Promieniowanie optyczne

Literatura

Forma zaliczenia:



Pisemny sprawdzian wiadomości ew.

uzupełniony odpowiedziami ustnymi,



Podany będzie zestaw przykładowych pytań



Jacek Hauser: Elektrotechnika, podstawy

elektrotermii i techniki świetlnej. Wyd. PP,
2006



Technika Świetlna 98 Poradnik Informator

t.1 red. W Grzonkowski, W-wa 1998



Jan Godlewski: Generacja i detekcja

promieniowania optycznego. Wyd. PWN,
1997

Istota promieniowania optycznego

Promieniowanie optyczne to fala

elektromagnetyczna z zakresu

1000 – 0.01

m

w próżni

Odpowiada to częstotliwościom

3 10

11

– 3

10

16

Hz

Nazwa

optyczne

symbolizuje fakt, że

promieniowanie optyczne podlega prawom

optyki

geometrycznej.

Promieniowanie optyczne jako

promieniowanie elektromagnetyczne

Człowiek oraz zwierzęta i rośliny reagują na

wektor pola elektrycznego E. Stąd nazywa się

go wektorem świetlnym.

Optyka geometryczna (zasady)

Optyka geometryczna, najstarsza część
optyki.

Wprowadza pojęcie:



promienia świetlnego jako cienkiej

wiązki światła (odpowiednik prostej w
geometrii).

Opisuje:



rozchodzenie się światła jako biegu

promieni,



nie wnikania w naturę światła.

Według optyki geometrycznej:



światło rozchodzi się w ośrodkach

jednorodnych po

liniach prostych,



na granicy ośrodków ulega odbiciu



przechodząc do drugiego ośrodka ulega

załamaniu.

Długość a częstotliwość fali

promieniowania

T

f







v

v





– długość fali (lub zamiennie liczba falowa

k=2/),

v

prędkość rozchodzenia się fali

T

okres (lub zamiennie częstotliwość f=1/T).







v

Dla
próżni :
c3 10

8

m/s

Zakresy promieniowania optycznego

Promieniowanie optyczne dzieli się na:



promieniowanie ultrafioletowe



promieniowanie widzialne



promieniowanie podczerwone

W promieniowaniu słonecznym energia jest
skoncentrowana w :



zakresie widzialnym (ok.45%),



bliskiej podczerwieni (ok.48%)



ultrafiolet (ok.6%)

Zakresy w promieniowaniu optycznym

promieniowanie podczerwone 10

6

-

780 nm:

• IR-C (podczerwień daleka) - 3000 nm ÷ 10

6

nm
• IR-B (podczerwień średnia) - 1400 ÷ 3000
nm
• IR-A (podczerwień bliska) - 780 ÷ 1400 nm

promieniowanie widzialne 380-780
nm

:
promieniowanie ultrafioletowe
380-10 nm:

•

UV-A (nadfiolet bliski) – 315 ÷ 380 nm

• UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm
• UV-C (nadfiolet daleki) - 10 ÷ 280 nm

Promieniowanie widzialne (VIS)

(światło)

Jest to promieniowanie

optyczne o długości fali 

mieszczącej się w zakresie

0.38 ÷ .78 m (380-780 nm).

Wyróżnia się barwy

widmowe

:

długość

fali

częstotliw

ość

nm

(10

-

9

m

)

THz

(10

12

Hz

)

czerwony ~ 625-740 ~ 480-405
pomarańc
zowy

~ 590-625 ~ 510-480

żółty

~ 565-590 ~ 530-510

zielony

~ 520-565 ~ 580-530

cyjan

~ 500-520 ~ 600-580

niebieski

~ 450-500 ~ 670-600

indygo

~ 430-450 ~ 700-670

fioletowy

~ 380-430 ~ 790-700

kolor

Promieniowanie

ultrafioletowe (przykład)

Trzmiel widzi w

ultrafiolecie

Ultrafioletowe

promieniowanie

Słońca

380-10 nm

Promieniowanie podczerwone (przykład)

Pilot telewizora

Ognisko

1000-0.780 m

Wielkości opisujące promieniowanie optyczne

Promieniowanie może być rozpatrywane:

•

jako fala elektromagnetyczna

•

jako zbiór przemieszczających się

cząsteczek – fotonów

Pojedynczy foton może być utożsamiany z
pojedynczą falą lub paczką identycznych fal.
Energia pojedynczego fotonu to:



c

h

hv

E





gdzie  to częstotliwość fotonu (fali)

określana wzorem  = c/. Symbol c

oznacza prędkość światła w próżni, h =
6,625 10

-34

Js to stała Plancka, a

  długość fali.

