Курс физики для вузов - часть 78

Единица энергетической силы света —

ватт на стерадиан

Энергетическим яркость {лучис-

тость)

 — величина, равная отноше-

нию энергетической силы света
элемента излучающей поверхности к
площади AS проекции этого элемента
на плоскость, перпендикулярную на-
правлению наблюдения:

Единица энергетической яркости —

ватт на стерадиан-метр в квадра-
те

 м

2

)].

Энергетическая освещенность

(облученность)

 характеризует ве-

личину потока излучения, падающего
на единицу освещаемой поверхности.

Единица энергетической освещенности

совпадает с единицей энергетической
светимости (Вт/м

2

).

2. Световые величины. При опти-

ческих измерениях используются раз-
личные приемники излучения (напри-

мер, глаз, фотоэлементы, фотоумножи-
тели), которые не обладают одинаковой
чувствительностью к энергии различ-
ных длин волн, являясь, таким образом,

селективными (избирательными).

Каждый приемник излучения характе-

ризуется своей кривой чувствительно-
сти к свету различных длин волн. По-

этому световые измерения, являясь
субъективными, отличаются от объек-

 энергетических и для них вво-

дятся световые единицы, используемые

только для видимого света.

Основной световой единицей в СИ

является единица силы света — кандела

(кд), определение которой дано выше

(см. Введение). Определение световых

единиц аналогично энергетическим.

Световой поток

 определяется

как мощность оптического излучения
по вызываемому им световому ощуще-

 (по его действию на селективный

приемник света с заданной спектраль-
ной чувствительностью).

Единица светового потока — люмен

(лм): 1

 — световой поток, испускае-

мый точечным источником силой све-

та в 1 кд внутри телесного угла в 1

(при равномерности поля излучения

внутри телесного угла) (1 лм = 1 кд • ср).

Светимость R определяется соот-

ношением

Единица светимости — люмен на

метр в квадрате (лм/м

2

).

Яркость

 светящейся поверхнос-

ти в некотором направлении  есть ве-
личина, равная отношению силы света

/в этом направлении к площади S про-
екции светящейся поверхности на плос-
кость, перпендикулярную данному на-
правлению:

Единица яркости — кандела на

метр в квадрате (кд/м

2

).

Освещенность Е — величина, рав-

ная отношению светового потока Ф, па-

дающего на поверхность, к площади S

этой поверхности:

Единица

 — люкс (лк):

1 лк — освещенность поверхности, на
1 м

2

 которой падает световой поток в

1 лм (1 лк  1 лм/м

2

).

§ 169. Элементы

электронной оптики

Область физики и техники, в кото-

рой изучаются вопросы формирования,

311

фокусировки и отклонения пучков за-
ряженных частиц и получения с их по-
мощью изображений под действием
электрических и магнитных полей в
вакууме, называется электронной оп-
тикой. Комбинируя различные элект-
ронно-оптические элементы — элект-
ронные линзы, зеркала, призмы — со-
здают электронно-оптические приборы,
например электронно-лучевую трубку,
электронный микроскоп, электронно-

1. Электронные линзы представля-

ют собой устройства, с помощью элек-
трических и магнитных полей которых
формируются и фокусируются пучки
заряженных частиц. Существуют элек-
тростатические и магнитные линзы.

В

 электростатической

линзы может быть использовано элек-

трическое поле с вогнутыми и выпук-
лыми эквипотенциальными поверхно-
стями, например в системах металличе-
ских электродов и диафрагм, обладаю-
щих осевой симметрией. На рис. 243
изображена простейшая собирающая
электростатическая линза, где А — точ-

ка предмета, В — ее изображение, пун-
ктиром показаны линии напряженнос-
ти

Магнитная линза обычно пред-

ставляет собой соленоид с сильным
магнитным полем, коаксиальным пуч-
ку электронов. Чтобы магнитное поле
сконцентрировать на оси симметрии,
соленоид помещают в железный кожух
с узким внутренним кольцевым разре-
зом.

Если расходящийся пучок заряженных

частиц попадает в однородное магнитное

поле, направленное вдоль оси пучка, то ско-

рость каждой частицы можно разложить на

два компонента: поперечный и продольный.

Первый из них определяет равномерное

движение по окружности в плоскости, пер-

пендикулярной направлению поля (см.

§

 второй — равномерное прямолиней-

ное движение вдоль поля. Результирующее

движение частицы будет происходить по

спирали, ось которой совпадает с направле-

нием поля. Для электронов, испускаемых

под различными углами, нормальные со-

ставляющие скоростей будут различны, т. е.

будут различны и радиусы описываемых

ими спиралей. Однако отношение нормаль-

ных составляющих скорости к радиусам

спиралей за период вращения (см. § 115)

будет для всех электронов одинаково; сле-

довательно, через один оборот все электро-

ны сфокусируются в одной и той же точке

на оси магнитной линзы.

«Преломление» электростатических

и магнитных линз зависит от их фокус-
ных расстояний, которые определяют-
ся устройством линзы, скоростью элек-
тронов, разностью потенциалов, прило-
женной к электродам (электростатичес-
кая линза), и индукцией магнитного

поля (магнитная линза). Изменяя раз-
ность потенциалов или регулируя ток
в катушке, можно изменить фокусное
расстояние линз. Стигматическое изоб-
ражение предметов в электронных лин-
зах получается только для параксиаль-
ных электронных пучков.

Как и в оптических системах (см.

