Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Треугольная призма, рассеивающая луч белого света. Более длинные волны (красный) и более короткие (синий) разделены.

Свет или видимый свет является электромагнитным излучением в пределах части электромагнитного спектра , который может быть воспринимаемым в человеческом глазе . [1] Видимый свет обычно определяется как имеющий длину волны в диапазоне 400–700 нм или от 4,00 × 10–7 до 7,00 × 10–7  м, между инфракрасным (с более длинными волнами) и ультрафиолетовым (с более короткими длинами волн). . [2] [3] Эта длина волны означает диапазон частот примерно 430–750 терагерц. (ТГц).

Луч солнечного света внутри полости Рокка иль'Абиссу в Фондачелли-Фантина , Сицилия

Главный источник света на Земле - Солнце . Солнечный свет обеспечивает энергию, которую зеленые растения используют для создания сахаров, в основном в форме крахмалов , которые выделяют энергию живым существам, которые их переваривают. Этот процесс фотосинтеза обеспечивает практически всю энергию, используемую живыми существами. Исторически еще одним важным источником света для людей был огонь , от древних костров до современных керосиновых ламп . С развитием электрического освещения и энергосистем, электрическое освещение эффективно заменило костровый свет. Некоторые виды животных излучают собственный свет - процесс, называемый биолюминесценцией . Например, светлячки используют свет, чтобы находить партнеров, а кальмары-вампиры используют его, чтобы спрятаться от добычи.

Основными свойствами видимого света являются интенсивность , направление распространения, частота или спектр длин волн и поляризация , а его скорость в вакууме 299 792 458 м / с является одной из фундаментальных констант природы. Экспериментально установлено, что видимый свет, как и все типы электромагнитного излучения (ЭМИ), всегда движется с этой скоростью в вакууме. [4]

В физике термин «свет» иногда относится к электромагнитному излучению любой длины волны, видимому или невидимому. [5] [6] В этом смысле гамма-лучи , рентгеновские лучи , микроволны и радиоволны также являются светом. Как и все типы электромагнитного излучения, видимый свет распространяется как волны. Однако энергия, передаваемая волнами, поглощается в отдельных местах так же, как поглощаются частицы. Поглощенная энергия электромагнитных волн называется фотоном и представляет собой кванты.света. Когда световая волна трансформируется и поглощается как фотон, энергия волны мгновенно схлопывается в одно место, и это место - то, куда фотон «прибывает». Это то, что называется коллапсом волновой функции . Эта двойная волновая и частичная природа света известна как дуальность волна-частица . Изучение света, известное как оптика , является важной областью исследований современной физики.

Электромагнитный спектр и видимый свет

Электромагнитный спектр , с видимыми части выделен

Как правило, ЭМ-излучение (обозначение «излучение» исключает статическое электрическое, магнитное и ближнее поля ) или ЭМИ по длине волны подразделяется на радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый спектр, который мы воспринимаем как свет, ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи .

Поведение ЭМИ зависит от его длины волны. Более высокие частоты имеют более короткие длины волн, а более низкие частоты имеют более длинные волны. Когда ЭМИ взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение зависит от количества энергии на квант, которое он несет.

ЭМИ в видимой области света состоит из квантов (называемых фотонами ), которые находятся на нижнем конце энергий, способных вызывать электронное возбуждение внутри молекул, что приводит к изменениям в связи или химии молекулы. На нижнем конце видимого светового спектра ЭМИ становится невидимым для людей (инфракрасным), потому что его фотоны больше не обладают достаточной индивидуальной энергией, чтобы вызвать длительное молекулярное изменение (изменение конформации) в зрительной молекуле сетчатки в сетчатке человека, которая изменение вызывает ощущение зрения.

Существуют животные, чувствительные к различным типам инфракрасного излучения, но не за счет квантового поглощения. Инфракрасное зондирование у змей зависит от вида естественного теплового изображения , при котором крошечные пакеты клеточной воды повышаются в температуре инфракрасным излучением. ЭМИ в этом диапазоне вызывает молекулярную вибрацию и эффекты нагрева, что и определяет эти животные.

