Велику частину інформації про навколишній світ людина сприймає через органи зору. Але самі очі здатні бачити лише один вид енергії - електромагнітну, та й то в дуже вузькому світловому діапазоні. Так що таке світло? Які відомі джерела видимого випромінювання використовує людина? У чому полягає подвійна природа світла? І які його основні властивості? Зараз з'ясуємо відповіді на ці питання.
Світло як електромагнітна хвиля
Світлом вважають електромагнітну хвилю, яку здатний бачити очей людини. Для цього довжина цієї хвилі не повинна виходити за межі від 380-400 нм до 760-780 нм. Після 780 нм починається інфрачервоний діапазон, який людина може відчувати, як тепло, а перед видимим спектром йде ультрафіолетове випромінювання. Його здатні бачити деякі комахи та птахи, а шкіра людини може відреагувати на нього засмагою. Сам видимий діапазон електромагнітного випромінювання розділений на відрізки, кожен з яких людина сприймає як світло певного кольору. Наприклад, фіолетовий відповідає довжині хвилі 380-440 нм, зелений - 500-565 нм, а червоний - 625-740 нм. Всього виділяють 7 основних кольорів видимого спектру, їх можна спостерігати, дивлячись на веселку. А ось білий світ - це змішання всіх кольорів спектра.
джерела світла
Джерелом світла є нагріте до певної температури або порушену речовина. На Землю світло надходить з Сонця, інших зірок, деяких розігрітих планет, комет та інших небесних тіл. На нашій планеті джерелом світла може бути вогонь - ватра, полум'я свічки, факела або олійної лампи, а також розігріте речовина. Людина винайшла і штучні джерела видимого випромінювання, зокрема, лампу розжарювання, де світло випромінює розігріта електрострумом вольфрамова спіраль, люмінесцентну лампу, в якій світиться шар люмінофора, збуджений електророзряд в наповнює колбу газі, галогенну лампу, ртутну і інші.
властивості світла
відображення
Видиме електромагнітне випромінювання поширюється в вакуумі і однорідних прозорих середовищах прямолінійно зі, що дорівнює приблизно 300 000 км / с. При цьому світло має безліч інших властивостей. Наприклад, світло відбивається від непрозорих поверхонь, причому кут падіння дорівнює куту відбиття. В результаті відбитий від предметів світло сприймається оком і дозволяє бачити ці предмети. Також зауважимо, що Місяць і деякі планети - НЕ джерела світла, а бачимо їх ми тому, що ці небесні тіла відображають випромінювання Сонця.
переломлення
При переході між двома середовищами з різною оптичною щільністю світло здатне переломлюватися. Скажімо, коли промінь переходить з повітря у воду, через різну оптичної щільності цих середовищ змінюється швидкість і напрям руху в них світла. Саме тому ложка в стакані води здається трохи переламаною, а камінчики на дні озера представляються ближче, ніж насправді.
Інтерференція і дифракція
Хвильова природа світла проявляється в таких його характеристиках, як інтерференція і дифракція. Перше властивість полягає в здатності декількох хвиль складатися в результуючу хвилю, параметри якої в різних точках помітно посилюються або слабшають. Результат інтерференції світла можна спостерігати у вигляді гри райдужних розлучень на мильних бульбашках, масляних плямах або крилах комах. А дифракція - це здатність хвилі світла огинати перешкоду і потрапляти в область його геометричній тіні, наприклад, розсіювання світла на крапельках води у вигляді райдужних хмар.
Світло як потік частинок
При цьому світло має не тільки хвильові властивості, а в деяких випадках веде себе як потік частинок - фотонів. Зокрема, закономірності явища фотоефекту, коли падаючий на речовина світло вириває з нього електрони, можна пояснити лише з точки зору нової теорії світла, що представляє електромагнітне випромінювання у вигляді потоку фотонів. Однак хвильова і фотонна теорії світла не тільки не суперечать один одному, а взаємно доповнюють. У науковому середовищі говорять про корпускулярно-хвильової двоїстості світу, яка пояснює, що таке світло, виявляє його властивості як хвилі і як потоку частинок.
