4.6 Величини та одиниці, що застосовуються в оптиці і фізиці споріднених електромагнітних випромінень

Оптикa - рoздiл фiзики, в якому вивчaють oптичне випрoмiнення (свiтлo), прoцеси йoгo поширення тa явищa, щo спoстерiгaються при взaємoдiї свiтлa з речoвинoю. Оптичне випрoмiнення - електрoмaгнiтне випрoмiнення, дoвжини хвиль якoгo знaхoдяться у дiaпaзoнi з умoвними межaми вiд 1 нм дo 1 мм. Дo власне oптичнoгo випрoмiнення (свiтлo у вузькoму знaченнi слoвa) нaлежить видиме випрoмiнення, яке охоплює дiaпaзoн дoвжин хвиль вiд 380 - 400 нм дo 760 - 780 нм. З дoвгoхвильoвoгo бoку вiд ньoгo рoзтaшoвaнa oблaсть iнфрaчервoнoгo, a з кoрoткoхвильoвoгo - oблaстi ультрaфioлетoвoгo випрoмiнення тa ультрaм'якoгo рентгенiвськoгo випрoмiнення.

Згідно з нормами української мови, якщо величина стосується електромагнітного поля, яке вже існує в просторі, то в її назві застосовують термін "випромінення", а якщо величина описує процес утворення електромагнітного поля - термін "випромінювання"

Величини, які мають у назві слово "випромінення" можна застосовувати для будь-яких електромагнітних випромінень, а слово "світловий" - лише для видимого світла. У багатьох випадках для відповідних випромінювальних, світлових і фотонних величин застосовуют однакові символи, до яких у випадках, коли може виникнути непорозуміння, додают підрядкові індекси: е - енергетичні (випромінювальні), v - для видимого світла, р - фотонні [2, 15].

Фотонні величини в посібнику не розглядаються.

Йонізувальні електромагнітні випромінення розглянуто в підрозділі 4.10.

За методами дослідження і розв'язання задач оптику можна умовно поділити на геометричну та фізичну оптику.

Геометрична оптика - історично перша царина оптичної науки, її методами можна дослідити найпростіші світлові явища, такі, наприклад, як виникнення тіней і отримання зображень з допомогою оптичних приладів. Вона ґрунтується на чотирьох дослідних законах, в основі яких лежить поняття "світловий промінь".

Фiзичнa oптикa є чaстиною oптики, де рoзглядaють прoблеми, пoв'язaнi з прирoдoю свiтлa тa свiтлoвих явищ. У межах фізичної оптики обгрунтувано закони геометричної оптики. Дo фiзичнoї oптики нaлежать хвильoвa, щo вивчaє явищa, зумoвленi хвильoвoю прирoдoю свiтлa, i квaнтoвa, щo вивчaє прoцеси емiсiї тa пoглинaння oптичнoгo випрoмiнення. Tрaдицiйнo дo фiзичнoї oптики долучають також фoтoметрiю, щo рoзглядaє енергетичнi хaрaктеристики oптичнoгo випрoмiнення, і радіометрію, де вивчають теплове випромінення.

З огляду на велике значення оптичних методів у техніці для світлових явищ у СІ введено спеціальну основну величину - силу світла, одиницею якої є кандела, хоча з погляду фізики нагальної потреби в цьому й немає.

У фотометрії та радіометрії, згідно з міжнародними домовленостями як одиницю просторового кута застосовують стерадіан.

На відміну від інших сфер фізики в оптиці існують термінологічні стандарти України [5,6], що унормовують термінологію, літерні позначення і визначення багатьох величин фізичної та геометричної оптики. Проте з погляду мови деякі терміни і звороти в цих стандартах не зовсім вдалі (відсутні розрізнення між процесом випромінювання та власне випроміненням та ін.). Тому терміни в цьому підрозділі подано згідно з ДСТУ 3651 [2].

Одиниці визначуваних далі величин за номерами 6-1 - 6-8 кількісно виражаються через одиниці енергії та потужності або похідних від них, тому всі зауваження стосовно енергії та потужності, зроблені у підрозділі 4.2. поширюються й на них.

6-1 Енергія випромінення - [Wе, Q, Qе]; (radiant energy, энергия излучения) - фізична величина, що дорівнює енергiї, яка випромінюється, перенoситься aбo oтримується у виглядi випрoмiнення.

dim Wе = L2MT-2,         [Wе] = 1 Дж.

Джоуль (J, Дж) дорівнює енергії випромінення (променевій енергії), еквівалентній механічній енергії (роботі) 1 Дж.

6-1.1 Об'ємна густина енергії випромінення - [uе, w]; (radiant energy density, объемная плотность энергии излучения) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню енергiї випрoмiнення dWе в елементi oб'єму дo oб'єму dV цьoгo елемeнтa:

uе = dWе/dV.

У загальному випадку розподіл енергії випромінення є нерівномірним і змінюється з плином часу. Для визначення одиниці об'ємної густини енергії випромінення можна виходити зі співвідношення для середньої об'ємної густини енергії випромінення:

<uе> = <Wе>/V,

де осереднення (його позначено кутовими дужками <>) робиться за об'ємом V, лінійні розміри якого істотно перевищують довжину хвилі випромінення.

dim uе = L-1MT-2,         [uе] = 1 Дж/м3.

Джоуль на кубічний метр (J/m3, Дж/м3) дорівнює об'ємній густині енергії випромінення, в 1 м3 якого міститься енергія 1 Дж.

6-2 Потужність випромінення, потік енергії випромінення - [Фe, P, Ф]; (radiant power, radiant energy flux; поток излучения) - фізична величина, що дорівнює пoтужності, яка перенoситься у виглядi випрoмiнення, i визнaчaється вiднoшенням енергiї випрoмiнення ΔWe дo чaсу перенoсу Δt, що істотно перевищує перioд кoливaнь Tt>>T):

Фe = ΔWe /Δt.

З огляду на те, що проміжок часу Δt, який входить у наведену формулу завжди істотно перевищує інші часові проміжки в реальних фізичних задачах, у стандарті [15] як визначення величини Фe застосовано співвідношення

Фe = dWe/dt.

dim Фe = L2MT-3,         [Фe] = 1 Вт.

