Физическая природа света

Содержание

6.1.2 Физическая природа света и цвета

Напомним, что свет представляет собой электромагнитное излучение, связанное с флуктуацией электрического и магнитного полей. Иными словами, свет представляет собой энергию, а цвет есть продукт взаимодействия этой энергии с веществом. Однако для понимания природы цвета необходимо совершить небольшой экскурс в физику световых явлений и коснуться природы источников цвета.

Свет имеет двойственную природу, обладая свойствами волны и частицы. Корпускулы света, называемые фотонами, излучаются источником света в виде волн, распространяющихся с постоянной скоростью порядка 300000 км/с. Аналогично морским волнам световые волны имеют гребни и впадины. Поэтому в качестве характеристики световых волн используют длину волны, представляющую собой расстояние между двумя гребнями (единица измерения — метры или ангстремы, равные 10

8м), и амплитуду, определяемую как расстояние между гребнем и впадиной.

Разные длины волны воспринимаются нами как разные цвета: свет с большой длиной волны будет красным, а с маленькой — синим или фиолетовым. В случае если свет состоит из волн разной длины (например, белый цвет содержит все длины волн, то наш глаз смешивает разные длины воли в одну, получаем таким образом один результирующий цвет.

Рис. 6.3. Характеристики световой волны

Альтернативными характеристиками электромагнитного излучения являются частота (измеряемая в герцах или циклах/с) и энергия (измеряемая в электроно-вольтах). Чем короче длина волны, тем больше ее частота и выше энергия. И наоборот, чем больше длина волны, тем меньше частота и ниже энергия.

6.1.3 Излученный и отраженный свет

Все, что мы видим в окружающем нас пространстве, либо излучает свет, либо его отражает.

Излученный цвет — это свет, испускаемый активным источником. Примерами таких источников могут служить солнце, лампочка или экран монитора. В основе их действия обычно лежит нагревание металлических тел либо химические или термоядерные реакции. Цвет любого излучателя зависит от спектрального состава излучения. Если источник излучает световые волны во всем видимом диапазоне, то его цвет будет восприниматься нашим глазом как белый. Преобладание в его спектральном составе длин волн определенного диапазона (например, 400 — 450 нм) даст нам ощущение доминирующего в нем цвета (в данном случае сине-фиолетового). И наконец, присутствие в излучаемом свете световых компонент из разных областей видимого спектра (например, красной и зеленой) дает восприятие нами результирующего цвета (в данном случае желтого). Но при этом в любом случае попадающий в наш глаз излучаемый цвет сохраняет в себе все цвета, из которых он был создан.

Отраженный свет возникает при отражении некоторым предметом (вернее, его поверхностью) световых волн, падающих на него от источника света. Механизм отражения цвета зависит от цветового типа поверхности, которые можно условно разделить на две группы:

Первую группу составляют ахроматические (иначе бесцветные) цвета: черный, белый и все серые (от самого темного до самого светлого). Их часто называют нейтральными. В предельном случае такие поверхности либо отражают все падающие на них лучи, ничего не поглощая (идеально белая поверхность), либо полностью лучи поглощают, ничего не отражая (идеальная черная поверхность). Все остальные варианты (серые поверхности) равномерно поглощают световые волны разной длины. Отраженный от них цвет не меняет своего спектрального состава, изменяется только его интенсивность.

Вторую группу образуют поверхности, окрашенные в хроматические цвета, которые по-разному отражают свет с разной длиной волны. Так, если вы осветите белым

цветом листок зеленой бумаги, то бумага будет выглядеть зеленой, потому что ее поверхность поглощает все световые волны, кроме зеленой составляющей белого цвета. Что же произойдет, если осветить зеленую бумагу красным или синим цветом? Бумага будет восприниматься черной, потому что падающие на нее красный и синий цвета она не отражает. Если же осветить зеленый предмет зеленым светом, это позволит выделить его на фоне окружающих его предметов другого цвета.

Процесс отражения света сопровождается не только связанным с ним процессом поглощения в приповерхностном слое. При наличии полупрозрачных предметов часть падающего света проходит через них (рис. 6.4). На этом свойстве основано действие фильтров фотоаппаратов, вырезающих из области видимого спектра нужный цветовой диапазон (иначе — отсекающих нежелательный цветовой спектр). Чтобы лучше понять этот эффект, прижмите к поверхности лампочки пластину цветного оргстекла. В результате наш глаз «увидит» цвет, не поглощенный пластиком.

Рис. 6.4. Процессы отражения, поглощения и пропускания света объектом.

Каждый объект имеет спектральные характеристики отражения и пропускания. Эти характеристики определяют, как объект отражает и пропускает свет с определенными длинами волн.

• Спектральная кривая отражения определяется путем измерения отраженного

света при освещении объекта стандартным источником.

•Спектральная кривая пропускания определяется путем измерения света, яро-шедшего сквозь объект.

Некоторые измерительные устройства позволяют даже вводить поправки, компенсирующие изменение условий внешнего освещения.