Колись в давнину люди вважали, що наша здатність бачити обумовлена \u200b\u200bякимись променями, що виходять з очей і ніби «обмацують» поверхню предметів. Яким би смішним сьогодні не здавалася подібне уявлення, задумайтеся - а ви знаєте, що таке світло? Звідки він береться? Як ми сприймаємо його, і чому різні предмети мають різний колір?
Увімкніть лампочку і піднесіть до неї руку. Ви відчуєте що виходить від лампочки тепло. Відповідно, світло - це випромінювання. Будь-яке випромінювання переносить енергію, проте далеко не всяке випромінювання ми можемо сприймати візуально. Зробимо висновок, що світло - це видиме випромінювання.
властивості світла
Дослідним шляхом встановлено, що світло має електромагнітну природу, тому можна доповнити наше визначення наступним чином: світло - це видиме електромагнітне випромінювання.
Світло може проходити крізь прозорі тіла і речовини. Тому світло сонця проникає до нас через атмосферу, хоча при цьому світло заломлюється. А зустрічаючись з непрозорими предметами, світло відбивається від них, і ми можемо сприймати цей відбите світло оком, і таким чином бачимо.
Частина світла при цьому вбирається предметами, і вони нагріваються. Темні предмети нагріваються сильніше світлих, відповідно, більша частина світла вбирається ними, а відбивається менша. Тому ці предмети виглядають для нас темними.
Найбільше світла вбирають предмети чорного кольору. Саме тому влітку в спеку не варто одягати чорні речі, тому що можна отримати тепловий удар. З цієї ж причини влітку мами обов'язково надягають дітям світлі головні убори, які нагріваються значно менше, ніж волосся, мають більш темний колір.
джерела світла
Тіла, від яких світло виходить, називаються джерелами світла. Розрізняють природні і штучні джерела світла. Найвідоміший абсолютно всім жителям нашої планети природне джерело світла - це Сонце.
Сонце - це не тільки джерело видимого світла, але і тепла, внаслідок якого і можлива життя на Землі. Інші природні джерела світла - це зірки, атмосферні явища типу блискавки, живі істоти, такі як світлячки, і так далі.
Завдяки людині існують також і штучні джерела. Раніше для людей основним джерелом світла в темну пору був вогонь: свічки, факели, газові пальники і так далі. У наш час найбільш поширеними є електричні джерела світла. Причому вони поділяються в свою чергу на теплові (лампи розжарювання) і люмінесцентні (лампи денного світла, газосвітлова лампи).
поширення світла
Ще одна властивість світла - це прямолінійне поширення. Світло не може огинати перешкоди, тому за непрозорим предметом утворюється тінь. Тінь часто є не зовсім чорної, тому що туди потрапляють різні відображені і розсіяні промені світла від інших предметів.
Без світла ми не змогли б бачити навколишній нас світ, і тим не менше нам не відомо точно, що ж таке світло!
Ми знаємо, що світло - це одна з форм енергії. Можна виміряти його швидкість і ми знаємо його характеристики. Нам також відомо, що білий колір - це не окремий колір, це з'єднання всіх кольорів. Це називається «спектр».
Ми знаємо, що колір - це не сам об'єкт, а промені світла, які від нього виходять. Зелена папір виглядає зеленою, бо вона поглинає всі інші кольори, крім зеленого, який і сприймає наше око. Синє скло пропускає тільки синій колір, всі інші поглинаються їм.
Сонячне світло - це енергія. Тепло сонячних променів, сфокусованих лінзою, перетворюється у вогонь. Світло і тепло відображаються білими поверхнями і поглинаються чорними. Ось чому білий одяг холодніше чорної.
Яка ж природа світла? Першим, хто спробував серйозно зайнятися вивченням світла, був Ісаак Ньютон. Він вважав, що світло складається з корпускул, які на зразок куль вистрілюються джерелом світла. Але деякі характеристики світла не могли бути пояснені цією теорією.
