеять лишь половину этого кол-ва. Однако при насыщении резонансное С. д. может создавать ускорение атомов до 10⁵ g (где g — ускорение свободного падения).

Одним из возможных применений резонансного С. д. явл. разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из к-рых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием С. д. перейдут в дальнюю камеру 7 (рис. 3). При



^ Рис. 3. Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления.

помощи резонансного С. д. можно даже получить разделение изотопов за счёт сдвига резонансной частоты у изотопов. С помощью резонансного С. д. можно селектировать атомы с определённой скоростью из много­скоростного ат. пучка.

• Лебедев П. Н., Избр. соч., М.— Л., 1949; Э ш к и н А., Давление ла­зерного излучения, «УФН», 1973, т. 110, в. 1; К а з а н ц е в А. П., Резонансное све­товое давление, «УФН», 1978, т. 124, в. 1.

^ СВЕТОВОЕ ПОЛЕ, поле светового вектора, пространств. распределение световых потоков. Теория С. п.— раздел теор. фотометрии. Осн. хар-ки С. п.— световой вектор, определяю­щий величину и направление переноса лучистой энергии, и скалярная вели­чина — ср. сферич. освещённость, оп­ределяющая объёмную плотность све­товой энергии в исследуемой точке поля. Распределение освещённости на­ходят, применяя общие методы рас­чёта пространств. распределения све­тового потока. В теории С. п. ис­пользуют понятие о световых линиях, аналогичное понятию силовых линий в классич. теории эл.-магн. поля. С. п. исследуют методами фотометрии; при этом не учитывают квант. при­роду света, принимая, что распреде­ление энергии в С. п. непрерывно во времени и пространстве.

Л. Н. Капорский.

^ СВЕТОВОЙ ВЕКТОР, вектор плотнос­ти светового потока, определяет ве­личину и направление переноса све­товой энергии. Абс. величина С. в.— отношение переносимой через площад­ку AS, перпендикулярную направ­лению переноса, в ед. времени све­товой энергии к величине этой пло­щадки. Понятие «С. в.» используется гл. обр. в теор. фотометрии для количеств. описания световых полей и явл. фотометрич. аналогом Пойнтинга вектора. Так, напр., дивер­генция С. в. определяет объёмную плотность поглощения или испускания света в данной точке светового поля. Проекция С. в. на любое направление, проходящее через точку, равна раз­ности освещённостей двух сторон ма­лой площадки, помещённой в этой точке перпендикулярно данному на­правлению. Размер и положение С. в. не зависят от системы координат.

Иногда С. в. наз. вектор ^ Е напря­жённости электрического поля эл.-магн. волны. Это связано с тем, что именно действие электрического по­ля на вещество приводит к погло­щению, излучению, поляризации и др. оптическим явлениям.

Л. Н. Капорский.

^ СВЕТОВОЙ ГОД, внесистемная еди­ница длины, применяемая в астроно­мии; 1 С. г. равен расстоянию, про­ходимому светом за 1 год. 1 С. г.= 0,3068 парсек=9,4605•10¹⁵ м.

^ СВЕТОВОЙ КОНУС, понятие исполь­зуемое при описании геом. св-в четы­рёхмерного пространства-времени в частной (специальной) и общей теории относительности. С. к., соответствую­щим данной точке пространства-вре­мени, наз. трёхмерное подпростран­ство в этом четырёхмерном пр-ве, об­разованное совокупностью мировых линий свободно распространяющихся световых сигналов (или любых ч-ц с нулевой массой покоя), проходящих через эту точку (вершину конуса). Т. о., каждой точке четырёхмерного пространства-времени соответствует свой С. к.