За пределами видимого диапазона ультрафиолетовый свет становится невидимым для человека, в основном потому, что он поглощается роговицей на глубине менее 360 нм и внутренней линзой при длине менее 400 нм. Кроме того, палочки и колбочки, расположенные в сетчатке человеческого глаза, не могут обнаруживать очень короткие (ниже 360 нм) ультрафиолетовые волны, и они фактически повреждаются ультрафиолетом. Многие животные, глаза которых не нуждаются в линзах (например, насекомые и креветки), способны обнаруживать ультрафиолет с помощью квантовых механизмов поглощения фотонов почти так же химически, как люди обнаруживают видимый свет.

Различные источники определяют видимый свет в узком диапазоне от 420–680 нм [7] [8] до 380–800 нм. [9] [10] В идеальных лабораторных условиях люди могут видеть инфракрасное излучение с длиной волны не менее 1050 нм; [11] дети и молодые люди могут воспринимать ультрафиолетовые волны с длиной волны до 310–313 нм. [12] [13] [14]

На рост растений также влияет цветовой спектр света - процесс, известный как фотоморфогенез .

Скорость света

Скорость света в вакууме определена как 299 792 458  м / с (примерно 186 282 мили в секунду). Фиксированное значение скорости света в единицах СИ является результатом того факта, что метр теперь определяется в терминах скорости света. Все формы электромагнитного излучения движутся в вакууме с одинаковой скоростью.

На протяжении всей истории разные физики пытались измерить скорость света. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света проводили Рёмер , датский физик, в 1676 Используя телескоп , Рёмер наблюдал движения Юпитера и один из его спутников , Ио . Отметив расхождения в видимом периоде орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти диаметр орбиты Земли. [15]Однако в то время его размер не был известен. Если бы Ремер знал диаметр орбиты Земли, он бы вычислил скорость 227 000 000 м / с.

Другое более точное измерение скорости света было выполнено в Европе Ипполитом Физо в 1849 году. [16] Физо направил луч света на зеркало в нескольких километрах от него. Вращающееся зубчатое колесо помещалось на пути светового луча, когда он шел от источника к зеркалу, а затем возвращался в исходное положение. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч проходит через один зазор в колесе на выходе и следующий зазор на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, количество зубцов на колесе и скорость вращения, Физо смог вычислить скорость света как 313 000 000 м / с.

Леон Фуко провел эксперимент с использованием вращающихся зеркал, чтобы получить значение 298 000 000 м / с [16] в 1862 году. Альберт А. Михельсон проводил эксперименты со скоростью света с 1877 года до своей смерти в 1931 году. Он усовершенствовал методы Фуко. в 1926 году с использованием усовершенствованных вращающихся зеркал для измерения времени, которое потребовалось свету, чтобы совершить путешествие туда и обратно от горы Вильсон до горы Сан-Антонио в Калифорнии. Точные измерения показали скорость 299 796 000 м / с. [17]

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычное вещество , меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде примерно на 3/4 от скорости света в вакууме.

Говорят, что две независимые группы физиков вывели свет на «полную остановку», пропустив его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидий : одна группа в Гарвардском университете и Научном институте Роуленда в Кембридже, Массачусетс, а другая - в лаборатории. Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики , также в Кембридже. [18] Тем не менее, популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к свету, который накапливается в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное позднее время, стимулируемое вторым лазерным импульсом. За время, пока он «остановился», он перестал светиться.

Оптика

Изучение света и взаимодействия света и материи называется оптикой . Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, дают много ключей к разгадке природы света.

Преломление

Пример преломления света. Соломинка кажется изогнутой из-за преломления света, когда она попадает в жидкость (в данном случае вода) из воздуха.
Облако, освещенное солнечным светом

Преломление - это изгиб световых лучей при прохождении через поверхность между одним прозрачным материалом и другим. Это описывается законом Снеллиуса :

где θ 1 - угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, θ 2 - угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а n 1 и n 2 - показатели преломления , n = 1 в вакуума и п > 1 в прозрачном веществе .