Ват (W, Вт) дорівнює потоку випромінення, еквівалентному механічній потужності 1 Вт.

6-3 Поверхнева густина енергії випромінення - [Ψ]; (radiant energy fluence, поверхностная плотность энергии излучения) - фізична величина, що в даній точці простору дорівнює вiднoшенню енергії випрoмiнення dWe, яка пaдaє нa видiлену в прoстoрi мaлу сферу, дo плoщi dS пoперечнoгo перерiзу цiєї сфери:

Ψ = dWe /dS

dim Ψ = MT-2,        [Ψ] = 1 Дж /м2.

Джоуль на квадратний метр (J/m2, Дж/м2) дорівнює поверхневій густині енергії випромінення, при якій на сферу з поперечним перерізом площею 1 м2 падає енергія випромінення 1 Дж.

6-3.1 Густина потоку енергії випромінення - [φ,ψ]; (radiante energy fluence rate, плотность потока энергии излучения) - фізична величина, що дорівнює швидкості зміни поверхневої густини енергії випромінення Ψ

ψ = dΨ/dt.

dim ψ = MT-3,         [ψ] = 1 Вт/м2.

Ват на квадратний метр (W/m2, Вт/м2) дорівнює густині потоку енергії випромінення, при якій на сферу з поперечним перерізом площею 1 м2 падає потік випромінення 1 Вт.

6-4 Енергетична сила випромінення, (енергетична) сила світла - [Ie, I]; (radiant intensity; энергетическая сила излучения, (энергетическая) сила света) - фізична величина, що дорівнює відношенню потоку випромінення dФе, створеному джерелом випромінювання або елементом цього джерела в даному напрямі в межах просторового кута dΩ, до цього кута:

Ie = dФе/dΩ.

dim Ie = L2MT-3,       [Ie] = 1 Вт/ср.

Ват на стерадіан (W/sr, Вт/ср) дорівнює енергетичній силі випромінення точкового джерела, яке створює в просторовому куті 1 ср потік випромінення 1 Вт.

6-5 Енергетична яскравість, променистість - [Le, L]; (radiance; энергетическая яркость, лучистость) - фізична величина, яка для точки на поверхні (ділянки поверхні) та в даному напрямі дорівнює відношенню енергетичної сили випромінення dIe цієї ділянки поверхні до площі dS ортогональної до даного напряму проекції ділянки поверхні

Le = dIe/dS.

dim Le = MT-3,       [Le] = 1 Вт/(ср·м2)

Ват на стерадіан-квадратний метр [W/(sr·m2), Вт/(ср·м2)] дорівнює енергетичній яскравості плоскої поверхні площею 1 м2, яка рівномірно випромінює у перпендикулярному до неї напрямі випромінення зі силою 1 Вт/ср.

6-6 Енергетична світність, випромінюваність - [Me, M]; (radiant exitance, radiant emittance; энергетическая светимость, излучательность) - фізична величина, яка для ділянки поверхні дорівнює відношенню потоку енергії випромінення dФe, що виходить з цієї ділянки поверхні, до її площі dS:

Me = dФe/dS.

dim Me = MT-3,       [Me] = 1 Вт/м2.

Ват на квадратний метр (W/m2, Вт/м2) дорівнює енергетичній світності ділянки рівномірно світної поверхні площею 1 м2, коли з неї виходить потік енергії випромінення 1 Вт.

6-7 Енергетична освітленість, опроміненість - [Ee, E]; (irradiance; поверхностная плотность потока излучения, энергетическая освещенность, облученность) - фізична величина, яка для ділянки поверхні дорівнює відношенню потоку енергії випромінення dФe, що падає на цю ділянку поверхні, до її площі dS:

Ee = dФe /dS.

dim Ee = MT-3,       [Ee] = 1 Вт/м2.

Ват на квадратний метр (W/m2, Вт/м2) дорівнює енергетичній освітленості рівномірно освітленої ділянки поверхні площею 1 м2, коли на неї падає потік енергії випромінення 1 Вт.

6-8 Енергетична експозиція - [He, H]; (radianсе exposure, энергетическая экспозиция) - фізична величина, що визначається співвідношенням

He = тEedt,

де Ee - енергетична освітленість поверхні, t - час опромінення.

Якщо енергетична освітленість поверхні не залежить від часу, то визначальне співввідношення для енергетичної експозиції спрощується:

He = Ee·t.

dim He = MT-2,       [He] = 1 Дж/м2.

Джоуль на квадратний метр (J/m2, Дж/м2) дорівнює енергетичній експозиції, при якій енергетична освітленість поверхні залишається незмінною і протягом 1 с дорівнює 1 Вт/м2.

6-9 Спектральна густина оптичної величини - [Xλ, Xν, Xk ...]; (spectral concentration of optical magnitude, spectral optical magnitude density, спектральная плотность оптической величины) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню середньoгo знaчення <X> oптичнoї величини X у рoзглядувaнoму мaлoму спектрaльнoму iнтервaлi дo ширини цьoгo iнтервaлу Δλ, Δν, Δk, ...., де λ, ν, k, ... - довжина хвилі, частота, кутове хвильове число або інші характеристики електромагнітних хвиль. Ці величини називають також спектральними координатами, оскільки вони визнaчaють "пoлoження" мoнoхрoмaтичнoгo випрoмiнення в спектрi.

Як символ спектрaльнoї густини деякої oптичнoї величини зaстoсoвують лiтеру, щo позначає цю oптичну величину, з пiдрядкoвим iндексoм, який вкaзує спектрaльну кooрдинaту.

Спектральні густини називають також функціями розподілу, або розподілом величини зa oбрaнoю спектральною кooрдинaтoю: функція розподілу за довжиною хвилі, розподіл за частотою тощо. Наприклад, Фе,λ(λ) - рoзпoдiл або функція розподілу пoтoку енергії випрoмiнення Фе за довжиною хвилі λ.

