Что представляет собой видимый свет. Волновая и электромагнитная теории

В 17 веке появились две теории (волновая и корпускулярная) о том, свет. Согласно первой, свет представляет собой электромагнитную волну. Это было подтверждено системой уравнений Максвелла, составленной в 19 веке. Она очень хорошо описывала электрические и магнитные поля. До сих пор никто не смог доказать, что теория Максвелла неверна.

В 20 веке обнаружились некоторые явления, идущие вразрез с волновыми представлениями в свете. В их число входит фотоэффект - выбивание электронов из вещества падающим светом. Согласно волновой теории, это явление должно иметь значительную задержку: световая волна должна передать значительное количество энергии электрону, чтобы он вылетел из вещества. Однако опыты показали, что задержка практически отсутствует. Была создана новая теория, утверждающая, что свет - частиц (корпускулов). Таким образом был показан корпускулярно-волновой дуализм света.

Волновые свойства света

К явлениям, подтверждающим, что свет - электромагнитная волна, относится интерференция, дифракция и другие. Они часто используются в различных научных исследованиях.

Интерференция - это наложение двух волн, приводящее к увеличению или уменьшению интенсивности излучения. В результате получается интерференционная картина: чередование максимумов и минимумов, причем максимумы обладают интенсивностью излучения, в 4 раза превышающей интенсивность источника. Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы источники были (т.е. обладали одинаковой частотой излучения и постоянной разностью фаз).

Корпускулярные свойства света

Свет проявляет свои корпускулярные свойства при фотоэффекте. Это явление было открыто немецким физиком Г. Герцем и экспериментально исследовано русским ученым А.Г. Столетовым. Он получил некоторые интересные данные. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов зависит только от частоты падающего излучения. Это противоречит представлениям классической физики.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота, при которой этой явление еще наблюдается. Таким образом, фотоэффект может иметь место даже при падающем излучении низкой энергии (главное, чтобы частота была подходящей). Интересным открытием стало и то, что количество электронов, вылетевших с поверхности вещества в единицу времени, зависит только от интенсивность излучения (прямая зависимость).

Общие определения

С точки зрения оптики, свет - это электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом человека. За единицу изменения принято брать участок в вакууме 750 ТГц. Это коротковолновая граница спектра. Ее длина равна 400 нм. Что касается границы широких волн, то за единицу измерения берется участок в 760 нм, то есть 390 ТГц.

В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет - это видимое Также волны могут быть и инфракрасными.

С точки зрения онтологии, свет - это начало бытия. Об этом твердят и философы, и религиоведы. В географии этим термином принято называть отдельные области планеты. Сам по себе свет - это понятие социальное. Тем не менее в науке оно имеет конкретные свойства, черты и законы.

Природа и источники света

Электромагнитное излучение создается в процессе взаимодействия заряженных частиц. Оптимальным условием для этого будет тепло, которое имеет непрерывный спектр. Максимум излучения зависит от температуры источника. Отличным примером процесса является Солнце. Его излучение близко к аналогичным показателям абсолютно черного тела. Природа света на Солнце обуславливается температурой нагревания до 6000 К. При этом около 40% излучения находится в пределах видимости. Максимум спектра по мощности располагается вблизи 550 нм.

Источниками света также могут быть:

1. Электронные оболочки молекул и атомов во время перехода с одного уровня на другой. Такие процессы позволяют достичь линейный спектр. Примером могут служить светодиоды и газоразрядные лампы.
2. которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
3. Процессы торможения фотонов. В результате образуется синхро- или циклотронное излучение.

Природа света может быть связана и с люминесценцией. Это касается и искусственных источников, и органических. Пример: хемилюминесценция, сцинтилляция, фосфоресценция и др.

В свою очередь, источники света разделяются на группы относительно температурных показателей: А, В, С, D65. Самый сложный спектр наблюдается у абсолютно черного тела.

Характеристики света

Человеческий глаз субъективно воспринимает электромагнитное излучение как цвет. Так, свет может отдавать белыми, желтыми, красными, зелеными переливами. Это лишь зрительное ощущение, которое связано с частотой излучения, будь оно по составу спектральным или монохроматическим. Доказано, что фотоны способны распространяться даже в вакууме. При отсутствии вещества скорость потока равняется 300.000 км/с. Это открытие было сделано еще в начале 1970-х годов.

На границе сред поток света испытывает либо отражение, либо преломление. Во время распространения он рассеивается через вещество. Можно сказать, что оптические показатели среды характеризуются значением преломления, равным отношению скоростей в вакууме и поглощения. В изотропных веществам распространение потока не зависит от направления. Здесь представлен скалярной величиной, определяющейся координатами и временем. В анизотропной среде фотоны проявляется в виде тензора.

