Свет – Электромагнитное излучение, испускаемое нагретой или возбужденной материей. Часто под светом понимают не только видимый свет, но и более широкие, смежные области спектра. Термин “невидимый свет” появлялся на протяжении всей истории – ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длина волны видимого света составляет от 380 до 780 нанометров [1], что соответствует частотам от 790 до 385 терагерц соответственно.
Что такое свет Определение
Свет – Электромагнитное излучение, испускаемое нагретой или возбужденной материей. Часто под светом понимают не только видимый свет, но и более широкие, смежные области спектра. Исторически возник термин “невидимый свет” – ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длина волны видимого света лежит между 380 и 780 нанометрами [1], что соответствует частоте от 790 до 385 терагерц соответственно.
Раздел физики, который занимается изучением света, называется оптика.
Свет можно рассматривать либо как электромагнитную волну, скорость распространения которой в вакууме постоянна, либо как поток фотонов – частиц, обладающих определенной энергией, импульсом, угловым моментом и нулевой массой.
Наибольшая точность измерений была достигнута в начале 1970-х годов. В 1975 году 15-я Генеральная конференция по мерам и весам утвердила это положение и рекомендовала принять скорость света равной 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4-10-9, что соответствует абсолютной погрешности 1,1 м/с. Это значение скорости света позже было положено в основу Международной системы единиц (СИ), а сама скорость света стала рассматриваться как фундаментальная физическая константа, по определению равная этому точному значению.
Содержание
Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком как осознанное зрительное ощущение, является его цвет, который для монохроматического излучения зависит в основном от частоты света, а для сложного излучения – от его спектрального состава.
Свет может распространяться даже в отсутствие материи, т.е. в вакууме. Однако наличие материи влияет на скорость распространения света.
Скорость света в вакууме c = 299 792 458 м/с (точно, потому что с 1983 года единица длины СИ, метр, определяется как расстояние, проходимое светом за определенное время).
Свет на границе раздела сред преломляется и отражается. При распространении света через среду он поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются ее показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, а мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае времени и координаты); в анизотропных средах он является тензором. Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) означает, что различные длины волн света распространяются с разной скоростью в данной среде; это позволяет разделить немонохроматический свет (например, белый свет) на спектры.
Как и все электромагнитные волны, свет может быть поляризован. Для линейно поляризованного света существует определенная плоскость (так называемая “плоскость”). плоскость поляризации), в которой колеблется вектор электрической волны. В циркулярно поляризованном свете электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Неполяризованный свет – это смесь световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть отделен от неполяризованного путем пропускания через поляризатор или путем отражения/преломления на границе фаз, когда он падает под определенным углом на границе фаз, в зависимости от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причем угол зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе (например, для измерения концентрации сахара в растворе).
Количественно интенсивность света характеризуется несколькими типами фотометрических величин. Основные из них – это количество энергии и света. Первые характеризуют свет без привязки к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также в их производных. К энергетическим величинам, в частности, относятся: лучистая энергия, лучистый поток, лучистая мощность, энергетическая яркость, энергетическая освещенность и облученность.
У каждой энергетической величины есть аналог – фотометрическая световая величина. Световые величины отличаются от энергетических величин тем, что они оценивают свет на основе его способности производить зрительные впечатления на человека. Световыми аналогами вышеуказанных энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, освещенность и освещенность.
Тот факт, что значения освещенности учитывают зависимость зрительных ощущений от длины волны света, приводит к тому, что для одних и тех же значений, напр. энергии, переносимой зеленым и фиолетовым светом, световая энергия, переносимая в первом случае, будет намного выше, чем во втором. Этот результат отражает тот факт, что чувствительность человеческого глаза к зеленому свету выше, чем к фиолетовому.
Видимый свет – это электромагнитное излучение с длиной волны ≈ 380-760 нм (от фиолетового до красного).
Многие ученые уже в 17 и 18 веках начали предполагать, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами. Эксперименты Юнга, Френеля и Ньютона ясно показали, что Характеристики волн выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они необходимы для доказательства того, что мы имеем дело с волной.
Волновые свойства света
То, что свет – это волна излучения со специфическими волновыми свойствами, многие ученые начали признавать еще в XVII и XVIII веках. Эксперименты Юнга, Френеля и Ньютона ясно показали, что Характеристики волн выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они важны для доказательства того, что мы имеем дело с волной.
Луч видимого света способен обойти препятствия любой формы и осветить даже те участки, которые предположительно находятся в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для частиц, называется дифракцией.
Также было показано, что излучение может накладываться и дополнять волны аналогичной природы, или “притупляться”, снижая их интенсивность. Это явление называется интерференцией.
Он активно используется, например, при производстве автомобильных фар – их стекло имеет особую текстуру, которая позволяет использовать интерференцию и максимизировать интенсивность света.
Но утверждение, что свет – это просто волна, также встречает возражения. Потому что другие эксперименты, например, российского ученого Вавилова, показывают, что он обладает двойственными характеристиками.
Чувствительность органов зрения живых существ не является постоянной в спектральной зоне видимого света. Например, для человека, на основании [3.2], чувствительность органов зрения приведена на рисунке 2.
Теории восприятия цвета
На сегодняшний день существует несколько теорий восприятия цвета. Пожалуй, самой распространенной из них является теория трех частей, предложенная тремя авторами – М.В. Ломоносовым, Т. Юнгом и Х. Гельмгольца. Согласно этой теории, в человеческом глазу есть три цветочувствительных аппарата: красный, зеленый и синий. Каждый из них возбуждается в большей или меньшей степени, в зависимости от длины волны излучения. Эти возбуждения затем суммируются так же, как суммируются цвета. Суммарное возбуждение воспринимается человеком как тот или иной цвет. В своей работе “Цветовое зрение” авторы Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич отмечают: “. Трехкомпонентная теория хорошо объясняет важнейшие закономерности цветового зрения: адаптацию, индукцию, цветовую слепоту, спектральную чувствительность глаза, зависимость цвета от яркости и другие, Однако следует отметить, что в настоящее время известны факты, свидетельствующие о более сложной картине функционирования органа зрения. ” [2.1].