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой или между двумя разными средами, длина волны света изменяется, но частота остается постоянной. Если луч света не ортогонален (или, скорее, нормален) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Это изменение направления называется рефракцией .

Качество преломления линз часто используется для управления светом с целью изменения видимого размера изображений. Увеличительные стекла , очки , контактные линзы , микроскопы и преломляющие телескопы - все это примеры этой манипуляции.

Источники света

Есть много источников света. Тело при данной температуре излучает характерный спектр излучения черного тела . Простой источник тепла является солнечным светом, излучение , испускаемое хромосферой от Солнца на уровне около 6000 градусов Кельвина (5730 градусов по Цельсию; 10,340 градусов по Фаренгейту) пика в видимой области электромагнитного спектра , когда нанесен на длину волны единиц [19] и примерно 44% солнечной энергии, которая достигает земли, видна. [20] Другой пример - лампы накаливания , которые излучают только около 10% своей энергии в виде видимого света, а остальную часть - в виде инфракрасного. Распространенный источник теплового света в истории - светящиеся твердые частицы в огне., но они также излучают большую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне и только часть в видимом спектре.

Пик спектра черного тела находится в глубоком инфракрасном диапазоне, на длине волны около 10 микрометров , для относительно холодных объектов, таких как люди. По мере увеличения температуры пик смещается в сторону более коротких волн, создавая сначала красное свечение, затем белое и, наконец, сине-белый цвет, когда пик перемещается из видимой части спектра в ультрафиолет. Эти цвета можно увидеть, когда металл нагревается до «докрасна» или «раскаленного добела». Сине-белое тепловое излучение не часто наблюдается, за исключением звезд (обычно наблюдаемый чистый синий цвет в газовом пламени или сварочной горелке на самом деле связан с молекулярным излучением, в частности радикалами CH (излучающими полосу длин волн около 425). нм и не виден в звездах или чистом тепловом излучении).

Атомы излучают и поглощают свет с характерной энергией. Это создает « эмиссионные линии » в спектре каждого атома. Излучение может быть спонтанным , как в светодиодах , газоразрядных лампах (например, неоновые лампы и неоновые вывески , ртутные лампы и т. Д.) И пламени (свет от самого горячего газа - например, натрий в газовое пламя излучает характерный желтый свет). Излучение также можно стимулировать , как в лазере или микроволновом мазере .

Замедление свободной заряженной частицы, такой как электрон , может производить видимое излучение: циклотронное излучение , синхротронное излучение и тормозное излучение - все это примеры. Частицы, движущиеся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, могут производить видимое черенковское излучение . Некоторые химические вещества производят видимое излучение за счет хемолюминесценции . У живых существ этот процесс называется биолюминесценцией . Например, светлячки излучают таким образом свет, а лодки, движущиеся по воде, могут беспокоить планктон, создавая светящийся след.

Некоторые вещества излучают свет, когда они освещаются более энергичным излучением - процесс, известный как флуоресценция . Некоторые вещества медленно излучают свет после возбуждения более энергичным излучением. Это известно как фосфоресценция . Фосфоресцирующие материалы также можно возбуждать, бомбардируя их субатомными частицами. Катодолюминесценция - один из примеров. Этот механизм используется в телевизорах с электронно-лучевой трубкой и компьютерных мониторах .

Гонконг освещен красочным искусственным освещением .

Некоторые другие механизмы могут производить свет:

  • Биолюминесценция
  • Черенковское излучение
  • Электролюминесценция
  • Сцинтилляция
  • Сонолюминесценция
  • Триболюминесценция

Когда концепция света предназначена для включения фотонов очень высоких энергий (гамма-лучей), дополнительные механизмы генерации включают:

  • Частицеподобная античастица аннигиляция
  • Радиоактивный распад

Единицы и меры

Свет измеряется с помощью двух основных альтернативных наборов единиц: радиометрия состоит из измерений мощности света на всех длинах волн, а фотометрия измеряет свет с длиной волны, взвешенной по стандартизированной модели восприятия яркости человека. Фотометрия полезна, например, для количественной оценки освещенности (освещения), предназначенной для использования человеком. Единицы СИ для обеих систем приведены в следующих таблицах.