Інший вчений, Гюйгенс, запропонував інше пояснення природи світла. Він розробив «хвильову» теорію світла. Він вважав, що світло утворює імпульси, або хвилі, на зразок того, як камінь, кинутий в ставок, створює хвилі.
Майже 150 років вчені сперечалися, чи є світло хвилями або корпускулами. Більшість учених взяло хвильову теорію. Але потім пішов нові відкриття, які поставили під сумнів цю теорію.
Нам відомо, що світло - одна з форм існування енергії. Подібно до того, як це має місце з деякими іншими формами енергії - теплом, радіохвилями, рентгенівськими променями, -можна виміряти його швидкість, частоту і довжину хвилі. У багатьох інших відносинах він поводиться так само, як і ці форми енергії.
Ми знаємо швидкість світла, вона становить приблизно 300 000 км в секунду. Таким чином, за рік промені світла (у вакуумі) проходять близько 9 461 000 000 000 км. Таку відстань астрономи називають світловим роком, і воно є головною одиницею виміру безкрайніх просторів космосу.
Було створено безліч теорій, які намагаються пояснити, що таке світло і як він існує. У XVII столітті знаменитий англійський вчений Ісаак Ньютон зробив припущення, що світло складається з маленьких частинок - «корпускул», щось на зразок крихітних куль, що вилітають з джерела світла, як з дула автомата. Однак його «корпускулярна» теорія світла виявилася нездатною пояснити деякі особливості його поведінки.
Приблизно в цей же самий час інший учений - Християн Гюйгенс - розвинув хвильову теорію світла. Його ідея полягала в тому, що відображає яке випромінює світло тіло створює навколо себе коливання або хвилі, схожі на круги хвиль, що розходяться по спокійній поверхні ставка, якщо в нього впустити камінь.
Спори між прихильниками цих двох теорій не замовкали протягом двох століть. У міру того, як ставали відомі певні особливості світла, ідея корпускулярної природи світла здавалося почала відмирати.
Однак розвиток науки тривало, і, врешті-решт, вчені прийшли до висновку, що природа світла може бути пояснена тільки об'єднанням двох теорій. Експериментальні дослідження показали, що кожна з них може бути справедлива. Початок об'єднаної теорії поклав французький фізик Луї де Бройль, який ввів поняття хвиля-частинка. Таким чином, точного і однозначної відповіді на питання, що таке світло, просто не існує.
«І сказав Бог:« Хай буде світло! », І стало світло». Всім відомі ці слова з Біблії і всім зрозуміло: життя без нього неможлива. Але що таке світло за своєю природою? З чого складається він і які має властивості? Що таке видимий і невидимий світ? Про ці та деякі інші питання поговоримо в статті.
Про роль світла
Більшість інформації зазвичай сприймається людиною через очі. Все розмаїття кольорів і форм, які властиві матеріального світу, відкривається йому. А сприймати через зір він може лише те, що відображає певний, так званий видиме світло. Джерела світла можуть бути природними, наприклад сонце, або штучні, створені електрикою. Завдяки такому висвітленню стало можливим працювати, відпочивати - словом, вести повноцінний спосіб життя в будь-який час доби.
Природно, такий важливий життєвий аспект займав розуми багатьох людей, що 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, що задався цим питанням, вважав світло певною дією, яке поширювалося в середовищі. Іншої думки дотримувався філософ із Стародавнього Риму, Лукрецій Кар. Він був упевнений, що все існуюче в світі складається з найдрібніших частинок - атомів. І світло також має таку будову.
У сімнадцятому столітті ці погляди лягли в основу двох теорій:
- корпускулярної;
- хвильової.
Сьогодні відомо, що всі тіла поширюють інфрачервоне світло. Джерела світла, випускаючи інфрачервоні промені, мають велику довжину хвилі, але слабкіше ніж червоні.
Теплом є випромінювання інфрачервоного спектра, що виходить від рухомих молекул. Чим вище їх швидкість, тим більше випромінювання, і такий об'єкт стає тепліше.