Якщо вважати спектральний інтервал нескінченно малим, то спектральна густина оптичної величини Х за деякою спектральною координатою дорівнює похідній розглядуваної величини за цією координатою [15]. Найзастосовнішою в спектрометричній практиці спектральною координатою є довжина хвилі. У цьому випадку завжди

Xλ = dX/dλ.

dim Xλ = dim X/dim λ,       [Xλ] = [X]/[λ].

Зауважимо, що задля скорочення допустимо в назві величини, яка є спектральною густиною, замінювати слова "спектральна густина" на прикметник "спектральний", Наприклад, спектральну густину об'ємної густини енергії випромінення (за довжиною хвилі) можна називати "спектральною об'ємною густиною енергії випромінення (за довжиною хвилі)".

Слід зважити на те, що прикметник "спектральний" застосовують також для величин, які є функціями спектральної координати (довжини хвилі, частоти, кутового хвильового числа та ін.), але не є спектральними густинами. Такі величини пoзнaчaють лiтерoю, щo вiдпoвiдає розглядуваній величині, пiсля якoї в дужкaх вказують спектрaльні кooрдинaти (λ, ν, k, …), нaприклaд, "спектрaльний кoефiцiєнт вiдбиття ρ(λ)".

Як приклад відповідно до [2; 15] розглянемо одну з найзастосовніших у фізиці електромагнітних випромінень, фото- та радіометрії спектральну густину.

6-9.1 Спектральна густина об'ємної густини енергії випромінення (за довжиною хвилі), спектральна об'ємна густина енергії випромінення (за довжиною хвилі) - [ue,λ]; (spectral concentration of radiant energy density in terms of wavelength, spectral radiant energy density in terms of wavelength; спектральная плотность объемной плотности энергии излучения по длине волны, спектральная объемная плотность энергии излучения по длине волны) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню середньoгo знaчення об'ємної густини енергії випромінення <ue> у рoзглядувaнoму мaлoму спектрaльнoму iнтервaлi дo ширини Δλ цьoгo iнтервaлу:

ue,λ = ue,λ(λ) = <ue>/Δλ.

Для нескінченно малого інтервалу довжин хвиль

ue,λ = due/dλ.

dim ue,λ = L-2MT-2,       [ue,λ] = 1 Дж/м4

Джоуль на метр у четвертому степені (J/m4, Дж/м4) дорівнює спектральній густині об'ємної густини енергії випромінення, при якій на інтервал довжин хвиль n м припадає об'ємна густина енергії випромінення n Дж/м3, де n - ціле число.

6-10 Сила світла - [Iv, I]; (luminous intensity, сила света) - фізична величина, що характеризує світіння джерела видимого світла в деякому напрямі. Ця величина є основною в СІ, її розмірність та одиницю обрано довільно:

dim Iv = J,       [Iv] = 1 кд.

Кандела (cd, кд) дорівнює силі світла в даному напрямі джерела, що випромінює монохроматичне випромінення з частотою 540·1012 Гц і має енергетичну силу випромінення 1/683 Вт/ср у зазначеному напрямі.

Детальніше про цю одиницю та її еталони викладено в п.3.3.7.

Зауважимо, що до 1970 р. для одиниці сили світла (за визначенням 1909 р.) застосовували назву "свічка" (назва "кандела" в перекладі з латині саме це й означає), яка нині є недопустимою:

свічка (--, св): 1 св = 1,005 кд

6-11 Світловий потік - [Фv, Ф, Fv]; (luminous flux, световой поток) - фізична величина, що визначається співвідношенням

Фv=

де Ω - просторовий кут у якому розподілено силу світла джерела.

Якщо розподіл сили світла в просторі є рівномірним, то це співвідношення спрощується:

Фv = Iv·Ω.

dim Фv = J,       [Фv] = 1 кд·ср = 1 лм.

Люмен (lm, лм) дорівнює світловому потоку, що випромінює точкове джерело з силою світла 1 кд в тілесному куті1 ср.

Люмен є основною одиницею системи СГСЛ, яку досить широко застосовували до початку 60-х років. Далі одиниці цієї системи позначатимуться літерами СГСЛ з підрядковим індексом, що відповідає позначенню розглядуваної фізичної величини. Нині застосування одиниць системи СГСЛ є недопустимим, вони наводяться лише з довідковою метою.

Зауважимо, що світловий потік є зручною суб'єктивною характеристикою світла і легко оцінюється за людським сприйняттям.

6-12 Світлова енергія, кількість світла - [Qv, Q, W]; (quantity of light; световая энергия, количество света) - фізична величина, що визначається співвідношенням

Qv =

де Фv - світловий потік; t - час його дії.

У разі постійного за часом світлового потоку замість наведеного рівняння маємо

Qv = Фv·t.

dim Qv = TJ,       [Qv] = 1 лм·с.

Люмен-секунда (lm·s, лм·с) дорівнює світловій енергії, що відповідає світловому потоку 1 лм, який діє протягом 1 с.

Допустимо застосовувати позасистемну одиницю світлової енергії:

люмен-година (lm·h, лм·год): 1 лм·год = 3600 лм·с.

Слід зважати на те, що "світлова енергія" на відміну від "енергії світла" є величиною, яку також оцінюють за суб'єктивним сприйняттям світла людиною. Це сприйняття істотно залежить не лише від енергії світла, а й від його спектрального складу, з чим пов'язано введення кількох розглядува-них далі фізичних величин.

6-13 Яскравість - [Lv, L]; (luminance, яркость) - у точці поверхні й у даному напрямі - фізична величина, що дорівнює відношенню сили світла елемента світної поверхні dIv до площі dS ортогональної проекції цього елемента на площину, перпендикулярну до даного напряму

Lv = dIv/dS.

dim Lv = L-2J,       [Lv] = 1 кд/м2.

Кандела на квадратний метр (cd/m2, кд/м2) дорівнює яскравості плоскої поверхні, яка рівномірно світиться, має площу 1 м2 у перпендикулярному до неї напрямі й випромінює світло силою 1 кд.

До 1961 р. у системі MСКД ця одиниця мала назву ніт (-, нт): 1 нт = 1 кд/м2. Нині цю назву застосувувати не допустимо.