Спектральные характеристики отражения и пропускания связаны с явлением мета» метрии, суть которого состоит в том, что объекты с разными спектральными характеристиками могут выглядеть одинаково при одном освещении и по-разному — при другом. Такое различие обусловлено как составом объектов, так и спектральным составом внешнего освещения. Для определения спектральных характеристик объектов используют специальные приборы, спектрофотометры, со стандартными источниками света.

Указанные различия в механизмах формирования излученного и отраженного

цвета важны для понимания восприятия цвета глазом человека.

studfiles.net

Физическая природа света и цвета.

То, что цвет — это электромагнитная волна, воспринимаемая человеческим глазом и видимый участок спектра, И. Ньютон описал в работе «Оптика». Несмотря на то, что задолго до этого английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон также наблюдал оптический спектр в стакане с водой, первое объяснение видимого излучения дал именно И. Ньютон. Подобные попытки исследования цвета чуть позже были проведены

Иоганном Гете в труде «Теория цветов», в XVIII веке, в России, М. В. Ломоносовым.

И. Ньютону удалось разложить белый свет на цвета спектра что явилось первым значительный прорывом в изучении цвета.

Главной предпосылкой ученого к открытию спектра стало стремление усовершенствовать линзы для телескопов: основным недостатком телескопических изображений являлось наличие окрашенных в радужные цвета краев.

В 1666 году он произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой: через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути оказывалась стеклянная трехгранная призма, пучок света в которой преломлялся. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, позднее названная спектром. Он определил, что луч белого дневного света составляют лучи разных цветов, а именно: красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего (голубого), индиго и глубоко фиолетового.

Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. — М.: Государственное издательство тсхнико- теоретической литературы, 1954.

Он объяснил, что их смешение является главной причиной многообразия цветовых гармоний, богатства красок природы.

Он так же обнаружил, что цветной луч, отражаясь и преломляясь бесконечное множество раз, остается той же окраски, откуда следовало, что цвет — некая устойчивая характеристика. Он также заметил, что при добавлении к цветному лучу белого света происходит его усложнение, в результате чего цвет разрежается и слабнет, пока не исчезнет совсем, с образованием серого или белого. Таким образом, чем сложнее цвет, тем он менее полон и интенсивен.

И. Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным.

Ученый также определил показатель преломления лучей различного цвета. Для этой цели в экране прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивался в полосу: ему соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo – разбрасываю).

Изучая природу света и цвета, Ньютон пришел к выводу, что постоянные цвета естественных тел происходят по причине того, что некоторые тела отражают одни сорта лучей, другие тела — иные сорта обильнее, чем остальные¹. Цветные порошки, как заметил Ныотон, подавляют и удерживают в себе весьма значительную часть света, которым они освещаются. И они становятся цветными, отражая наиболее обильно свет их собственной окраски². Ньютон И. Оптика или трактат об сражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. — М.: Государственное издательство техшко- теоретической литературы, 1954. — 367 с.

Необходимо сказать, что, несмотря на дальнейшие изыскания, данную теорию (корпускулярная теория света) считать неверной нельзя, потому что цвет действительно можно рассматривать как поток фотонов — элементарных безмассовых частиц, двигающихся со скоростью света, и имеющих электрический заряд, равный нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, то есть проявление одновременно свойств частицы и волны. Назвать И. Ньютона противником волновой теории не представляется возможным: он не отвергал эту идею. Ньютон провел аналогию между цветом и звуком, считая, что оба этих явления имеют подобную природу, чем, вероятно, предвосхитил открытие электромагнитной природы звука и света. «Как звук колокольчика, или музыкальной струны, или других звучащих тел есть не что иное, как колеблющееся движение, и в воздухе от предмет распространяется не что иное, как это движение… в последнем же появляются ощущения этих движений в форме цветов» .

С другой стороны в трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но также он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты.

В XVIII веке в России, М. В. Ломоносов исследуя проблемы цветовых явлений и делает ряд важных открытий, которые не получили широкой известности. Он обнаружил, что свет составляют, как бы три эфира, которые истекают от солнца и светящихся тел подобно реке. Эфиры обладают тремя типами движения, которые он назвал беспрестанным, зыблющимся и коловратным. Эфирные потоки составляют три типа частиц разных размеров. Из них, соляные частицы составляют эфир красного, ртутные — желтого, серные — голубого цвета. Остальные цвета образуются смешением красного, желтого и голубого. Эфирные частицы сцепляются с подходящими частицами на поверхности предметов и заставляют их колебаться с той или иной интенсивностью. Часть движения, таким образом, передастся, а оставшееся движение определяет видимый нами цвет. Если поверхность предмета поглотила коловратное или вращающиеся движение эфирных частиц — глаз видит черный цвет.

Так Ломоносов открыл физико-химическую природу цвета.

Согласно этой теории, температура влияет на интенсивность краски, что он доказал на опыте. Глаз человека воспринимает цвет, благодаря тому, что движение эфирных частиц, не поглощенное предметом, производит соответствующее движение на дне глаза.

По мере развития волновой теории света было уточнено то, что каждому цвету соответствует определенная частота световой волны. Английский ученый Т. Юнг, в 1800 году разработавший волновую теорию интерференции на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах.

