Лучистая энергия и спектральный состав оптических излучений

2.1. Современная модель природы света

Физическое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию излучения, а само тело называется излучателем. Энергию излучают как естественные излучатели (Солнце, звезды, биоорганизмы) за счет проходящих в них различных физических процессов, так и искусственные излучатели за счет приложенной к ним тепловой, электрической, механической и других видов энергии, вызывающих нагрев физического тела.

Энергия излучается в окружающее пространство в виде элементарных частиц – фотонов, каждый из которых обладает квантом энергии. Рассмотрим на рис 1.2.1 упрощенную схему излучения энергии.

Рис. 1.2.1 – Упрощённая схема излучения лучистой энергии.

Известно, что атом вещества состоит из ядра и электронов, связанных между собой электромагнитными силами. Электроны находятся на определенных энергетических уровнях. Самый ближний к ядру уровень, на котором находятся электроны при спокойном состоянии атома, называется основным (О), соответствующим минимальной доли энергии. Остальные уровни, наиболее удаленные от ядра – возбужденные (В). Для перехода электронов с основного уровня на возбужденные нужно сообщить электронам и всему атому в целом дополнительную энергию (W). Поглощая приложенную энергию, атом приходит в возбужденное состояние и электроны удаляются от ядра атома на более высокие энергетические уровни (возбужденные уровни). Чем больше приложенная энергия, тем на более высокий уровень удаляются электроны. Но это состояние неустойчивое, и в силу электромагнитных притяжений электроны стремятся вернуться на основной уровень. При переходе электронов с одного энергетического уровня на другой выделяется минимальная порция лучистой энергии W_ф=Q – квант, переносимая фотоном.

Фотон обладает конечной массой и скоростью и существует только в движении. Поглощая энергию, атом поглощает фотоны, которые перестают существовать, а их энергия передается атому. При излучении энергии атом создает фотон и его энергия формируется атомом. Фотоны излучаются в пространство и поглощаются телами отдельными порциями, т. е. дискретно и эта дискретность определяет частоту излучений. Движение фотонов в пространстве происходит в форме волн гармонических синусоидальных электромагнитных колебаний, которые характеризуются рядом величин (рис.1.2.2):

- Длина волны, определяющая расстояние между двумя точками, находящимися в одной фазе волнового колебания. Длина волны обозначается λ и измеряется в метрах (м). Для световых излучений длины волн обычно приводятся в нанометрах (нм). Нанометр является удобной международной единицей и он эквивалентен миллимикрону. В таблице 1.2.1 показана взаимосвязь различных единиц длины и их можно легко переводить друг в друга.

Таблица 1.2.1.

- Частота, определяющая число волновых колебаний в единицу времени. Частота обозначается ν и измеряется в герцах (Гц).

- Период колебаний, определяющий время, за которое происходит полное волновое колебание. Период обозначается Т и измеряется в секундах (с).

Период является величиной, обратной частоте:

Т=1/ν, с (1.2.1)

Частота колебаний и длина волны электромагнитных излучений связаны между собой такими соотношениями:

ν = С_о/λ, Гц или λ= С_о/ ν, м, (1.2.2)

где С_о – скорость распространения электромагнитных волн любой длины в вакууме, является величиной постоянной и равна скорости распространения света 2,9979·10⁸≈3·10⁸ м/с.

Рис.1.2.2. Схема синусоидальных колебаний с различными длинами волн, где λ₂>λ₁, определяющими Т₁ – период, время движения фотона от т. 1 до т. 3 и Т₂– период, время движения фотона от т. 1 до т. 4; по оси ординат Y~W.

Энергия фотона – квант, согласно формулы Планка, зависит от частоты электромагнитных колебаний:

W_ф=h · ν, Дж,(1.2.3)

где h = 6,626·10^-34 Дж·с – постоянный коэффициент, выведенный физиком М. Планком и названный постоянной Планка.

Физическая природа всех видов электромагнитных излучений единая, т. е, во всех случаях энергия распространяется в виде электромагнитных волн разной длины, которым соответствуют электромагнитные колебания разных частот. В простой электромагнитной волне содержатся электрическая и магнитная волны, перпендикулярные друг другу, но совершающие колебания в одной фазе (Рис.1.2.3).