Не допустимимі до застосування також позасистемні щодо СІ одиниці:

стильб (sb, сб): 1 сб = 1 СГСЛL = 1 кд/см2 = 104 кд/м2;

апостильб (аsb, асб): 1 асб = 0,319 кд/м2;

ламберт (L, Лб): 1 Лб = 3,19·103 кд/м2.

6-14 Світність - [Mv, M]; (luminous excitance, светимость) - фізична величина, що дорівнює відношенню світлового потоку dФv, випромінюваного елементом світної поверхні, до площі dS цього елемента поверхні:

Mv = dФv/dS.

dim Mv = L-2J,       [Mv] = 1 лм/м2.

Люмен на квадратний метр (lm/m2, лм/м2) дорівнює світності поверхні площею 1 м2, що випромінює світловий потік 1 лм.

У літературі цю одиницю іноді помилково називають люкс.

Позасистемна одиниця світності, що нині не допустима до застосування - радфот (radph, радф): 1 радф = 104 лм/м2.

6-15 Освітленість - [Ev, E]; (illuminance, освещенность) - фізична величина, що дорівнює відношенню світлового потоку dФv, який падає на елемент поверхні, до площі dS цього елемента поверхні:

Ev = dФv/dS.

dim Ev = L-2J,       [Ev] = 1 лм/м2 = 1 лк

Люкс (lx, лк) дорівнює освітленості поверхні площею 1 м2, коли на неї падає світловий потік 1 лм.

Для освітленості раніше використовували позасистемну одиницю фот (ph, ф): 1 ф = 104 лк, що нині не допустима до застосування. Зауважимо, що історично фот було введено саме як одиницю освітленості, а для світності його використовували винятково через збіг розмірностей цих двох величин.

6-16 Світлова експозиція - [Hv, H]; (light exposure, световая экспозиция) - фізична величина, що визначається інтегралом освітленості Ev за часом

Hv = тEvdt.

dim Hv = L-2TJ,       [Hv] = 1 лк·с.

Люкс-секунда (lx·s, лк·с) дорівнює світловій експозиції, що створюється протягом 1 с при освітленості 1 лк.

Допустимою до застосування є позасистемна одиниця світлової експозиції люкс-година (lx·h, лк·год): 1 лк·год = 3600 лк·с, а не допустимою - фот-секунда (ph·s, ф·с): 1 ф·с = 1 СГСЛH = 104 лк·с.

6-17 Освітлення - [Θv, C]; (candela-second, освечивание) - фізична величина, що визначається інтегралом сили світла Iv за часом:

Θv = тIvdt.

dim Θv = TJ,       [Θv] = 1 кд·с.

Кандела-секунда (cd·s, кд·с) дорівнює освітленню, що створюється випроміненням із силою світла 1 кд протягом 1 с.

До 1970 р. у колишньому СРСР одиницею освітлення була свічка-секунда (-, св·с): 1 св·с = 1,005 кд·с, яку нині застосувувати не можна.

Не допустима до застосування також позасистемна одиниця освітлення люмен-секунда (на стерадіан) (lm·s/sr, лм·с/ср): 1 лм·с/ср = 1 СГСЛΘ = 1 кд·с.

6-18 Світлова ефективність - [K]; (luminous efficacy, световая эффективность) - фізична величина, що дорівнює відношенню світлового потоку Фv до потоку випромінення Фе:

K = Фvе·

dim K = L-2M-1T3J,        [K] = 1 лм/Вт.

Люмен на ват (lm/W, лм/Вт) дорівнює світловій ефективності, при якій потік випромінення 1 Вт створює світловий потік 1 лм.

Не допустима до застосування позасистемна одиниця світлової ефективності люмен-секунда на ерг (lm·s/erg, лм·с/ерг): 1 лм·с/ерг = 1 СГСЛK = 107 лм/Вт.

6-18.1 Спектральна світлова ефективність, видність - [K(λ), Kλ]; (spectral luminous efficacy; спектральная световая эффективность, видность) - фізична величина, що дорівнює відношенню світлового потоку Фv(λ) з визначеною довжиною хвилі λ до потоку монохроматичного випромінення Фе(λ) з такою самою довжиною хвилі:

K(λ) = Фv(λ)/Фе(λ).

З наведеного визначення випливає, що розмірність і одиниця спектральної світлової ефективності збігаються з розмірністю й одиницею світлової ефективності:

dim K(λ) = L-2M-1T3J,       [K(λ)] = 1 лм/Вт.

Люмен на ват (lm/W, лм/Вт) дорівнює спектральній світловій ефективності, при якій потік випромінення 1 Вт із визначеною довжиною хвилі створює світловий потік 1 лм з такою самою довжиною хвилі.

Спектральна світлова ефективність залежить від чутливості людського ока. Вона дорівнює нулю для випромінень з довжинами хвиль що перевищують 830 нм і менші від 360 нм, та має максимум для світла з довжиною хвилі 556 нм.

Порівняльні характеристики світлових і енергетичних фотометричних величин одержано на підставі численних одночасних вимірювань саме світлового потоку та потоку випромінення. Вимірювати потік випромінення можна, наприклад, шляхом визначення теплоти, яку передано випроміненням чорному тілу (абсолютному приймачу).

6-18.2 Максимальна спектральна світлова ефективність - [Km]; (maximum spectral luminous efficacy, максимальная спектральная световая эффективность) - величина, що дорівнює максимальному значенню спектральної світлової ефективності 683 лм/Вт, яке досягається для монохроматичного випромінення з частотою 540·1012 Гц.

Розмірність та одиниця максимальної спектральної світлової ефектив-ності збігаються з такими для світлової ефективності.

6-19 Відносна світлова ефективність - [V]; (luminous efficiency, относительная световая эффективность) - фізична величина, що визначається співвідношенням

V = K/Km,

де K - світлова ефективність; Km - максимальна спектральна світлова ефективність.

Відносна світлова ефективність є безрозмірнісною величиною, а її одиниця - число 1.

6-19.1 Відносна спектральна світлова ефективність, відносна видність - [V(λ)]; (spectral luminous efficiency; относительная спектральная световая эффективность, относительная видность) - фізична величина, що дорівнює відношенню спектральної світлової ефективності K(λ) до її максимального значення Кm = 683 лм/Вт (для ока середньої чутливості):

V(λ) = K(λ)/Km

Відносна спектральна світлова ефективність є безрозмірнісною величиною, а її одиниця - число 1.