Energia promieniowania Q

to suma energii fotonów przenikających przez

wybraną powierzchnię. Jest ona mierzona w

dżulach [J].









n

n

i

h

q

Q



Wielkości wektorowe

Strumień promienisty 

Rozpatrując energię promieniowania Q

przenikającą wybraną powierzchnię w

jednostce czasu określa się wielkość zwaną

strumieniem promienistym  (strumień

mocy, strumień energetyczny, moc

promienista), mierzoną w watach [W],

r

Q 







r

Natężenie promieniowania I

Strumień promienisty (energetyczny) 

wysyłany w określonym kierunku w obrębie

jednostkowego kąta bryłowego jest nazywany

natężeniem promieniowania I [W/sr].



d

d

I





Kąt

bryłowy









sr

I

r

Luminancja energetyczna L

Jeśli wielkość natężenia promieniowania I
zostanie odniesiona do prostopadłej do r
powierzchni S



, będącej rzutem powierzchni

S, z której promieniowanie jest wysyłane
uzyska się wielkość zwaną luminancją
energetyczną L stosuje się też nazwy:
gęstość

powierzchniowa

natężenia

promieniowania

(termokinetyka,

elektrotermia)

lub

intensywność

promieniowania (technika świetlna, grafika
komputerowa) [W/m

2

sr].



S

L

sr





Kąt

bryłowy

















S

L

2

S



r

Wielkości skalarne

Emitancja promienista M

Natężenie napromienienia E

Jest to strumień promienisty (moc)

przypadający na jednostkę powierzchni.

Mierzony w [W/m

2

]

dla

powierzchni

emitujacych

:

Emitancja

promienist

a M

dla

powierzchni

napromieniany

ch:

Natężenie

napromienien

ia E

e

dS

d

M





p

dS

d

E





Zależności między podstawowymi

wielkościami























2

2

d

cos

L

d

dS

d

M

ω

L

 – strumień (moc) I-natężenie promieniowania M-emitancja promienista L-luminancja energetyczna

1. Całkowanie po całym
kącie półprzestrzennym
(2) da moc

przypadającą na
jednostkę powierzchni
czyli emitancję
promienistą M

Luminancja energetyczna:

dS

d

d

dL







tj: moc
przypadająca na
jednostkę kąta i
jednostkę
powierzchni

2. Całkowanie po
powierzchni S da moc
przypadającą na
jednostkowy kąt czyli
natężenie
promieniowania I















S

S

dS

L

d

d

d

I





cos

S

L

3. Całkowanie po
powierzchni S i po kącie
przestrzennym da
strumień (moc) 





 































2

2

cos

ω

L

d

L

ds

d

ds

d

I

dS

M

S

S

Widmo promieniowania

Pod pojęciem widma promieniowania rozumie

się zależność wielkości opisującej

promieniowanie od długości fali 

Widma mogą być:

pasmowe

Nagrzane gazy atomów

o złożonej budowie

Atomy Fe

Nagrzane gazy

prostych atomów -

widmo emisyjne

przyjmuje formę

prążków.

liniowe

Atomy H

2

, He

ciągłe

Nagrzane ciała stałe, ciecze

żarówki,

promienniki podczerwieni,

płynna stal

Wielkości fizyczne i fotometryczne

Ze względu na ważność procesu

widzenia obok wielkości

radiometrycznych wprowadza się też

wielkości fotometryczne

Wielkości radiometryczne są mierzone w jednostkach energetycznych

Wielkości fotometryczne są mierzone w jednostkach świetlnych

Radiometria

Fotometria

Nazwa wielkości

Jednost

ka

Nazwa wielkości

Jednostka

Strumień promienisty 

Wat [W] Strumień świetlny v

Lumen

[lm]

