Що є видиме світло. Хвильова та електромагнітна теорії

У 17 столітті з'явилися дві теорії (хвильова та корпускулярна) про те, світло. Згідно з першою, світло є електромагнітною хвилею. Це було підтверджено системою рівнянь Максвелла, складеною у 19 столітті. Вона дуже добре описувала електричні та магнітні поля. Досі ніхто не зміг довести, що теорія Максвелла невірна.

У 20 столітті виявилися деякі явища, що йдуть урозріз із хвильовими уявленнями у світлі. До них входить фотоефект - вибивання електронів з речовини падаючим світлом. Згідно з хвильовою теорією, це явище повинно мати значну затримку: світлова хвиля повинна передати значну кількість енергії електрону, щоб він вилетів із речовини. Проте, досліди показали, що затримка практично відсутня. Було створено нову теорію, яка стверджує, що світло - частинок (корпускулів). Таким чином було показано корпускулярно-хвильовий дуалізм світла.

Хвильові властивості світла

До явищ, що підтверджують, що світло електромагнітна хвиля, відноситься інтерференція, дифракція та інші. Вони часто використовуються у різних наукових дослідженнях.

Інтерференція - це накладання двох хвиль, що призводить до збільшення або зменшення інтенсивності випромінювання. В результаті виходить інтерференційна картина: чергування максимумів і мінімумів, причому максимуми мають інтенсивність випромінювання, що в 4 рази перевищує інтенсивність джерела. Для спостереження інтерференції необхідно, щоб джерела були (тобто мали однакову частоту випромінювання і постійну різницю фаз).

Корпускулярні властивості світла

Світло виявляє свої корпускулярні властивості при фотоефекті. Це було відкрито німецьким фізиком Р. Герцем і експериментально досліджено російським ученим А.Г. Столітовим. Він отримав деякі цікаві дані. Максимальна кінетична енергія електронів, що вилетіли, залежить тільки від частоти падаючого випромінювання. Це суперечить уявленням класичної фізики.

Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту - мінімальна частота, за якої це явище ще спостерігається. Таким чином, фотоефект може мати місце навіть при падаючому випромінюванні низької енергії (головне, щоб частота була придатною). Цікавим відкриттям стало і те, що кількість електронів, що вилетіли з поверхні речовини в одиницю часу, залежить лише від інтенсивності випромінювання (пряма залежність).

Загальні визначення

З погляду оптики, світло – це електромагнітне випромінювання, яке сприймається оком людини. За одиницю зміни прийнято брати ділянку у вакуумі 750 ТГц. Це короткохвильова межа діапазону. Її довжина дорівнює 400 нм. Що стосується межі широких хвиль, то за одиницю виміру береться ділянка 760 нм, тобто 390 ТГц.

У фізиці світло сприймається як сукупність спрямованих частинок, званих фотонами. Швидкість розподілу хвиль у вакуумі стала. Фотони мають певний імпульс, енергію, нульову масу. У більш широкому значенні слова, світло - це видиме. Також хвилі можуть бути і інфрачервоними.

З погляду онтології, світло – це початок буття. Про це стверджують і філософи, і релігієзнавці. У географії цим терміном прийнято називати окремі сфери планети. Саме собою світло - це поняття соціальне. Проте у науці вона має конкретні властивості, риси та закони.

Природа та джерела світла

Електромагнітне випромінювання створюється у процесі взаємодії заряджених частинок. Оптимальною умовою для цього буде тепло, яке має безперервний спектр. Максимум випромінювання залежить від температури джерела. Відмінним прикладом процесу є Сонце. Його випромінювання є близьким до аналогічних показників абсолютно чорного тіла. Природа світла на Сонці обумовлюється температурою нагрівання до 6000 К. У цьому близько 40% випромінювання перебуває у межах видимості. Максимум спектру потужності розташовується близько 550 нм.

Джерелами світла також можуть бути:

1. Електронні оболонки молекул та атомів під час переходу з одного рівня на інший. Такі процеси дозволяють досягти лінійного спектру. Прикладом можуть бути світлодіоди і газорозрядні лампи.
2. яке утворюється під час руху заряджених частинок з фазовою швидкістю світла.
3. Процеси гальмування фотонів. В результаті утворюється синхро-або циклотронне випромінювання.