Единицы фотометрии отличаются от большинства систем физических единиц тем, что они учитывают реакцию человеческого глаза на свет. В колбочек в человеческом глазу бывают трех типов , которые реагируют по- разному по всей видимой области спектра и пики кумулятивных отклика на длине волны около 555 нм. Следовательно, два источника света, которые производят одинаковую интенсивность (Вт / м 2 ) видимого света, не обязательно выглядят одинаково яркими. Фотометрические блоки разработаны с учетом этого и поэтому лучше отражают то, насколько «ярким» кажется свет, чем исходная интенсивность. Они относятся к чистой мощности величиной, называемой световой эффективностью.и используются для таких целей, как определение оптимального способа достижения достаточного освещения для различных задач в помещении и на улице. Освещенность, измеряемая датчиком фотоэлемента , не обязательно соответствует тому, что воспринимается человеческим глазом, и без фильтров, которые могут быть дорогостоящими, фотоэлементы и устройства с зарядовой связью (ПЗС) имеют тенденцию реагировать на инфракрасное излучение , ультрафиолет или и то , и другое.

Легкое давление

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути - явление, которое можно вывести с помощью уравнений Максвелла, но его легче объяснить с помощью частиц природы света: фотоны ударяются и передают свой импульс. Световое давление равно мощности светового луча, деленной на c , скорость света.  Из-за величины c влияние светового давления на предметы повседневного обихода незначительно.  Например, лазерная указка мощностью в один милливатт оказывает на освещаемый объект силу около 3,3 пиконьютона ; таким образом, можно было бы поднять цент США с помощью лазерных указателей, но для этого потребуется около 30 миллиардов лазерных указателей мощностью 1 мВт. [21]  Однако вВ приложениях нанометрового масштаба, таких как наноэлектромеханические системы (НЭМС), влияние светового давления более значимо, и использование светового давления для управления механизмами НЭМС и переключения физических переключателей нанометрового масштаба в интегральных схемах является активной областью исследований. [22] В более крупных масштабах давление света может заставить астероиды вращаться быстрее, [23] воздействуя на их неправильную форму, как на лопасти ветряной мельницы . Также изучается  возможность создания солнечных парусов , которые ускоряли бы космические корабли в космосе. [24] [25]

Хотя движение радиометра Крукса первоначально приписывалось световому давлению, эта интерпретация неверна; характерное вращение Крукса является результатом частичного вакуума. [26] Это не следует путать с радиометром Николса , в котором (небольшое) движение, вызванное крутящим моментом (хотя и недостаточным для полного вращения против трения) , непосредственно вызвано легким давлением. [27] Вследствие светового давления Эйнштейн [28]в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «Излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина находится в покое. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Обратная сила давления, оказываемого на переднюю поверхность, таким образом, больше, чем сила давления, действующая на спину. Следовательно, в результате двух сил остается сила, которая противодействует движению пластины и увеличивается с увеличением скорости пластины. Вкратце мы будем называть это результирующим «радиационным трением» ».

Обычно импульс света совпадает с направлением его движения. Однако, например, в затухающих волнах импульс перпендикулярен направлению распространения. [29]

Исторические теории о свете в хронологическом порядке

Классическая Греция и эллинизм

В пятом веке до нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов ; огонь, воздух, земля и вода. Он верил, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла огонь в глазу, который сиял из глаза, делая возможным зрение. Если бы это было правдой, то ночью можно было бы видеть так же хорошо, как и днем, поэтому Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами от глаз и лучами от источника, такого как солнце. [30]

