Sursă de lumină

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 1 aprilie 2021; verificarea necesită 1 editare .

Sursă de lumină - orice obiect care emite energie electromagnetică în regiunea vizibilă a spectrului [1] . Prin natura lor, ele sunt împărțite în artificiale și naturale .

Conform principiului Huygens-Fresnel, conform mecanismului de propagare a undelor, sursele de lumină sunt împărțite în primare (artificiale și naturale) și secundare (reflectate).

În fizică, ele sunt idealizate prin modele de surse de lumină punctiforme și continue .

Apariția luminii

Este bine cunoscut faptul că, atunci când sunt încălzite la anumite temperaturi, substanțele încep să emită lumină: fie că este vorba despre un păr de tungsten dintr- un bec electric sau corpul nostru ceresc , a cărui temperatură la suprafață este de aproximativ șase mii de grade Celsius [2] .

Oamenii de știință au descoperit că energia atomilor este discretă și se modifică în anumite salturi caracteristice fiecărui atom. Aceste valori posibile stabilite ale energiilor atomilor se numesc niveluri energetice sau cuantice . Electronii, aflându-se la unul dintre nivelurile de energie superioare, trec spontan către cei inferioare după un interval de timp de aproximativ 10 -8 secunde. În acest caz, o tranziție spontană de la o stare inferioară la oricare alta este imposibilă. Acest nivel se numește de bază , în timp ce restul se numește excitat . În condiții normale, toți atomii sunt în stările lor energetice de bază. Pentru a excita un atom, trebuie să i se acorde ceva energie, iar pentru fiecare atom există o anumită porțiune cea mai mică de energie care se transferă de la starea fundamentală la una excitată (pentru hidrogen, această valoare este de 10,1 eV - aceasta este distanța dintre primul și al doilea nivel de energie).

În timpul tranziției de la stările superioare la cele inferioare, este emisă o parte de energie - un foton . Conform formulei lui Planck , energia emisă se calculează după cum urmează:

E=h \nu_{nm}

unde h este constanta lui Planck și ν nm este frecvența fotonului în timpul tranziției de la nivelul n la nivelul m (n>m), care poate fi calculată în funcție de energiile acestor niveluri: $\nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}$

Pe măsură ce temperatura corpului crește, radiația este completată de frecvențe din ce în ce mai mari. Astfel, radiația unui corp încălzit la câteva mii de grade va reprezenta un spectru continuu : de la infraroșu la ultraviolet .

Intensitatea luminii

Orice sursă de lumină este caracterizată prin intensitatea sa - valoarea medie în timp a vectorului Poynting :

I=\langle |{\vec {S}}|\rangle =\langle |[{\vec {E}}\times {\vec {H}}]|\rangle

Astfel, intensitatea este proporțională cu pătratul amplitudinii oscilațiilor câmpului electromagnetic :

$I \sim E_0^2 \sim B_0^2$

Prin valoarea intensității câmpului electric, aceasta poate fi exprimată astfel:

I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2}

unde este constanta dielectrică , este constanta electrodinamică ( viteza luminii în vid), este indicele de refracție al mediului, este permeabilitatea magnetică a substanței, este constanta dielectrică a substanței. $\varepsilon_{0}$ $c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$ $\sqrt{\varepsilon \mu}$ $\mu$ $\varepsilon$

Folosind conceptul de valoare medie în timp a vectorului Poynting , se înțelege de obicei că medierea este efectuată fie pe o perioadă infinită de timp, fie pe un interval care depășește semnificativ timpul caracteristic de modificare a intensității câmpului electric . Totuși, la înregistrarea intensității, timpul de mediere este determinat de timpul de integrare al fotodetectorului, iar pentru dispozitivele care funcționează în modul de acumulare a semnalului (aparate foto, film etc.), de timpul de expunere. Prin urmare, receptoarele de radiații din domeniul optic răspund la valoarea medie a fluxului de energie doar într-un anumit interval. Adică, semnalul de la fotodetector este proporțional cu:

${\frac {\mathrm {c} {4\pi }}\langle E^{2}\rangle _{\tau }$

Deoarece în majoritatea cazurilor de optică fizică, de exemplu, în problemele legate de interferența și difracția luminii, poziția spațială a maximelor și minimelor și intensitatea lor relativă sunt investigate în principal, factorii constanți care nu depind de coordonatele spațiale nu sunt adesea luat in considerare. Din acest motiv, se presupune adesea:

$\mathbf {} I=\langle E^{2}\rangle _{\tau )$

Simularea surselor de lumină în spații virtuale

În aplicațiile de grafică pe computer în timp real , cum ar fi jocurile pe computer , există trei tipuri principale de surse de lumină [3] :

Surse de lumină punctiforme
Surse de lumină (direcționale) la infinit
Proiectoare

Ei descriu doar aproximativ omologii lor din lumea fizică, cu toate acestea, în combinație cu modele de umbrire de înaltă calitate , cum ar fi umbrirea Phong , vă permit să creați imagini destul de realiste.

Note

↑ Fotokinotehnică, 1981 , p. 109.
↑ G.S. Landsberg. Manual elementar de fizică. Volumul 3. Oscilații și unde. Optica. Fizica atomică și nucleară. - Ed. a XII-a - M . : Fizmatlit, 2001. - 656 p. — ISBN 5-9221-0138-2 .
↑ D. Rogers. Fundamente algoritmice ale graficii pe computer = Elemente procedurale pentru grafica pe computer. - per. din engleză.- M . : Mir, 1989. - ISBN 5-03-000476-9 , 0-07-053534-5 (engleză) .

Literatură