Монохроматический свет, монохроматизация, монохроматизаторы фотометрии. Источники монохромного излучения

МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (от греч. monos - один и chroma, род. падеж chrOmatos - цвет) - эл--магн. одной определённой и строго постоянной частоты. Происхождение термина "М. и." связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей природе электромагнитные волны видимого диапазона, лежащие в интервале 0,4 - 0,7 мкм, не отличаются от эл--магн. волн др. диапазонов (ИК-, УФ-, рентгеновского и т. д.), по отношению к к-рым также используют термин "монохроматический" (одноцветный), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Теория эл--магн. излучения, основанная на Максвелла уравнениях , описывает любое M. и. как гармония, происходящее с неизменной амплитудой и частотой в течение бесконечно долгого времени. Плоская монохроматич. волна эл--магн. излучения служит примером полностью поля (см. Когерентность ),параметры к-рого неизменны в любой точке пространства и известен закон их изменения во времени. Однако процессы излучения всегда ограничены во времени, а потому понятие M. и. является идеализацией. Реальное естеств. излучение обычно представляет собой сумму нек-рого числа монохроматич. волн со случайными амплитудами, частотами, фазами, и направлением распространения. Чем уже интервал, к-рому принадлежат частоты наблюдаемого излучения, тем оно монохроматичнее. Так, излучение, соответствующее отд. линиям спектров испускания свободных атомов (напр., атомов разреженного газа), очень близко к M. и. (см. Атомные спектры ; )каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния т с большей энергией в состояние n с меньшей энергией. Если бы энергии этих состояний имели строго фиксиров. значения и , атом излучал бы M. и. частоты v тп = ()/h . Однако в состояниях с большей энергией атом может находиться лишь малое время Dt (обычно 10 -8 с - т. н.

T. к. идеальным M. и. не может быть по самой своей природе, то обычно монохроматическим считается излучение с узким спектральным интервалом, к-рый можно приближённо характеризовать одной частотой (или длиной волны).

Приборы, с помощью к-рых из реального излучения выделяют узкие спектральные интервалы, наз. моно -хроматорами . Чрезвычайно высокая монохроматичность характерна для излучения нек-рых типов лазеров (ширина спектрального интервала излучения достигает величины 10 -7 нм, что значительно уже, чем ширина линий атомных спектров).

Лит.: Борн M., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., M., 1973; Калитеевский H. И., 2 изд., M., 1978. Л. H. Канарский .

MOHOXPOMATOP - спектральный оптич. прибор для выделения узких участков спектра оптич. излучения. M. состоит (рис. 1) из входной щели 1 , освещаемой источником излучения, коллиматора 2 , диспергирующего элемента 3 , фокусирующего объектива 4 и выходной щели 5 . Диспергирующий элемент пространственно разделяет лучи разных длин волн l, направляя их под разными углами f, и в фокальной плоскости объектива 4 образуется спектр - совокупность изображений входной щели в лучах всех длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели 5 , изменяют спектральную ширину dl выделенного участка.

Рис. 1. Общая схема монохроматора: 1 - входная щель, освещаемая источником излучения; 2 - входной коллиматор; 3 - испергирующий элемент; 4 - фокусирующий объектив выходного коллиматора; 5 - выходная щель .

Диспергирующими элементами M. служат дисперсионные призмы и . решётки. Их угл. дисперсия D = Df/Dl вместе с фокусным расстоянием f объектива 4 определяют линейную дисперсию Dl /Df = Df (Df - угл. разность направлений лучей, длины волн к-рых отличаются на Dl; Dl - расстояние в плоскости выходной щели, разделяющее эти лучи). Призмы дешевле решёток в изготовлении и обладают большой дисперсией в УФ-области. Однако их дисперсия существенно уменьшается с ростом l и для разных областей спектра нужны призмы из разных материалов. Решётки свободны от этих недостатков, имеют постоянную высокую дисперсию во всём оптич. диапазоне и при заданном пределе разрешения позволяют построить M. с существенно большим выходящим , чем призменный M.

Осн. характеристиками M., определяющими выбор параметров его оптич. системы, являются: лучистый поток Ф" l , проходящий через выходную щель; предел разрешения dl*, т. е. наим. разность длин волн, ещё различимая в выходном излучении M., либо его разрешающая способность r , определяемая, как и для любого др. , отношением l/dl*, а также относительное отверстие объектива коллиматора А 0 . Разрешающая способность r , ширина выделяемого спектрального интервала dl и спектральное распределение энергии излучения, прошедшего через выходную щель, определяются аппаратной функцией M., к-рую можно представить как распределение потока лучистой энергии по ширине изображения входной щели (в плоскости выходной щели), если та освещается монохроматическим излучением .