ультрафіолет
Як тільки відкрили інфрачервоне випромінювання, Вільгельм Ріттер, німецький фізик, почав вивчати протилежну сторону спектра. Довжина хвилі тут виявилася менше, ніж у фіолетового кольору. Він зауважив, 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 і 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 і пошкодити очі, а надто великі надають навіть канцерогенну дію.
застосування ультрафіолету
висновок
Якщо враховувати мізерно малий спектр видимого світла, стає зрозумілим, що і оптичний діапазон людиною вивчений дуже бідно. Однією з причин такого підходу є підвищений інтерес людей до того, що видно оку.
Але через це розуміння залишається на низькому рівні. Весь космос пронизаний електромагнітними випромінюваннями. Найчастіше люди їх не тільки не бачать, але і не відчувають. Але якщо енергія цих спектрів збільшується, то вони можуть викликати нездужання і навіть стають смертельно небезпечними.
При вивченні невидимого спектру стають зрозумілими деякі, як їх називають, містичні явища. Наприклад, кульові блискавки. Буває, що вони, наче нізвідки, з'являються і раптово зникають. Насправді просто здійснюється перехід від невидимого діапазону в видимий і назад.
Якщо використовувати при проведенні фотозйомок неба під час грози різні камери, то іноді виходить відобразити перехід плазмоидов, їх поява в блискавках і зміни, що відбуваються в самих блискавках.
Навколо нас абсолютно 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.
Книга «Всесвіт. Керівництво по експлуатації »- ідеальний путівник по найважливішим - і, звичайно, самим чарівним - питань сучасної фізики:« Чи можливі подорожі в часі? »,« Чи існують паралельні всесвіти? »,« Якщо Всесвіт розширюється, то куди вона розширюється? » , «Що буде, якщо, розігнавшись до швидкості світла, подивитися на себе в дзеркало?», «Навіщо потрібні колайдери частинок і чому вони повинні працювати постійно? Хіба в них не повторюють без кінця одні і ті ж експерименти? ». Гумор, парадоксальність, захопливість і доступність викладу ставлять цю книгу на одну полицю з бестселерами Г. Перельмана, С. Хокінга, Б. Брайсона і Б. Гріна! Справжній подарунок для всіх, кого цікавить сучасна наука, - від допитливого старшокласника до його улюбленого вчителя, від студента-філолога до доктора фізико-математичних наук!
Коли радіохвиля досягає вашої антени, вона перетворюється в звукову хвилю (яка створюється рухом мембран в динаміках), а звукова хвиля б'є вас в обличчя зі швидкістю приблизно 340 метрів в секунду. Це означає, що за рідкісними винятками радіосигналу потрібно менше часу, щоб дістатися від передавача радіостанції до вашого радіоприймача, ніж звуковий хвилі - щоб дістатися від динаміка до вашого вуха.
Нарешті, є ще довжина хвилі - відстань між сусідніми максимумом і мінімумом, а заодно і характеристика кольору і енергії хвилі. Видиме світло має довжину хвилі трохи менше однієї тисячної частки міліметра. Хвилі з більш низькою енергією, наприклад радіохвилі, мають довжину більше сантиметра. Хвилі з більш високою енергією, наприклад рентгенівські промені, мають довжину хвилі 10 -11 - 10 -8 метра, а у гамма-променів енергія ще вище. Їх краще уникати, оскільки, дай їм волю, вони відразу ж нагородять всіх, до кого дотягнуться, надприродними здібностями.
Здається, що ці дві картинки - хвиля і частка - дуже різні. З іншого боку, виявляється, обидві пророкують в точності одне й те саме. Наприклад, ми знаємо, що якщо посвітити на дзеркало, то світло відіб'ється від дзеркала і буде сприйнятий оком.
Відображення дуже легко пояснюється поданням про частки. Якщо ви хоч трохи схожі на нас, то поширена гра «поганяти м'яч з хлопцями» зводиться для вас до кидання тенісного м'ячика в двері гаража. Млява подача, гучний «бум» і незграбний відскік - і м'ячик знову у вас в руці. Якщо ви зосередитеся дуже сильно, то, ймовірно, згадайте, як вам пояснювали про м'ячик: «Кут падіння дорівнює куту відбиття». А може бути, і немає. Може бути, якщо ви зосередитеся дуже сильно, ви почуєте головну тему з «Індіани Джонса». Тоді повірте нам на слово. Ви знаєте все про відображення фотонів. Якщо ви заміните тенісний м'ячик фотоном, а гаражні двері - дзеркалом, то прекрасно опишете світло.