Согласно принципу интерференции (нелинейное сложение интенсивностей нескольких световых волн) темноту можно получить, сложив свет со светом, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых — самые короткие.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

Для полного понимания сущности цвета обратимся к понятию электромагнитного излучения, то есть к распространяющемуся в пространстве возмущению электромагнитного поля. Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам, между которыми нет резких переходов — границы условны. На Рис.2 представлен полный спектр электромагнитного излучения, отградуированный по уменьшению частоты: радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рисунок 2 ‑ Полный спектр электромагнитного излучения

В общем спектре электромагнитных излучений видимое излучение составляет очень небольшой процент.

это… Природа света. Законы света

Светом принято считать любой вид оптического излучения. Иными словами, это электромагнитные волны, длина которых находится в диапазоне единиц нанометров.

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 ультрафиолетовое излучение. 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:

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.
Черенковское излучение, которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
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 показатель преломления 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 преломление света 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:

Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
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:

Закон распространения. Он гласит, что в однородной оптической среде свет будет распределяться прямолинейно.
Закон преломления. Луч света, падающий на границу двух сред, и его проекция из точки пересечения лежат на одной плоскости. Также это касается и опущенного к месту касания перпендикуляра. При этом отношение синусов углов падения и преломления будет величиной постоянной.
Закон отражения. Опускающийся на границу сред луч света и его проекция лежат на одной плоскости. При этом углы отражения и падения равны.

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.

fb.ru

Свет — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Спектр света — часть спектра электромагнитного излучения

Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы — участок 760—780 нм (385—395 ТГц)^[1].

В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение^[2], то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра^[3]. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Также, особенно в теоретической физике, термин свет может иногда выступать просто синонимом термина электромагнитное излучение, независимо от его частоты, особенно когда конкретизация не важна, а хотят, например, использовать более короткое слово.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

ru.wikipedia.org

Классическая физика применима главным образом к объектам макромира. В микро- и мегамире это применение становится условным, так как ее понятия требуют расширения или уточнения. Но и в самом макромире можно указать явления, не укладывающиеся в рамки классических теорий и поэтому кажущиеся чем-то загадочным.

Пример такой загадки являет собой свет. Несмотря на свою неуловимость для человеческого мышления, он позволяет человеку получать более 90% всей информации. Видимо, поэтому феномен света присутствует практически во всех картинах мира древних народов в качестве первичного элемента. Как правило, он отождествляется либо с огнем, либо с солнцем, ибо его роль для жизни на Земле всегда была очевидна.

По своим свойствам свет резко отличается от других объектов, и еще в древности появились различные теории световых явлений. Поскольку древние греки считали человеческое бытие встроенным в окружающий мир естественным образом, то они рассматривали свет преимущественно в связи с его значением для зрения. Свет как бы истекает из наших глаз и направляется на окружающие тела. Мы ощупываем вещь органом зрения, т.е. зрение сродни осязанию. Столь же теоретично утверждение Аристотеля о мгновенности распространения света.

Античное представление о свете как посреднике человеческого познания еще больше укрепилось в Средние века. Вещи высвечиваются светом, приобретают свой настоящий облик и видимый цвет только при воздействии света. Так как в вещах и явлениях видели прежде всего духовное содержание, то и свет считали носителем духовного начала мира.

После выделения физики как науки на основе эксперимента обратили внимание на то, что свет обладает энергией и переносит ее в пространстве. Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, были выдвинуты две прогрессивные гипотезы о природе света. По одной из них свет есть вещество, по другой – волна, т.е. распространение колебаний особого рода (движений колебательных).

Первая гипотеза легла в основу корпускулярной теории Ньютона. Согласно Ньютону, свет состоит из малых частичек-корпускул вещества, испускаемых во всех направлениях светящимся телом по прямым линиям-лучам. Если эти лучи попадают на глаз, мы видим их источник. С точки зрения Ньютона, эта теория естественным образом объясняла прямолинейное распространение света. Преломление и отражение света на границе двух веществ Ньютон объяснял притяжением и отталкиванием световых корпускул молекулами этих веществ в соответствии с законом всемирного тяготения.

Вторая гипотеза отстаивалась Гюйгенсом в его волновой теории света. Он представлял свет в виде механических волн, т.е. распространения механических колебаний частиц особого эфира. Этот эфир заполняет все пространство, а также прозрачные тела в нем. Лучи – это просто математические линии, перпендикулярные волновым фронтам, т.е. поверхностям, до которых дошли колебания. Движением этих поверхностей он объяснял как преломление, отражение, так и огибание светом препятствий малых размеров, т.е. дифракционные явления.

Хотя обе эти теории были предложены одновременно и хорошо объясняли все известные в XVII-XVIII веках световые явления, утвердилась теория Ньютона, видимо, в связи с его бóльшим авторитетом и с ее видимой простотой (логической). Ведь волновая теория требовала дополнительного предположения о существовании эфира.

Волновая теория получила признание только в XIX веке в связи с экспериментами по изучению волновых свойств света.

