СВІТЛО: ІСТОРІЯ, ПРИРОДА, ПОВЕДІНКА, ПОШИРЕННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Світло являє собою електромагнітну хвилю можна виявити з допомогою почуття зору. Він входить до складу електромагнітного спектру: відомого як видиме світло. Протягом багатьох років були запропоновані різні теорії для пояснення його природи.

Наприклад, віра в те, що світло складається з потоку частинок, випромінюваних предметами або очима спостерігачів, довго трималася. Цю віру арабів та стародавніх греків поділяв Ісаак Ньютон (1642-1727) для пояснення явищ світла.

Малюнок 1. Небо синє завдяки розсіюванню сонячного світла в атмосфері. Джерело: Pixabay.

Хоча Ньютон підозрював, що світло має хвильові якості і Крістіан Гюйгенс (1629-1695) зумів пояснити заломлення та відбиття за допомогою хвильової теорії, віра про світло як частинку була поширена серед усіх вчених до початку 19 століття. .

На світанку того століття англійський фізик Томас Янг без сумніву показав, що світлові промені можуть перешкоджати один одному, як і механічні хвилі в струнах.

Це могло лише означати, що світло - це хвиля, а не частинка, хоча ніхто не знав, що це за хвиля до 1873 р. Джеймс Клерк Максвелл стверджував, що світло - електромагнітна хвиля.

За підтримки експериментальних результатів Генріха Герца 1887 року хвильовий характер світла встановився як науковий факт.

Але на початку XX століття з'явилися нові свідчення про тілесність світла. Така природа присутня в явищах випромінювання та поглинання, коли енергія світла транспортується в упаковках, званих "фотонами".

Таким чином, оскільки світло поширюється як хвиля і взаємодіє з речовиною, як частинка, в даний час у світлі розпізнається подвійна природа: хвиля-частинка.

Природа світла

Зрозуміло, що природа світла подвійна, поширюється як електромагнітна хвиля, енергія якої надходить у фотонах.

Вони, які не мають маси, рухаються у вакуумі зі постійною швидкістю 300 000 км / с. Це відома швидкість світла у вакуумі, але світло може подорожувати через інші носії, хоча і з різною швидкістю.

Коли фотони досягають наших очей, активуються датчики, які виявляють наявність світла. Інформація передається в мозок і там інтерпретується.

Коли джерело випромінює велику кількість фотонів, ми бачимо його як яскраве джерело. Якщо ж, навпаки, вона випромінює мало, це трактується як непрозоре джерело. Кожен фотон має певну енергію, яку мозок інтерпретує як колір. Наприклад, сині фотони більш енергійні, ніж червоні фотони.

Будь-яке джерело, як правило, випромінює фотони різної енергії, звідси і колір, з яким його бачать.

Якщо більше нічого не випромінює фотони з єдиним типом енергії, це називається монохроматичним світлом. Лазер - хороший приклад монохроматичного світла. Нарешті, розподіл фотонів у джерелі називається спектром.

Хвиля також характеризується тим, що має певну довжину хвилі. Як ми вже говорили, світло належить до електромагнітного спектру, який охоплює надзвичайно широкий діапазон довжин хвиль, від радіохвиль до гамма-променів. На наступному зображенні показано, як промінь білого світла розсіює трикутну призму. Світло розділяється на довгі (червоні) та короткі (сині) довжини хвилі.

Посередині розташована вузька смуга довжин хвиль, відома як видимий спектр, що становить від 400 нанометрів (нм) до 700 нм.

Малюнок 2. Електромагнітний спектр, що показує діапазон видимого світла. Джерело: Джерело: Wikimedia Commons. Автор: Хорст Франк.

Поведінка світла

Світло має поведінку подвійного, хвильового та частинок. Світло поширюється так само, як електромагнітна хвиля, і як таке воно здатне транспортувати енергію. Але коли світло взаємодіє з речовиною, він поводиться як пучок частинок, який називається фотонами.

Малюнок 4. Поширення електромагнітної хвилі. Джерело: Wikimedia Commons. СуперМану.

У 1802 році фізик Томас Янг (1773-1829) продемонстрував, що світло має хвильову поведінку, використовуючи експеримент з подвійною щілиною.

Таким чином він зміг створювати максимальні та мінімальні перешкоди на екрані. Така поведінка характерна для хвиль, і тому Янг зміг продемонструвати, що світло є хвилею, а також зміг виміряти свою довжину хвилі.