Природа світла може бути пов'язана з люмінесценцією. Це стосується і штучних джерел, і органічних. Приклад: хемілюмінесценція, сцинтиляція, фосфоресценція та ін.

У свою чергу джерела світла поділяються на групи щодо температурних показників: А, В, С, D65. Найскладніший спектр спостерігається у абсолютно чорного тіла.

Характеристики світла

Людське око суб'єктивно сприймає електромагнітне випромінювання як колір. Так, світло може віддавати білими, жовтими, червоними, зеленими переливами. Це лише зорове відчуття, яке пов'язане з частотою випромінювання, будь воно за складом спектральним чи монохроматичним. Доведено, що фотони здатні поширюватись навіть у вакуумі. За відсутності речовини швидкість потоку дорівнює 300 000 км/с. Це відкриття було зроблено ще на початку 1970-х років.

На межі середовищ потік світла відчуває або відбиток, або заломлення. Під час поширення він розсіюється через речовину. Можна сміливо сказати, що оптичні показники середовища характеризуються значенням заломлення, рівним відношенню швидкостей у вакуумі і поглинання. У ізотропних речовин поширення потоку залежить від напрями. Тут представлений скалярною величиною, що визначається координатами та часом. В анізотропному середовищі фотони проявляється у вигляді тензора.

Крім того, світло буває поляризованим і немає. У першому випадку головною величиною визначення буде вектор хвилі. Якщо ж потік не поляризований, він складається з набору частинок, спрямованих у випадкові сторони.

Найважливішою характеристикою світла є його інтенсивність. Вона визначається такими фотометричними величинами, як потужність та енергія.

Основні властивості світла

Фотони можуть не тільки взаємодіяти між собою, а й мати напрямок. В результаті зіткнення зі стороннім середовищем потік зазнає відображення та заломлення. Це дві основні властивості світла. З відображенням все більш-менш ясно: воно залежить від щільності матерії та кута падіння променів. Однак із заломленням справа набагато складніша.

Для початку можна розглянути простий приклад: якщо опустити соломинку у воду, то збоку вона здасться вигнутою та укороченою. Це і є заломлення світла, яке настає на межі рідкого середовища та повітря. Цей процес визначається напрямом розподілу променів під час проходження через кордон матерії.

Коли потік світла стосується межі між середовищами, довжина його хвилі суттєво змінюється. Проте частота поширення залишається незмінною. Якщо промінь не ортогональний по відношенню до кордону, то зміна зазнає і довжина хвилі, і її напрямок.

Штучне часто використовують у дослідницьких цілях (мікроскопи, лінзи, лупи). Також до таких джерел зміни показників хвилі ставляться окуляри.

Класифікація світла

В даний час розрізняють штучне та природне світло. Кожен із цих видів визначається характерним джерелом випромінювання.

Природне світло являє собою набір заряджених частинок з хаотичним напрямком, що швидко змінюється. Таке електромагнітне поле обумовлюється змінним коливанням напруженостей. До природних джерел відносяться розпечені тіла, сонце, поляризовані гази.

Штучне світло буває наступних видів:

1. Місцевий. Його використовують на робочому місці, на ділянці кухні, стіни та ін. Таке освітлення відіграє в дизайні інтер'єру.
2. Загальна. Це рівномірне освітлення усієї площі. Джерелами є люстри, торшери.
3. Комбінований. Суміш першого та другого видів для досягнення ідеальної освітленості приміщення.
4. Аварійний. Він дуже корисний при відключеннях світла. Живлення проводиться найчастіше від акумуляторів.

сонячне світло

Сьогодні це головне джерело енергії на Землі. Не буде перебільшенням сказати, що сонячне світло впливає на всі важливі матерії. Це кількісна постійна, що визначає енергію.

У верхніх шарах земної атмосфери міститься близько 50% випромінювання інфрачервоного та 10% ультрафіолетового. Тому кількісна складова видимого світла дорівнює лише 40%.

