Коэффициент пропускания: связные и родственные понятия

Сегодня мы расскажем о коэффициенте пропускания и связанных с ним понятиях. Все эти величины относятся к разделу линейной оптики.

Свет в древнем мире

Раньше люди считали, что мир наполнен загадками. Даже человеческое тело несло в себе немало непознанного. Например, древним грекам было непонятно, как видит глаз, почему существует цвет, почему наступает ночь. Но в то же время их мир был проще: свет, падая на препятствие, создавал тень. Это все, что нужно было знать даже самому образованному ученому. О коэффициенте пропускания света и нагревании никто не задумывался. А сегодня это изучают в школе.

Свет встречает препятствие

Когда поток света падает на объект, он может вести себя четырьмя различными способами:

• поглотиться;
• рассеяться;
• отразиться;
• пройти дальше.

Соответственно, любое вещество имеет коэффициенты поглощения отражения пропускания и рассеяния.

Поглощенный свет разными способами изменяет свойства самого материала: нагревает его, изменяет его электронную структуру. Рассеянный и отраженный свет похожи, но все же отличаются. При отражении свет меняет направление распространения, а при рассеянии изменяется еще и его длина волны.

Прозрачный объект, который пропускает свет, и его свойства

Коэффициенты отражения и пропускания зависят от двух факторов – от характеристик света и свойств самого объекта. При этом имеет значение:

1. Агрегатное состояние вещества. Лед преломляет иначе, чем пар.
2. Строение кристаллической решетки. Этот пункт относится к твердым телам. Например, коэффициент пропускания угля видимой части спектра стремится к нулю, а вот бриллиант – другое дело. Именно плоскости его отражения и преломления создают волшебную игру света и тени, за которую люди готовы платить баснословные деньги. А ведь оба эти вещества – углероды. И алмаз сгорит в огне ничуть не хуже угля.
3. Температура вещества. Как ни странно, но при высокой температуре некоторые тела становятся сами источником света, поэтому с электромагнитным излучением они взаимодействуют несколько иначе.
4. Угол падения пучка света на объект.

К тому же надо помнить, что свет, который вышел из объекта, может быть поляризованным.

Длина волны и спектр пропускания

Как мы уже упоминали выше, коэффициент пропускания зависит от длины волны падающего света. Вещество, непрозрачное для желтых и зеленых лучей, кажется прозрачным для инфракрасного спектра. Для маленьких частиц под названием «нейтрино» прозрачна и Земля. Поэтому несмотря на то что их генерирует Солнце в очень больших количествах, ученым так сложно их засечь. Вероятность столкновения нейтрино с веществом исчезающе мала.

Но чаще всего речь идет о видимой части спектра электромагнитного излучения. Если же в книге или задаче присутствует несколько отрезков шкалы, то коэффициент оптического пропускания будет относиться к тому ее участку, который доступен человеческому глазу.

Формула коэффициента

Теперь читатель уже достаточно подготовлен, чтобы увидеть и понять формулу, которая определяет пропускание вещества. Она выглядит так: Т=Ф/Ф₀.

Итак, коэффициент пропускания Т – это соотношение потока излучения определенной длины волны, который прошел сквозь тело (Ф) к первоначальному потоку излучения (Ф₀).

Величина Т не имеет размерности, так как обозначается как деление друг на друга одинаковых понятий. Тем не менее, этот коэффициент не лишен физического смысла. Он показывает, какую долю электромагнитного излучения данное вещество пропускает.

«Поток излучения»

Это не просто словосочетание, а конкретный термин. Поток излучения – это мощность, которую электромагнитное излучение проносит сквозь единицу поверхности. Более подробно данная величина вычисляется как энергия, которую перемещает излучение сквозь единичную площадь за единичное время. Под площадью чаще всего подразумевается квадратный метр, а под временем – секунды. Но в зависимости от конкретной задачи эти условия можно и поменять. Например, для красного гиганта, который в тысячу раз больше нашего Солнца, можно смело применять квадратные километры. А для крошечного светлячка – квадратные миллиметры.

Конечно, для того чтобы иметь возможность сравнивать, и были введены единые системы измерения. Но любую величину можно к ним привести, если, конечно, не напутать с количеством нулей.

Связанной с этими понятиями также является величина коэффициента направленного пропускания. Она определяет, сколько и какого света проходит сквозь стекло. Это понятие не найти в учебниках по физике. Оно скрыто в технических условиях и правилах производителей окон.

Закон сохранения энергии

Этот закон – причина, по которой невозможно существование вечного двигателя и философского камня. Зато существуют водяная и ветряная мельницы. Закон гласит, что энергия не берется ниоткуда и не растворяется без следа. Свет, падающий на препятствие, не является исключением. Из физического смысла коэффициента пропускания не следует, что раз часть света не прошла сквозь материал, то она испарилась. На самом деле падающий пучок равен сумме поглощенного, рассеянного, отраженного и прошедшего света. Таким образом, сумма этих коэффициентов для данного вещества должна равняться единице.

Вообще, закон сохранения энергии можно применять ко всем сферам физики. В школьных задачах часто бывает, что веревка не растягивается, штырь не нагревается, а трение в системе отсутствует. Но в реальности такое невозможно. Кроме того, всегда стоит помнить, что люди знают не все. Например, при бета-распаде была потеряна какая-то часть энергии. Ученые не понимали, куда она девается. Сам Нильс Бор высказывал предположения, что на этом уровне закон сохранения может не соблюдаться.

Но потом была открыта очень маленькая и хитрая элементарная частица – лептон нейтрино. И все встало на свои места. Так что если читателю при решении какой-то задачи непонятно, куда девается энергия, то надо помнить: иногда ответ просто неизвестен.

Применение законов пропускания и преломления света

Чуть выше мы говорили, что все эти коэффициенты зависят от того, какое вещество встает на пути пучка электромагнитного излучения. Но этот факт можно использовать и в обратную сторону. Снятие спектра пропускания – один из наиболее простых и действенных способов узнать свойства вещества. Чем же этот метод так хорош?

Он отличается меньшей точностью, чем другие оптические способы. Гораздо больше можно узнать, если заставить вещество испускать свет. Но в этом-то и состоит главное преимущество метода оптического пропускания – никого не надо ни к чему принуждать. Вещество не требуется нагревать, сжигать или облучать лазером. Сложные системы оптических линз и призм не потребуются, так как пучок света проходит прямо сквозь изучаемый образец.

Кроме того, этот метод относится к неинвазивным и неразрушающим. Образец остается в прежнем виде и состоянии. Это бывает важным, когда вещества мало, или когда оно уникально. Мы уверены, что кольцо Тутанхамона не стоит сжигать, чтобы узнать точнее состав эмали на нем.