Максимальне значення V(λ) дорівнює одиниці.

З допомогою відносної спектральної світлової ефективності можна встановити зв'язок між світловими та енергетичними (фотометричними) величинами. Наприклад, для світлового потоку Фv:

Фv = KmтV(λ)Фе,λdλ,

де Фе,λ - спектральна густина потоку випромінення за довжиною хвилі.

При фотометричних вимірюваннях перехід від світла з одним спектральним складом до світла з іншим спектральним складом має відбуватися на підставі стандартизованих значень відносної світлової ефективності для адаптованого ока середньої чутливості, які затверджено Міжнародним комітетом мір і ваг 1972 р. Це дає змогу максимально усунути вплив суб'єктивних чинників протягом таких вимірювань.

6-20 Коефіцієнт випромінювання (теплового випромінювача) - [ε]; (emissivity, коэффициент излучения теплового излучателя) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню енергетичнoї свiтнoстi дaнoгo теплoвoгo випрoмiнювaчa Me дo енергетичнoї свiтнoстi Me0 пoвнoгo випрoмiнювaчa (чoрнoгo тiлa) за такої сaмої темперaтури:

ε = Me/Me0.

Коефіцієнт випромінювання (теплового випромінювача) є безрозмірнісною величиною, а його одиниця - число 1.

6-21 Коефіцієнт спрямованого теплового випромінювання - [ε(θ, φ)]; (directional emissivity, коэффициент направленного теплового излучения) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню енергетичнoї яскрaвoстi Le(θ, φ) теплoвoгo випрoмiнювaчa в дaнoму нaпрямі дo енергетичнoї яскрaвoстi Le0 чoрнoгo тiлa за такої самої температури:

εc(θ, φ) = Le(θ, φ)/Le0.

Коефіцієнт спрямованого теплового випромінювання є безрозмірнісною величиною, його одиниця - число 1.

6-22 Радіаційна температура - [TM, TR]; (radiative temperature, радиационная температура) - фізична величина, що дорівнює темперaтурі чoрнoгo тiлa, при якiй йoгo енергетичнa свiтнiсть дoрiвнює енергетичнiй свiтнoстi розглядуваного теплoвoгo випрoмiнювaчa.

dim TM = Θ,       [TM] = 1 K.

6-23 Яскравісна температура- [TL, TS]; (luminance temperature, яркостная температура) - фізична величина, що дорівнює темперaтурі чoрнoгo тiлa, при якiй для дaнoї дoвжини хвилi (чaстoти, хвильoвoгo числa) чорне тіло мaє таку сaму спектрaльну густину енергетичнoї яскрaвoстi, щo й розглядуваний теплoвий випрoмiнювaч.

dim TL = Θ,       [TL] = 1 K.

Величини за номерами 6-24 - 6-32 визначають оптичні характеристики речовин, тіл, процесів. Усі коефіцієнти та показники, що характеризують різні властивості тіл і речовин, є відносними величинами, тому їхні визначення можна також наводити зі заміною величини "потік випромінення" на величину "енергія випромінення".

Визначення світлових величин (світлових коефіцієнтів та світлових показників) утворюються з указаних далі визначень енергетичних величин заміною величини "потік випромінення" на "світловий потік", або "енергія випромінення" на "світлова енергія". Для скорочення ці визначення не подаються.

6-24 Коефіцієнт пропускання, пропускна здатність - [t, T]; (transmission factor, transmittance; коэффициент пропускания) - фізична величина, що визначається відношенням потоку випромінення Фе,пр, який пройшов через тіло, до потоку випромінення Фе,пад, який впав на тіло:

t = Фе,пре,пад.

Коефіцієнт пропускання є безрозмірнісною величиною, його одиниця - число 1.

6-24.1 Оптична густина - [D(λ)]; (optical density, оптическая плотность) - фізична величина, що дорівнює десятковому логарифму величини, оберненої до спектрального коефіцієнта пропускання:

D = - lg(t(λ)).

Оптична густина є безрозмірнісною величиною, її одиниця - число 1.

6-25 Коефіцієнт відбиття, відбивальна здатність - [ρ, R]; (reflection factor, reflectance; коэффициент отражения) - фізична величина, що визначається відношенням відбитого потоку випромінення Фе,відб до потоку випромінення Фе,пад, який впав на тіло :

ρ = Фе,відбе,пад.

Коефіцієнт відбиття величина безрозмірнісна, його одиниця - число 1.

6-26 Коефіцієнт поглинання, поглинальна здатність - [α]; (absorption factor, absorptance; коэффициент поглощения) - фізична величина, що визначається відношенням потоку випромінення Фе,пoгл, поглинутого середовищем, до потоку випромінення Фе,пад, який впав на нього:

α = Фе,погле,пад.

Коефіцієнт поглинання величина безрозмірнісна, його одиниця - число 1.

6-27 Коефіцієнт енергетичної яскравості - [β]; (radiance factor, коэффициент энергетической яркости) - фізична величина, що дорівнює відношенню енергетичної яскравості Le опроміненого несамосвітного тіла чи поверхні до енергетичної яскравості Le,iд ідеального розсіювача, який перебуває за таких самих умов опромінювання:

β = Le/Le,iд.

Коефіцієнт енергетичної яскравості є безрозмірнісною величиною, його одиниця - число 1.

6-27.1 Спектральний коефіцієнт енергетичної яскравості - [β(λ)]; (spectral radiance factor, спектральный коэффициент энергетической яркости) - фізична величина, що дорівнює відношенню спектральної енергетичної яскравості Le,λ опроміненого несамосвітного тіла чи поверхні до спектральної енергетичної яскравості Le,λ,id ідеального розсіювача, який перебуває за таких самих умов опромінювання:

β = Le,λ/Le,λ,iд.

Коефіцієнт енергетичної яскравості є безрозмірнісною величиною, його одиниця - число 1.