В 1801 году Юнг провел следующий опыт. Две светящиеся щели S₁ и S₂ в экране Э₁ испускали свет на экран Э₂. На Э₂ наблюдалась картина чередования светлых и темных полос. Юнг впервые истолковал этот эффект как результат интерференции, т.е. наложения двух световых волн источников S₁ и S₂, при котором происходит перераспределение световой энергии в пространстве между экранами Э₁и Э₂. Формула Юнга позволяла вычислить микроскопическую характеристику световых колебаний – длину волны

λ = 3,8∙10^{-7 м (фиолетовый цвет) – 7,6∙10-7 м (красный).}

В формуле Юнга:

d – расстояние между щелями,

x – расстояние между полосами,

L – расстояние между экранами.

Рисунок 12

Френель изучал дифракционные явления и установил, что свет может попасть в область геометрической тени и способен обогнуть препятствие, если его размер сравним с длиной волны.

Скорость света была измерена и оказалась различной в разных веществах.

Наконец, Майкельсон и Морли экспериментально доказали, что эфира обнаружить нельзя, а измерения скорости света любыми способами всегда дают одно и то же значение.

Следовательно, природа световых волн немеханическая. Максвелл предположил, что эта природа электромагнитная, на том основании, что из его теории электромагнитного поля следует, что электромагнитные волны распространяются со скоростью, равной скорости света. Источником света он считал колеблющиеся электрические заряды, которые вызывают периодические изменения электромагнитного поля в пространстве. Цвет световой волны определяется частотой этих колебаний.

Волновая теория Максвелла хорошо объясняла явления, связанные с распространением света, но была непригодна к описанию его испускания или поглощения.

Чтобы объяснить также и эти явления, Планк в 1900 году выдвинул гипотезу об испускании света нагретыми телами в виде определенных и неделимых порций энергии, названных квантами или фотонами.

В дальнейшем Эйнштейн использовал гипотезу Планка для создания квантовой теории света. Эта теория связывала волновые и корпускулярные свойства света. Математически связь между ними выражена формулой Планка:

, где W – энергия кванта (светового), ν – частота колебаний электромагнитного поля (волны), h = 6,62∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка.

Таким образом, световая волна заданной частоты ν состоит из световых квантов с определенной энергией W. Пока фотон существует, он движется с постоянной скоростью, равной скорости света. При встрече с веществом он может быть поглощен, т.е. исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице вещества.

В рамках квантовой теории физическая природа света двойственна. В одних явлениях свет обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные. Однако, неясно, как такие противоречивые свойства объединяются в процессе испускания света, и поэтому даже физическая природа света сохраняет некоторую загадочность.

studopedya.ru

Физическая природа света и цвета

Поиск Лекций

Думаю, что никто не будет возражать , что цвет зависит не только от того, как окрашен тот тили иной предмет, но и от того, как и когда мы на него смотрим. В темноте все представляется черным. Стоит включить свет и мир предстает перед нашими глазами во всем великолепии всех цветов и оттенков. Значит, не малую роль в восприятии цвета играет свет. Возможно, разгадка и кроется здесь. Рассмотрим понятие свет с точки зрения физики.

В старину проказы феи Морганы повергали людей в ужас. Теперь таинственные видения никого не пугают: люди разгадали их секрет. Суть секрета — в «игре» луча ^{света в воздухе. Нам с земли небо видится голубым днем и красновато-оранжевым на закате. Почему же оно меняет свою окраску? Ведь солнце посылает на землю одни ^{и те же лучи в любое время. Цвет неба зависит от того, ^{какая часть дневного солнечного света доходит до наших глаз.}}}

Сколько радости и детям и взрослым доставляет радуга, появляющаяся в небе после теплого летнего дождика. Разноцветная дуга, охватившая полнеба, вызывает в людях изумление перед природой и восхищение. Однако видеть радугу можно не всегда, а только в том случае, ^{если солнце стоит невысоко и у вас за спиной. Это ^{солнечные лучи, пройдя сквозь воздух и отразившись в капельках воды, возвращаются к нам разноцветной ра дугой.}}

То, что свет отражается от воды, знает каждый, стоит лишь вспомнить блеск воды в речке, озере или море в яс ный, солнечный день. Молекулы воды сливаются в капель ки, а капельки — в водоемы, и уже достаточно несколько десятков метров воды, как наступают под водой сумерки. Вода частично отражает, а частично поглощает свет, и он слабеет, пробиваясь сквозь толщу воды.

