Из чего делают свет. Что представляет собой свет

«И сказал Бог: «Да будет свет!», и стал свет». Всем известны эти слова из Библии и всем понятно: жизнь без него невозможна. Но что такое свет по своей природе? Из чего состоит он и какие имеет свойства? Что такое видимый и невидимый свет? Об этих и некоторых других вопросах поговорим в статье.

О роли света

Большинство информации обычно воспринимается человеком через глаза. Все разнообразие цветов и форм, которые свойственны материальному миру, открывается ему. А воспринимать через зрение он может лишь то, что отражает определенный, так называемый видимый свет. Источники света могут быть естественными, например солнце, или искусственные, созданные электричеством. Благодаря такому освещению стало возможным работать, отдыхать - словом, вести полноценный образ жизни в любое время суток.

Естественно, такой важный жизненный аспект занимал умы многих людей, живших в разные эпохи. Рассмотрим, что такое свет, под разными углами зрения, то есть с позиций различных теорий, которых придерживаются сегодня ученые мужи.

Свет: определение (физика)

Аристотель, задавшийся этим вопросом, считал свет определенным действием, которое распространялось в среде. Другого мнения придерживался философ из Древнего Рима, Лукреций Кар. Он был уверен, что все существующее в мире состоит из самых мелких частиц — атомов. И свет также имеет такое строение.

В семнадцатом веке эти взгляды легли в основу двух теорий:

• корпускулярной;
• волновой.

Сегодня известно, что все тела распространяют инфракрасный свет. Источники света, испуская инфракрасные лучи, имеют большую длину волны, но слабее чем красные.

Теплом является излучение инфракрасного спектра, исходящее от движущихся молекул. Чем выше их скорость, тем больше излучение, и такой объект становится теплее.

Ультрафиолет

Как только открыли инфракрасное излучение, Вильгельм Риттер, немецкий физик, начал изучать противоположную сторону спектра. Длина волны здесь оказалась меньше, чем у фиолетового цвета. Он заметил, как хлористое серебро чернело за фиолетом. И это происходило быстрее, чем действовала длина волны видимого света. Выяснилось, что такое излучение происходит тогда, когда менялись электроны на внешних атомных оболочках. Стекло способно поглощать ультрафиолет, поэтому при исследованиях применялись кварцевые линзы.

Излучение поглощается кожей человека и животного, а также верхними растительными тканями. Небольшие дозы ультрафиолета могут благоприятно сказаться на самочувствии, укрепляя иммунитет и создавая витамин D. Но большие дозы могут вызвать ожоги кожи и повредить глаза, а чересчур большие оказывают даже канцерогенное действие.

Применение ультрафиолета

Заключение

Если учитывать ничтожно малый спектр видимого света, становится понятным, что и оптический диапазон человеком изучен очень скудно. Одной из причин такого подхода является повышенный интерес людей к тому, что видно глазу.

Но из-за этого понимание остается на низком уровне. Весь космос пронизан электромагнитными излучениями. Чаще люди их не только не видят, но и не чувствуют. Но если энергия этих спектров увеличивается, то они могут вызывать недомогания и даже становятся смертельно опасными.

При изучении невидимого спектра становятся понятными некоторые, как их называют, мистические явления. Например, шаровые молнии. Бывает, что они, словно ниоткуда, появляются и внезапно исчезают. На самом деле просто осуществляется переход от невидимого диапазона в видимый и обратно.

Если использовать при проведении фотосъемок неба во время грозы разные камеры, то иногда получается запечатлеть переход плазмоидов, их появление в молниях и изменения, происходящие в самих молниях.

Вокруг нас совершенно неизведанный нами мир, который имеет вид, отличный от того, что мы привыкли видеть. Известное утверждение «Пока своими глазами не увижу, не поверю» давно потеряло свою актуальность. Радио, телевидение, сотовая связь и тому подобное давно доказали, что если мы чего-то не видим, то это совсем не значит, что этого не существует.

Большую часть информации об окружающем мире человек воспринимает через органы зрения. Но сами глаза способны видеть лишь один вид энергии - электромагнитную, да и то в очень узком световом диапазоне. Так что такое свет? Какие известные источники видимого излучения использует человек? В чем заключается двойственная природа света? И каковы его основные свойства? Сейчас выясним ответы на эти вопросы.