Примерно за 300 г. до н.э. Евклид написал « Оптику» , в которой изучал свойства света. Евклид постулировал, что свет распространяется по прямым линиям, описал законы отражения и изучил их математически. Он сомневался, что зрение является результатом луча из глаза, потому что он спрашивает, как человек видит звезды сразу, если он закрывает глаза, а затем открывает их ночью. Если луч из глаза движется бесконечно быстро, это не проблема. [31]

В 55 г. до н.э. Лукреций , римлянин, продолжавший идеи более ранних греческих атомистов , писал, что «свет и тепло солнца; они состоят из мельчайших атомов, которые, когда их отталкивают, не теряют времени, стреляя прямо через воздушное пространство в направлении толчка ". (из « О природе Вселенной» ). Несмотря на сходство с более поздними теориями о частицах, взгляды Лукреция не были общепринятыми. Птолемей (ок. II в.) Писал о преломлении света в своей книге « Оптика» . [32]

Классическая Индия

В древней Индии , в индуистские школы санкхьи и Вайшешика , со всего первые века нашей эры разработаны теории на свете. Согласно школе санкхьи, свет является одним из пяти основных «тонких» элементов ( танматра ), из которых возникают грубые элементы. Валентность этих элементов конкретно не упоминается , и кажется , что они на самом деле были приняты , чтобы быть непрерывным. [33] С другой стороны, школа Вайшешика дает атомарную теорию физического мира на неатомной основе эфира , пространства и времени. (См индийский атомизм.) Основные атомы - это атомы земли ( притхиви ), воды ( пани ), огня ( агни ) и воздуха ( вайю ). Лучи света считаются потоком атомов теджаса (огня) с высокой скоростью . Частицы света могут иметь разные характеристики в зависимости от скорости и расположения атомов теджаса . [ необходимая цитата ] В Вишну-пуране солнечный свет называется «семью лучами солнца». [33]

Индийские буддисты , такие как Дигнага в V веке и Дхармакирти в VII веке, разработали тип атомизма, который представляет собой философию о том, что реальность состоит из атомарных сущностей, которые представляют собой мгновенные вспышки света или энергии. Они рассматривали свет как атомную сущность, эквивалентную энергии. [33]

Декарт

Рене Декарт (1596–1650) считал свет механическим свойством светящегося тела, отвергая «формы» Ибн аль-Хайтама и Витело, а также «виды» Бэкона , Гроссетеста и Кеплера . [34] В 1637 году он опубликовал теорию преломления света, в которой ошибочно предполагалось, что свет распространяется быстрее в более плотной среде, чем в менее плотной. Декарт пришел к такому выводу по аналогии с поведением звуковых волн. [ необходима цитата ] Хотя Декарт ошибался относительно относительных скоростей, он был прав, предполагая, что свет ведет себя как волна, и заключая, что преломление можно объяснить скоростью света в различных средах.

Декарт не первый, кто использует механические аналогии, но поскольку он ясно утверждает, что свет - это только механическое свойство светящегося тела и передающей среды, теория света Декарта считается началом современной физической оптики. [34]

Теория частиц

Пьер Гассенди .

Пьер Гассенди (1592–1655), атомщик, предложил теорию частиц света, которая была опубликована посмертно в 1660-х годах. Исаак Ньютон изучал работы Гассенди в раннем возрасте и предпочитал его взгляд теории Пленума Декарта . В своей « Гипотезе света» 1675 года он заявил, что свет состоит из корпускул (частиц материи), которые испускаются во всех направлениях от источника. Один из аргументов Ньютона против волновой природы света заключался в том, что волны, как известно, огибали препятствия, в то время как свет распространялся только по прямым линиям. Однако он объяснил явление дифракции света (которое наблюдал Франческо Гримальди).), допуская, что легкая частица может создавать локализованную волну в эфире .

