Монохроматическое излучение

Монохроматическое излучение является физической моделью, используемой для описания реального излучения. Согласно классической теории электромагнитного излучения, основанной на уравнениях Максвелла, любая электромагнитная волна представляет собой гармоническое колебание, обладающее собственными амплитудой, частотой и фазой, неизменными во времени и пространстве. Однако в природе непрерывных источников такого излучения не существует. Поэтому, строго говоря, идеальное монохроматическое излучение в природе не встречается^[3].

Естественное излучение (например, солнечное) в теории рассматривается как совокупность большого числа элементарных электромагнитных монохроматических волн, каждая из которых обладает случайными амплитудами, частотами, фазами и поляризацией, а также направленностью. В то же время разложить солнечное излучение на идеальные монохроматические составляющие невозможно. В знаменитом эксперименте Исаак Ньютон разложил солнечный свет при помощи призмы на составляющие, но и они не являлись строго монохроматическими излучениями. Фактически в терминологии монохроматических свойств света Исаак Ньютон разложил белый (солнечный) спектр на набор составляющих его компонент с более узкими частотными интервалами (см. Дисперсия света). Эти компоненты обладали лишь большей монохроматичностью, чем исходный солнечный свет, но не являлись идеальными монохроматическими волнами^[4] (см. рисунок).

${\displaystyle \mathrm {N} \!\!\mathrm {B} !}$ Физической причиной недостижимости идеальной монохроматичности излучения является отсутствие источников, непрерывно генерирующих такие излучения.

В природе наиболее близкими к монохроматическому излучению являются линии спектров испускания свободных атомов. В спектрах излучения эти линии очень узки вследствие того, что являются результатом испускания фотона (в терминологии волновой природы света — элементарной волны) определённой энергии, соответствующей разности энергий возбуждённого и невозбуждённого состояний атома. Теоретически в этом случае частота такого излучения равнялась бы разности энергий, делённой на постоянную Планка^[5]:

${\displaystyle \nu _{mn}={\frac {(\mathrm {E} _{m}-\mathrm {E} _{n})}{h}}}$,

где ${\displaystyle \nu _{mn}}$ — частота испускаемого фотона (элементарной волны), ${\displaystyle \mathrm {E} _{m}}$ — энергия возбуждённого атома, ${\displaystyle \mathrm {E} _{n}}$ — энергия атома в основном состоянии, ${\displaystyle h}$ — постоянная Планка.

Однако в данной системе действуют законы квантовой механики, согласно которой время жизни и энергия квантового состояния связаны соотношением неопределённостей:

${\displaystyle \Delta \mathrm {E} \cdot \Delta t=h}$.

Это означает, что, поскольку атом находится в возбуждённом состоянии очень короткое (~ ${\displaystyle 10^{-8}}$ с), но конечное время, получим:

${\displaystyle \Delta \nu _{mn}={\frac {1}{h}}}$.

Ясно, что в данном случае атом будет излучать набор частот, близких к ${\displaystyle \nu _{mn}}$, а не одну, выделенную частоту. Такую волну можно считать монохроматической только в некотором приближении.

Для выделения узких областей спектра излучения используются специальные приборы, называемые монохроматорами. Степенью монохроматичности выделенного монохроматором участка спектра излучения называют величину ${\displaystyle k}$, равную отношению интервала частот ${\displaystyle \Delta \nu }$ к средней частоте ${\displaystyle \nu _{0}}$ данного интервала. Схема монохроматора на базе дифракционной решётки показана на рисунке.

Монохроматор на базе дифракционной решётки

Излучение искусственных источников света — лазеров — обладает самой высокой степенью монохроматичности, достигающей величины ${\displaystyle k\thicksim 10^{-12}}$.

На практике используют несколько способов получения монохроматического излучения^[6][7]:

• призматические системы для выделения потока излучения с заданной степенью монохроматичности^[8];
• системы на основе дифракционной решётки (Черни — Тёрнера, Фасти — Эберта)^[8];
• лазеры, излучение которых не только высокомонохроматично, но и когерентно^[9];
• газоразрядные лампы и другие источники света, в которых происходит преимущественно один электронный переход (например, натриевая лампа, в излучении которой преобладает наиболее яркая линия D или ртутная лампа). Газоразрядные лампы часто используют в сочетании со светофильтрами, выделяющими из линейчатого спектра лампы нужную линию.