Сонячна енергія використовується в синтетичних та природних процесах. Це і фотосинтез, і перетворення хімічних форм, і опалення, і багато іншого. Завдяки сонцю людство може скористатися електроенергією. У свою чергу, потоки світла можуть бути прямими та розсіяними, якщо вони проходять через хмари.

Три головні закони

З давніх часів вчені займалися вивченням геометричної оптики. На сьогоднішній день основними є такі закони світла:

Сприйняття світла

Навколишній світ людині видно завдяки здатності її очей взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням. Світло сприймається рецепторами сітківки, які можуть уловити та відреагувати на спектральний діапазон заряджених частинок.

У людини є 2 типи чутливих клітин ока: колбочки та палички. Перші зумовлюють механізм зору вдень при високому рівні освітлення. Палички є більш чутливими до випромінювання. Вони дозволяють людині бачити у нічний час.

Зорові відтінки світла обумовлюються довжиною хвилі та її спрямованістю.

Увечері ти повернув вимикач і кімната наповнилася світлом. Знову повернув вимикач – стало темно. Куди ж поділося світло, яке наповнювало кімнату?

Ти завжди можеш показати, де знаходиться джерело світла, тому що світло від нього йде до тебе прямою лінією. Саме тому, що світло поширюється прямолінійно, будь-який предмет, освітлений тільки з одного боку, відкидає в інший бік тінь. Якби світло могло обігнути цей предмет, тінь не вийшла б.

Коли світло зустрічає перешкоду, хоча б частина світла відбивається, потрапляє до нас у вічі, і ми бачимо предмети, які самі не випромінюють світла. Особливо добре відбиває промені гладка поверхня, наприклад, водна гладь або виготовлене людьми дзеркало.

Коли світло падає на поверхню води, воно не лише відбивається. Частина світла проходить у воду, висвітлює дно та риб, тому ми їх бачимо. При цьому світлові промені трохи змінюють свій напрямок, заломлюються. Відбиті дном промені, виходячи з води у повітря, теж змінюють свій напрямок. Тому струмок завжди здається менш глибоким, а риби – ближче до поверхні.

Прямолінійне поширення, відображення та заломлення – основні властивості світла. Але вони не повністю пояснюють, що таке світло.

Першим, хто спробував розгадати природу світла, був великий англійський учений. Він припустив, що промінь світла - це потік найдрібніших частинок корпускул. Проте вже тоді інший учений - голландець Гюйгенс вважав, що світло - це своєрідні , чимось схожі хвилі звуку повітря. Але оскільки повітря в космосі немає, послідовникам Гюйгенса довелося припустити, що весь космічний простір заповнений якоюсь особливою речовиною ефіром.

Корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія, початок якої поклав Гюйгенс, два століття сперечалися між собою.

У середині 19 в. вдалося більш менш точно виміряти швидкість поширення світла, хоча і до наших днів її величина уточнюється. У порожнечі швидкість світла - близько 300 тисяч кілометрів на секунду - найбільша з усіх можливих швидкостей у природі. У повітрі вона майже така сама, а у воді - 3/4 швидкості світла в повітрі.

Все, що було відомо до цього часу про світло, начебто підтверджувало правильність хвильової природи світла. Однак ця теорія не могла існувати без вигаданого ефіру. І коли точно визначили, що жодного світового ефіру немає, з'явилася інша теорія світла.

Англійський учений минулого століття Максвелл встановив, що світло - це не хвилі, подібні до звукових, а особливі, електромагнітні, здатні поширюватися і в повній порожнечі, такі ж, як хвилі.

Ще краще пізнали люди природу світла нашому столітті у зв'язку з успіхами у вивченні атома. Виявилося, що , протон, нейтрон володіють як властивостями частинок, «шматочків» речовини, а й властивостями хвиль. Так само і світло - це не тільки хвилі, а водночас і частинки, які назвали фотонами. Таким чином, дві теорії, що ворогували колись - корпускулярна і хвильова-як би об'єдналися.