Рис.1.2.3 – Модульное изображение простой электромагнитной волны (а) и вид пакета волн (вдоль оси z), совпадающих по фазе (б).

Они колеблются в направлении, перпендикулярном оси z, которая называется вектором распространения волны. Скорость света относится к скорости прохождения света в направлении распространения (направление z). Электрическая и магнитная волны также часто описываются векторами. Вектор электрического поля волны взаимодействует с электрическими полями в атомах, и поэтому он очень важен для последующего изложения материала.

Cледуя волновой модели, интенсивность потока света можно определить квадратом амплитуды а электрического вектора (рис.1.2.3), т. е.

I =ka², (1.2.4)

где k – постоянная величина. Поэтому, чем больше амплитуда волны, тем интенсивнее излучение. Однако в корпускулярной теории света амплитуда не имеет значения, так как модель основывается на понятии фотонов. Следовательно, необходим другой путь описания интенсивности света. В корпускулярной модели интенсивность света пропорциональна числу фотонов, приходящихся на единицу объема светового потока, или, иными словами, пропорциональна «фотонной плотности». Можно показать, что оба понятия интенсивности – плотность и амплитуда – согласуются друг с другом и уравнение (1.2.4) справедливо независимо от используемой световой модели. Об интенсивности света можно говорить как о потоке фотонов или об амплитуде волны. Оба понятия используются в зависимости от их применения.

Магнитный вектор электромагнитного излучения не представляет здесь такого интереса, как электрический вектор, поскольку только электрический вектор может взаимодействовать с электронами и электрическими полями в атоме или молекуле. Это взаимодействие электрического вектора вызывает отражение, преломление и пропускание волны, а также цвет, химические реакции и нагревание в большинстве веществ. Все эти явления будут рассматриваться в других разделах книги.

Выражение hv часто используется в описании химических реакций для того, чтобы указать, что для их протекания необходим фотон электромагнитного излучения. Например, важная для человеческого зрения реакция включает вызванную светом изомеризацию витамина А, содержащегося в сетчатке глаза. Величина hv характеризует энергию света и не нарушает баланса масс химической реакции.

2.2. Лучистая энергия и лучистый поток.

Энергию, излучаемую в области оптического спектра излучений, называют лучистой энергией или энергией излучения и обозначают W_е (можно также встретить обозначение энергии буквой Q). Если энергия переносится всей совокупностью длин волн, входящих в состав излучения, то она называется интегральной и измеряется в тех же единицах,что и другие виды энергии (джоуль, электрон-вольт).

Общая мощность, переносимая электромагнитным излучением независимо от его спектрального состава, в светотехнике получила название поток излучения или лучистый поток, обозначается F_e и измеряется в ваттах (Вт):

F_e = W_e/t, Вт. (1.2.5)

2.3. Спектральный состав оптических излучений.

Общий спектр электромагнитных излучений можно разделить на ряд основных областей:

1. Область космических излучений.

2. Область гамма-излучений.

3. Область рентгеновских излучений.

4. Область оптического спектра излучений.

5. Радиоволновая область.

6. Ультразвуковая и звуковая область.

7. Силовая область.

Область оптических излучений соответствует электромагнитным волнам с длиной волны от 1 нм до 1 мм и её можно разделить на три области: ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК).

Ультрафиолетовая область оптического излучения лежит в пределах 1…380 нм. Международная комиссия по освещению (МКО) предложила следующее деление УФ-излучений с длинами волн от 100 нм до 400 нм: УФ-А – 315…400 нм; УФ-В – 280…315 нм; УФ-С –100…280 нм.

Видимое излучение (свет), попадая на сетчатую оболочку глаза, в результате осознанного превращения энергии внешнего раздражителя вызывает зрительное ощущение. Диапазон длин волн монохроматичеких составляющих данного излучения соответствует 380…780 нм.

Длины волн монохроматических составляющих инфракрасного излучения больше длин волн видимого излучения (но не более 1 мм). МКО предложила следующее деление области ИК-излучений: ИК-А – 780…1400 нм; ИК-В – 1400…3000 нм; ИК-С – 3000 нм (3 Мкм)…10⁶ нм (1 мм).