В случае, если справедлива частная теория относительности, геометрия пространства-времени явл. псевдоев­клидовой, наз. г е о м е т р и е й М и н к о в с к о г о, в к-рой все точки пространства-времени равноправны. Поэтому достаточно рассмотреть С. к. с вершиной в начале координат О: х=0, y=0, z=0, t=0 (где х, у, z — пространств. координаты, t — время). Ур-ние поверхности С. к. с вершиной в О имеет вид: c²t²-х²-y²-z²=0; оно инвариантно относительно Лоренца преобразований. Точки (события) с x²+y²+z²c²t² и t>0, t<0 образуют



верхнюю и нижнюю полости С. к., соответственно — области I, II; со­бытия с x²+y²+z²>c²t² образуют об­ласть III вне С. к. Пересечение С. к. с плоскостью y=0, z=0 изображено на рис. Поверхность С. к. пересекает эту плоскость по прямым x=±ct. События А, лежащие в области 1, образуют т. н. абс. будущее по от­ношению к событию О; событие О может оказать непосредств. воздей­ствие на любое событие А, т. к. они могут быть связаны с О сигналами или вз-ствиями. События в области II образуют абс. прошедшее для собы­тия О; любое событие В может влиять на событие О, сигналы из В могут достичь О. События в области III не могут быть связаны с О никаким вз-ствием, т. к. никакие ч-цы и сиг­налы не распространяются быстрее света. Т. о., поверхность С. к. отде­ляет события, к-рые могут находиться в причинной связи с О, от событий для к-рых это невозможно,— с этим связано фундам. значение понятия «С. к.». Наблюдатель, находящийся в О, может знать только о событиях в области II и воздействовать только на события в области I.

При наличии полей тяготения ми­ровые линии, образующие поверх­ность С. к., уже не явл. прямыми; св-ва С. к. вблизи вершины такие же. как в частной теории относительности, но в целом они могут отличать­ся.

И. Ю. Кобзарее.

^ СВЕТОВОЙ ПОТОК, световая ве­личина, оценивающая поток излуче­ния, т. е. мощность оптич. излучения, по вызываемому им световому ощуще­нию, точнее, по его действию на се-

667


лективный приемник света, спектр. чувствительность к-рого определяется ф-цией относит. спектральной светоsoй эффективности излучения V (К) ( — длина волны света в вакууме). Ед. С. п.— люмен. С. п. Ф_v связан с потоком излучения Ф_е соотношением



где К _m — максимальное значение спектральной световой эффективности, равное 683 лм/Вт (при длине вол­ны 555 нм).

^ Д. Н. Лазарев.

СВЕТОВОЙ ПРОБОЙ (оптический про­бой, оптический разряд, лазерная иск­ра), переход вещества в результате интенсивной ионизации в состояние плазмы под действием эл.-магн. полей оптич. частот. Впервые С. п. наблю­дался в 1963 при фокусировке в воз­духе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина, работаю­щего в режиме модулированной доб­ротности. При С. п. в фокусе линзы возникает искра, эффект воспринима­ется наблюдателем как яркая вспыш­ка, сопровождаемая сильным звуком. Для пробоя газов на оптич. ча­стотах требуются огромные электрич. поля порядка 10⁶—10⁷ В/см, что соот­ветствует интенсивности светового по­тока в луче лазера ~10⁹—10¹¹ Вт/см² (для сравнения, СВЧ-пробой атм. воздуха происходит при напряжён­ности поля ~10⁴ В/см). Возможны два механизма С. п. газа под дейст­вием интенсивного светового излуче­ния. Первый из них не отличается по своей природе от пробоя газов в полях не очень больших частот (сюда относится и СВЧ-диапазон). Пер­вые затравочные эл-ны, появившиеся по тем или иным причинам в поле, сначала набирают энергию, поглощая фотоны при столкновениях с атомами газа,— этот процесс явл. обратным по отношению к тормозному испуска­нию квантов при рассеянии эл-нов нейтр. возбуждёнными атомами. На­копив энергию, достаточную для иони­зации, эл-н ионизует атом, и вместо одного появляются два медленных эл-на, процесс повторяется. Так раз­вивается лавина (см. также Лавинный разряд). В сильных полях такой про­цесс осуществляется достаточно быстро и в газе вспыхивает пробой. Второй механизм возникновения С. п., ха­рактерный именно для оптич. ча­стот, имеет чисто квантовую природу. Эл-ны могут отрываться от атомов в результате многоквантового фотоэф­фекта, т. е. при одновременном по­глощении сразу неск. фотонов. Одно-квантовый фотоэффект в случае ча­стот видимого диапазона невозможен, т. к. потенциалы ионизации атомов в несколько раз превышают энергию кванта. Так, напр., энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а