Кроме того, свет бывает поляризованным и нет. В первом случае главной величиной определения будет вектор волны. Если же поток не поляризован, то он состоит из набора частиц, направленных в случайные стороны.

Важнейшей характеристикой света является и его интенсивность. Она определяется такими фотометрическими величинами, как мощность и энергия.

Основные свойства света

Фотоны могут не только взаимодействовать между собой, но и иметь направление. В результате соприкосновения с посторонней средой поток испытывает отражение и преломление. Это два основополагающих свойства света. С отражением все более-менее ясно: оно зависит от плотности материи и угла падения лучей. Однако с преломлением дело обстоит куда сложнее.

Для начала можно рассмотреть простой пример: если опустить соломинку в воду, то со стороны она покажется изогнутой и укороченной. Это и есть преломление света, которое наступает на границе жидкой среды и воздуха. Этот процесс определяется направлением распределения лучей во время прохождения через границу материи.

Когда поток света касается границы между средами, длина его волны существенно изменяется. Тем не менее частота распространения остается прежней. Если луч не ортогональный по отношению к границе, то изменению подвергнется и длина волны, и ее направление.

Искусственное часто используется в исследовательских целях (микроскопы, линзы, лупы). Также к таковым источникам изменения характеристик волны относятся очки.

Классификация света

В настоящее время различают искусственный и естественный свет. Каждый из этих видов определяется характерным источником излучения.

Естественный свет представляет собой набор заряженных частиц с хаотичным и быстро изменяющимся направлением. Такое электромагнитное поле обуславливается переменным колебанием напряженностей. К естественным источникам относятся раскаленные тела, солнце, поляризованные газы.

Искусственный свет бывает следующих видов:

1. Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
2. Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
3. Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
4. Аварийный. Он крайне полезен при отключениях света. Питание производится чаще всего от аккумуляторов.

Солнечный свет

На сегодняшний день это главный источник энергии на Земле. Не будет преувеличением сказать, что солнечный свет воздействует на все важные материи. Это количественная постоянная, которая определяет энергию.

В верхних слоях земной атмосферы содержится около 50% излучения инфракрасного и 10% ультрафиолетового. Поэтому количественная составляющая видимого света равна всего 40%.

Солнечная энергия используется в синтетических и природных процессах. Это и фотосинтез, и преобразование химических форм, и отопление, и многое другое. Благодаря солнцу человечество может пользоваться электроэнергией. В свою очередь, потоки света могут быть прямыми и рассеянными, если они проходят через облака.

Три главных закона

С древних времен ученые занимались изучением геометрической оптики. На сегодняшний день основополагающими являются следующие законы света:

Восприятие света

Окружающий мир человеку виден благодаря способности его глаз взаимодействовать с электромагнитным излучением. Свет воспринимается рецепторами сетчатки, которые могут уловить и отреагировать на спектральный диапазон заряженных частиц.

У человека есть 2 типа чувствительных клеток глаза: колбочки и палочки. Первые обуславливают механизм зрения в дневное время при высоком уровне освещения. Палочки же являются более чувствительными к излучению. Они позволяют человеку видеть в ночное время.

Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью.

Вечером ты повернул выключатель, и комната наполнилась светом. Опять повернул выключатель - стало темно. Куда же девался свет, наполнявший комнату?

Ты всегда можешь показать, где находится источник света, потому что свет от него идёт к тебе по прямой линии. Именно потому, что свет распространяется прямолинейно, всякий предмет, освещённый только с одной стороны, отбрасывает в другую сторону тень. Если бы свет мог обогнуть этот предмет, тень не получилась бы.

Когда свет встречает препятствие, хотя бы часть света отражается, попадает к нам в глаза, и мы видим предметы, которые сами не излучают света. Особенно хорошо отражает лучи гладкая поверхность, например водная гладь или изготовленное людьми зеркало.

Когда свет падает на поверхность воды, он не только отражается. Часть света проходит в воду, освещает дно и рыб, поэтому мы их видим. При этом световые лучи немного меняют своё направление, преломляются. Отражённые дном лучи, выходя из воды в воздух, тоже меняют своё направление. Поэтому ручей всегда кажется менее глубоким, а рыбы - ближе к поверхности.

Прямолинейное распространение, отражение и преломление - основные свойства света. Но они не полностью объясняют, что такое свет.

Первым, кто попытался разгадать природу света, был великий английский учёный . Он предположил, что луч света - это поток мельчайших частиц- корпускул. Однако уже в то время другой учёный - голландец Гюйгенс считал, что свет - это своеобразные , чем-то похожие на волны звука в воздухе. Но поскольку воздуха в космосе нет, последователям Гюйгенса пришлось предположить, что всё космическое пространство заполнено каким-то особым веществом - эфиром.