Именно эти три области оптических излучений представляют наибольший интерес для светотехники. Но практически все электромагнитные излучения в той или иной степени воздействуют на атомы и молекулы различных веществ. В таблице 1.2.2 обобщены те явления, которые происходят в молекулах при воздействии на них электромагнитных излучений различных длин волн.

Таблица 1.2.2.

Все энергии электромагнитного излучения, которые одновременно облучают Землю, воспроизводят только небесные явления. Однако в земных условиях, если необходимо воспроизвести излучение в широком диапазоне энергий, необходимо обладать несколькими источниками энергии; например, явление, при котором возникает рентгеновское излучение, не возбуждает одновременно радиоволн и наоборот. Следует отметить, что явления, перечисленные в табл. 1.2.2 в качестве примера реакций молекул при воздействии на вещество различных энергетических зон, часто удобно использовать для того, чтобы воспроизводить эту энергию. Так, видимый свет будет вызывать низкоэнергетические электронные возбуждения в валентной оболочке атома, однако он может быть воспроизведен электронным снятием возбуждения в валентной оболочке атома при его переходе с высших уровней вниз в основное состояние.

Вид электромагнитной волны с самой низкой энергией встречается в генераторах, используемых для получения электрического тока. В Украине частота промышленного электрического переменного тока стандартизована и равна 50 Гц. Такая частота воспроизводит длину волны 6·10⁶ м. Так называемый звуковой и ультразвуковой диапазон электромагнитного излучения используется в аудио- и ультразвуковой технике.

Радиоволны являются электромагнитными волнами с наименьшей энергией, которые могут оказывать непосредственное воздействие на отдельные атомы. Однако энергия этих волн настолько мала, что она может только передвигать целые молекулы на короткое расстояние в пространстве (трансляция) и переориентировать некоторые ядра по отношению к другим ядрам в молекулах. Последний эффект лежит в основе спектроскопического метода ядерного магнитного резонанса. Энергии, соответствующие микроволновой области, заставляют молекулы газа вращаться вокруг их центров масс и также меняют взаимную ориентацию электронов. Первый эффект составляет основу микроволновой спектроскопии, используемой для изучения молекулярных вращений, второй – основу электронной спиновой резонансной спектроскопии, применяемой при изучении состояния неспаренных электронов в химических системах.

Энергии, соответствующие инфракрасной области, вступают в резонанс с колебаниями атомов в химических связях. Этот эффект используется в инфракрасной спектроскопии. Энергии видимой и ультрафиолетовой областей могут вызывать возбуждение электронов в атомах и молекулах с их переводом из нижних энергетических состояний в верхние. Так как энергия лучей возрастает, возбуждаемые электроны переходят в новое состояние с более стабильных энергетических уровней. Видимая абсорбционная спектроскопия имеет дело с возбуждением электронов наиболее удаленных оболочек атомов и молекул, в то время как ультрафиолетовая абсорбционная спектроскопия – с возбуждениями электронов более высоких энергий как с удаленных, так и с внутренних оболочек. Рентгеновское излучение вызывает возбуждения электронов во внутренних электронных оболочках, поскольку имеет длину волны, которая близка к размерам самих атомов. Атомы могут вызывать дифракцию рентгеновских лучей. Возбуждение лежит в основе рентгено-спектрального флуоресцентного анализа и спектроскопии рентгеновских фотоэлектронов (ESCA), в то время как дифракция используется для идентификации кристаллической решетки и определения кристаллической структуры. Гамма-лучи пригодны для применения электромагнитного излучения с наибольшей энергией. Они вызывают возбуждение ядер с их переводом из нижних энергетических состояний в высшие и лежат в основе мёссбауэровской спектроскопии.

Большая часть диапазона энергий электромагнитного излучения имеет важные применения в физике, химии и биологии.

Однако, что касается произведений искусства и светотехнических материалов, то наибольшее значение имеют средние энергии (ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная) в связи с тем, что именно они воздействуют на них. Если последовально расположить ультрафилетовую, видимую и инфракрасную область излучений, то получим более подробную их классификацию (Рис.1.2.4).

Рис.1.2.4 – Развёрнутая область спектра электромагнитных излучений.