Световой поток, выходящий из M., F" l = т l F l = т l В l S Wdl , где т l - коэф. пропускания M.; F l - световой поток, попадающий в M.; В l - спектральная яркость входной щели; S - площадь выходной щели; W - телесный угол лучей фокусирующего объектива, сходящихся на выходной щели. Произведение S W = S 0 W 0 (индексы 0 относятся к входной щели) при прохождении светового потока через прибор остаётся постоянным (если световые пучки не срезаются к--л. диафрагмами) и наз. геом. фактором прибора. T. к. W = pd 2 /4f 2 = pA 2 /4, где f , d и А - фокусное расстояние, диаметр и действующее относительное отверстие фокусирующего объектива, a S = hb (h - высота, b - ширина выходной щели), то При определении оптим. условий работы M. существен характер спектра источника света - линейчатый или сплошной, - к-рым освещается входная щель. В первом случае выходящий поток пропорционален ширине выходной щели, во втором случае - квадрату ширины щели b 2 , а также квадрату пропускаемого спектрального диапазона (dl) 2 ; при заданном dl выходящий поток пропорционален линейной дисперсии M.

Объективы M. (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы пригодны в более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому, что особенно удобно для ИК- и УФ-областей спектра.

Рис. 2. Автоколлимационная схема: 1 - зеркало, вра щением которого осуществляется сканирование спектра .

Рис. 3. z-образная симметричная схема: 1 - дифракционная решётка; 2 - сферическое зеркало .

Из большого кол-ва существующих оптич. схем M. можно выделить, помимо традиционных (рис. 1), автоколлимационные (рис. 2), z -образные (рис. 3), схемы с расположением щелей одна над другой либо просто с одной щелью, у к-рой верх. часть служит входной, а нижняя - выходной щелью, и пр. В тех случаях, когда особенно важно избежать попадания в выходную щель M. рассеянного света с длинами волн, далёкими от выделяемого участка спектра (напр., в спектрофото-метрии) , применяют т. н. двойные M., представляющие собой два M., расположенных так, что свет, выходящий из первого M., попадает во второй и выходная щель первого служит входной щелью второго (рис. 4). В зависимости от взаимного расположения диспергирующих элементов в каждом из этих M. различают двойные M. со сложением и с вычитанием дисперсий. Приборы со сложением дисперсий позволяют не только во много раз снизить уровень рассеянного света на выходе, но и увеличить разрешающую способность M., а при заданном разрешении - повысить выходящий световой поток (т. е. расширить щели). Двойные M. с вычитанием дисперсий позволяют снизить уровень рассеянного света без увеличения разрешающей способности. В них на выходную щель приходит свет такого же спектрального состава, с каким он вышел из ср. щели. Такие M. менее светосильны, чем M. со сложением дисперсий, однако они позволяют проводить сканирование спектра перемещением ср. щели в плоскости дисперсии прибора, что очень удобно конструктивно для , особенно скоростных. В ряде случаев, когда необходимо одновременное выделение неск. недалёких узких спектральных интервалов, применяют простые M. с несколькими выходными щелями, т. н. полихроматоры.

Рис. 4. Двойной монохроматор: 1 - средняя щель; 2 и 3 -дифракционные решётки, вращающиеся на общем основании; 4 -9 - зеркала .

Лит.: Лабораторные оптические приборы, под ред. Л. А. Новицкого, 2 изд., M., 1979; Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975. А. П. Гагарин .

Излучение (радиация) является одной из форм существования материи в виде электромагнитного поля. Ха­рактерной особенностью излучения является корпуску­лярно-волновой дуализм.

Фотон - элементарная частица излучения, энергия которой (квант) є равна Им, где И = 6,626 10-34 Дж-с - постоянная Планка: v - частота ихпучепия, Гц.

В вакууме фотоны движутся со скоростью сQ = = 2,9979 10х м/с (скорость света).

Корпускулярные свойства фотона определяются его массой тф =с/Cq, и импульсом P§=hv/с. Фотон дви­жется со скоростью cq - максимальной скоростью, с которой может двигаться элементарная частица мате­рии: тф = то /- (ьс)2 . Скорость движения фотона

) = і1, очевидно, что фотон находится всегда в движении и массой покоя то не обладает.

Волновые свойства фотона описываются частотой и. ишной волны. Длина волны фотона в вакууме

Генераторами излучения являются движущиеся мо­лекулы и атомы вещества. Монохроматическое (одно­родное) излучение получить на практике нельзя. При­нято под монохроматическим излучением понимать сово­купность выделяемых источником излучения фотонов, обладающих практически одинаковой длиной волны.

