Источник света — любой объект, излучающий электромагнитную энергию в видимой области спектра . По своей природе подразделяются на искусственные и естественные .

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля источники света по механизму распространения волны подразделяются на первичные (искусственные и естественные) и вторичные (отраженные).

В физике идеализированы моделями точечных и источников света.

Возникновение света

Хорошо известно, что при нагревании до определённых температур вещества начинают излучать свет: будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или наше небесное светило , температура на поверхности которого составляет около шести тысяч градусов Цельсия .

Учёными было установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и изменяется определёнными скачками, свойственными для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней . Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10 ⁻⁸ секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным , в то время, как остальные — возбуждёнными . В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии — фотон . Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

${\displaystyle E=h\nu _{nm}}$ ,

где h — постоянная Планка , а ν _nm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней: ${\displaystyle \nu _{nm}={\frac {E_{n}-E_{m}}{h}}}$

С ростом температуры тела излучение дополняется всё более высокими частотами. Таким образом, излучение тела, нагретого до нескольких тысяч градусов, будет представлять сплошной спектр : от инфракрасного до ультрафиолетового .

Интенсивность света

Любой источник света характеризуется своей интенсивностью — средним по времени значением величины вектора Пойнтинга :

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

Таким образом, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электромагнитного поля :

${\displaystyle I\sim E_{0}^{2}\sim B_{0}^{2}}$

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

${\displaystyle I={\frac {\varepsilon _{0}c{\sqrt {\varepsilon \mu }}E_{0}^{2}}{2}}}$ ,

где ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ — диэлектрическая постоянная , ${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}$ — электродинамическая постоянная ( скорость света в вакууме), ${\displaystyle {\sqrt {\varepsilon \mu }}}$ — показатель преломления среды, ${\displaystyle \mu }$ — магнитная проницаемость вещества, ${\displaystyle \varepsilon }$ — диэлектрическая проницаемость вещества.

Оперируя понятием среднего по времени значения величины вектора Пойнтинга , обычно подразумевают, что усреднение проводится либо по бесконечному промежутку времени, либо по интервалу существенно превышающему характерное время изменения напряжённости электрического поля . Однако, при регистрации интенсивности время усреднения определяется временем интегрирования фотоприемника, а для устройств, работающих в режиме накопления сигнала (фотокамеры, фотоплёнка и т. п.), временем экспозиции. Поэтому приемники излучения оптического диапазона реагируют на среднее значение потока энергии лишь в некотором интервале. То есть сигнал с фотоприемника пропорционален:

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

Так как в большинстве случаев физической оптики, например в задачах связанных с интерференцией и дифракцией света, исследуется в основном пространственное положение максимумов и минимумов и их относительная интенсивность, постоянные множители, не зависящие от пространственных координат, часто не учитываются. По этой причине часто полагают:

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

Моделирование источников света в виртуальных пространствах

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх , выделяют три основных вида источников света :

• Точечные источники света
• Бесконечно удалённые (направленные) источники света
• Прожекторы

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными , например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.

Примечания

Литература

• Е. А. Иофис. / И. Ю. Шебалин. — М.,: «Советская энциклопедия», 1981. — С. . — 447 с.

Ссылки