Воздух состоит из газов и паров воды. Молекулы этих веществ также являются преградой свету, но преградой, конечно, несравненно более слабой, чем вода. Солнечный луч легко доходит до поверхности планеты через многокилометровый слой воздуха, но стоит только появиться облачку, и мы оказываемся в его тени. И все же воздух не просто пропускает свет, а взаимодействует с ним. Поначалу, когда луч солнца только начинает проникать в атмосферу, он не встречает препятствий: верхние слои атмосферы сильно разрежены и расстояние между отдельными молекулами газов очень велико. Чем ниже проби вается луч, тем больше препятствий на его пути, так как ближе к земной поверхности воздух становится все более плотным. Сталкиваясь с молекулами газов, лучи света частично отражаются от них (как и от молекул воды) и рассеиваются. Эти рассеянные лучи мы и воспринимаем как голубой цвет неба. Если же смотреть прямо на солнце, то оно кажется нам желтоватым, а на закате оранжевым. Это те солнечные лучи, что прорвались к нам сквозь всю толщу воздуха. По цвету заката старожилы могут с до вольно большой долей вероятности даже предсказать по году на завтра. В этом нет ничего особенно удивительно го. Ведь нагретый воздух менее плотен, и через него лучи света проходят с меньшими потерями. Если близок дождь, то атмосфера насыщена парами воды, а они сильнее за держивают и отражают свет. Цвет закатного неба будет в каждом случае различен: слои холодного и теплого воз духа отличаются по своей плотности и по-разному пропу скают свет и по-разному его отражают. Случается, что лучи света отражаются от некоторых слоев воздуха, как от зеркала. В этом и заключен секрет видений феи Морганы, которые чаще всего появляются на огромных открытых пространствах: пустынях, степях или в открытом море вдали от берегов.

Воздух у нагретой солнцем поверхности менее плотен, чем находящиеся выше слои. Лучи света от освещенных солнцем предметов на поверхности земли отражаются от вышерасположенных воздушных слоев, как солнечный зайчик от зеркала, и возвращаются к поверхности уже за много километров от того места, где солнце освещает пред меты. Обманчивые видения спасительных оазисов в пу стыне — это отражения в атмосферном «зеркале» далеких реальных оазисов. Жители Лазурного берега Франции иногда видят в небе горы острова Корсика, хотя до него двести километров по морю. А однажды команда япон ского корабля, находившегося у восточных берегов Кореи, увидела силуэт высокой горы, находящейся на одном из островов Японии, до которого было чуть ли не тысяча километров.

Цвет того или иного участка радуги, так же как и цвет любого окрашенного вещества, определяется той длинной волны, энергия которой преобладает в данном излучении. Солнечный луч содержит в себе все цвета радуги или световые волны различной длины.

Цвет соединений, имеющих одну полосу поглощения в видимой части спектра (при облучении дневным светом)

Длина волны погло щения, нм	Энергия, кДж/моль	Цвет поглощенного света	Цвет вещества
400—435	299—274	Фиолетовый	Желто -зеленый
435—480	274—249	Голубой	Желтый
480—490	249—244	Зеленовато-голубой	Оранжевый
490—500	244—238	Голубовато -зеленый	Красный
500—560	238—214	Зеленый	Пурпурный
560-580	214—206	Желто-зеленый	Фиолетовый
580—595	206—200	Желтый	Голубой
595—605	200—198	Оранжевый	Зеленовато-голубой
605—750	198—149	Красный	Голубовато-зеленый

0братите внимание, каждой длине волны соответствует определенная энергия, которую эти волны несут. Чем короче длина волны, тем больше энергии передает луч веществу при столкновении. Можно подсчитать, какую энергию несет свет той или иной длины волны. В 1900 М. Планк на основе своих наблюдений за поглощение света веществом и тепловым излучением пришел к выводу, что энергия света поступает к облучаемому веществ отдельными небольшими порциями. Такие порции энергии Планк предложил назвать квантами.

Если вещество способно поглощать только кванты определенной энергии, то этим однозначно определяется и цвет вещества. Когда белый свет, падая на какое-либо твердое тело, полностью рассеивается им, то такое тело кажется нашему глазу бесцветным, белым, неокрашенным. Наоборот, если все падающие на тело лучи им поглощаются, то получается впечатление черного цвета. Наконец, тела, поглощающие одни из падающих простых лучей и рассеивающие другие из них, кажутся нашему глазу цветными или окрашенными. Цвет является, таким образом, результатом избирательного поглощения определенных участков в непрерывном спектре падающего белого света.

Электроны и свет

Частица или волна? Эти два понятия применительно к свету долгое время существовали раздельно. Потребовалось довольно много времени на разрешение этого противоречия. Этому помогли физики объясни в природу электрона- элементарной частицы. Оказалось, что электрон одновременно представляет и волну и частицу. Кроме того состояние электрона в атоме можно описать с помощью запаса его энергии. Электроны, атомы и молекулы веществ обладают определенным запасом энергии, могут поглощать и излучать ее. Кванты света, падая на молекулы вещества, сообщают ему определенное количество энергии.

Итак, квант света воздействует на электроны молеку лы, переводит их в иное состояние. Если электрон из всего видимого спектра «чувствителен» к какому-то опре деленному виду лучей, то мы видим цвет вещества. Так, электроны, связывающие атомы в молекуле хлора, вос приимчивы к зеленовато-желтому участку спектра; в ме таллическом натрии — к красному.

Когда энергия кванта достаточно велика, то возможно более сильное взаимодействие фотона и электрона. В та ком случае электрон переходит на более высокий энерге тический уровень и некоторое время спустя излучает запасенную энергию. Волны, излучаемые электроном, как правило, иной длины. По этому серый или белый сульфид цинка становится голу бым, оранжевым или синим и светится в темноте.