ионизационный потенциал аргона ра­вен 15,8 эВ, т. е. для отрыва эл-на требуется 9 фотонов. Обычно многофо­тонные процессы маловероятны, но скорость их резко повышается при увеличении плотности числа фотонов, а при тех высоких интенсивностях, при к-рых наблюдают С. п., вероятность их достигает значительной величины. В плотных газах, при давлениях порядка атмосферного и выше, всегда происходит лавинная ионизация, мно­гофотонные процессы явл. здесь лишь причиной появления первых эл-нов. В разреженных же газах и в полях пикосекундных импульсов, когда эл-ны вылетают из области действия поля, не успев испытать много столк­новений, лавина не развивается и С. п. возможен только за счёт непо­средственного вырывания эл-нов из атомов под действием света. Это воз­можно только при очень сильных световых полях >10⁷ В/см. При высоких давлениях С. п. наблюдается в гораздо более слабых полях. Весь механизм С. п. сложен и многооб­разен.

^ ОСНОВНЫЕ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ




С. п. наблюдается и в конденсирован­ных средах при распространении в них мощного лазерного излучения и может явиться причиной разрушения материалов и оптич. деталей лазерных устройств.

О возможных применениях плазмы, возникающей при С. п., см. в ст. ^ Лазерная плазма.

• Райзер Ю.П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974; Барынин В. А., Хохлов Р. В., К воп­росу о механизме светового пробоя в газе, «ЖЭТФ», 1966, т. 50, в. 2.

^ СВЕТОВОЙ ПУЧОК, совокупность световых лучей, испускаемых элемен­том поверхности источника dS в пре­делах малого телесного угла d. Если яркость поверхности источника равна I, а ось пучка и нормаль к dS совпа­дают, то поток энергии, переносимой С. п., равен dФ=IdSd.

^ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ, система редуцированных фотометрических ве­личин, характеризующих свет в про­цессах его испускания, распростране­ния и преобразования (отражение, пропускание и пр.). С. в. определяют по отношению к т. н. ср. человече­скому светоадаптированному глазу (см. Адаптация глаза). Относительной спектр. чувствительностью этого услов­ного приёмника света считают ф-цию относит. спектральной световой эф­фективности, нормализованную в ре­зультате эксперим. статистич. иссле­дований (в них усреднение произве­дено как по большой совокупности глаз отдельных людей с нормальным

зрением, так и по реакциям глаз од­ного и того же человека в разл. мо­менты времени). В табл. приведены осн. С. в. и единицы С. в. в Между­народной системе единиц (СИ). Их определения см. также в отд. статьях (Световой поток, Люмен и др.).

Д. Н. Лазарев.

^ СВЕТОВЫЕ ЕДИНИЦЫ, единицы световых величин: силы света, осве­щённости, яркости, светового потока и т. д. Ед. силы света наз. кандела (кд, ранее свеча); она воспроизводится по световым эталонам и входит в качестве осн. единицы в Междунар. систему единиц (СИ). С. е. в этой

668


системе приведены в табл. к ст. ^ Све­товые величины. Употребляются также др. единицы освещённости и яркости: 1 фот=10⁴ люксов; 1 люмен на кв. фут (лм/фут² или 1 фут-свеча) =10,764 люкса; 1 стильб=10⁴ кд/м²; 1 ламберт=10⁴/ кд/м²; 1 фут-ламберт=3,426 кд/м².

Д. Н. Лазарев.

^ СВЕТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ, количест­венные определения величин, харак­теризующих оптическое излучение, оп­тич. св-ва материалов (прозрачность, отражат. способность) и пр. С. и. производятся приборами, в состав к-рых входят приёмники света. В про­стейших случаях в диапазоне видимо­го света приёмником, с помощью к-рого оцениваются световые вели­чины, служит человеческий глаз. Под­робно о С. и. см. в ст. Фотометрия.