Мощное ультрафиолетовое и инфракрасное излучение оказывают на человека вредное воздействие: ультрафиолетовое вызывает ожоги кожи и глаз, а инфракрасное затрудняет работу из-за большого количества выделяемого тепла.

2.4. Ультрафиолетовое излучение.

В электромагнитном спектре излучений область ультрафиолета занимает промежуточное положение между видимым светом и лучами Рентгена.

Ультрафиолетовое излучение было открыто И. В. Риттером в 1801 г., который в своих опытах использовал солнечный свет, стеклянную призму и пластинку, покрытую хлоридом серебра. Галогены серебра чувствительны к УФ-излучению. Риттер обнаружил, что пластинка темнела вначале вне фиолетового края спектра, затем в фиолетовой области и в конце концов в синей области, что служило доказательством существования излучения с длинами волн короче, чем у фиолетовых лучей. Эта область длин волн, невидимых глазом, и была названа ультрафиолетовой. В настоящее время ультрафиолетовый диапазон определяется приблизительно как область длин волн 1–400 нм. Для удобства эта область иногда подразделяется на более мелкие участки.

Диапазон 1–180 нм получил название вакуумного ультрафиолета вследствие того, что такое излучение пропускается только вакуумом. Эта коротковолновая часть ультрафиолетового излучения особенно с длинами волн короче 120 нм, практически полностью поглощается всеми известными материалами и средами, включая воздух.
Диапазон 180–280 нм называется коротковолновым или дальним ультрафиолетом (далекая область ультрафиолетового спектра). В этом диапазоне излучения пропускают кварц и фотографический желатин. Излучения в дальней областиобладают свойством озонировать воздух и
убивать бактерии. Эта же область ультрафиолетового излучения используется в газосветных люминесцентных источниках света для получения яркой флуоресценции светящихся составов, которыми покрыты трубки (с внутренней стороны) люминесцентных ламп.

Диапазон длин волн 280–300 нм известен как средний ультрафиолет. Эти излучения характеризуется способностью вызывать покраснение и загар человеческой кожи, а также благотворным воздействием (в определенных дозах) на рост и развитие животных и растений.

Диапазон 300–400 нм называют длинноволновым или ближним ультрафиолетом (ближняя область ультрафиолетового спектра) и именно эти излучения пропускает обычное стекло. За исключением солнца и ртутных газоразрядных трубок, ультрафиолетовое излучение нельзя получить с помощью источников, обычно используемых для создания видимого света. Ближняя к видимому спектру область ультрафиолетового излучения (320–400 нм)содержит лучи, широко применяемые для люминесцентного анализа, а также для возбуждения светящихся веществ при люминесцентной фотографии и киносъемке.

Важной особенностью ультрафиолетовых лучей, отличающих их
от лучей Рентгена и других, более коротковолновых излучений, является то, что они преломляются на границе раздела сред с различной плотностью и отражаются от зеркальных поверхностей. Это дает возможность фокусировать их с помощью объектива, сделанного из пропускающих ультрафиолетовые лучи материалов (флюорит, кварцевое стекло, в определенной мере – оптическое стекло), и получать действительное ультрафиолетовое невидимое изображение, которое можно зафиксировать на фотопленке и таким образом сделать видимым.

Наиболее мощным естественным источником ультрафиолетового излучения является солнце. Однако земной поверхности достигают только ультрафиолетовые лучи с длиной волны не менее 290 нм. Более коротковолновые ультрафиолетовые лучи полностью поглощаются озоном, содержащимся в относительно большом количестве в стратосфере. Спектральное распределение ультрафиолетового излучения зависит от высоты солнца над горизонтом. Чем ближе солнце к горизонту, тем меньше в солнечном свете ультрафиолетовых лучей. При высоте солнца 1° над горизонтом в составе солнечной радиации, достигающей поверхности земли, не содержится излучений с длинами волн короче 420 нм, то есть ультрафиолетовые лучи в спектре излучения восходящего и заходящего солнца полностью отсутствуют.

Основными же искусственными источниками ультрафиолетового излучения во всех участках ультрафиолетовой области спектра являются ртутные лампы высокого давления и ртутные лампы сверхвысокого давления.