Электронно-возбужденные молекулы представляют собой по сути дела новые молекулы, характеризующиеся своим распределением электронной плотности, структу рой, своими химическими свойствами. Наличие избыт ка энергии делает возбужденную молекулу химически более активной, чем исходная молекула. Значит, ве щество может приобретать цвет не только под действием видимого света, то и в результате взаимодействия с элек тромагнитными колебаниями в более широком диапазоне.

Таким образом, цвет обусловлен двумя потоками из лучения. Первый — это тот, что прошел сквозь вещество или отразился от него. В этом потоке нет уже квантов той резонансной частоты, которая поглощена веществом. Это явление мы и воспринимаем как появление цвета. Второй поток возникает в результате того, что возбужден ный электрон скачком возвращается в свое прежнее со стояние, а избыточная энергия высвечивается в виде квантов вторичного излучения — флуоресценции.

poisk-ru.ru

2.3. Природа и свойства света

При спектральном анализе о качественном и количественном составе вещества мы судим по излучению анализируемой пробы. В источнике света одновременно излучает большое количество атомов и ионов. Для того, чтобы понять природу спектра, надо рассмотреть, как излучает отдельный атом или ион. Свободные (не взаимодействующие друг с другом и с другими частицами) атомы и ионы имеют строго определенное строение и излучают определенные порции света. Для понимания природы эмиссионных спектров необходимо знать строение свободных атомов и ионов, а также «строение» самого света.

Способность света распространяться прямолинейно в однородной прозрачной среде (или в пустоте) была известна еще в древности. При построении изображения предметов в оптических приборах широко пользуются представлением о световом луче. Оно является основным в геометрической оптике.

При падении луча на границу раздела двух сред происходит отражение и преломление света. Отражение подчиняется закону: падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости и угол падения равен углу отражения. Преломленный луч также лежит в одной плоскости с падающим, но величина угла преломления зависит от угла падения следующим образом: отношение синусов углов для данных сред является постоянной величиной, называемой показателем преломления.

(5)

Физика (теоретическая и экспериментальная) однозначно определяет, что свет состоит из мельчайших частиц – корпускул (корпускулярная теория). Прямолинейное распространение света соответствует движению частиц в отсутствии внешних сил, а отражение происходит также как соударение упругих шариков с плоской поверхностью. Преломление по данной теории происходит, если предположить, что среда с большим показателем преломления притягивает корпускулы света. Различные цвета по теории объяснялись различием в величине корпускул. Данная теория была предложена Ньютоном, но впоследствии от нее отказались, так как были открыты явления, которые не возможно было объяснить с помощью корпускул.

Если два луча от одного и того же источника света встречаются в одной точке пространства, то происходит интерференция света, т.е. взаимное усиление или ослабление интенсивности лучей. При прохождении света через небольшое отверстие наблюдается его дифракция, т.е. отклонение света от первоначального направления в одной и той же среде, например в воздухе. Данные явления типичны для волновых процессов. Также была установлена связь с электрическими и магнитными явлениями. Таким образом, утвердилась волновая теория, согласно которой свет – это электромагнитные волны. Они непрерывно излучаются нагретым телом и распространяются в вакууме или в прозрачной среде. Точки пространства, до которых дошли колебания, сами становятся источниками вторичных волн. В каждой такой точке возникает электромагнитное поле, напряженность которого периодически меняется. Интенсивность светового пучка определяется амплитудой электромагнитных колебаний. Время, в течении которого происходит полный цикл изменения напряженности поля в одной точке пространства, называется периодом колебания (Т), после окончания которого весь процесс в точности повторяется в течение каждого следующего периода. Величина, обратная периоду, называется частотой ().

(2)

Частота показывает, сколько колебаний происходит в 1сек. Световым колебаниям соответствуют очень большие частоты, примерно 10¹⁴ – 10¹⁵Гц. Напряженность поля в любой момент времени зависит от фазы () колебания, т.е. от того, какая часть периода прошла от начала колебаний.

Например, если от момента возникновения колебаний прошло время, равное ¼ Т, то напряженность поля будет максимальной.

Фаза колебаний величина безразмерная. Для ее нахождения необходимо все время, прошедшее от момента возникновения колебаний, разделить на Т. При этом целое число в частном соответствует числу полных колебаний, а дробный остаток дает фазу колебаний в данный момент. Если весь период колебаний считать равным 360⁰ или 2 радиан, то фаза также будет измеряться в градусах или радианах. Фаза, соответствующая началу периода равна 0, для ¼ Т =90⁰, или /2, для ½ Т =180⁰, или  и т.д. Особое значение имеет не сама фаза колебаний в данный момент, а разность фаз двух волн, пришедших в 1 и ту же точку пространства. Если разность фаз равна 0, то напряженности поля складываются, что приводит к увеличению амплитуды колебаний, при разности фаз 180⁰ происходит взаимное гашение полей, наблюдается полное прекращение колебаний.