§ 167), в электронно-оптических эле-
ментах также имеют место погрешнос-
ти: сферическая аберрация, кома, дис-
торсия, астигматизм. При разбросе ско-
ростей электронов в пучке наблюдает-
ся также и хроматическая аберрация.
Аберрации ухудшают разрешающую
способность и качество изображения, а
поэтому в каждом конкретном случае
необходимо их устранять.

312

2. Электронные микроскопы — ус-

тройства, предназначенные для полу-
чения изображения микрообъектов; в

них в отличие от оптических микро-
скопов вместо световых лучей исполь-
зуют ускоренные до больших энергий

(30 — 100

 и более) в условиях глу-

бокого вакуума (примерно 0,1 мПа)
электронные пучки, а вместо обычных
линз — электронные линзы. В элект-
ронных микроскопах предметы рас-
сматриваются либо в проходящем, либо
в отраженном потоке электронов, по-
этому различают просвечивающие и
отражательные электронные мик-

роскопы.

 рис. 244 приведена принципиаль-

ная схема просвечивающего электрон-
ного микроскопа. Электронный пучок,
формируемый электронной пушкой 1,
попадает в область действия

 линзы 2, которая фокусирует на

объекте 3 электронный пучок необхо-
димого сечения и интенсивности. Прой-
дя объект и испытав в

 отклонения,

электроны проходят вторую магнитную
линзу — объектив 4 —  собираются ею
в промежуточное изображение 5. Затем
с помощью проекционной линзы 6 на
флуоресцирующем экране достигается
окончательное изображение 7.

Разрешающая способность элект-

ронного микроскопа ограничивается, с
одной стороны, волновыми свойствами

(дифракцией) электронов, с другой —
аберрациями электронных линз. Соглас-

но теории, разрешающая способность
микроскопа пропорциональна длине
волны, а так как длина волны применя-
емых электронных пучков (примерно

1 пм) в тысячи раз меньше длины вол-

ны световых лучей, то разрешение элек-

тронных микроскопов соответственно
больше и составляет 0,01 — 0,0001 мкм
(для оптических микроскопов прибли-
зительно равно 0,2 — 0,3 мкм).

 244

С помощью электронных микроско-

пов можно добиться значительно боль-
ших увеличений (до

 раз), что позво-

ляет наблюдать

 структур разме-

рами 0,1

3. Электронно-оптические преоб-

разователи — это устройства, предназ-
наченные для усиления яркости свето-
вого изображения и преобразования не-
видимого глазом изображения объекта

(например, в инфракрасных или ульт-

рафиолетовых лучах) в видимое. Схема
простейшего электронно-оптического

преобразователя приведена на рис. 245.
Изображение предмета

 помощью

оптической линзы 1 проецируется на
фотокатод 2. Излучение от объекта вы-
зывает с поверхности фотокатода фото-

 245

313

электронную эмиссию, пропорциональ-
ную распределению яркости спроеци-

рованного

 него изображения. Фото-

электроны, ускоренные электрическим
полем (3 — ускоряющий электрод), фо-
кусируются с помощью электронной
линзы 4 на флуоресцирующий экран 5,
где электронное изображение преобра-
зуется в световое (получается оконча-
тельное изображение

 Электронная

часть преобразователя находится в вы-
соковакуумном сосуде 6.

Из оптики известно, что всякое уве-

личение изображения связано с умень-

шением его освещенности. Достоин-
ство электронно-оптических преобра-
зователей заключается в том, что в них
можно получить увеличенное изобра-

жение

 даже большей освещенности,

чем сам предмет А, так как освещен-

ность определяется энергией электро-
нов, создающих изображение на флуо-
ресцирующем экране. Разрешающая
способность каскадных (нескольких
последовательно соединенных) элект-
ронно-оптических преобразователей
составляет 25 — 60 штрихов на 1 мм.

Коэффициент преобразования — отно-
шение излучаемого экраном светового
потока к потоку, падающему от объек-

та на фотокатод, — у каскадных элект-
ронно-оптических преобразователей
достигает

 Недостаток этих прибо-

ров — малая разрешающая способность
и довольно высокий темновой фон,
влияет на качество изображения.

Контрольные вопросы

Может ли возникнуть явление полного отражения, если свет проходит из воды в стек-

ло?

Сформулируйте и поясните основные законы оптики.

В чем заключается физический смысл абсолютного показателя преломления среды? Что

такое относительный показатель преломления?

При каком условии наблюдается полное отражение?

В чем заключается принцип работы световодов?

Поясните, что вы понимаете под световым лучом?

Что такое линза? Какие они бывают?

В чем заключается принцип Ферма?

Выведите формулу тонкой линзы.

Что такое фокусное расстояние линзы? оптическая сила линзы? фокальная плоскость

Как осуществляется построение изображения предметов в линзах?

Какова основная световая единица в СИ? Дайте ее определение.

Что представляют собой электронные линзы? магнитные линзы?

Чем отличаются энергетические и световые величины в фотометрии? Какие они бывают?

Почему разрешающая способность электронных микроскопов гораздо

 чем обыч-

ных?

Можно ли в электронно-оптических преобразователях получить увеличенное изобра-

жение большей освещенности, чем предмет? Почему?

ЗАДАЧИ

21.1. На плоскопараллельную стеклянную пластинку

 — 1,5) толщиной 6 см падает

под углом 35° луч света. Определите боковое смещение луча, прошедшего сквозь эту плас-

тинку. [1,41 см]

314