Інший аспект світла - це частинка, представлена ​​пакетами енергії, званими фотонами, які у вакуумі рухаються зі швидкістю c = 3 x 10 ⁸ м / с і не мають маси. Але вони мають енергію Е:

А також імпульс величини:

Де h - постійна Планка, значення якої - 6,63 х 10 ^-34 джоуля. Секунда, а f - частота хвилі. Поєднання цих виразів:

А оскільки довжина хвилі λ і частота пов'язані c = λ.f, то залишається:

Принцип Гюйгенса

Малюнок 5. Фронт хвилі фронту та світла, що поширюються по прямій лінії. Джерело: Сервей. Р. Фізика для науки та техніки.

При вивченні поведінки світла слід враховувати два важливих принципи: принцип Гюйгенса та принцип Ферма. Принцип Гюйгенса говорить, що:

Чому сферичні хвилі? Якщо припустити, що середовище однорідне, світло, що випромінюється точковим джерелом, поширюватиметься в усіх напрямках однаково. Ми можемо уявити, як світло поширюється посеред великої сфери з рівномірно розподіленими променями. Хто спостерігає за цим світлом, він сприймає, що він рухається прямою лінією до свого ока і рухається перпендикулярно хвилі фронту.

Якщо світлові промені надходять із дуже віддаленого джерела, наприклад, Сонця, фронт хвилі плоский, а промені паралельні. Це все, що стосується геометричної оптики.

Принцип Ферма

Принцип Ферма говорить, що:

Цей принцип завдячує своєю назвою французькому математику П'єру де Ферма (1601-1665), який вперше встановив його в 1662 році.

Відповідно до цього принципу, в однорідному середовищі світло поширюється з постійною швидкістю, тому він має рівномірний прямолінійний рух, а його траєкторія - пряма.

Поширення світла

Світло подорожує, як електромагнітна хвиля. І електричне, і магнітне поле породжують одне одного, утворюючи сполучені хвилі, які знаходяться у фазі та перпендикулярні один одному та напрямку розповсюдження.

Взагалі хвиля, що поширюється в просторі, може бути описана з точки зору хвильового фронту. Це безліч точок, які мають однакову амплітуду і фазу. Знаючи місце розташування хвилі хвилі в даний момент, за принципом Гюйгенса може бути відома будь-яка наступна локація.

Дифракція

Лазерна дифракція шестикутною щілиною. Ліензоціан

Поведінка хвилі світла чітко свідчить про два важливих явища, що виникають під час його поширення: дифракція та інтерференція. При дифракції хвилі, будь то вода, звук чи світло, спотворюються, коли вони проходять через отвори, обходять перешкоди або обходять кути.

Якщо діафрагма велика порівняно з довжиною хвилі, спотворення не дуже велике, але якщо діафрагма невелика, зміна форми хвилі помітніше. Дифракція є винятковою властивістю хвиль, тому коли світло проявляє дифракцію, ми знаємо, що воно має хвильову поведінку.

Інтерференція та поляризація

Зі свого боку, інтерференція світла виникає при перекритті електромагнітних хвиль, що їх складають. При цьому вони додаються векторіально, і це може призвести до двох типів перешкод:

–Конструктивна, коли інтенсивність результуючої хвилі більша за інтенсивність компонентів.

–Руйнівна, якщо інтенсивність менше, ніж у компонентів.

Перешкоди легкої хвилі виникають тоді, коли хвилі однотонні і підтримують однакову різницю фаз. Це називається консистенція. Наприклад, таке світло може з’являтися з лазера. Поширені джерела, такі як лампи розжарювання, не виробляють когерентного світла, оскільки світло, що випромінюється мільйонами атомів у нитці, постійно змінюється фазою.

Але якщо непрозорий відтінок з двома невеликими отворами, розташованими поруч один з одним, розміщується на тій же лампочці, то світло, що виходить з кожного прорізу, діє як узгоджене джерело.

Нарешті, коли коливання електромагнітного поля йдуть у одному напрямку, відбувається поляризація. Природне світло не поляризоване, оскільки воно складається з багатьох компонентів, кожен з яких коливається в іншому напрямку.

Експеримент Янга

На початку 19 століття англійський фізик Томас Янг вперше отримав когерентне світло зі звичайним джерелом світла.

У своєму знаменитому експерименті з подвійною щілиною він пропускав світло через щілину в непрозорому екрані. За принципом Гюйгенса утворюються два вторинних джерела, які в свою чергу пройшли через другий непрозорий екран з двома щілинами.

Малюнок 6. Анімація експерименту з подвійною щілиною Янга Джерело: Wikimedia Commons.