Корпускулярная теория Ньютона и волновая теория, начало которой положил Гюйгенс, два столетия спорили между собой.

В середине 19 в. удалось более или менее точно измерить скорость распространения света, хотя и до наших дней её величина уточняется. В пустоте скорость света - около 300 тысяч километров в секунду- самая большая из всех возможных скоростей в природе. В воздухе она почти такая же, а в воде - 3/4 скорости света в воздухе.

Всё, что было известно к этому времени о свете, как будто подтверждало правильность волновой природы света. Однако эта теория не могла существовать без выдуманного эфира. И когда точно определили, что никакого мирового эфира не существует, появилась другая теория света.

Английский учёный прошлого века Максвелл установил, что свет - это не волны, подобные звуковым, а особые, электромагнитные, способные распространяться и в полной пустоте, такие же, как волны .

Ещё лучше познали люди природу света в нашем веке в связи с успехами в изучении атома. Оказалось, что , протон, нейтрон обладают не только свойствами частиц, «кусочков» вещества, но и свойствами волн. Точно так же и свет - это не только волны, но в то же время и частицы, которые назвали фотонами. Таким образом, две враждовавшие некогда теории - корпускулярная и волновая- как бы объединились.

Когда какое-либо тело светится, это означает, что в нём рождаются фотоны. Они рождаются, когда атомные частицы сталкиваются или изменяют путь своего движения. От того, какая это частица и как изменился её путь, зависит длина волны излучения, цвет луча. Поэтому свет, его , может рассказать о веществе, которое испускает лучи. Многие наши знания о звёздах и других небесных телах получены при изучении их света, дошедшего до Земли.

Когда свет падает на какое-либо тело, он не только отражается и преломляется, но и поглощается. Это означает, что фотоны исчезают. При этом они вызывают движение атомных частиц в поглотившем их теле. Получая энергию фотонов, предмет нагревается, от одних лучей сильнее, от других почти незаметно. Таким образом, свет всё время излучается и всё время поглощается. Он не знает покоя, всегда мчится с невообразимой скоростью и переносит от вещества к веществу.

Вот теперь мы можем ответить на вопрос, с которого начали этот рассказ: куда девается свет, «наполнявший» комнату? Когда ты только зажёг лампу, комната мгновенно осветилась: скорость света слишком велика, чтобы мы могли заметить, как свет идёт от лампы к стенам. И всё время, пока лампа горела, испускаемый ею свет за ничтожный миг покрывал расстояние до стен, потолка, мебели и поглощался ими. А когда лампа погасла, последние «порции» света также мгновенно пролетели свой путь и исчезли в веществе окружающих тебя предметов.

«И сказал Бог: «Да будет свет!», и стал свет». Всем известны эти слова из Библии и всем понятно: жизнь без него невозможна. Но что такое свет по своей природе? Из чего состоит он и какие имеет свойства? Что такое видимый и невидимый свет? Об этих и некоторых других вопросах поговорим в статье.

О роли света

Большинство информации обычно воспринимается человеком через глаза. Все разнообразие цветов и форм, которые свойственны материальному миру, открывается ему. А воспринимать через зрение он может лишь то, что отражает определенный, так называемый видимый свет. Источники света могут быть естественными, например солнце, или искусственные, созданные электричеством. Благодаря такому освещению стало возможным работать, отдыхать - словом, вести полноценный образ жизни в любое время суток.

Естественно, такой важный жизненный аспект занимал умы многих людей, живших в разные эпохи. Рассмотрим, что такое свет, под разными углами зрения, то есть с позиций различных теорий, которых придерживаются сегодня ученые мужи.

Свет: определение (физика)

Аристотель, задавшийся этим вопросом, считал свет определенным действием, которое распространялось в среде. Другого мнения придерживался философ из Древнего Рима, Лукреций Кар. Он был уверен, что все существующее в мире состоит из самых мелких частиц — атомов. И свет также имеет такое строение.

В семнадцатом веке эти взгляды легли в основу двух теорий:

• корпускулярной;
• волновой.

Сегодня известно, что все тела распространяют инфракрасный свет. Источники света, испуская инфракрасные лучи, имеют большую длину волны, но слабее чем красные.

Теплом является излучение инфракрасного спектра, исходящее от движущихся молекул. Чем выше их скорость, тем больше излучение, и такой объект становится теплее.