Коли тіло світиться, це означає, що в ньому народжуються фотони. Вони народжуються, коли атомні частинки зіштовхуються чи змінюють шлях свого руху. Від того, яка це частка і як змінився шлях, залежить довжина хвилі випромінювання, колір променя. Тому світло, його, може розповісти про речовину, яка випромінює промені. Багато наших знань про зірки та інші небесні тіла отримано при вивченні їхнього світла, що дійшло до Землі.

Коли світло падає на якесь тіло, воно не тільки відбивається і заломлюється, а й поглинається. Це означає, що фотони зникають. При цьому вони викликають рух атомних частинок у тілі, що поглинуло їх. Отримуючи енергію фотонів, предмет нагрівається від одних променів сильніше, від інших майже непомітно. Таким чином, світло постійно випромінюється і постійно поглинається. Він не знає спокою, завжди мчить із неймовірною швидкістю і переносить від речовини до речовини.

Ось тепер ми можемо відповісти на запитання, з якого почали цю розповідь: куди подіється світло, яке «наповнювало» кімнату? Коли ти тільки запалив лампу, кімната миттєво освітлилася: швидкість світла дуже велика, щоб ми могли помітити, як світло йде від лампи до стін. І весь час, поки лампа горіла, світло, що випромінюється за мізерну мить, покривало відстань до стін, стелі, меблів і поглиналося ними. А коли лампа згасла, останні «порції» світла також миттєво пролетіли свій шлях і зникли в речовині навколишніх предметів.

«І сказав Бог: «Хай буде світло!», і стало світло». Всім відомі ці слова з Біблії і всім зрозуміло: життя без нього неможливе. Але що таке світло за своєю природою? З чого складається він та які має властивості? Що таке видиме та невидиме світло? Про ці та деякі інші питання поговоримо у статті.

Про роль світла

Більшість інформації зазвичай сприймається людиною через очі. Вся різноманітність кольорів і форм, які притаманні матеріальному світу, відкривається йому. А сприймати через зір може лише те, що відбиває певний, так зване видиме світло. Джерела світла можуть бути природними, наприклад, сонце, або штучні, створені електрикою. Завдяки такому освітленню стало можливим працювати, відпочивати – словом, вести повноцінний спосіб життя будь-якої доби.

Звичайно, такий важливий життєвий аспект займав уми багатьох людей, які жили в різні епохи. Розглянемо, що таке світло під різними кутами зору, тобто з позицій різних теорій, яких дотримуються сьогодні вчені мужі.

Світло: визначення (фізика)

Аристотель, поставлений цим питанням, вважав світло певним дією, яке поширювалося серед. Іншої думки дотримувався філософ із Стародавнього Риму, Лукрецій Кар. Він був упевнений, що все, що існує у світі, складається з найдрібніших частинок — атомів. І світло також має таку будову.

У сімнадцятому столітті ці погляди лягли основою двох теорій:

• корпускулярною;
• хвильовий.

Сьогодні відомо, що всі тіла розповсюджують інфрачервоне світло. Джерела світла, випускаючи інфрачервоні промені, мають більшу довжину хвилі, але слабші за червоні.

Теплом є випромінювання інфрачервоного спектру, що походить від рухомих молекул. Чим вища їхня швидкість, тим більше випромінювання, і такий об'єкт стає теплішим.

Ультрафіолет

Щойно відкрили інфрачервоне випромінювання, Вільгельм Ріттер, німецький фізик, почав вивчати протилежний бік спектру. Довжина хвилі тут виявилася меншою, ніж у фіолетового кольору. Він помітив, як хлористе срібло чорніло за фіолетом. І це відбувалося швидше, ніж діяла довжина хвилі видимого світла. З'ясувалося, що таке випромінювання відбувається тоді, коли змінювалися електрони на зовнішніх атомних оболонках. Скло здатне поглинати ультрафіолет, тому при дослідженнях застосовувалися кварцові лінзи.

Випромінювання поглинається шкірою людини та тварини, а також верхніми рослинними тканинами. Невеликі дози ультрафіолету можуть сприятливо позначитися на самопочутті, зміцнюючи імунітет і створюючи вітамін D. Але великі дози можуть викликати опіки шкіри та пошкодити очі, а надто великі мають навіть канцерогенну дію.