Теорию Ньютона можно было использовать для предсказания отражения света, но она могла объяснить преломление только путем неправильного предположения, что свет ускоряется при входе в более плотную среду, потому что гравитационное притяжение было больше. Ньютон опубликовал окончательную версию своей теории в « Оптике» 1704 года. Его репутация помогла теории частиц света сохранить господство в 18 веке. Теория частиц света привела Лапласа к утверждению, что тело может быть настолько массивным, что свет не может выйти из него. Другими словами, это стало бы тем, что сейчас называют черной дырой.. Позднее Лаплас отказался от своего предложения, после того как волновая теория света прочно утвердилась в качестве модели света (как было объяснено, ни теория частиц, ни теория волн не являются полностью правильными). Перевод эссе Ньютона на свет появляется в крупномасштабной структуры пространства-времени , по Стивен Хокинг и Джордж Эллис FR .

Тот факт, что свет может быть поляризован, впервые качественно объяснил Ньютон с помощью теории частиц. Этьен-Луи Малюс в 1810 году создал математическую теорию поляризации частиц. Жан-Батист Био в 1812 году показал, что эта теория объясняет все известные явления поляризации света. В то время поляризация рассматривалась как доказательство теории частиц.

Волновая теория

Чтобы объяснить происхождение цветов , Роберт Гук (1635–1703) разработал «теорию импульсов» и сравнил распространение света с распространением волн в воде в своей работе 1665 года « Микрография» («Наблюдение IX»). В 1672 году Гук предположил, что колебания света могут быть перпендикулярны направлению распространения. Христиан Гюйгенс (1629–1695) разработал математическую волновую теорию света в 1678 году и опубликовал ее в своем « Трактате о свете» в 1690 году. Он предположил, что свет излучается во всех направлениях как серия волн в среде, называемой светоносным эфиром . Поскольку на волны не действует сила тяжести, предполагалось, что они замедляются при входе в более плотную среду.[35]

Христиан Гюйгенс .
Набросок эксперимента с двумя щелями, сделанный Томасом Янгом, демонстрирующий дифракцию . Эксперименты Юнга подтвердили теорию о том, что свет состоит из волн.

Волновая теория предсказывала, что световые волны могут мешать друг другу, как звуковые волны (как заметил около 1800 года Томас Янг ). Янг показал с помощью дифракционного эксперимента, что свет ведет себя как волны. Он также предположил, что разные цвета были вызваны разной длиной волны света, и объяснил цветовое зрение с точки зрения трехцветных рецепторов в глазу. Еще одним сторонником волновой теории был Леонард Эйлер . Он утверждал в « Новой теории люцис и колориум» (1746), что дифракцию легче объяснить с помощью волновой теории. В 1816 году Андре-Мари Ампер подарил Огюстен-Жану Френелюидея о том, что поляризация света может быть объяснена волновой теорией, если свет был поперечной волной . [36]

Позже Френель независимо разработал свою волновую теорию света и представил ее в Академии наук в 1817 году. Симеон Дени Пуассон добавил к математическим работам Френеля убедительные аргументы в пользу волновой теории, помогая опровергнуть корпускулярную теорию Ньютона. [ сомнительно ] К 1821 году Френель смог показать с помощью математических методов, что поляризация может быть объяснена волновой теорией света тогда и только тогда, когда свет был полностью поперечным, без каких-либо продольных колебаний. [ необходима цитата ]

Слабость волновой теории заключалась в том, что световые волны, как и звуковые волны, нуждались в среде для передачи. Существование гипотетической субстанции светоносного эфира, предложенной Гюйгенсом в 1678 году, было подвергнуто серьезному сомнению в конце девятнадцатого века экспериментом Майкельсона-Морли .

Корпускулярная теория Ньютона предполагала, что свет будет двигаться быстрее в более плотной среде, тогда как волновая теория Гюйгенса и других предполагала обратное. В то время скорость света не могла быть измерена достаточно точно, чтобы решить, какая теория верна. Первым, кто произвел достаточно точные измерения, был Леон Фуко в 1850 году. [37] Его результат поддержал волновую теорию, и классическая теория частиц была окончательно отвергнута, только чтобы частично возродиться в 20-м веке.

Электромагнитная теория

Трехмерная визуализация линейно поляризованной световой волны, застывшей во времени и показывающей две колеблющиеся компоненты света; электрическое поле и магнитное поле перпендикулярно друг к другу и к направлению движения (а поперечная волна ).

