какова природа света?
Луч света состоит из летящих с огромной скоростью частиц, которые называются фотонами. Каждый фотон — это крошечный сгусток энергии. Скорость полета частиц света 300 000 километров в секунду. Ничто во Вселенной не может передвигаться с большей скоростью. Фотон не простая частица. Это маленький отрезок электромагнитной волны. Волны отличаются друг от друга энергией и длиной. Чем длиннее волна, тем меньше ее энергия. Фотоны (иначе их называют квантами) разных видов излучения — это отрезки волн различной длины. Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение в определенном диапазоне длин волн: это видимый свет (его источники — Солнце и электрические светильники) . Гамма — лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение — это тоже свет, но энергия его частиц очень высока, а длина волны мала. Поэтому мы не можем видеть эти лучи. Есть длинноволновые излучения — инфракрасный свет, радиоволны, энергия фотонов которых мала, поэтому их мы тоже не видим.
Белый свет — это смесь фотонов световых волн различной длины.
Наши глаза различают их по цвету. Если на пути светового луча поставить стеклянную призму, то луч преломится, то есть отклонится от своего первоначального направления. Лучи различного цвета преломляется под разными углами, поэтому призма разложит белый свет на составляющие его цветные лучи — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Фотоны красного света обладают наименьшей энергией, они и отклоняются меньше других. У фотонов фиолетового света энергия наибольшая, поэтому и отклонение больше, чем у остальных. Прочие цвета располагаются в промежутке между красным и фиолетовым. Если на пути лучей получившейся радуги поставить другую призму, то можно снова собрать их в один белый луч.
Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство — светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса.
Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.
Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало, что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.
Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет — электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко) .
Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других — свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.
В настоящее время установлено, что корпускулярно — волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.
Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи — вещества и поля.
Источник
Как возникает свет и цвет
Свет излучается многими объектами материального мира, будь то звезда, горящая древесина или лампа. Природа света двояка, он и волна и частица. Свет, излученный одним объектом, перемещается в пространстве и поглощается другими. Так что же заставляет материю порождать свет, как возникает световое излучение? Все дело во входящих с состав атомов электронах, их энергии и электронных уровнях.
В строении атома выделяют электронные уровни. Чем ближе уровень к ядру атома, тем меньше на нем может располагаться электронов и меньше их энергия. Объяснить, почему близкие к ядру электроны обладают меньшей энергией можно так. Ядро заряжено положительно, а электрон – отрицательно. Они притягиваются друг к другу. Чтобы оттащить электрон от ядра, нужна какая-то дополнительная энергия, которая даст электрону силу отойди от ядра дальше.
Чем положительный заряд ядра больше, тем больше его притягивающая сила и тем больше у атома электронов, которые из-за своего количества вынуждены располагаться по разным уровням, так как не могут вместиться на одном. Дальние будут обладать большей энергией по умолчанию, как данность. Однако при поступлении энергии из вне электрон может перескочить на более дальний чужой для него уровень. Говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние.
Однако электрон и ядро все равно будут стремиться сблизиться, и если есть свободное место на электронном уровне ближе к ядру, электрон туда вернется и окажется в своем основном состоянии. При этом дополнительная энергия окажется ненужной, она будет «выброшена» из атома.
Электроны могут находиться в возбужденном состоянии всего одну сотую миллисекунды (10 -8 секунды). Когда электрон возвращается в свое основное состояние, то выделяет энергию, и эта энергия выделяется в форме частицы и волны света. Таким образом, свет возникает как энергия, высвобождаемая электроном. Частицы света называют фотонами, а также квантами.
Поскольку в атоме разные электронные уровни обладают разной энергией, то энергия излучается разная, в зависимости от того, с какого уровня соскакивал электрон. Следовательно, свет не единообразен по своей природе, существуют различные по энергии фотоны и соответствующие им разные длины волн света.
Итак, свет порождают электроны, которые выделяют энергию при переходе на более низкие энергетические уровни.
Причины, по-которым электроны возбуждаются, бывают разными. Это может быть высокая температура или поглощение дошедшего до них кванта света. Температура возникает из-за того, что в веществе атомы и молекулы начинают колебаться. Чтобы заставить их колебаться, также необходимо поступление энергии извне. Но какова ее природа, нас сейчас не интересует. Главное, что при дрожании атомов их электроны могут переходить на более высокие электронные уровни.
При оптическом, а не термическом, возбуждении электрон поднимается на уровень выше под действием кванта света. При этом энергия этого кванта должна быть точно равна разности энергий между двумя состояниями электрона. Поэтому произойдет оптическое возбуждение электрона или нет, зависит от природы света, то есть длины его волны.
Наш глаз воспринимает свет с той или иной длинной волны как определенный цвет. Однако мы воспринимает не все длины волн. В радуге – видимом для нас спектре – длины волн уменьшаются от красного к фиолетовому. Энергия же квантов света увеличивается от красного к фиолетовому. Таким образом, чем меньше длина волны света, тем больше в нем энергии.
Не зря так опасен ультрафиолетовый свет, который мы уже не видим, и который находится за фиолетовым. Он обладает большой разрушительной для живых клеток энергией. С другой стороны, инфракрасный свет лежит до красного. Мы воспринимаем такой свет как тепло.
Белый свет по своей природе – смесь цветов радуги. Он раскладывается на составляющие при прохождении сквозь призму, так как разные длины волн идут через нее с разной скоростью, в результате чего возникает преломление света. У каждого цвета оно свое: фиолетовый преломляется сильнее всего, красный – меньше всего. Другими словами, цвет возникает в результате разложения белого света.
Связь света с энергией электрона обуславливает так называемые спектры поглощения и излучения различных атомов. Зная их, можно понять, из каких атомов состоит то или иное тело. Например, анализ спектров используется для определения химического состава удаленных звезд.
В атомах определенного химического элемента обычно возбуждаются не все электроны, а только определенные. Для этого требуется свет определенной длины волны, обладающий конкретной энергией, а не любой. Если пропустить белый свет сначала через призму, чтобы он разложился в спектр, а затем через прозрачное вещество (например, водород), то в видимом спектре появятся черные полосы. Свет определенных длин волн исчезнет, так как будет «поглощен» электронами, способными прыгнуть на более высокий энергетический уровень.
Однако электроны быстро возвращаются к своему основному состоянию. Освобождающиеся при этом кванты рассеиваются в разных направления. Однако если собрать излученный свет и пропустить через призму, мы увидим поглощенные ранее цвета.
Таким образом, собрав спектры излучения звезд и сравнивая их со спектрами поглощения или излучения разных атомов, можно определять химический состав небесных тел.
Copyright © 2019. All Rights Reserved
Источник
Что такое свет с точки зрения физики?
На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.
Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?
Что такое свет?
Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.
Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.
Какова природа света?
Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.
По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.
Какие характеристики имеет свет?
Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.
Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».
Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.
Какова скорость света?
Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.
Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.
В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.
Как свет воспринимается глазом?
Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.
Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.
Источник