Отримане таким чином світло освітлювало стіну в темній кімнаті. Видно було візерунок, що складається з чергування світлих і темних областей. Наявність цієї закономірності пояснюється описаним вище явищем інтерференції.

Експеримент Юнга був дуже важливим, оскільки він виявив хвильову природу світла. Згодом було проведено експеримент із фундаментальними частинками, такими як електрони, нейтрони та протони, з подібними результатами.

Явища світла

Рефлексія

Відбиття світла у воді

Коли промінь світла потрапляє на поверхню, частина світла може відбиватися, а частина поглинатися. Якщо це прозоре середовище, частина світла продовжує свій шлях через нього.

Також поверхня може бути гладкою, як дзеркало, або шорсткою і нерівною. Відбиття, яке відбувається на гладкій поверхні, називається дзеркальним відображенням, інакше - дифузним відображенням або неправильним відображенням. Високо полірована поверхня, наприклад дзеркало, може відбивати до 95% падаючого світла.

Зоряне відображення

На малюнку зображено промінь світла, що подорожує в середовищі, яке може бути повітрям. Він падає під кутом θ ₁ на плоску окулярну поверхню і відбивається під кутом θ ₂ . Лінія, позначена нормальною, перпендикулярна поверхні.

Кут падіння дорівнює куту відбиття. Джерело: Сервей. Р. Фізика для науки та техніки.

І падаючий, і відбитий промінь, і нормальний до окулярної поверхні знаходяться в одній площині. Стародавні греки вже помітили, що кут падіння дорівнює куту відбиття:

Цей математичний вираз є законом відбиття світла. Однак інші хвилі, наприклад звук, наприклад, також здатні до відображення.

Більшість поверхонь шорсткі, а тому відбиття світла дифузне. Таким чином світло, яке вони відбивають, направляється в усі напрямки, тому об’єкти можна побачити з будь-якого місця.

Оскільки деякі довжини хвиль відображаються більше, ніж інші, об’єкти мають різні кольори.

Наприклад, листя дерев відбивають світло, яке знаходиться приблизно в середині видимого спектру, що відповідає зеленому кольору. Решта видимих ​​довжин хвиль поглинаються: від ультрафіолету, близького до синього (350-450 нм) та червоного світла (650-700 нм).

Заломлення

Явище заломлення. Жозел7

Заломлення світла відбувається тому, що світло рухається з різною швидкістю залежно від середовища. У вакуумі швидкість світла становить c = 3 x 10 ⁸ м / с, але коли світло досягає матеріального середовища, виникають процеси поглинання та випромінювання, які спричиняють зменшення енергії, а з нею і швидкість.

Наприклад, під час руху у повітрі світло рухається з майже однаковою швидкістю до c, але у воді світло рухається на три чверті c, тоді як у склі він рухається приблизно на дві третини c.

Показник заломлення

Показник заломлення позначається n і визначається як коефіцієнт між швидкістю світла у вакуумі c та його швидкістю у згаданій середовищі v:

Показник заломлення завжди більший за 1, оскільки швидкість світла у вакуумі завжди більша, ніж у матеріальному середовищі. Деякі типові значення n:

-Повітря: 1.0003

-Вода: 1,33

-Склянка: 1,5

-Діамант: 2,42

Закон Снелла

Коли промінь світла косою вдаряє кордон між двома середовищами, наприклад, наприклад, повітрям і склом, частина світла відбивається, а інша частина продовжує свій шлях усередині скла.

У цьому випадку довжина хвилі та швидкість зазнають зміни при переході від одного середовища до іншого, але не частоту. Оскільки v = c / n = λ.f і також у вакуумі c = λo. f, то маємо:

Тобто довжина хвилі в даному середовищі завжди менше довжини хвилі у вакуумі λo.

Малюнок 8. Закон Снелла. Джерело: Ліва фігура: схема заломлення світла. Рекс, А. Основи фізики. Права фігура: Вікісховище. Жозел7.

Зверніть увагу на трикутники, які мають загальну гіпотенузу червоного кольору. У кожному середовищі гіпотенуза вимірює λ ₁ / sin θ ₁ і λ ₂ / sin θ ₂ відповідно, оскільки λ і v пропорційні, отже:

Оскільки λ = λ _o / n, маємо:

Які можна виразити як:

Це формула закону Снелла на честь голландського математика Віллеброрда Снелла (1580-1626), який отримав його експериментальним шляхом, спостерігаючи, як світло пропускає повітря з води та скла.