Другая теория, очень распространенная и имеющая множество подтверждений, – это оппозиционная цветовая теория Э. Геринга. Геринг предположил, что в колбочках сетчатки может быть три типа гипотетических веществ: бело-черное, красно-зеленое и желто-синее. Под действием потока света они разрушаются (один луч света), образуя белый, красный или желтый цвет, или синтезируются (другой луч света) из черного, зеленого или синего цвета. Геринг предположил, что существует четыре основных цвета: красный, желтый, зеленый и синий, которые соединяются друг с другом посредством двух антагонистических механизмов: зелено-красного и желто-синего. Третий противоположный механизм также был постулирован для ахроматически комплементарных цветов – белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Геринг назвал эти цветовые пары “цветами противника”. Из его теории следует, что такие цвета, как зеленовато-красный и сине-желтый, не могут существовать. Таким образом, оппонентная теория цвета постулирует наличие цветоспецифических антагонистических нейронных механизмов. Например, если такой нейрон стимулируется зеленым световым стимулом, то красный стимул должен вызвать его торможение. Противоположные механизмы, предложенные Герингом, были частично подтверждены после того, как научились регистрировать активность нервных клеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, красно-зеленые и желто-синие горизонтальные клетки были обнаружены у некоторых позвоночных, обладающих цветовым зрением. В клетках красно-зеленого канала потенциал покоя мембраны изменяется, и клетка становится гиперполяризованной, когда свет спектральной длины падает на ее рецептивное поле, и деполяризованной, когда предъявляется стимул с длиной волны более 600 нм. Клетки желто-голубого канала гиперполяризуются при воздействии света с длиной волны менее 530 нм и деполяризуются между
Многие исследования подтвердили предположения этих двух теорий, например, у приматов существует только три типа колбочек: те, которые воспринимают цвета в фиолетово-синей, зелено-желтой и желто-красной частях спектра. Каждый тип колбочек интегрирует входящую лучистую энергию в довольно широком диапазоне длин волн, и диапазоны чувствительности трех типов колбочек перекрываются, различаясь только размером графика чувствительности.
Поэтому человеческое зрение является тристимульным анализатором, т.е. спектральные характеристики цвета выражаются только тремя значениями. Если сравнимое излучение разного спектрального состава производит одинаковое воздействие на колбочки, цвета воспринимаются как одинаковые.
В животном мире известны четырех- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, поэтому цвета, воспринимаемые человеком как одинаковые, могут казаться животным разными. Например, хищные птицы могут видеть следы грызунов на тропинках к их норам только благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.
Другие важные определения, которые следует иметь в виду при изучении оптических явлений, следующие:
Характеристики и основные свойства света
Фундаментальной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, т.е. его двойственная природа, присущие ему свойства как волны, так и частицы.
Основные волновые свойства этого явления включают:
- Интерференция – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн друг на друга.
- Дифракция. Этот термин относится к свойству световых волн огибать препятствия на своем пути.
- Поляризация – это свойство светового излучения распространяться в определенном направлении (лазеры).
Квантовые свойства света рассматриваются как:
- Фотоэффект – испускание электронов веществом под воздействием электромагнитного излучения.
- Излучение черного тела. Абсолютно черное тело в физике – это тело, которое поглощает все падающее на него излучение.
- Эффект Комптона. Комптон изучал упругое рассеяние коротковолновых рентгеновских лучей на свободных электронах вещества. Его открытие эффекта увеличения длины волны рассеянного излучения было названо эффектом Комптона.
Спектральный состав света
Уже Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет представляет собой совокупность многих цветов или длин волн, которые, взаимодействуя друг с другом, складываются в белый свет. Видимый свет имеет диапазон от 380 до 780 нанометров.
Если длина волны излучения короче 380 нм, оно называется ультрафиолетовым светом; если длина волны больше 780 нм, оно называется инфракрасным.
Помимо ультрафиолетового и инфракрасного излучения, существуют и другие виды излучения, известные науке:
- гамма-излучение;
- Рентгеновские снимки;
- Микроволновая печь и т.д.
Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляясь и отражаясь. Преломление – это изменение направления распространения электромагнитных волн. В нашей повседневной жизни это явление встречается повсеместно. Например, если вы посмотрите на стакан чая с ложкой в нем, вы заметите, что он кажется “преломленным” на границе между воздухом и жидкостью.
Аналогичным образом, отражение света – знакомое нам явление, позволяющее увидеть себя в воде, в зеркале или на блестящих предметах. Другие свойства включают способность света к поляризации и изменению интенсивности.
Как свет воспринимается глазом?
Как было сказано выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. Мы не смогли бы видеть электромагнитное излучение, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, реагирующих на это излучение. Сетчатка глаза человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые очень чувствительны к свету и поэтому могут функционировать только при слабом освещении, то есть они отвечают за ночное зрение. В то же время они показывают мир только в черно-белом цвете.
Колбочки имеют пониженную чувствительность к свету и обеспечивают дневное зрение, что позволяет видеть цвета. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах есть 3 типа колбочек, которые различаются по распределению чувствительности.
Читайте далее:- Инфракрасное излучение.
- Видимый диапазон.
- Урок 7 Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. колебательный контур – физика – 11 класс – Русская электронная школа.
- Интерференция волн – материал по физике PSE.
- Электричество и магнетизм.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Источники электромагнитного излучения и их воздействие на организм.