Свет как электромагнитная волна

Светом считают электромагнитную волну, которую способен видеть глаз человека. Для этого длина этой волны не должна выходить за границы от 380-400 нм до 760-780 нм. После 780 нм начинается инфракрасный диапазон, который человек может ощущать, как тепло, а перед видимым спектром идет ультрафиолетовое излучение. Его способны видеть некоторые насекомые и птицы, а кожа человека может отреагировать на него загаром. Сам видимый диапазон электромагнитного излучения разделен на отрезки, каждый из которых человек воспринимает как свет определенного цвета. К примеру, фиолетовый соответствует длине волны 380-440 нм, зеленый - 500-565 нм, а красный - 625-740 нм. Всего выделяют 7 основных цветов видимого спектра, их можно наблюдать, глядя на радугу. А вот белый свет - это смешение всех цветов спектра.

Источники света

Источником света является нагретое до определенной температуры или возбужденное вещество. На Землю свет поступает с Солнца, других звезд, некоторых разогретых планет, комет и иных небесных тел. На нашей планете источником света может быть огонь - костер, пламя свечи, факела или масляной лампы, а также разогретое вещество. Человек изобрел и искусственные источники видимого излучения, в частности, лампу накаливания, где свет излучает разогретая электротоком вольфрамовая спираль, люминесцентную лампу, в которой светится слой люминофора, возбужденный электроразрядом в наполняющем колбу газе, галогенную лампу, ртутную и другие.

Свойства света

Отражение

Видимое электромагнитное излучение распространяется в вакууме и однородных прозрачных средах прямолинейно со , равной примерно 300 000 км/с. При этом свет имеет множество иных свойств. Например, свет отражается от непрозрачных поверхностей, причем угол падения равен углу отражения. В результате отраженный от предметов свет воспринимается глазом и позволяет видеть эти предметы. Также заметим, что Луна и некоторые планеты - не источники света, а видим их мы потому, что эти небесные тела отражают излучение Солнца.

Преломление

При переходе между двумя средами с разной оптической плотностью свет способен преломляться. Скажем, когда луч переходит из воздуха в воду, из-за разной оптической плотности этих сред меняется скорость и направление движения в них света. Именно поэтому ложка в стакане воды кажется немного переломанной, а камешки на дне озера представляются ближе, чем на самом деле.

Интерференция и дифракция

Волновая природа света проявляется в таких его свойствах, как интерференция и дифракция. Первое свойство заключается в способности нескольких волн складываться в результирующую волну, параметры которой в разных точках заметно усиливаются или ослабевают. Результат интерференции света можно наблюдать в виде игры радужных разводов на мыльных пузырях, масляных пятнах или крыльях насекомых. А дифракция - это способность волны света огибать препятствие и попадать в область его геометрической тени, например, рассеивание света на капельках воды в виде радужных облаков.

Свет как поток частиц

При этом свет имеет не только волновые свойства, а в некоторых случаях ведет себя как поток частиц - фотонов. В частности, закономерности явления фотоэффекта, когда падающий на вещество свет вырывает из него электроны, можно объяснить лишь с точки зрения корпускулярной теории света, представляющей электромагнитное излучение в виде потока фотонов. Однако волновая и фотонная теории света не только не противоречат друг другу, а взаимно дополняют. В научной среде говорят о корпускулярно-волновой двойственности света, которая объясняет, что такое свет, выявляет его свойства как волны и как потока частиц.

Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.

И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.

Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.

Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние.

Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.

Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датским ученым Олафом Ремером (1644-1710) в 1676г. он обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. Таким образом, он смог определить скорость света.

Определение света

Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.

Возникновение теории о свете

В XVII веке возникло две теории света волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет волны, распространяющиеся в особой среде эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Если по одной из теорий нельзя было объяснить какое либо явление, то по другой это явление можно было объяснить. Именно по этому эти две теории так долго существовали параллельно друг другу.

Например: прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Корпускулярная теория

Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию. От сюда происходит волновая теория.

Волновая теория

Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.

Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.

Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Впрочем, в эти годы он уже мог себе такое позволить – авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:

отклонение света в поле тяготения;

явление поляризации света;

взаимопревращение света и вещества.

Вечером ты повернул выключатель, и комната наполнилась светом. Опять повернул выключатель - стало темно. Куда же девался свет, наполнявший комнату?

Ты всегда можешь показать, где находится источник света, потому что свет от него идёт к тебе по прямой линии. Именно потому, что свет распространяется прямолинейно, всякий предмет, освещённый только с одной стороны, отбрасывает в другую сторону тень. Если бы свет мог обогнуть этот предмет, тень не получилась бы.

Когда свет встречает препятствие, хотя бы часть света отражается, попадает к нам в глаза, и мы видим предметы, которые сами не излучают света. Особенно хорошо отражает лучи гладкая поверхность, например водная гладь или изготовленное людьми зеркало.

Когда свет падает на поверхность воды, он не только отражается. Часть света проходит в воду, освещает дно и рыб, поэтому мы их видим. При этом световые лучи немного меняют своё направление, преломляются. Отражённые дном лучи, выходя из воды в воздух, тоже меняют своё направление. Поэтому ручей всегда кажется менее глубоким, а рыбы - ближе к поверхности.