Ультрафиолет

Как только открыли инфракрасное излучение, Вильгельм Риттер, немецкий физик, начал изучать противоположную сторону спектра. Длина волны здесь оказалась меньше, чем у фиолетового цвета. Он заметил, как хлористое серебро чернело за фиолетом. И это происходило быстрее, чем действовала длина волны видимого света. Выяснилось, что такое излучение происходит тогда, когда менялись электроны на внешних атомных оболочках. Стекло способно поглощать ультрафиолет, поэтому при исследованиях применялись кварцевые линзы.

Излучение поглощается кожей человека и животного, а также верхними растительными тканями. Небольшие дозы ультрафиолета могут благоприятно сказаться на самочувствии, укрепляя иммунитет и создавая витамин D. Но большие дозы могут вызвать ожоги кожи и повредить глаза, а чересчур большие оказывают даже канцерогенное действие.

Применение ультрафиолета

Заключение

Если учитывать ничтожно малый спектр видимого света, становится понятным, что и оптический диапазон человеком изучен очень скудно. Одной из причин такого подхода является повышенный интерес людей к тому, что видно глазу.

Но из-за этого понимание остается на низком уровне. Весь космос пронизан электромагнитными излучениями. Чаще люди их не только не видят, но и не чувствуют. Но если энергия этих спектров увеличивается, то они могут вызывать недомогания и даже становятся смертельно опасными.

При изучении невидимого спектра становятся понятными некоторые, как их называют, мистические явления. Например, шаровые молнии. Бывает, что они, словно ниоткуда, появляются и внезапно исчезают. На самом деле просто осуществляется переход от невидимого диапазона в видимый и обратно.

Если использовать при проведении фотосъемок неба во время грозы разные камеры, то иногда получается запечатлеть переход плазмоидов, их появление в молниях и изменения, происходящие в самих молниях.

Вокруг нас совершенно неизведанный нами мир, который имеет вид, отличный от того, что мы привыкли видеть. Известное утверждение «Пока своими глазами не увижу, не поверю» давно потеряло свою актуальность. Радио, телевидение, сотовая связь и тому подобное давно доказали, что если мы чего-то не видим, то это совсем не значит, что этого не существует.

«Свет » относится к тем категориям, которые кажутся наиболее знакомыми, понятными и простыми, но на самом деле оказываются самыми сложными. Вообще говоря, на протяжении всего развития физики представления о том, что такое свет неоднократно кардинально менялись.

В древнем мире мнения о свете были самые разные. В ньютоновскую эпоху в большей степени получила развитие геометрическая оптика и корпускулярный взгляд на свет, хотя в то же возникли и волновые представления о свете (принцип Гюйгенса). С открытием явлений интерференции и дифракции приоритет перешел к волновой теории света, причем в рамках Максвелла оказалось, что свет - это электромагнитные колебания (волны в электромагнитном поле). Однако в рамках пришлось вновь вернуться к корпускулярным представлениям о свете, тогда же появилось понятие фотон - квант света. С тех пор считается, что свет имеет двойственную природу - в одних случаях волновую, в других - корпускулярную.

Полевая физика существенно меняет философию всех этих вопросов. Во-первых, она отделяет понятие , которой принадлежат базовые (протоны, электроны и т.п.) и состоящие из них тела, от понятия , к которым относится свет, как электромагнитной компоненты . В свет не является материальной сущностью, это колебательный процесс, который может характеризоваться такими понятиями как частота или , но не обладает или .

Согласно этой философии свет не подчиняется законам, справедливым для материальных тел. В частности, на него не могут действовать , для него не применимо классическое правило сложения , так как свет - сущность иной природы, нежели материальные объекты. Так если бросить камень с движущейся лодки, то его полная скорость относительно берега будет суммой начальной скорости камня и скорости лодки. Если же камень упадет в воду, то скорость распространения кругов на воде не зависит от того, с какой скоростью камень летел, так как круги на воде, также как и свет, ни что иное как , а не материальное тело. Скорость волн определяется свойствами среды, в которой они распространяются, и она не зависит от скорости источника, создавшего эти волны (скорость источника влияет на частоту волн, этот эффект носит название эффекта Доплера). Это простое объяснение наглядно показывает, почему в отличие от скорости камня не зависит от источника. Просто закон сложения скоростей, применимый для материальных тел, не применим к свету, как сущности иной природы.

Согласно отклонение света в также не связано с действием на свет гравитационных , так как свет, как колебательный процесс, не обладает (а точнее гравитационным зарядом). Этот эффект происходит за счет увеличения среды вблизи крупного тела а, следовательно, свет испытывает некоторое преломление, проходя через более плотную среду. Аналогичным образом в полевой физике получают совершенно иную интерпретацию и объяснение многие эффекты, связанные со светом.