Сложное излучение представляют состоящим из со­вокупности монохроматических излучений. Светотех­ника имеет дело с оптическим излучением, т. е. с элек­тромагнитным излучением с длинами волн примерно от 1 нм до 1 мм, лежащими в област и между рентгенов­скими лучами и радиоихпученисм.

Оптическая область спектра делится па ультрафио­летовую, видимую и инфракрасную.

Ультрафиолетовое излучение - ОИ. длины волн мо­нохроматических составляющих которого лежат в пре­делах от 1 до 380 нм. МКО предлагает следующее деле­ние УФ-излучений с длинами волн от 100 до 400 нм: УФ-А - от 315 ло 400 нм; УФ-В - от 280 до 315 нм; УФ-С - от 100 до 280 нм.

Видимое изучение (свет) - излучение, которое, по­падая на сетчагую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение (ощущение - превращение энергии внешнего раздражителя в факт сознания). Видимое из­лучение имеет длины волн монохроматических состав­ляющих в пределах 380-780 нм.

Инфракрасное изучение имеет длины воли монохро­матических составляющих, большие длин волн види­мого излучения. МКО предлагает следующее деление ИК области ихпучепий: ИК-А - от 780 до 1400 нм; ИК-В - от 1400 до 3000 нм; ИК-С - от 3000 до 106 им (от 3 мкм до 1 мм).

Спектр излучения - совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложно излучения. Спектр излучения может описываться графической, аналитической или табличной зависимостями. Источ­ники излучения моїут иметь сплошной, полосатый, ли­нейчатый спектр или спектр, имеющий сплошную и линейчатую составляющие.

Сплошной спектр - спектр, у которого монохрома­тические составляющие заполняют без разрывов ин­тервал длин волн, в пределах которого происходит из­лучение.

Полосатый спектр - спектр, монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположен­ных монохроматических излучений.

Линейчатый спектр - спектр, состоящий из отдель­ных, пе примыкающих друг к друїу монохроматиче­ских излучений.

Поток излучения Ф(> - мощность излучения, т. е.

ФР(^., dk)=Qe(X, <1К) / dt, (1.1)

где Qe, Qe(X, cfk) - энергии сложного и монохромати­ческого излучений, испускаемые за время dt Фг,

Согласно термину 845-01-03 Международного светотехнического словаря 1261, за нижчий предел видимого излучения при­нимается диапазон 360- 400 нм, а за верхний предел - 760-830 нм.

Фе(А, dk) - потоки сложного и монохроматического излучений. Вт.

Монохроматический поток излучения иногда изме­ряется также числом квантов в единицу времени.

Для описания распределения потока излучения по спектру пользуются спектральной плотностью потока излучения

ФеХ=Фе(, dk)/dk. (1.2)

Во многих случаях размеры источника излучения намного меньше расстояния от него до облучаемого объекта, поэтому правомочно рассматривать условный точечный источник излучения, т. е. такой, размеры кото­рого настолько малы по сравнена с расстоянием до приемника, что ими можно пренебречь при расчетах. Если принять за точечный источник излучения равно­мерно излучающий круг диаметром d, то поіреппюсть при расчетах в зависимости от расстояния I от круга до приемпика составляет около 9% при I/d = 3 и около 4% при I / d = 5.

Излучение источника распространяется в некото­ром телесном угле.

Телесный угол £2 - часть пространства, ограничен­ная незамкнутой поверхностью. Часто используются телесные углы, ограниченные разными коническими поверхностями (рис. 1.1). Мерой телесного угла с вер­шиной в центре сферы является отношение площади сферической поверхности dA, на которую он опирает­ся, к квадрату радиуса сферы г. За единицу телесного угла - стерадиан (ср) - принят центральный телесный угол, вырезающий участок сферы, площадь которого

равна квадрату ее радиуса. Элементарный зональный телесный угол dQ. ограничен двумя соосными кониче­скими поверхностями, образующие которых сметены на угол da: dSi = dA / г2 = 2л sin a da.