Разность фаз и интерференция света возникают в результате того, что колебания, прежде чем достигнут 1 и той же точки пространства, проходят разный путь. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света с300000км/сек=310¹⁰см/сек. Пока колебания от одной точки среды распространяются до другой точки, проходит некоторое время, в течение которого фаза колебаний в первой точке успевает измениться. Поэтому в 1 и тот же момент времени фаза колебаний (и напряженность поля) для разных точек пространства будет разной (напряженность поля периодически меняется).

Расстояние между двумя ближайшими точками, поле в которых меняется одинаково (в одной фазе), называется длиной волны 

(3)

Световые колебания разной длины волны (или частоты) воспринимаются глазом как различные цвета.

По корпускулярной теории скорость света в оптически более плотной среде, например в воде, больше, чем в воздухе, а по волновой, наоборот, меньше. Прямое измерение скорости света в воде и в воздухе показало, что права волновая теория: скорость света в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе, и показатель преломления воды по отношению к воздуху n=1,33.

Волновая теория хорошо объясняла почти все известные тогда явления, однако вскоре оказалось, что в некоторых случаях результаты опытов находятся в противоречии с этой теорией. Наиболее наглядно это противоречие видно в опытах по фотоэлектрическому эффекту. В любом металле имеются свободные электроны. Они могут перемещаться внутри куска металла, не выходя за его пределы. Для вырывания свободных электронов из металла необходимо совершить определенную работу, которая называется работой выхода. Для различных металлов она разная. При падении светового пучка на металл энергия световой волны передается свободным электронам. За счет этой дополнительной энергии некоторые электроны могут вылететь из металла. Это явление называется фотоэффектом. По волновой теории с увеличением амплитуды электромагнитных колебаний интенсивность светового пучка растет. Поэтому при работе с более интенсивными пучками света энергия, переданная каждому электрону, возрастает. Кинетическая энергия валентных электронов должна увеличиваться.

Число и скорость освобожденных электронов в зависимости от интенсивности и частоты света были измерены для многих металлов. Было установлено:

При увеличении интенсивности света определенной длины волны средняя энергия вылетевших электронов остается неизменной, но растет их число.
Даже небольшое уменьшение частоты света приводит к падению скорости электронов. При некоторой частоте скорость электронов становится практически равной нулю и переход к свету с еще меньшей частотой приводит к полному прекращению фотоэффекта.
Эта граница фотоэффекта зависит от работы выхода металла. Для металлов с большей работой выхода нужен свет с большей частотой.

Данные результаты опытов непонятны с точки зрения волновой теории, но они объясняются в современной теории света.

Атомы и молекулы излучают электромагнитные волны отдельными группами (волновыми пакетами). Каждый такой пакет распространяется как одно целое и обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его называют по аналогии с другими частицами – фотоном. При взаимодействии с материальными частицами фотон ведет себя как частица, однако обладает при этом и волновыми свойствами. Как и другие частицы, фотон переносит энергию. Его энергия – это суммарная энергия электромагнитного поля всего волнового пакета и зависит только от частоты колебаний 

(4)

где h=6,6210^-34Джс – постоянная Планка;

 — частота (Гц)

Вероятность нахождения фотона в точке х₀ максимальна, так как амплитуда волны в точке х₀ максимальна. Но существует вероятность обнаружить фотон и в других точках пространства.

Рис. 6

Интенсивность света J определяется числом фотонов N и энергией фотонов.

(5)

На основании современных представлений можно легко понять особенности фотоэффекта. При увеличении интенсивности света растет число фотонов, тогда как энергия каждого фотона остается неизменной, так как частота осталась прежней. Фотон поглощается полностью и его энергия передается одному электрону. Поэтому число свободных электронов растет, а их кинетическая энергия остается постоянной. При увеличении частоты света растет энергия каждого фотона, поэтому увеличивается и скорость свободных электронов. Легко понять также появление определенной граничной частоты фотоэффекта: когда для данного металла работа выхода одного электрона больше, чем энергия одного фотона, фотоэффект не наблюдается.

Таким образом, при изучении света, нужно одновременно пользоваться и волновыми и корпускулярными представлениями. Распространение света следует рассматривать, пользуясь волновой теорией, так как каждый фотон является группой волн и его движение как целого полностью определяется распространением этих волн. При изучении поглощения или испускания света веществом, наоборот, главную роль играет энергия фотона и лучше пользоваться представлением о свете как о потоке частиц.

Энергию фотонов часто измеряют в электрон – вольтах (эВ). 1эВ – это энергия, которая приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов 1В. Длина волны фотона

(6)

Длина волны также измеряется обычно в ангстремах (), микронах (мк), миллимикронах (ммк), метрах (м). Соотношения между указанными величинами следующие:

(7)

где

Корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и веществу. С каждой частицей вещества также связана волна материи (волна де-Бройля). При этом сохраняется связь (7).

Кроме энергии Е вещество еще характеризуется импульсом

(8)

где — число волн в единице длины, т.е. волновое число

(9)

(10)

Отсюда длина волны де-Бройля

(11)

Для материальной частицы массой m, движущейся со скоростью  импульс (если). Следовательно

(12)

с=2,997910⁸м/с

Возьмем в качестве частицы электрон, его масса m₀=9,110^-28г. Пусть электрон имеет энергию 10кэВ. Т.е. . Кинетическая энергия электрона

Тогда , или

Т.е. длина волны электрона с напряжением V равна

Для электрона с энергией 10кэВ

Можно вычислить длину волны де-Бройля для любой массы.