Natężenie

promieniowania I

[W/sr]

Światłość Iv

Kandela

[cd]

Emitancja promienista

M

[W/m

2

]

Egzytancja świetlna Mv

Lux [lx]

Natężenie

napromienienia E

[W/m

2

]

Natężenie oświetlenia Ev

Lux [lx]

Luminancja

energetyczna L

[W/sr

m

2

]

Luminancja Lv

[lm/sr m

2

]

1 cd = 1lm / sr; 1 lx = 1 lm / m

2

Skutki aktyniczne

Promieniowanie optyczne może powodować

rozmaite skutki (efekty, przemiany) będące

rezultatem działania promieniowania na materię

organiczną lub nieorganiczną

Oddziaływania promieniowania z materią

nazywamy

skutkami aktynicznymi

Do takich przemian zalicza się

zjawiska fotoelektryczne, fotooptyczne,

fotochemiczne i fotobiologiczne

Skutki aktyniczne dla materii organicznej

•

działanie bakteriobójcze i grzybobójcze

•

zmiany mutacyjne komórek

•

widzenie

•

pigmentacja skóry, rumień

•

fotosynteza, fototropizm

•

synteza witaminy D

•

fotoalergie

Materia

organicz

na

Promieniowanie

Skutki aktyniczne dla materii nieorganicznej

Materia

nieorganicz

na

•

nagrzewanie

•

reakcje fotochemiczne

•

destrukcja materii

•

synteza polimerów

Promieniowanie

Czas pojawiania się skutków aktynicznych

Skutek

•

natychmiastowy:

widzenie

Działanie aktyniczne

•

szybki i powolnie

ustępujący:
opalenizna

•

znacznie odsunięty

w czasie: rak po
nadmiernych
dawkach
promieniowania
słonecznego lub
solarium

Działanie promieniowania a skutki aktyniczne

Natychmiasto

we – ustają po

zaniku

promieniowan

ia np.

widzenie,

fotosynteza

Odsunięte w czasie –

pojawiają się po

krótszym lub dłuższym

okresie po działaniu

promieniowania np.

opalenizna, zaćma

Jedn. miary: natężenie

napromienienia

Jedn. miary: dawka

użyteczna

promieniowania

Strumień skuteczny promieniowania aktynicznego sk, i











2

i,

sk

i,

sk

m

W

S

E















2

t

i,

sk

i

m

J

dt

E

H



Kumulacja natężeń

Kumulacja dawek

Wielkości skuteczne

Siła oddziaływania promieniowania dla

określonego skutku aktynicznego zależy od

widmowej emitancji promienistej źródła

promieniowania oraz od tzw. skuteczności

widmowej danego skutku aktynicznego







2

1

wzg

m

sk

d

)

(

S

)

(

X

K

X











gdzie:
X – gęstość widmowa wielkości fizycznej np.  [W]
S

wzg

() – skuteczność widmowa względna danego skutku

aktynicznego
K

m

– współczynnik przeliczeniowy wielkości fizycznej na

aktyniczną dla
odpowiadającej maksymalnej skuteczności

widmowej np. [lm/W]
Xsk – wielkość skuteczna np. sk np. [lm]

Uwaga: dla widzenia S

wzg

() oznacza się V(), a Km=683 lm/W

Skuteczność widmowa względna S

wzg

()

Dla efektów pojawiających się natychmiast (np. widzenie)

wprowadza się tzw wielkości skuteczne widmowe względne

Jest to

zależność obrazująca względną „siłę” oddziaływania

aktynicznego promieniowania optycznego o różnych

długościach fali 

)

(

S

)

(

S

)

(

S

max

wzg









Względne widmowe skuteczności fotobiologiczne promieniowania z zakresu VIS

Skuteczny strumień widmowy sk()

Jest to

ta część strumienia promieniowania, która wywołuje

określone zjawisko aktyniczne z uwzględnieniem widma

promieniowania źródła i widmowej skuteczności

odpowiadającej danemu zjawisku

*

sk













)

(

Lampa TL 20X/52 – względna gęstość widmowa

emisji

Lampa przeznaczona do naświetlań

noworodków (bilrubina)