Излучение в диапазоне длин волн 200–400 нм является преобладающим, оно вызывает фотохимические реакции и разрыв связей во многих органических соединениях. Однако в этих фотохимических реакциях есть и положительная сторона. Художникам известно, что, подвергая свежеокрашенный предмет воздействию дневного света, они ускоряют сушку и окисление масел, и что это необходимо сделать, прежде чем покрывать его лаком. Ультрафиолетовое излучение можно использовать при исследовании пленок красок и лаков для доказательства внесенных исправлений. Под действием ультрафиолетового излучения органические соединения часто оказывают воздействие на флуоресценцию друг друга. Например, смола мастикового дерева и даммаровая смола в старом лаке дают желто-зеленую флуоресценцию, интенсивность которой может с течением времени меняться. Свежий искусственный лак не флуоресцирует. Воск флуоресцирует ярко-белым, а шеллак – оранжевым светом. С увеличением срока службы интенсивность флуоресценции автомобильных красок часто имеет тенденцию к возрастанию. При ультрафиолетовом освещении недавние исправления на картинах выглядят пурпурными или черными. Однако с годами они становятся серее, в то время как не покрытые лаком участки темной краски имеют глубокий пурпурно-коричневый цвет. При ультрафиолетовом освещении становятся явными покрытые бурыми («лисьими») пятнами повреждения на бумаге, так же как изменения и подчистки на старой бумаге. Такие материалы, как минералы, кости и зубы, флуоресцируют при воздействии ультрафиолетового излучения. Искусственные драгоценности, которые выглядят точно так же, как настоящие при дневном свете, могут показаться совершенно другими при ультрафиолетовом освещении. Вместе с тем ультрафиолетовое излучение очень вредно для многих произведений изобразительного искусства.

Мощное ультрафиолетовое излучение оказывают на человека вредное воздействие и вызывает ожоги кожи и глаз.

Нужно отметить, что деление ультрафиолетового спектра на перечисленные области условно, так как свойства ультрафиолетовых лучей, характерные для одной области спектра, присущи частично и соседним областям, хотя и в меньшей степени.

2.5. Видимое излучение.

Практически все представители животного мира обладают способностью что-то «видеть». Человеческий глаз реагирует только на крошечную часть диапазона электромагнитных излучений. Именно эта область и называется видимой. Принято, что для человеческого глаза диапазон видимых длин волн занимает промежуток от 380 до 780 нм. Однако не для всех животных и насекомых эта область является видимой. Например, пчёлы могут видеть в ближней ультрафиолетовой области. Это даёт им возможность ощутить различия в цветах, недоступных человеческому зрению. Реакция человеческого глаза и мозга на разные длины волн и интенсивность света различается в диапазоне 380 – 780 нм и это дает ощущения, которые называются цветом, текстурой, прозрачностью и т. д. Белый свет можно создать смесью всей последовательности монохроматических излучений видимой части спектра, т.е. смесью отдельных цветов (Рис. 1.2.5). Что касается человеческого глаза, то возможна такая комбинация отдельных монохроматических излучений, когда только создаётся впечатление белого света, хотя он может и не быть таким по спектральному составу.

Рис. 1.2.5 – Разложение «белого» видимого света на спектральные составляющие с различными длинами волн от красного (К) до фиолетового (Ф).

Цвет и его происхождение занимали воображение многих великих естествоиспытателей. Однако лишь И.Ньютону удалось разработать основы теории цвета. В 1672 г. Ньютон экспериментально показал, что проходящий через стеклянную призму пучок белого света разлагается в спектр, состоящий из большого числа цветов (от красного до фиолетового), которые в местах перехода постепенно меняются один на другой. Эти цвета являются составляющими, а не видоизменениями белого света. Рис. 1.2.5 иллюстрирует это хорошо знакомое свойство прозрачных материалов и света. Объяснение экспериментальных наблюдений Ньютона с призмой заключается в том факте, что свет всех длин волн проходит с одной и той же скоростью только в пустоте – вакууме. Однако в любой другой среде свет разных длин волн распространяется с разной скоростью. В результате этого может происходить разделение волн. Разложение средой белого света на разные цвета, или, что равнозначно, на разные длины волн, называется дисперсией. Тем самым удобно подразделить видимый диапазон в соответствии с различной реакцией на цвет, вызванной в человеческом глазе, на семь интервалов, простирающихся от самой длинной до самой короткой длины волны. Эти интервалы соответствуют красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому цвету.

Поскольку при разложении призмой видимого (белого) света в непрерывный спектр в последнем цвета плавно переходят один в другой, то точно определить границы каждого цвета и связать их с определенной длиной волны затруднительно. Но приблизительно они выглядят так:

фиолетовый – 380…440 нм;

синий – 440…480 нм;

голубой – 480…510 нм;

зеленый – 510…550 нм;

желто-зеленый – 550…575 нм;

желтый – 575…585 нм;

оранжевый – 585…620 нм;

красный – 620…780 нм.

Электромагнитные излучения с длиной волны более 700 нм и менее 400 нм практически уже не воспринимаются глазом и поэтому достаточно часто в популярной литературе именно в этом диапазоне задают пределы видимых излучений, что не соответствует действительному положению.

Случай нормальной дисперсии представлен на рис. 1.2.5. Он наблюдается для бесцветной прозрачной среды. Этот вид дисперсии называется нормальной в связи с тем, что красный свет (наибольшая длина волны) имеет самую высокую скорость и наименьшую дисперсию, а фиолетовый свет (самая короткая длина волны) имеет самую низкую скорость и наибольшую дисперсию. Между красным и фиолетовым последовательно размещаются другие цвета. Более точно – дисперсия видимого света с длиной волны изменяется приблизительно по закону 1/λ³. По этой причине самые короткие длины волн обладают наибольшей дисперсией (1/λ³ возрастает) и большой степенью ее изменения при малых вариациях (функция 1/λ³ нелинейна по λ) по сравнению с длинными волнами. Следует упомянуть, что иной тип разделения света по длинам волн, называемый аномальной дисперсией, наблюдается в цветной среде. В области спектра, в которой происходит поглощение света, при аномальной дисперсии самые длинные волны имеют большую дисперсию по сравнению с короткими. Следовательно, последовательность цветов в соответствии с рис. 1.2.5 не соблюдается. Видимый свет может также вызвать многие химические реакции.

Подробно механизм восприятия видимых излучений изложен в §4.

2.6. Инфракрасное излучение.

Инфракрасные лучи – невидимые, они не воспринимаются человеческим глазом. Обнаружить их присутствие и действие можно лишь различными косвенными способами. Существование излучения за красной областью видимого спектра было открыто ещё в 1800 г. Уильямом Гершелем. Он заметил, что помещенный в спектр солнечного света зачерненный термометр обнаруживает значительное повышение температуры. Этот эксперимент раскрыл, что в природе существуют невидимые волны, с длиной волны больше, чем красные, и это излучение стало известно под названием инфракрасного. Разумеется, воздействия инфракрасного излучения было известно с давних времен. Ведь инфракрасное излучение, вызванное пламенем костра, было одним из явлений, оказавших наибольшее влияние на развитие человечества. Ближние инфракрасные лучи, прилегающие к длинноволновому окончанию видимой части спектра, могут быть зарегистрированы фотографическим способом. Инфракрасная фотография используется начиная с 1925 года, когда были получены сенсибилизаторы, очувствляющие фотографическую эмульсию к инфракрасной области спектра. Диапазон энергии инфракрасного излучения занимает широкую область, начиная с низкоэнергетической стороны видимого спектра, т.е. реально инфракрасная область лежит за пределами красной части видимого спектра, начиная с λ= 760 нм (темно-красная линия калия), и распространяется далее, в сторону увеличения длин волн. Область от λ=760 нм до λ=3500 нм является областью практических применений инфракрасных излучений.

Существуют различные способы получения изображения в инфракрасных лучах: с помощью электронно-оптических преобразователей, способы, основанные на свойствах инфракрасных лучей гасить фосфоресценцию, водействовать на фотографический слой и оказывать тепловое действие.

Исходя из теории фотохимических реакций, можно предположить, что фотография в инфракрасных лучах, основанная на сенсибилизации фотографических материалов, вряд ли осуществима в лучах с длиной волны более 2000 нм.