Зо! Шьный телесный угол Дй, для которого «2 - ct| = а2

Монохроматический Свет (от моно... и греч. chroma, род. падеж chromatos - цвет), электромагнитная волна одной определенной и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом (см. Свет). Происхождение термина "Монохроматический свет" связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн др. диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним также используют термин - "монохроматический" ("одноцветный"), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Понятие "Монохроматический свет" (как и "монохроматическое излучение" вообще) является идеализацией. Теоретический анализ показывает, что испускание строго монохроматические волны должно продолжаться бесконечно долго. Реальные же процессы излучения ограничены во времени, и поэтому в них одновременно испускаются волны всех частот, принадлежащих некоторому интервалу. Чем уже этот интервал, тем "монохроматичнее" излучение. Так, очень близко к монохроматическому свету излучение отдельных линий спектров испускания свободных атомов (например, атомов газа). Каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния т (с большей энергией) в состояние п (с меньшей энергией). Если бы энергии этих состояний имели строго фиксированные значения Е m и Е n , атом излучал бы монохроматический свет частоты ν mn = 2πω nm = (Е m - E n)/h (см. Излучение). Здесь h - Планка постоянная, равная 6,624*10 -27 эрг -сек. Однако в состояниях с большей энергией атом может находиться лишь малое время Δt (обычно 10 -8 сек - т. н. время жизни на энергетическом уровне), и, согласно неопределенностей соотношению для энергии и времени жизни квантового состояния (ΔEΔt≥h), энергия, например, состояния m может иметь любое значение между Еm + ΔЕ и Еm - ΔЕ. За счет этого излучение каждой линии спектра приобретает "разброс" частот Δν mn = 2ΔE/h = 2/Δt (подробнее см. Ширина спектральных линий).

При испускании света (или электромагнитного излучения др. диапазонов) реальными источниками в них происходит множество переходов между различными энергетическими состояниями; поэтому в таком излучении присутствуют волны многих частот. Приборы, с помощью которых из света выделяют узкие спектральные интервалы (излучение, близкое к монохроматическому свету), называются монохроматорами. Чрезвычайно высокая монохроматичность характерна для излучения некоторых типов лазеров (его спектральный интервал может быть значительно уже, чем у линий атомных спектров).

Любой свет представляет собой электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом. Согласно различным теориям физики, он может считаться как волной, так и потоком фотонов - в зависимости от ситуации. Субъективной характеристикой света является цвет, который воспринимается человеческим глазом. Для монохроматического излучения он определяется частотой волны, а для сложного - спектральным составом.

Общее понятие

Монохроматический свет - это световые колебание волн, которые имеют одинаковую частоту. К нему можно отнести как часть воспринимаемого глазом спектра, так и невидимого (инфракрасный, рентгеновский, ультрафиолетовый).

Под монохроматическим понимают излучение которые имеют одинаковую длину и частоту колебания. Как видим, эти два определения тождественны. Можно сделать вывод, что монохроматический свет и монохроматическое излучение - это одно и то же.

Получение света одного тона. Монохроматоры

В естественных условиях нет источника, который бы испускал свет с одной длиной волны и одинаковой частотой колебания. Монохроматический свет получают при помощи специальных приборов, которые называют монохроматорами. Это возможно различными способами. Для первого варианта используются призматические системы. С их помощью выделяют поток с необходимой степенью монохроматичности.

Второй метод, который позволяет выделить монохроматический пучок света, основывается на свойствах дифракции и применении Третьим способом получения является производство или источников света, в которых при испускании волны происходит только один электронный переход.

Применение монохроматического света и приборов его излучения

Самым простым примером может служить лазер. Его создание стало возможным благодаря дискретным свойствам света. Использование отличается многогранностью: их применяют в медицине, рекламе, строительстве, промышленности, астрономии и многих других сферах. При этом монохроматического света, испускаемого прибором, благодаря его конструкции может быть строго постоянной. По времени это может быть как непрерывный, так и дискретный свет. Также к монохроматорам относят различного рода спектрометры, которые применяются в самых разных сферах.

Монохроматический свет и его влияние на организм человека

Основными спектральными цветами являются красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Существует направление медицины, которое изучает их влияние на организм человека. Называется оно офтальмохромотерапией.

Использование красного света помогает в избавлении от различных заболеваний верхних дыхательных путей. Оранжевый помогает улучшить кровообращение и пищеварение, ускоряет регенерацию мышечной и нервной ткани. Желтый цвет благотворно влияет на работу желудочно-кишечного тракта и оказывает очищающее воздействие на весь организм.

Зеленый способствует излечению гипертонии, неврозов, утомления, бессонницы. Голубой благодаря своим антибактериальным свойствам способен снять воспалительные процессы в горле. Также его применяют при лечении ревматизма, экземы, витилиго, гнойных высыпаний на кожных покровах. Синий монохроматический свет благотворно влияет на и гипофиз, а фиолетовый повышает тонус мышц, головного мозга, глаз, позволяет нормализовать работу органов ЖКТ и нервной системы в общем.