2

1

wzg

m

sk

d

)

(

S

)

(

K















K

m

– maksymalna wartość

danej skuteczności widmowej

Przykład - wielkości skuteczne dla widzenia











780

2

380

1

)

(

)

(











d

V

K

m

v





Dla widzenia dziennego (czopki)

Km = 683 lm/W przy =555 m

gdzie:
 – gęstość widmowa strumienia promieniowania [W]
V() – względna skuteczność widmowa świetlna
Km – maksymalna wartość danej skuteczności widmowej świetlnej
v – strumień świetlnylm]

V()

dzienn
e

nocne

Skuteczność widmowa względna fotosyntezy

Źródło: Internet

chlorofil a

chlorofil b

Długość fali [nm]

A

b

so

rp

c

ja

Przykład - wielkości skuteczne dla fotosyntezy

























710

2

380

1

PAR

m

PAR

d

)

(

V

)

(

K

gdzie:
 – gęstość widmowa strumienia promieniowania [W]
V

PAR

() – względna skuteczność widmowa świetlna fotosyntezy

Km – maksymalna wartość danej skuteczności widmowej


PAR

– strumień skuteczny PARW]

= 

PAR

PAR -

Photosyntheti

cally active

radiation

V

PAR

()







Podstawowe prawa promieniowania



prawo Plancka –1900r. (rozkład widmowy

mocy)



prawo Stefana – Boltzmana – 1884r. (moc

całkowita)



prawo Wiena –1883r. (maksimum mocy)

Prawo Plancka

Monochromatyczna gęstość emitancji

promienistej m

,cc

(strumienia

promieniowania) ciała doskonale czarnego

to:

1

exp

1

2

)

,

(

5

2

















cc

cc

kT

hc

h

c

T

m











)

1

e

(

c

cc

2

T

/

c

5

1









– długość fali

promieniowania
T – temperatura w K
h – stała Plancka
k – stała Boltzmana
c – prędkość światła

m

cc

Wnioski z prawa Plancka

m

cc

1. Ilość wypromieniowywanej mocy jest ciągłą funkcją
długości fali  : z jej wzrostem najpierw rośnie potem spada

2. Dla każdej długości fali ilość wypromieniowywanej mocy
rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

3. Ze wzrostem temperatury rośnie ilość promieniowania o
krótkich długościach fali

Prawo Stefana - Boltzmana

Na poziomie makroskopowym

Emitancję promienistą (gęstość strumienia

promieniowania)

ciała czarnego określa zależność:

M

cc

(T) mierzone w [W/m

2

] to pole pod krzywą

m

,cc

=f(,T) z poprzedniego rysunku dla zadanej

temperatury T

cc

m

,cc

=f(,T)













0

cc

.

cc

d

m

M

4

cc

T

/

c

5

1

0

T

d

)

1

e

(

c

cc

2























4

2

8

/

10

67

.

5

K

m

W









4

cc

T

M





Prawo Stefana – Boltzmana

zastosowanie

M

c

c

m

cc

(,T

)



m

cc

(,T

)

Pole pod krzywą

4

0

.

T

d

m

M

cc

cc















M- emitancja promienista

m-gęstość monochromatyczna emitancji promienistej

Funkcja promienista dla ciała czarnego f(,T)

4

0

.

)

,

(

T

d

m

T

f

cc

cc















określa procentowy udział
promieniowania z zakresu 0- dla

ciała doskonale czarnego

m

cc

(,T)



1

0

.







d

m

cc

Prawo Wiena

Długość fali odpowiadającej maksymalnej

monochromatycznej gęstości strumienia

promieniowania określa wzór:

Wniosek:
Długość fali odpowiadająca
maksymalnej emisji zawiera
informację o temperaturze
emitującej powierzchni

Przykład

Dla jakiej długości fali przypada maksimum
promieniowania słonecznego. Temperatura
powierzchni Słońca T=6000K

mK

T

3

max

10

898

.

2











max

= 2.898 10

-3

/ 6000 = 483 10

-9

m = 483 nm

= 0.483 m

Krzywa względnej czułości

oka ludzkiego

550 nm – widzenie dzienne

510 nm – widzenie nocne