Инфракрасное излучение вызывает тепловые эффекты, которые могут механическим или химическим путем изменять материалы, в то время как фотохимические механизмы редко приводят к таким изменениям. При воздействии инфракрасного излучения на дерево, стекло и керамику в них происходят такие механические изменения, как сжатие, растрескивание и сушка. Не стоит упоминать о тех огромных повреждениях, которые может вызвать инфракрасное излучение на предметах из воска. Если происходят химические изменения, то обычно они являются косвенным результатом инфракрасного излучения. Если химическая реакция уже протекает, то независимо от того, медленная она или быстрая, тепло от воздействия инфракрасного излучения всегда будет ускорять реакцию. Пожелтение пленок природного лака может быть прямым результатом воздействия инфракрасного излучения. Однако пленки искусственного лака обычно не чувствительны к инфракрасному излучению.

Инфракрасное излучение используется в инфракрасной фотографии, которая является важным методом проведения исследований произведений искусства в музеях, художественных галереях. В ряде случаев инфракрасные лучи могут проникать сквозь зрительно непрозрачные лаки и тонкие пленки краски и с помощью электронно-оптических преобразователей, термовизионной аппаратуры, а также инфракрасной фотографии выявлять подкрашивание, рисунки или подправленные участки. Т.е. инфракрасное излучение можно использовать для просмотра изображений через непрозрачные пленки поскольку оно является более длинноволновым по сравнению с видимым излучением. При этом в пленке лака инфракрасное излучение рассеивается маленькими частицами значительно меньше, чем видимый свет. Поэтому инфракрасные лучи могут проникать сквозь верхние слои и преодолевать их непрозрачность. Становится возможным наблюдать детали рисунка в слое краски, которая потемнела от старого лака и грязи. Иногда таким способом можно обнаружить подделки, поскольку нижний слой краски отличается от того, что находится на поверхности.

Фотографический способ фиксации изображения, образованного инфракрасными лучами, основан на некоторых свойствах инфракрасных излучений:

1. Инфракрасные лучи менее подвержены рассеянию в атмосфере, как и вообще в мутных средах. Они лучше проходят сквозь воздушную дымку и легкий туман по сравнению с лучами видимого света. Это дает возможность производить съемку объектов, находящихся на большом удалении, преодолевая воздушную дымку.

2. Поглощение и отражение инфракрасных лучей иное, чем лучей видимой области спектра. Поэтому многие объекты, кажущиеся по окраске и яркости одинаковыми в видимом свете, на фотографическом снимке, полученном в инфракрасных лучах, отличаются совершенно другим распределением тонов. Это позволяет обнаружить много интересных и важных особенностей снятого объекта. Например, хлорофилл, содержащийся в живой зелени листвы и травы, сильно поглощает коротковолновые видимые лучи и отражает большую часть инфракрасных лучей. Кроме того, поглощая ультрафио-
летовые лучи, хлорофилл флуоресцирует в инфракрасной области. Вследствие этого на фотографиях, сделанных на инфрахроматической пленке с применением красного светофильтра, зелень выходит неестественно белой, а голубое небо –темным. Многие краски, кажущиеся на глаз очень яркими, из-за почти полного поглощения ими инфракрасных лучей получаются на инфрахроматической пленке почти черными.

3. Инфракрасные лучи способны проникать через непрозрачные для видимого света среды. Кожа человека, тонкие слои дерева, эбонита, темные оболочки насекомых и растений и др. прозрачны для инфракрасных лучей.
Кровеносные сосуды хорошо видны через кожу, которая прозрачна для инфракрасных лучей.

4. Поскольку инфракрасные лучи невидимые, то съемка при освещении только инфракрасным светом, по существу, является съемкой в темноте. Такая фото- или киносъемка бывает необходима случаях, требующих темновой адаптации глаз, а также при всевозможных психологических исследованиях.

В настоящее время киносъемка в инфракрасных лучах применяется как в научной кинематографии, так и в производстве кинофильмов для решения некоторых изобразительных задач, для съемки «днем под ночь», для создания комбинированных кадров на фоне инфраэкрана – метод «блуждающей маски» и др.

Мощное инфракрасное излучение некоторых моделей осветительных приборов затрудняет работу персонала съёмочной группы из-за большого количества выделяемого тепла.

2.7.Виды спектров

Спектры источников света получаются при разложении их излучения по длинам волн (l ) спектральными приборами и характеризуются функцией распределения энергии испускаемого света в зависимости от длины волны. Излучение лучистого потока по спектру излучений может происходить с одной длиной волны, с несколькими длинами волн, а также непрерывно по отдельным участкам или по всей области оптического спектра излучений.

Монохроматическое (от греч. mόnos – один, единый и chrốma – цвет) излучение – это излучение с одной частотой или длиной волны. Излучение в интервале длин волн до 10 нм называется однородным. Совокупность монохроматических или однородных излучений образует спектр.

Различают сплошные (непрерывные), полосатые, линейчатые и смешанные спектры. Сплошными (непрерывными) спектрами называются такие, в которых монохроматические составляющие заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах которого происходит излучение. Такой спектр характерен для ламп накаливания (рис.1.2.6) и других тепловых излучателей.

Рис. 1.2.6 – Сплошной спектр ламп накаливания

Рис. 1.2.7 – Линейчатый спектр из монохроматических излучений

Рис. 1.2.8 - Смешанный спектр люминесцентной лампы KinoFlo КF55

Рис. 1.2.9 - Сложный спектр люминесцентной лампы KinoFlo Green

Линейчатые спектры состоят из отдельных, не примыкающих друг к другу монохроматических излучений (рис. 1.2.7), а смешанные содержат комбинацию спектров (рис.1.2.8). В полосатых спектрах монохроматические составляющие образуют дискретные группы (полосы) в виде множества близко расположенных линий. Этот вид излучений ещё называют сложным (рис.1.2.9). Полосатые, линейчатые и смешанные спектры характерны для дуговых и газоразрядных источников света.

Из всего спектра излучений источников света только видимый свет, воздействуя на светочувствительные элементы глаза, вызывает зрительное ощущение. Однородные, монохроматические видимые излучения, попадая в глаз, вызывают ощущение света определенного цвета.

Система световых величин

Нечеткое представление о тех или иных световых величинах часто является причиной серьезных ошибок, которые допускают специалисты при проектировании и эксплуатации светотехнических комплексов.

Знание световых величин необходимо студентам и профессионалам, работающим на теле-, видео- или киностудиях, и даже любителям, снимающим домашнее видео. Это поможет правильно ориентироваться в изобилии источников света, светофильтров, осветительных приборов, разобраться с функциями видеокамер, связанными со светочувствительностью, контрастностью и цветовоспроизведением.

Поскольку световые величины, являющихся численной характеристикой световых излучений, происходят от энергетических фотометрических величин, то их целесообразно рассматривать в совокупности, основываясь на первичности последних. Фотометрическими называют такие величины и единицы, которые характеризуют оптическое излучение. Термин "фотометрия" образован из двух греческих слов: "фос" - свет и " метрео " - измеряю, и означает световые измерения. Различают энергетические фотометрические и редуцированные фотометрические системы величин.

Энергетические величины – характеризуют излучение безотносительно к его воздействию на какой-либо приемник излучения. Такие энергетические величины как лучистая энергия (W_e) и лучистый поток (F_e) были рассмотрены в предыдущем разделе.Они выражаются в единицах, образованных на основе единицы энергии (Джоуль), a в их обозначениях используется дополнительный индекс «е» (W_e, F_e, I_e, Е_e, L_e).

Редуцированные, или эффективные фотометрические величины характеризуют излучение, падающее на заданный селективный приемник излучения. Если в качестве такого приемника служит глаз человека, то полученные величины называют " световыми", а их совокупность - " системой световых величин". В буквенных обозначенияхсветовых величин можно встретить индекс «v».

Схема формирования системы световых величин на основе энегетических представлена на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1 – Схема формирования системы световых величин

Каждая из световых величин величин имеет свою энергетическую первооснову, из которой они получены:

· Световой поток F (F _v,Ф _v)– первооснова лучистый поток (поток излучения) F_e (Ф_e)

· Сила света I (I _v) – энергетическая сила излучения (сила излучения) I_e

· Освещенность Е (E _v) – энергетическая освещенность (облученность) Е_e

· Яркость L (L _v)– энергетическая яркость L_e

Эти и другие основные энергетические и световые величины сведены в таблицу в конце раздела. Ниже будут подробно рассмотрены основные световые величины, используемые в практике телеоператора.