Прямолинейное распространение, отражение и преломление - основные свойства света. Но они не полностью объясняют, что такое свет.

Первым, кто попытался разгадать природу света, был великий английский учёный . Он предположил, что луч света - это поток мельчайших частиц- корпускул. Однако уже в то время другой учёный - голландец Гюйгенс считал, что свет - это своеобразные , чем-то похожие на волны звука в воздухе. Но поскольку воздуха в космосе нет, последователям Гюйгенса пришлось предположить, что всё космическое пространство заполнено каким-то особым веществом - эфиром.

Корпускулярная теория Ньютона и волновая теория, начало которой положил Гюйгенс, два столетия спорили между собой.

В середине 19 в. удалось более или менее точно измерить скорость распространения света, хотя и до наших дней её величина уточняется. В пустоте скорость света - около 300 тысяч километров в секунду- самая большая из всех возможных скоростей в природе. В воздухе она почти такая же, а в воде - 3/4 скорости света в воздухе.

Всё, что было известно к этому времени о свете, как будто подтверждало правильность волновой природы света. Однако эта теория не могла существовать без выдуманного эфира. И когда точно определили, что никакого мирового эфира не существует, появилась другая теория света.

Английский учёный прошлого века Максвелл установил, что свет - это не волны, подобные звуковым, а особые, электромагнитные, способные распространяться и в полной пустоте, такие же, как волны .

Ещё лучше познали люди природу света в нашем веке в связи с успехами в изучении атома. Оказалось, что , протон, нейтрон обладают не только свойствами частиц, «кусочков» вещества, но и свойствами волн. Точно так же и свет - это не только волны, но в то же время и частицы, которые назвали фотонами. Таким образом, две враждовавшие некогда теории - корпускулярная и волновая- как бы объединились.

Когда какое-либо тело светится, это означает, что в нём рождаются фотоны. Они рождаются, когда атомные частицы сталкиваются или изменяют путь своего движения. От того, какая это частица и как изменился её путь, зависит длина волны излучения, цвет луча. Поэтому свет, его , может рассказать о веществе, которое испускает лучи. Многие наши знания о звёздах и других небесных телах получены при изучении их света, дошедшего до Земли.

Когда свет падает на какое-либо тело, он не только отражается и преломляется, но и поглощается. Это означает, что фотоны исчезают. При этом они вызывают движение атомных частиц в поглотившем их теле. Получая энергию фотонов, предмет нагревается, от одних лучей сильнее, от других почти незаметно. Таким образом, свет всё время излучается и всё время поглощается. Он не знает покоя, всегда мчится с невообразимой скоростью и переносит от вещества к веществу.

Вот теперь мы можем ответить на вопрос, с которого начали этот рассказ: куда девается свет, «наполнявший» комнату? Когда ты только зажёг лампу, комната мгновенно осветилась: скорость света слишком велика, чтобы мы могли заметить, как свет идёт от лампы к стенам. И всё время, пока лампа горела, испускаемый ею свет за ничтожный миг покрывал расстояние до стен, потолка, мебели и поглощался ими. А когда лампа погасла, последние «порции» света также мгновенно пролетели свой путь и исчезли в веществе окружающих тебя предметов.

Общие определения

С точки зрения оптики, свет - это электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом человека. За единицу изменения принято брать участок в вакууме 750 ТГц. Это коротковолновая граница спектра. Ее длина равна 400 нм. Что касается границы широких волн, то за единицу измерения берется участок в 760 нм, то есть 390 ТГц.

В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет - это видимое Также волны могут быть и инфракрасными.

С точки зрения онтологии, свет - это начало бытия. Об этом твердят и философы, и религиоведы. В географии этим термином принято называть отдельные области планеты. Сам по себе свет - это понятие социальное. Тем не менее в науке оно имеет конкретные свойства, черты и законы.

Природа и источники света

Электромагнитное излучение создается в процессе взаимодействия заряженных частиц. Оптимальным условием для этого будет тепло, которое имеет непрерывный спектр. Максимум излучения зависит от температуры источника. Отличным примером процесса является Солнце. Его излучение близко к аналогичным показателям абсолютно черного тела. Природа света на Солнце обуславливается температурой нагревания до 6000 К. При этом около 40% излучения находится в пределах видимости. Максимум спектра по мощности располагается вблизи 550 нм.

Источниками света также могут быть:

1. Электронные оболочки молекул и атомов во время перехода с одного уровня на другой. Такие процессы позволяют достичь линейный спектр. Примером могут служить светодиоды и газоразрядные лампы.
2. которое образуется при движении заряженных частиц с фазовой скоростью света.
3. Процессы торможения фотонов. В результате образуется синхро- или циклотронное излучение.