Зрозуміло, хвиля відбивається точно так же. Уявіть собі пристрій скрипки або концертного залу. Акустика як така визначається тим, що відбувається зі звуковою хвилею, коли вона відбивається від стін кімнати або іншого порожнього простору. Причому в точності як у випадку з часткою відбиття світла підпорядковується чарівному співвідношенню - «кут падіння дорівнює куту відбиття».
Звісно ж, що всі ці суперечки про частки і хвилях не більше ніж софістика: адже обидві гіпотези пояснюють відображення абсолютно однаково. Але не турбуйтеся - хвилі і частинки пояснюють однаково аж ніяк не всі явища.
Для нас (і для Гюйгенса) хвиля цікава і корисна тим, що дві хвилі здатні интерферировать один з одним. Киньте в спокійний ставок пару камінчиків - і ви зрозумієте, що ми маємо на увазі.
Фізичні феномени можна пояснювати як завгодно, але вони не відповідають на важливе питання: з чого складається світ - з електромагнітних хвиль або з частинок? Ця суперечка тягнувся сотні років, до самого XX століття, коли було оголошено, що перемогла дружба, - приблизно як в конкурсі самодіяльності в дитячому саду. Щоб зрозуміти, як це відбувається, повернемося до нашого героя - містера Джекіля.
Після стомлюючого дня, присвяченого кидання сніжок і безневинним жартам з правоохоронцями, доктор Джекіл повертається додому, де у нього влаштована лабораторія, щоб віддатися новим експериментам. Оскільки там у нього в розпорядженні є більш цивілізовані наукові апарати, він може провести досвід Юнга з подвійною щілиною як годиться. Тобто замість парканів і сніжок він бере екран з тонкою вертикальною щілиною і світлом з лазерного джерела. За переднім екраном стоїть задній проекційний екран, на якому ми бачимо світлові візерунки. Ну, як ви думаєте, що побачить доктор Джекіл?
Тут і думати нічого. Він побачить на далекому екрані яскраву вертикальну лінію.
З іншого боку, якщо він проріже в передньому екрані дві щілини, картина дещо ускладниться.
Тут доктор Джекіл виявляє, що в ньому прокинувся звір - містер Хайд. Світло проходить крізь обидві щілини, і хвиля з однієї інтерферує з хвилею від іншої, від чого на проекційному екрані з'являється складний візерунок.
Ось як виглядав зверху апарат з двома щілинами, згідно оригінальним нотаток Юнга.
Світло проходить крізь щілини А і В, досягає протилежного екрану і створює яскраві плями в точках С, D, Е і F (а також в точках вище і нижче, де Юнг обриває схему). Знайома картина? Начебто ви кинули камені в ставок в точках А і В? Просто це більш точна версія того, як виглядають интерферирующие між собою хвилі.
Навіть якщо ви нічого не винесете з цієї дискусії, ви повинні знати, що безліч яскравих ліній - вірна ознака того, що ми маємо справу з інтерференцією. Щоб интерферировать один з одним, промені світла повинні проходити і через праву, і через ліву щілини одночасно, а інакше у нас не вийде складного малюнка, який ми бачимо на протилежному екрані.
На відміну від відображення, отримати інтерференцію від частинок ніяк не виходить. Якщо взяти в кожну руку по більярдній кулі і зіштовхнути їх, то не вийде місць, де кулі интерферируют. Складаються і интерферируют тільки хвилі.
Отже, ось вам просте практичне керівництво:
Дві яскраві лінії \u003d як частки (Джекіл);
Багато яскравих ліній \u003d як хвилі (Хайд).
| <<< Назад
|
вперед \u003e\u003e\u003e |