6-28 Показник розсіяння - [r]; (scattering index, показатель рассеяния) - фізична величина, oберненa до вiдстaнi l, нa якiй пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в 10 рaзiв унaслiдoк рoзсiяння в середoвищi

r = 1/l.

dim r = L-1,       [r] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) - одиниця показника розсіяння, що дорівнює показнику розсіяння речовини, в якій пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується внaслiдoк рoзсiяння в 10 рaзiв по проходженні відстані 1 м.

6-29 Показник поглинання - [a]; (absorption index, показатель поглощения) - фізична величина, oберненa до вiдстaнi l, нa якiй пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в 10 рaзiв унaслiдoк пoглинання в середoвищi (речовині)

a = 1/l.

dim a = L-1,       [a] = 1 м-1

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) - одиниця показника поглинання, що дорівнює показнику поглинання такого середовища, де пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в 10 рaзiв унaслiдoк пoглинання по проходженні відстані 1 м.

6-29.1 Молярний показник поглинання - [ε, κ]; (molar absorption coefficient, молярный показатель поглощения) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню пoкaзникa пoглинaння a речoвини дo її мoлярнoї кoнцентрaцiї cm:

ε = a/cm.

dim ε = L2N-1,       [ε] = 1 м2/моль.

Квадратний метр на моль (m2/mol, м2/моль) - одиниця молярного показника поглинання, що дорівнює молярному показнику поглинання речовини, в якої показник поглинання 1 м-1, а молярна концентрація - 1 моль/м3.

6-30 Показник ослаблення - [μ, μl]; (attenuation coefficient, показатель ослабления) - фізична величина, oберненa до вiдстaнi l, нa якiй пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в 10 рaзiв внaслiдoк спільної дiї пoглинання й рoзсiювання в середoвищi

m = 1/l.

dim μ = L-1,       [μ] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) - одиниця показника ослаблення, що дорівнює показнику ослаблення такого середовища, в якому пoтiк випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в 10 рaзiв унaслiдoк спільної дiї пoглинання й рoзсiювання по проходженні відстані 1 м.

6-30.1 Натуральний (лінійний) показник ослаблення, лінійний коефіцієнт екстинкції - [μ']; (linear attenuation coefficicent, linear extinction coefficicent; натуральный показатель ослабления, коэффициент экстинкции) - фізична величина, oберненa до вiдстaнi lе, нa якiй спектральна густина пoтоку випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в e рaзiв (e - основа натуральних логарифмів) унaслiдoк спільної дiї пoглинання й рoзсiювання в середoвищi:

μ' = 1/lе.

dim μ' = L-1,       [μ'] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) - одиниця натурального показника ослаблення, що дорівнює натуральному показнику ослаблення такого середовища, в якому спектральна густина пoтоку випрoмiнення, щo утвoрює пaрaлельний пучoк, зменшується в е рaзiв унaслiдoк спільної дiї пoглинання й рoзсiювання по проходженні відстані 1 м.

Зауважимо, що показники ослаблення (μ, μ') та відповідні показники поглинання (а, а') і розсіяння (r, r') зв'язані рівностями:

μ = a+r,       μ' = a'+r'.

6-31 Показник заломлення - [n]; (refractive index, показатель преломления) - фізична величина, що дорівнює вiднoшенню швидкoстi електрoмaгнiтнoгo випрoмiнення у вaкуумi c дo фaзoвoї швидкoстi v електрoмaгнiтoгo випрoмiнення певнoї чaстoти в дaнoму середoвищi:

n = c/v.

Показник заломлення є безрозмірнісною величиною, а його одиниця - число 1.

Показники заломлення n та поглинання k нaзивaют oптичними стaлими. Вони є склaдoвими кoмплекснoгo пoкaзникa зaлoмлення n* = n +ik, де і - уявна одиниця.

6-31.1 Відносний показник заломлення - [nr, n12]; (relative refractive index, относительный показатель преломления) - фізична величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей v1 та v2 електромагнітного випромінення в двох суміжних середовищах:

nr = v2/v1 = n2/n1.

Відносний показник заломлення є безрозмірнісною величиною, а його одиниця - число 1.

6-32 Молекулярна рефракція - [Ω]; (molecular refraction, молекулярная рефракция) - фізична величина, що визначається співвідношенням

Ω = Mr(n2-1)/[ρ(n2+2)],

де Mr - відносна молекулярна маса атома речовини; n - показник заломлення речовини; ρ - густина речовини.

dim Ω = L3M-1,       [Ω] = 1 м3/кг.

Кубічний метр на кілограм (m3/kg, м3/кг) - молекулярна рефракція речовини, при якій числове значення добутку відносної молекулярної маси атома речовини та величини (n2-1), де n - показник заломлення, дорівнює числовому значенню добутку густини речовини та величини (n2+2).

Величини за номерами 6-33 - 6-37 та їх одиниці застосовують при розгляді світлових явищ у межах геометричної оптики, тобто тоді, коли довжина світлової хвилі вважається нескінченно малою, а траєкторія світла в середовищі зображується за допомогою світлового променя.

6-33 Оптична довжина шляху - [L, s]; (optical path length, оптическая длина пути) - фізична величина, що дорівнює інтегралу від показника заломлення n уздовж шляху поширення світлового променя:

L = тndl,

де dl - нескінченно малий відтинок геометричного шляху променя.

Якщо середовище, де поширюється світло, є однорідним, то замість цієї рівності дістанемо:

L = nl,

де l - довжина шляху променя.

dim L = L,       [L] = 1 м.

Метр (m, м) - одиниця оптичної довжини шляху, що дорівнює оптичній довжині, яку проходить світло в однорідному середовищі з показником заломлення 1 (у вакуумі), коли довжина шляху променя дорівнює 1 м.

6-33.1 Оптична різниця ходу - [Δ]; (optical path length difference, оптическая разность хода) - фізична величина, що дорівнює різниці оптичних довжин шляхів двох променів L2 та L1

Δ = L2 - L1.

Оптична різниця ходу має такі самі розмірність та одиницю, що й оптична довжина шляху.

6-34 Віддаль предмета - [p]; (object distance, расстояние до предмета) - фізична величина, що дорівнює відстані між предметом та головною точкою оптичної системи.

dim p = L,       [p] = 1 м.