Природа света может быть связана и с люминесценцией. Это касается и искусственных источников, и органических. Пример: хемилюминесценция, сцинтилляция, фосфоресценция и др.

В свою очередь, источники света разделяются на группы относительно температурных показателей: А, В, С, D65. Самый сложный спектр наблюдается у абсолютно черного тела.

Характеристики света

Человеческий глаз субъективно воспринимает электромагнитное излучение как цвет. Так, свет может отдавать белыми, желтыми, красными, зелеными переливами. Это лишь зрительное ощущение, которое связано с частотой излучения, будь оно по составу спектральным или монохроматическим. Доказано, что фотоны способны распространяться даже в вакууме. При отсутствии вещества скорость потока равняется 300.000 км/с. Это открытие было сделано еще в начале 1970-х годов.

На границе сред поток света испытывает либо отражение, либо преломление. Во время распространения он рассеивается через вещество. Можно сказать, что оптические показатели среды характеризуются значением преломления, равным отношению скоростей в вакууме и поглощения. В изотропных веществам распространение потока не зависит от направления. Здесь представлен скалярной величиной, определяющейся координатами и временем. В анизотропной среде фотоны проявляется в виде тензора.

Кроме того, свет бывает поляризованным и нет. В первом случае главной величиной определения будет вектор волны. Если же поток не поляризован, то он состоит из набора частиц, направленных в случайные стороны.

Важнейшей характеристикой света является и его интенсивность. Она определяется такими фотометрическими величинами, как мощность и энергия.

Основные свойства света

Фотоны могут не только взаимодействовать между собой, но и иметь направление. В результате соприкосновения с посторонней средой поток испытывает отражение и преломление. Это два основополагающих свойства света. С отражением все более-менее ясно: оно зависит от плотности материи и угла падения лучей. Однако с преломлением дело обстоит куда сложнее.

Для начала можно рассмотреть простой пример: если опустить соломинку в воду, то со стороны она покажется изогнутой и укороченной. Это и есть преломление света, которое наступает на границе жидкой среды и воздуха. Этот процесс определяется направлением распределения лучей во время прохождения через границу материи.

Когда поток света касается границы между средами, длина его волны существенно изменяется. Тем не менее частота распространения остается прежней. Если луч не ортогональный по отношению к границе, то изменению подвергнется и длина волны, и ее направление.

Искусственное часто используется в исследовательских целях (микроскопы, линзы, лупы). Также к таковым источникам изменения характеристик волны относятся очки.

Классификация света

В настоящее время различают искусственный и естественный свет. Каждый из этих видов определяется характерным источником излучения.

Естественный свет представляет собой набор заряженных частиц с хаотичным и быстро изменяющимся направлением. Такое электромагнитное поле обуславливается переменным колебанием напряженностей. К естественным источникам относятся раскаленные тела, солнце, поляризованные газы.

Искусственный свет бывает следующих видов:

1. Местный. Его используют на рабочем месте, на участке кухни, стены и т.д. Такое освещение играет важную роль в дизайне интерьера.
2. Общий. Это равномерное освещение всей площади. Источниками являются люстры, торшеры.
3. Комбинированный. Смесь первого и второго видов для достижения идеальной освещенности помещения.
4. Аварийный. Он крайне полезен при отключениях света. Питание производится чаще всего от аккумуляторов.

Солнечный свет

На сегодняшний день это главный источник энергии на Земле. Не будет преувеличением сказать, что солнечный свет воздействует на все важные материи. Это количественная постоянная, которая определяет энергию.

В верхних слоях земной атмосферы содержится около 50% излучения инфракрасного и 10% ультрафиолетового. Поэтому количественная составляющая видимого света равна всего 40%.

Солнечная энергия используется в синтетических и природных процессах. Это и фотосинтез, и преобразование химических форм, и отопление, и многое другое. Благодаря солнцу человечество может пользоваться электроэнергией. В свою очередь, потоки света могут быть прямыми и рассеянными, если они проходят через облака.

Три главных закона

С древних времен ученые занимались изучением геометрической оптики. На сегодняшний день основополагающими являются следующие законы света:

Восприятие света

Окружающий мир человеку виден благодаря способности его глаз взаимодействовать с электромагнитным излучением. Свет воспринимается рецепторами сетчатки, которые могут уловить и отреагировать на спектральный диапазон заряженных частиц.

У человека есть 2 типа чувствительных клеток глаза: колбочки и палочки. Первые обуславливают механизм зрения в дневное время при высоком уровне освещения. Палочки же являются более чувствительными к излучению. Они позволяют человеку видеть в ночное время.

Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью.