С первых минут своего появления на свет человек сталкивается с таким природным явлением, как свет. На протяжении всей жизни это воспринимается, как нечто естественное. На самом деле видимый (равно как и невидимый глазом) свет представляет собой сложное физическое явление, которое изучалось многими учеными на протяжении веков.
Свет с точки зрения физики
С точки зрения физики, свет проявляет себя двояко:
- Как электромагнитная волна (волновая теория света).
- Как поток частиц (корпускулярная или эмиссионная теория).
Согласно первой теории, свет представляет собой электромагнитное излучение (подобно радиоволнам). Вторая теория утверждает, что световое излучение – поток частиц, обладающих импульсом (подобно летящим в пространстве шарикам).
Впервые электромагнитную теорию, объясняющую некоторые свойства и эффекты, предложил Максвелл. В дальнейшем это направление было развито Юнгом и Френелем.
На рубеже 19 и 20 веков выяснилось, что не все явления можно объяснить с помощью волновой теории. В некоторых эффектах свет проявлял себя, как поток частиц. Эти частицы назвали фотонами. Световое излучение снова стали рассматривать с этой стороны. Сторонником корпускулярной теории был и Альберт Эйнштейн.
По современным представлениям, обе эти теории находятся не в противоречии, но дополняют друг друга. Некоторые световые явления объясняются с точки зрения волновой теории, некоторые – с точки зрения корпускулярной.
Например, с точки зрения волновой теории объясняют различие цветов, воспринимаемых глазом, а также такие явления, как дифракция и интерференция. Однако законы геометрической оптики проще и логичнее объяснять с помощью корпускулярной теории.
Некоторые физические явления (например, давление света) объясняют с точки зрения как одной, так и другой теории.
Из чего состоит свет
Согласно современным представлениям, свет состоит из частиц – фотонов (реже употребляется название световые кванты). Это название ввел американец Гилберт Ньютон Льюис. Излучение света источником сводится к выбросу большого количества фотонов.
С точки зрения современной физики, фотон не имеет размеров, внутренней структуры, а также массы покоя. Последнее означает, что частица света может существовать, лишь двигаясь со скоростью света – около 300 000 км/с. Эта скорость постоянна в любой системе отсчета, если при этом фотон движется в вакууме. При попадании на непрозрачный физический объект световой квант либо отражается, либо поглощается. Фотон является электрически нейтральной частицей, то есть, его заряд равен нулю.
За эталон метра в мире взято расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.
Основные характеристики и свойства света
Так как свет является электромагнитным излучением (подобно радиоволнам, только с очень высокой частотой), он имеет те же характеристики, что и любой колебательный процесс:
- частота;
- фаза;
- амплитуда.
В оптике, как и в других разделах физики, для длины волны света применяется буква λ, а частота света обозначается как общепринятой латинской буквой f, так и греческой буквой ν (ню).
Вместо частоты света для видимого излучения удобнее использовать длину волны, которая связана с частотой соотношением λ=с/ν, где с – скорость света в метрах в секунду. Чем выше частота, тем меньше длина волны.
Подавляющее большинство источников света испускают огромное количество фотонов с хаотически изменяющейся фазой. И лишь лазер «выдает» отрезки световых волн («цуги»), находящиеся в одной фазе. В этом случае говорят о когерентности излучения.
Понятия видимый и невидимый свет
Светом называют электромагнитное излучение, лежащее в оптическом диапазоне, который расположен на участке частот от 150 гигагерц (ГГц) до 100 петагерц (ПГц). Это соответствует длинам волн от 2 мм до 4 нм.
Но человеческий глаз способен воспринимать только часть этого участка с частотами, лежащими в пределах 400-800 ТГц (длины волн 760 – 380 нм). Этот участок спектра и называется видимым светом.
Границы видимого света довольно условны. Они определяются индивидуально для каждого человека.
Некоторые животные и насекомые могут не видеть некоторые участки видимого цвета, различаемые человеком. Так, глаз кошки малочувствителен к цветам длинноволнового участка, содержащего красные и желтые оттенки. Но зато они могут видеть свечение в начале ультрафиолетового сектора, недоступное людям.
На самом деле свет занимает небольшой участок в общем спектре электромагнитных колебаний, но он обладает совершенно определенными свойствами. Это позволило выделить науку о свете и его свойствах в отдельную область физики – оптику.
Говорить о том, что у света есть первооткрыватель, некорректно. Изучение оптических явлений началось еще в Античной Греции (по крайней мере, первые упоминания об опытах дошли с тех времен). Из относительно современных ученых, заложивших основы нынешней оптики, следует упомянуть Исаака Ньютона. Он изложил результаты своих исследований в трактате «Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света». Английский ученый впервые ввел понятие спектра по отношению к цветовой гамме.
Количество основных цветов по Ньютону — семь – совпадает с количеством музыкальных нот. Английский ученый был убежден в связи между цветами, музыкой и физическими объектами.
Ньютон показал, что многие оттенки можно получить, смешивая различные цвета между собой. Считается также, что он выдвинул гипотезу о корпускулярной природе светового излучения. С другой стороны, на первом этапе научных изысканий сэр Исаак Ньютон был приверженцем эмиссионной теории света, однако через определенный период он склонился к мысли, что свет представляет собой волны.
Несколько позже свой труд «Теория цветов» издал немецкий ученый и поэт Иоганн Гете. Эта монография явилась серьезным вкладом в развитие оптики, как науки. Отличие подхода Гете от опытов Ньютона в том, что он изначально не смешивал цвета, а разлагал их посредством стеклянных призм.
Источники видимого излучения
Основным источником видимого света на Земле является Солнце. Именно солнечный свет воспринимается человеческим глазом, как естественный. Это излучение представляет собой смесь всех основных цветов, в чем легко убедиться, разлагая белый свет призмой. При естественном освещении органы зрения чувствуют себя наиболее комфортно, меньше всего устают, наиболее правильно воспринимают цвета.
Помимо видимого излучения, спектр солнечного света также содержит и ультрафиолетовую, и инфракрасную составляющую. Первая вызывает загар, вторая вносит вклад в нагревание атмосферы и земной поверхности.
Солнечного освещения не всегда бывает достаточно. Например, в зависимости от погоды или от времени суток. С древних времен человечество искало дополнительные источники видимого света. Сначала это был огонь – от костра, от лучины или от керосиновой лампы. Потом настала эра электрического освещения. Лампы накаливания прочно вошли в жизнь человека. Принцип их действия не так сильно отличается от костра или керосиновой лампы – свет излучает нагретое до высокой температуры тело.
В настоящий момент доминирующую позицию занимают светодиодные осветительные приборы. Они излучают свет по другому принципу – фотоны испускаются во время рекомбинации носителей заряда в полупроводниковом переходе. Основное достоинство таких излучателей – экономичность. Этот параметр важен, не менее важна и низкая цена светоизлучающего элемента. Однако качество освещения оценивается по главной характеристике – близость спектра излучения к естественному. Чем ближе окраска света к солнечному, тем комфортнее для глаз считается свет.
Цветовой спектр света
Видимый свет занимает определенный участок электромагнитного спектра. В его границах излучение может иметь различную длину волны, что воспринимается человеческим глазом, как свет различного цвета.
Белый свет, попадая на тела, частично отражается, частично поглощается. Если тело поглощает свет полностью, оно выглядит черным, если полностью отражает – белым. Большинство тел поглощают и отражают определенные участки спектра. Отраженный цвет и определяет, как цветовая окраска тела воспринимается человеческим глазом.
Например, если предмет поглощает все цвета, кроме зеленого (а зеленый он отражает), то мы и видим предмет зеленым.
Поэтому нормальное восприятие цвета можно получить только при освещении, близком к естественному. Если освещать зеленый предмет светом, в котором не будет соответствующей составляющей (например, красным или близким к нему), то этот предмет будет казаться серым. Ведь он не может отразить тот цвет, который на него не падает.
Cиний цвет и его оттенки занимают самый коротковолновый (и высокочастотный) участок спектра, на самом краю переходя в фиолетовый цвет. С повышением частоты излучение переходит в ультрафиолетовый сектор и перестает быть видимым. Длинноволновый (низкочастотный) участок занимают оттенки красного. Если частота света еще ниже, он относится к граничащему с видимым инфракрасному сектору, который также не воспринимается человеческим глазом.
Рекомендуем: Что такое цветовая температура источника света
Некоторые цвета отсутствуют в спектре видимого света, их можно получить только смешением цветов. Кроме того, истинный белый цвет, который глазом воспринимается, как естественное освещение, содержит все длины волн видимой части. Наблюдать это в природе можно на примере радуги. При определенных условиях в атмосфере, происходит разложение полного спектра на составляющие цвета.
Ни один источник (кроме, с оговорками, лазера) не дает свет строго определенной длины волны (монохроматический свет). В большинстве случаев излучается смешанный свет, в спектре которого присутствуют несколько линий с разной длиной волны.
Наибольшее количество комбинаций цветов можно получить, смешивая красный, синий и зеленый цвета в различных соотношениях. Доступные оттенки перерывают почти весь спектр, которые может видеть человеческий глаз. Поэтому по принципу RGB (Red, Green, Blue) построены многочисленные устройства формирования изображения, начиная с цветных телевизоров, заканчивая светодиодными лентами. Но с помощью этих трех цветов получить естественный белый не получится – придется подмешивать дополнительные цвета.
Длина световой волны
Свет с различной длиной волны воспринимается глазом, как различный цвет. Кроме того, от длины волны света зависит энергия, переносимая световыми квантами. Зависимость энергии от частоты вывел немецкий ученый Макс Планк. Его знаменитая формула выглядит так:
E=h*ν, где:
- E – энергия фотона, Дж;
- ν – частота излучения, Гц;
- h – постоянная планка, приблизительно равная 6,626 −34 кг·м2·с−1 (Дж·с).
Переходя от частоты к длине волны, можно записать формулу Планка в виде E=h*c/λ. Очевидно, что чем короче волна (выше частота), тем выше энергия фотона. Наибольшую энергию несет синее и фиолетовое излучение, наименьшую – оранжевое и красное.
Связь длины волны, цвета и энергии сведена в таблицу.
| Цвет | Длина волны, нм | Энергия, эВ |
|---|---|---|
| Красный | 635..770 | 2,82..3,26 |
| Оранжевый | 590..635 | 2,56..2,82 |
| Желтый | 565..590 | 2,48..2,56 |
| Зеленый | 520..565 | 2,19..2,48 |
| Голубой | 500..520 | 2,48..2,56 |
| Синий | 450..500 | 2,56..2,82 |
| Фиолетовый | 380..450 | 2,82..3,26 |
На самом деле четкой границы между цветами нет – многое зависит от индивидуального восприятия. То, что одному человеку кажется оттенком зеленого, другой индивидуум может воспринимать, как голубой цвет.
Заключение
Свойства света изучаются уже несколько веков. Науке, казалось бы, известно об этом физическом явлении, все. На самом деле, световое излучение таит в себе еще немало неизведанного, задач и вызовов хватит не на одно поколение ученых.