Застосування ультрафіолету

Висновок

Якщо враховувати мізерно малий спектр видимого світла, стає зрозумілим, як і оптичний діапазон людиною вивчений дуже мізерно. Однією із причин такого підходу є підвищений інтерес людей до того, що видно оку.

Але через це розуміння лишається на низькому рівні. Весь космос пронизаний електромагнітними випромінюваннями. Найчастіше люди їх не лише не бачать, а й не відчувають. Але якщо енергія цих спектрів збільшується, вони можуть викликати нездужання і навіть стають смертельно небезпечними.

При вивченні невидимого спектра стають зрозумілими деякі, як називають, містичні явища. Наприклад, кульові блискавки. Буває, що вони, немов звідки, з'являються і раптово зникають. Насправді просто здійснюється перехід від невидимого діапазону до видимого і назад.

Якщо використовувати під час грози різні камери, то іноді вдається відобразити перехід плазмоїдів, їх появу в блискавках і зміни, що відбуваються в самих блискавках.

Навколо нас зовсім незвіданий нами світ, який має вигляд, відмінний від того, що ми звикли бачити. Відоме твердження «Поки на власні очі не побачу, не повірю» давно втратило свою актуальність. Радіо, телебачення, стільниковий зв'язок тощо давно довели, що якщо ми чогось не бачимо, то це зовсім не означає, що цього не існує.

« Світло» відноситься до тих категорій, які здаються найбільш знайомими, зрозумілими та простими, але насправді виявляються найскладнішими. Взагалі, протягом усього розвитку фізики уявлення про те, що таке світло неодноразово кардинально змінювалися.

У стародавньому світі думки про світло були різні. У ньютонівську епоху більшою мірою набула розвитку геометрична оптика і корпускулярний погляд на світ, хоча в той же час виникли і хвильові уявлення про світло (принцип Гюйгенса). З відкриттям явищ інтерференції та дифракції пріоритет перейшов до хвильової теорії світла, причому в рамках Максвелла виявилося, що світло – це електромагнітні коливання (хвилі в електромагнітному полі). Однак у рамках довелося знову повернутися до корпускулярних уявлень про світло, тоді з'явилося поняття фотон - квант світла. З того часу вважається, що світло має подвійну природу - в одних випадках хвильову, в інших - корпускулярну.

Польова фізика суттєво змінює філософію всіх цих питань. По-перше, вона відокремлює поняття , якому належать базові (протони, електрони і т.п.) і ті, що складаються з них, від поняття , до яких відноситься світло, як електромагнітні компоненти . У світ не є матеріальною сутністю, це коливальний процес, який може характеризуватись такими поняттями як частота або , але не має або .

Згідно з цією філософією світло не підкоряється законам, справедливим для матеріальних тіл. Зокрема, не можуть діяти , йому застосовується класичне правило складання , оскільки світло - сутність іншої природи, ніж матеріальні об'єкти. Так якщо кинути камінь з човна, що рухається, то його повна швидкість щодо берега буде сумою початкової швидкості каменю і швидкості човна. Якщо ж камінь впаде у воду, то швидкість поширення кіл на воді не залежить від того, з якою швидкістю камінь летів, оскільки кола на воді, як і світло, ні що інше як , а не матеріальне тіло. Швидкість хвиль визначається властивостями середовища, в якому вони поширюються, і вона не залежить від швидкості джерела, яке створило ці хвилі (швидкість джерела впливає на частоту хвиль, цей ефект називається ефектом Доплера). Це просте пояснення наочно показує, чому на відміну швидкості каменю залежить від джерела. Просто закон складання швидкостей, застосовний матеріальних тіл, не застосовний до світла, як сутності іншої природи.

Відповідно відхилення світла також не пов'язане з дією на світ гравітаційних , так як світло, як коливальний процес, не володіє (а точніше гравітаційним зарядом). Цей ефект відбувається за рахунок збільшення середовища поблизу великого тіла, а отже, світло зазнає деякого заломлення, проходячи через більш щільне середовище. Аналогічним чином у польовій фізиці отримують зовсім іншу інтерпретацію та пояснення багато ефектів, пов'язаних зі світлом.