Для массы 60кг: первая космическая скорость – 7км/с=710³м/с, вторая космическая скорость – 11км/с=11.

— длина волны де-Бройля

Частота

Т.к. длина электрона меньше, чем длины волн света, то с использованием пучков электронов можно строить микроскоп. При этом можно будет различать более мелкие детали, чем в оптическом микроскопе, где .

Световые волны являются электромагнитными волнами в определенном диапазоне частот. Длина волны электромагнитных волн может изменяться в очень широких пределах от нескольких километров до малых долей ангстрема. Полный спектр содержит все типы электромагнитного излучения, расположенные по порядку от длинных к коротким волнам. В зависимости от длины волны меняется характер излучения и его свойства. В области длинных волн электромагнитное излучение имеет чисто волновой характер. Порция энергии, соответствующая отдельной группе волн, очень мала. Поэтому выделить отдельные кванты практически невозможно. Наоборот, в области коротких волн энергия одного кванта велика, и он может быть без труда обнаружен. Однако волновые свойства в связи с очень малой длиной волны почти незаметны.

Весь спектр удобно разделить на отдельные области в зависимости от применяемых источников излучения, методов разложения его в спектр и регистрации. Наиболее длинноволновая область спектра соответствует радиоволнам. Генерация и прием таких волн осуществляются методами радиотехники. Эти волны используют для радиовещания, более короткие – для телевидения.

Следующая область с более короткими волнами называется микроволновой с длинами волн от десятков сантиметров до десятых долей миллиметра. В этой области также применяют радиотехнические средства для получения и регистрации электромагнитных волн. Их используют для целей радиолокации и в последнее время в спектральном анализе.

Еще более короткие волны характеризуют оптическую область спектра: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Разложение излучения в спектр осуществляется с помощью оптических спектральных аппаратов. Излучение и поглощение света в оптических областях спектра тесно связано со строением отдельных атомов и молекул и широко используется в спектральном анализе. К инфракрасной области относят излучение с длиной волны от нескольких миллиметров (частично перекрывая длинноволновую область) до 0,75мк (7500).Инфракрасная область подразделяется на ближнюю (<25мк) и дальнюю (>25мк). Практически дальнюю инфракрасную область используют реже, чем ближнюю.

Видимая область занимает узкий участок спектра примерно от 4000 до 7500). Электромагнитное излучение, соответствующее этой области, воспринимается глазом человека как видимый свет различных цветов в зависимости от длины волны. Видимое излучение занимает только маленький участок во всем электромагнитном спектре, но способность глаза непосредственно видеть только эти волны делает его главным для человека. Для спектрального анализа эта область также представляет значительный интерес, хотя и меньший, чем соседние: ультрафиолетовая и ближняя инфракрасная области.

Ультрафиолетовая область спектра примыкает к фиолетовому участку видимой области и продолжается в сторону коротких волн вплоть до рентгеновских лучей. В связи с некоторыми различиями в спектральных приборах и методах регистрации спектра ее разделяют на три участка: область ближнего и среднего ультрафиолета (4000— 2300),область дальнего ультрафиолета (2300— 1850) и областьвакуумного ультрафиолета (1850— 50), излучение в которой поглощается воздухом.

К области вакуумного ультрафиолета примыкает рентгеновская область, которая важна для медицины и техники а также и для спектрального анализа, так как излучение и поглощение рентгеновских лучей связано с изменением внутреннего строения атомов.

За рентгеновской областью расположена область -лучей, которые возникают при различных процессах в ядрах атомов.

Изображение областей спектра приведено на рис. 7

Рис. 7. Области спектра

В таблице 1 приведены применяемые в спектральном анализе величины и соотношения между ними.

Таблица 1

Единицы измерения

Величина	Единица измерения	Соотношение между единицами	Соотношение между величинами
Длина волны	Метр (м)	1м=10⁶мк=10⁹ммк=10¹⁰	; ; ;
	Микрон (мк) или микрометр (мкм)	1мк=10^-6м=10³ммк=10⁴
	Миллимикрон (ммк) или нанометр (нм)	1ммк=10^-9м=10^-3мк=10
	Ангстрем ()	1=10^-10м=10^-4мк=10^-1ммк
Частота	Герц (Гц) или сек^-1		; ;
Частота	Мегагерц (МГц)	1МГц=10⁶Гц	; ;
Волновое число	Обратный метр (м^-1)	1м^-1=10^-2см^-1	; ;
Волновое число	Обратный сантиметр (см^-1)	1см^-1=10²м^-1	; ;
Энергия фотона Е	Джоуль (Дж)	1Дж=10⁷эрг=6,241910¹⁸эВ	; ;
	Эрг (эрг)	1эрг=10^-7Дж=6,241910¹¹эВ
	Электронвольт (эВ)	1эВ=1,6020710^-19Дж=1,60207 10^-12эрг