Источники видимого света
Примерно половина солнечной энергии падает на видимую часть спектра, включающую волны длиной от 380 до 750 нм. В силу этого, а также потому, что интенсивность солнечного излучения по сравнению со слабыми искусственными источниками света весьма велика, Солнце является наиболее важным источником света, и не удивительно, что многие биологические процессы на Земле либо полностью зависят, либо испытывают влияние энергии этого участка спектра.
Рис. 1. Спектр солнечного излучения вне атмосферы
Два максимума в спектре поглощения хлорофилла лежат около обеих границ видимой части спектра, а максимум чувствительности большинства зрительных систем, включая глаз человека, почти совпадает с максимумом спектра солнечного излучения.
Как можно видеть на рис. 1, спектр излучения Солнца в видимом диапазоне практически непрерывный, за исключением некоторых провалов, обусловленных поглощением элементами внешних слоев вещества Солнца, и примерно соответствует распределению энергии в видимой части спектра абсолютно черного тела. Искусственные источники видимого света во все времена конструировались таким образом, чтобы их излучение по спектральному распределению, а значит и цвету, было близко к солнечному свету. В длинном перечне источников света, созданных человеком, от пламени до нити накаливания, флуоресцентных ламп и до наиболее современных электролюминесцентных устройств, главной задачей было восполнить или заменить солнечную энергию светом, который обеспечивал бы нормальное зрительное восприятие. Только во вторую очередь и совсем недавно были приложены значительные усилия для конструирования искусственных источников света и для других целей, таких, как выращивание растений.
Наиболее распространенный искусственный источник света — лампа накаливания. В простейшем случае лампа накаливания состоит из стеклянной оболочки, наполненной инертным газом или содержащей лишь небольшое количество воздуха, оставшегося после его откачки, и нити вольфрама круглого или плоского сечения, которая нагревается путем пропускания электрического тока.
Рис. 2. Спектральное распределение энергии излучения вольфрама в видимой области спектра при различных рабочих температурах
Распределение энергии в видимом спектре такой лампы зависит от температуры, как это показано на рис. 2. С точки зрения зрительной эффективности предпочтительна высокая температура накаливания, однако это приводит к сокращению срока службы лампы. Недавно разработаны вольфрамово-галогеновые лампы, в которых нить металла накаливается до высокой температуры в атмосфере паров брома или йода: при этом испаряющиеся с поверхности нити частицы металла вновь осаждаются на нити, а не оседают на стенках баллона, как в обычных лампах. Вольфрамово-галогеновые лампы представляют собой значительный шаг вперед в отношении увеличения зрительной эффективности. Некоторые вольфрамовые лампы, однако, излучают значительную долю энергии в ближней инфракрасной области. Поэтому в ряде случаев выделяемое ими тепло затрудняет их применение. Более того, если основная цель устройства заключается в генерации видимого света, то лампы накаливания, очевидно, не могут быть эффективными источниками. В основном по этим причинам и были разработаны другие способы превращения электрической энергии в световую.
Флуоресцентные лампы обычно представляют собой электрическую дугу в парах ртути с низким давлением, заключенную в трубку, стенки которой покрыты люминофором, флуоресцирующим под действием ультрафиолетового излучения ртутного спектра. Эти лампы по сравнению с вольфрамовыми более эффективны и слабо излучают инфракрасные лучи. Так, например, обычная 40-ваттная лампа накаливания с вольфрамовой нитью создает световой поток 465 люменов, тогда как 40-ваттная флуоресцентная лампа — 2600 люменов. К тому же соответствующим подбором люминофоров можно менять спектральное распределение энергии флуоресцентных ламп в широком диапазоне. Например, разработаны лампы, обеспечивающие максимум энергии в тех участках спектра, которые наиболее важны для фотосинтеза, а также сконструированы лампы дневного света. Сейчас имеется большое число различных типов флуоресцентных ламп; их характеристики можно найти в ряде руководств по светотехнике. Срок службы флуоресцентных ламп во много раз больше, чем их родственниц — ламп накаливания (примерно в отношении 7,5:1 для двух упомянутых выше типов ламп).
К другим источникам видимого света относятся открытые электрические дуги, закрытые электрические дуги, электролюминесцентные панели, фотоэмиссионные диоды и ряд других менее важных источников, таких, как люминофоры и хемилюминесцентные жидкие смеси. Ксеноновая дуга, особенно ее короткодуговой вариант, является высокоэффективным источником со спектральным распределением энергии, близким к таковому у дневного света. Электрическая дуга в парах натрия имеет очень высокую световую отдачу, но ее излучение в видимой области сосредоточено на длине волн 5890 А. Когда необходимы миниатюрные источники света (0,127—2,79 мм), удобно использовать высокоинтенсивные дуговые лампы, в которых отрицательный электрод изготовляется из окиси циркония. Открытые электрические дуги (обычно между угольными электродами) не представляют особого интереса в плане использования их в космосе. Источники с низкой интенсивностью излучения, такие, как фотодиоды и электролюминесцентные устройства, находят применение главным образом при конструировании дисплеев и в определенных случаях, когда не требуется белый свет высокой интенсивности, так как они зачастую характеризуются несколько необычными спектрами излучения. Импульсные лампы, обычно наполненные ксеноном, важны для визуальной сигнализации, для оптической «накачки» лазеров и везде, где требуются короткие вспышки видимого света высокой интенсивности.
По-видимому, лампы накаливания и флуоресцентные лампы и впредь останутся наиболее важными источниками видимого света, особенно для целей обычного освещения, необходимого для фотобиотической и психофизиологической деятельности. Лазеры, хотя и находят полезное биологическое и медицинское применение в лаборатории и клинике, только теперь начинают рассматриваться как инструмент медико-биологического профиля, который может использоваться на космическом корабле. Специфические свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность, малый угол расхождения и когерентность, а также большая плотность энергии — делают лазеры исключительно заманчивыми для более широкого использования в фотобиологических исследованиях.
Скачать реферат:
Пароль на архив: Privetstudent.com