Крім того, закон Снелла пишеться в залежності від швидкості світла в кожному середовищі, використовуючи визначення показника заломлення: n = c / v:

Дисперсія

Як було пояснено вище, світло складається з фотонів з різною енергією, і кожна енергія сприймається як колір. Біле світло містить фотони всіх енергій і тому може бути розбитий на різні кольори. Це розсіювання світла, яке вже вивчав Ньютон.

Краплі води в атмосферу поводяться як маленькі призми. Джерело: Pixabay.

Ньютон взяв оптичну призму, пропустив через неї промінь білого світла і отримав кольорові смуги від червоного до фіолетового. Ця бахрома - це спектр видимого світла, показаний на малюнку 2.

Розсіювання світла - природне явище, красою якого ми милуємося на небі, коли утворюється веселка. Сонячне світло потрапляє на краплі води в атмосфері, які діють як крихітні призми, схожі на Ньютона, розсіюючи таким чином світло.

Синій колір, з яким ми бачимо небо, також є наслідком розсіювання. Багата на азот і кисень атмосфера переважно розсіює відтінки синього та фіолетового, але людське око чутливіше до синього і тому ми бачимо небо цього кольору.

Коли Сонце нижче на горизонті, під час сходу чи заходу сонця, небо стає помаранчевим завдяки тому, що світлові промені повинні проходити через більш товстий шар атмосфери. Червонуваті тони нижчих частот менше взаємодіють з елементами атмосфери і використовують переваги безпосередньо на поверхні.

Атмосфери, багаті пилом та забрудненнями, такі, як у деяких великих містах, мають сіруваті небі через дисперсію низьких частот.

Теорії про світло

Світло розглядали насамперед як частинку або як хвилю. Корпускулярна теорія, яку захищав Ньютон, розглядала світло як промінь частинок. Тоді як відбиття та заломлення можна було адекватно пояснити, вважаючи, що світло є хвилею, як стверджував Гюйгенс.

Але задовго до цих чудових вчених люди вже міркували про природу світла. Серед них грецький філософ Арістотель не міг бути відсутнім. Ось короткий підсумок теорій світла з часом:

Арістотелівська теорія

2500 років тому Арістотель стверджував, що світло випливало з очей спостерігача, освітлювало предмети і якимось чином поверталося із зображенням, щоб його могли оцінити людині.

Корпускулярна теорія Ньютона

Ньютон дотримувався віри, що світло складається з крихітних частинок, які поширюються по прямій у всіх напрямках. Потрапляючи на очі, вони реєструють відчуття як світло.

Хвильова теорія Гюйгенса

Хюйгенс опублікував роботу під назвою "Трактат про світло", в якій запропонував, що це порушення середовища, схоже на звукові хвилі.

Електромагнітна теорія Максвелла

Хоча експеримент з подвійною щілиною не залишав сумнівів щодо хвильової природи світла, протягом більшої частини ХІХ століття існували спекуляції щодо типу хвилі, поки Максвелл не заявив у своїй електромагнітній теорії, що світло складається з поширення електромагнітного поля.

Світло як електромагнітна хвиля пояснює явища поширення світла, як описано в попередніх розділах, і це поняття, прийняте чинною фізикою, як і корпускулярна природа світла.

Корпускулярна теорія Ейнштейна

Відповідно до сучасної концепції світла, він складається з безмасштабних і незаряджених частинок, званих фотонами. Незважаючи на те, що вони не мають маси, вони мають імпульс і енергію, як пояснено вище. Ця теорія успішно пояснює спосіб взаємодії світла з речовиною шляхом обміну енергією в дискретних (квантованих) кількостях.

Існування квантів світла було запропоновано Альбертом Ейнштейном для пояснення фотоелектричного ефекту, виявленого Генріхом Герцом декількома роками раніше. Фотоелектричний ефект полягає у випромінюванні електронів речовиною, на яку впливає якийсь тип електромагнітного випромінювання, майже завжди в діапазоні від ультрафіолету до видимого світла.

Список літератури

1. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 7. Хвилі та квантова фізика. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Фізичні. Теорії світла. Відновлено з: fisic.ch.
3. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-й. Ед Прентіс Холл.
4. Хвильовий рух. Принцип Ферма. Відновлено з: sc.ehu.es.
5. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон.
6. Ромеро, О. 2009. Фізика. Гіпертекст Сантілани.
7. Сервей, Р. 2019. Фізика для науки та техніки. 10-й. Видання. Том 2. Звірка.
8. Шипман, Дж. 2009. Вступ до фізичної науки. Дванадцяте видання. Брукс / Коул, Cengage Edition.
9. Вікіпедія. Світло. Відновлено з: es.wikipedia.org.