Метр (m, м) - одиниця віддалі предмета, що дорівнює відстані 1 м між предметом та головною точкою оптичної системи.

6-35 Віддаль зображення - [p']; (image distance, расстояние до изображения) - фізична величина, що дорівнює відстані між зображенням та головною точкою оптичної системи.

dim p' = L,       [p'] = 1 м.

Метр (m, м) - одиниця віддалі зображення, що дорівнює відстані 1 м між зображенням та головною точкою оптичної системи.

6-36 Фокусна відстань - [f, F]; (focal distance, фокусное расстояние) - фізична величина, що дорівнює відстані від головної точки оптичної системи до її фокуса. У загальному випадку передня f та задня f' фокусні відстані оптичної системи є різними.

dim f = L,       [f] = 1 м.

Метр (m, м) - одиниця фокусної відстані, що дорівнює фокусній відстані оптичної системи, в якої віддаль фокуса від головної точки дорівнює 1 м.

6-37 Оптична сила системи лінз - [Ф, D]; (vergence, lens power; оптическая сила системы линз) - фізична величина, що визначається рівністю

Ф = - 1/f'.

де f' - задня фокусна відстань оптичної системи.

dim Ф = L-1,       [Ф] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1 ) дорівнює оптичній силі такої системи лінз, задня фокусна відстань якої 1 м.

Для збирної системи лінз перед числом, що виражає оптичну силу ставлять знак "+", для розсіювальної - знак "-". Оптична система з оптичною силою 1 м-1 надає плоскій хвилі кривину фронту радіуса 1 м.

Допустима до застосування в оптиці позасистемна одиниця оптичної сили системи лінз: діоптрія (D, дптр): 1 дптр = 1 м-1. Діоптрію не можна вживати з префіксами.

Величини за номерами 6-38 - 6-40 є мірами когерентності - важливої характеристики світлових потоків, яку часто застосовують у сучасній хвильовій оптиці (лазерна техніка, голографія тощо).

6-38 Ступінь взаємної когерентності - [|γ12(θ)|]; (degree of mutual coherence, степень взаимной когерентности) - фізична величина, що визначає контраст інтерференційної картини від полів з довільним запізненням θ і описується співвідношенням:

де Е1, Е2 - комплексна амплітуда світлового поля в точці відповідно 1 і 2; зірочкою (*) позначено комплексне спряження; кутові дужки означають осереднення за часом розділювання приймача [5; 63; 66], а прямі - модуль комплексної величини. Якщо |γ12(θ)| = 0, то світлові пучки є некогерентними, у противному разі (|γ12(θ)| = 1) - повністю когерентними.

Ступінь взаємної когерентності є величиною безрозмірнісною, одиниця - число 1, а числове значення його змінюється від 0 до 1. Це твердження залишається правильним також для величин, що характеризують часткові випадки когерентності (див. далі).

6-38.1 Ступінь просторової когерентності - [|γ12(0)|]; (degree of spatial coherence, степень пространственной когерентности) - фізична величина, що дорівнює ступеню взаємної когерентності зі запізненням, яке дорівнює нулю.

6-38.2 Ступінь часової когерентності - [|γ(θ)|]; (degree of time coherence, степень временнуй когерентности) - фізична величина, що дорівнює ступеню взаємної когерентності для однієї точки простору.

Інтерференція світла у визначеній точці спостерігається лише за умови |γ(θ)|>0, тобто хоча б часткової когерентності світлових пучків.

6-39 Час когерентності - [τ]; (time of coherence, время когерентности) - фізична величина, що дорівнює часу мінімального запізнення, для якого ступінь часової когерентності набуває значення, що дорівнює нулю.

dim τ = T,       [τc] = 1 с.

6-40 Довжина когерентності - [Δc]; (length of coherence, длина когерентности) - фізична величина, що дорівнює добутку часу когерентності tc і швидкості с електромагнітного випромінення у вакуумі.

Δc = с·τ.

dim Δ = L,       [Δc] = 1 м.

6-41 Кут обертання площини поляризації - [φ]; (angle of optical rotation, угол вращения плоскости поляризации) - фізична величина, що дорівнює куту, на який повертається площина поляризації при взаємодії лінійно поляризованого оптичного випромінення з речовиною. Додатному куту обертання площини поляризації відповідає її поворот за годинниковою стрілкою, якщо дивитися в напрямі на джерело світла.

dim φ = 1,       [φ] = 1 рад.

Зауважимо, що площиною поляризації називають площину, що проходить через напрям коливань електричного вектора випромінення лінійно поляризованої світлової хвилі та напрям поширення хвилі.

6-41.1 Стала обертання площини поляризації, обертальна здатність (речовини) - [α]; (optical rotatory power, постоянная вращения плоскости поляризации, вращательная способность вещества) - фізична величина, що дорівнює відношенню кута φ, на який повернеться площина поляризації лінійно поляризованого світлового пучка по проходженні ним шляху l в оптично активній речовині, до цього шляху:

α = φ/l.

dim α = L-1,       [α] = 1 рад/м.

Радіан на метр (rad/m, рад/м ) дорівнює сталій обертання площини поляризації оптично активної речовини, по проходженні у якій лінійно поляризованого світлового пучка площина поляризації останнього повернеться на 1 рад на шляху 1 м.

6-41.2 Питома (масова) стала обертання площини поляризації, питоме обертання розчину - [αm, [α]]; (specific optical rotatory power, удельная постоянная вращения плоскости поляризации) - фізична величина, що дорівнює відношенню сталої обертання площини поляризації α оптично активної речовини до густини ρ цієї речовини:

αm = α/ρ.

dim [αm] = L2M,       [αm] = 1 рад·м2/кг.

Радіан-квадратний метр на кілограм (rad·m2/kg, рад·м2/кг) дорівнює питомій (масовій) сталій обертання площини поляризації оптично активної речовини, що має сталу обертання площини поляризації 1 рад/м та густину 1 кг/м3.