Как видно из вышесказанного, однотонный свет необходим не только для идеализированных экспериментов физиков, он способен приносить реальную пользу здоровью, не говоря уже о промышленности и других сферах человеческой деятельности.

Работа с узкой полосой излучения обладает следующими преимуществами: 1) возрастает вероятность подчинения погло­щающей системы закону Бера (см. раздел 1.5.); 2)увеличивается селективность, поскольку вещества, поглощающие в других облас­тях спектра, мешают в меньшей степени; 3) если при выбранной длине волны поглощение велико, то при очень малом изменении концентрации наблюдается значительное изменение оптической плотности, что обусловливает высокую чувствительность.

Устройства для выделения части излучения основаны на ис­пользовании различных оптических явлений: интерференции, ди­фракции, поглощении света, дисперсии. Выделить абсолютно мо­нохроматическое излучение невозможно, на практике получают более или менее узкий интервал длин волн; этого достигают бездисперсионными (светофильтры) и дисперсионными (монохро-маторы) способами.

Важнейшими характеристиками этих устройств являются: 1)полоса пропускания - интервал длин волн, выходящих из моно-хроматора или светофильтра; ее характеризуют полушириной максимума пропускания; 2) разрешение - способность разделять соседние участки спектра, выражается отношением исследуемой длины волнык наименьшей разницемежду этой и соседней волнами, которые можно различить; 3) светосила - способ­ность пропускать излучение, в наиболее совершенных приборах она близка к 100 %; 4) дисперсия (для монохроматоров)- способ­ность разлагать излучение в спектр. Для ее характеристики ис­пользуют линейную дисперсию (где - расстояние между двумя линиями в спектре,разность их длин волн) или обратную величинуДисперсия зависит от материала призмы и конструкции монохроматора.

Светофильтры обычно используются в видимой части спек­тра, они бывают нескольких типов.

Абсорбционные светофильтры представляют собой цвет­ные стекла или стеклянные пластинки, между которыми помещен краситель, суспендированный в желатине. Первые обычно более термически устойчивы. Абсорбционные светофильтры пропускают излучение ограниченного интервала длин волн и поглощают излу­чение всех остальных, они характеризуются небольшой прозрач­ностью (Т = 0,1) и довольно широкой полосой пропускания (30 нм и более).

Характеристики интерференционных светофильтров значи­тельно лучше. Светофильтр состоит из двух тончайших полупро­зрачных слоев серебра, между которыми находится слой диэлек­трика. В результате интерференции света из светофильтра будут выходить лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине ди­электрического слоя. Прозрачность интерференционных свето­фильтров составляет: Т = 0,3 ^ 0,8 ; эффективная ширина про­пускания обычно не превышает 5-^10 нм. Для еще большего сужения полос пропускания пользуются системой двух последова­тельных интерференционных светофильтров.

При маркировке светофильтров указывают длину волны в максимуме пропускания и ширину полосы пропускания.

Монохроматор - это устройство, разлагающее излучение на составляющие его волны разной длины. Все монохроматоры со­стоят из диспергирующего устройства и связанной с ним системы линз, зеркал, входных и выходных щелей. Диспергирующими эле­ментами служат призмы и дифракционные решетки.

В призменном монохроматоре излучение проходит через входящую щель, сводится линзой в параллельный пучок и затем попадает под углом на поверхность призмы. На обеих гранях призмы происходит преломление (фиолетовый свет преломляется больше всего, красный свет - меньше всего); разложенное излучение фокусируется на слегка изогнутой поверхности, на которой расположена выходная щель. Поворотом призмы можно направить в эту щель излучение с требуемой длиной волны.

В видимой части спектра в качестве материала для призм используют стекло, в ультрафиолетовой - кварц из-за поглощения стеклом УФ - излучения. В инфракрасной спектроскопии использу­ют призмы из Li F, NaCl, KBr и других галогенидов щелочных ме­таллов (пробу помещают перед монохроматором, что уменьшает рассеянное излучение). Эти же материалы используют для изго­товления кювет. Кюветы для измерений в ультрафиолетовой и видимой областях спектра полностью изготовлены из кварца или стекла; кюветы, используемые для измерений в инфракрасной области, имеют оконца из монокристаллов галогенидов щелочных металлов.

Дифракционные решетки изготавливают нанесением парал­лельных штрихов на стекло или другой прозрачный материал (до 6000 штрихов на 1 см). При освещении дифракционной решетки потоком излучения, прошедшим через входную щель, каждый штрих становится источником излучения. В результате интерфе­ренции многочисленных потоков излучение разлагается в спектр.

Ширина полосы пропускания монохроматоров достигает 1,5 нм.