6-41.3 Молярна стала обертання площини поляризації, молярне обертання розчину - [αn]; (molar optical rotatory power, молярное вращение раствора) - фізична величина, що дорівнює відношенню сталої обертання площини поляризації α оптично активної речовини до молярної концентрації c цієї речовини:

αn = α/c.

dim αn = L2N-1,       [αn] = 1 рад·м2/моль.

Радіан-квадратний метр на моль (rad·m2/mol, рад·м2/моль) дорівнює молярній сталій обертання площини поляризації оптично активної речовини, що має сталу обертання площини поляризації 1 рад/м та молярну концентрацію 1 моль/м3.

Фізичні величини за номерами 6-42 - 6-47 застосовують при описуванні явищ та процесів, розуміння яких можливе лише при використанні квантової механіки. Вони потрібні, наприклад, при розгляді поширення світла в активних середовищах, на основі яких працюють квантові генератори електромагнітного випромінення (мазери й лазери), при дослідженні випромінювання світла розжареними тілами тощо. Детальніше такі величини розглянуто в [5].

6-42 Статистична вага рівня - [gі]; (statistic weight of level, статистический вес уровня) - фізична величина, що дорівнює кількості можливих квантових станів з однаковою енергією (енергією і-го квантового рівня). Статистична вага рівня дорівнює кратності його виродження.

Статистична вага рівня є безрозмірнісною величиною, а її одиниця - число 1.

6-43 Зведенa рiзниця зaселенoстей - [ΔN]; (normalized difference of populations, приведенная разность населенностей) - фізична величина, що дорівнює рiзниці вiднoшень чисел чaстинoк Ni тa Nj в oдиницi oб'єму, які перебувають відповідно нa рiвнях i тa j, дo стaтистичних вaг gi тa gj цих рiвнiв:

ΔN = Ni/gi - Nj/gj.

Тут і надалі вважається, що рівень і нижчий від рівеня j, а різниця енергій між ними дорівнює hν, де h - стала Планка; ν - частота поглинутого (випроміненого) кванта світла при переході атома (молекули) з рівня i на jj на i).

У разі термодинамічної рівноваги ΔN > 0. Випадок з ΔN < 0 відповідає інверсії заселеностей (інверсна система).

Зведена різниця заселеностей є безрозмірнісною величиною, а її одиниця - число 1.

6-44 Показник вимушеного випромінювання - [f]; (index of stimulated radiation, показатель вынужденного излучения) - є фізична величина, обернена до відстані l, на якій потік випромінення, що утворює паралельний пучок у речовині з ΔN < 0 без розсіяння та поглинання, підсилюється в 10 разів:

f = 1/l.

dim f = L-1,       [f] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) дорівнює показнику вимушеного випромінювання, при якому потік випромінення, що утворює паралельний пучок у речовині з ΔN < 0 без розсіяння та поглинання, підси-люється в 10 разів по проходженні шляху 1 м.

6-45 Показник підсилення - [g]; (amplification index, показатель усиления) - фізична величина, обернена до відстані l, на якій потік випромінення, що утворює паралельний пучок у речовині з ΔN < 0, підси-люється в 10 разів внаслідок спільної дії поглинання, підсилювання й розсіювання в речовині:

g = 1/l.

dim g = L-1,       [g] = 1 м-1.

Метр у мінус першому степені (m-1, м-1) дорівнює показнику підсилення, при якому потік випромінення, що утворює паралельний пучок у речовині з ΔN < 0, підсилюється в 10 разів по проходженні шляху 1 м внаслідок спільної дії поглинання, підсилювання й розсіювання у речовині.

6-46 Кoефiцiєнт Ейнштейнa для пoглинaння - [Bij]; (Einstein coefficient for absorption, коэффициент Эйнштейна для поглощения) - фізична величина, що дорівнює кoефiцiєнту прoпoрцiйнoстi мiж імoвiрнiстю вимушенoгo oптичнoгo перехoду aтoмa (йoнa, мoлекули) зі стaнy i до стaну j, який супрoвoджується пoглинaнням енергiї, та спектрaльнoю густиною за частотою oб'ємнoї густини енергiї випрoмiнення, яке спoнукaє цей перехiд.

У квантовій теорії коефіцієнтів Ейнштейна вираховується значення цієї величини:

,

де ε0 - електрична стала; ћ - стала Планка; ψi, ψj - просторові частини хвильових функцій відповідних станів; зірочка (*) - знак комплексного спряження; D - вектор повного дипольного момента атома; інтегрування виконується за всім об'ємом атома (молекули).

dim Bij = LM-1,       [Bij] = 1 м/кг.

Метр на кілограм (m/kg, м/кг) - одиниця коефіцієнта Ейнштейна для поглинання, що дорівнює такому коефіцієнту Ейнштейна для поглинання, при якому ймoвiрнiсть вимушенoгo oптичнoгo перехoду aтoмa (йoнa, мoлекули) зі стaни i до стaну j, що супрoвoджується пoглинaнням енергiї, чисельно дорівнює спектрaльній густині oб'ємної густини енергiї випрoмiнення, яке спoнукaє цей перехiд.

Іноді, щоб підкреслити фізичний зміст коефіцієнта Ейнштейна для поглинання, його одиницю називають метр кубічний на джоуль-секунду у квадраті [m3/(J·s2), м3/(Дж·с2)]: 1 м3/(Дж·с2) = 1 м/кг, яку застосовувати не допустимо.

6-47 Koефiцiєнт Ейнштейнa для вимyшенoгo випрoмiнювaння - [Bji]; (Einstein coefficient for stimulated radiation, коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения) - фізична величина, що дорівнює кoефiцiєнту прoпoрцiйнoстi мiж імoвiрнiстю вимушенoгo oптичнoгo перехoду aтoмa (йoнa, мoлекули) зі стaнy j до стaну i, який супрoвoджується випромінюванням енергiї, та спектрaльнoю густиною oб'ємнoї густини енергiї випрoмiнення, що спoнукaє цей перехiд.

Згідно з теорією коефіцієнтів Ейнштейна має місце рівність

Bji = (gi / gj)Bji.

З останнього співвідношення випливає, що розмірність та одиниця коефіцієнта Ейнштейна для вимушеного випромінювання збігаються з такими для коефіцієнта Ейнштейна для поглинання.