В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда световые лучи проходят вдоль направления магнитного поля в присутствии прозрачного диэлектрика , эффект, теперь известный как вращение Фарадея . [38] Это было первое доказательство того, что свет связан с электромагнетизмом . В 1846 году он предположил, что свет может быть некой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий магнитного поля. [38] В 1847 году Фарадей предположил, что свет представляет собой высокочастотную электромагнитную вибрацию, которая может распространяться даже в отсутствие такой среды, как эфир. [39]

Работа Фарадея вдохновила Джеймса Клерка Максвелла на изучение электромагнитного излучения и света. Максвелл обнаружил, что самораспространяющиеся электромагнитные волны могут перемещаться в пространстве с постоянной скоростью, которая оказалась равной ранее измеренной скорости света. Из этого Максвелл пришел к выводу, что свет представляет собой форму электромагнитного излучения: он впервые изложил этот результат в 1862 году в работе « О физических линиях силы» . В 1873 году он опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме» , в котором содержалось полное математическое описание поведения электрических и магнитных полей, до сих пор известных как уравнения Максвелла . Вскоре Генрих Герцэкспериментально подтвердил теорию Максвелла, создав и обнаружив радиоволны в лаборатории и продемонстрировав, что эти волны ведут себя точно так же, как видимый свет, проявляя такие свойства, как отражение, преломление, дифракция и интерференция. Теория Максвелла и эксперименты Герца привели непосредственно к развитию современного радио, радара, телевидения, создания электромагнитных изображений и беспроводной связи.

В квантовой теории фотоны рассматриваются как волновые пакеты волн, описанных в классической теории Максвелла. Квантовая теория была необходима для объяснения эффектов даже с помощью визуального света, которых классическая теория Максвелла не могла (например, спектральных линий ).

Квантовая теория

В 1900 году Макс Планк , пытаясь объяснить излучение черного тела , предположил, что, хотя свет является волной, эти волны могут набирать или терять энергию только в конечных количествах, связанных с их частотой. Планк назвал эти «сгустки» световой энергии « квантами » (от латинского слова «сколько»). В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею световых квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта и предположил, что эти световые кванты имеют «реальное» существование. В 1923 году Артур Холли Комптон показал, что сдвиг длины волны, наблюдаемый, когда рентгеновские лучи низкой интенсивности, рассеянные электронами (так называемое комптоновское рассеяние ), можно объяснить теорией рентгеновских лучей частиц, но не волновой теорией. В 1926 г.Гилберт Н. Льюис назвал эти световые кванты частицами фотонами . [40]

В конце концов современная теория квантовой механики представила свет как (в некотором смысле) одновременно частицу и волну и (в другом смысле) как явление, которое не является ни тем, ни другим.частица или волна (которые на самом деле являются макроскопическими явлениями, такими как бейсбольные мячи или океанские волны). Вместо этого современная физика рассматривает свет как нечто, что может быть описано иногда математически, подходящим для одного типа макроскопической метафоры (частицы), а иногда и другой макроскопической метафоры (волны на воде), но на самом деле это то, что невозможно полностью вообразить. Как и в случае радиоволн и рентгеновских лучей, участвующих в комптоновском рассеянии, физики отметили, что электромагнитное излучение имеет тенденцию вести себя больше как классическая волна на более низких частотах, но больше как классическая частица на более высоких частотах, но никогда полностью не теряет все качества того или другого. Видимый свет, занимающий промежуточную позицию по частоте, можно легко показать в экспериментах, что его можно описать с помощью модели волны или частицы, а иногда и того и другого.

В феврале 2018 года ученые впервые сообщили об открытии новой формы света, которая может включать поляритоны , что может быть полезно при разработке квантовых компьютеров . [41] [42]

Смотрите также

  • Автомобильное освещение
  • Баллистический фотон
  • Цветовая температура
  • Принцип Ферма
  • Принцип Гюйгенса
  • Журнал люминесценции
  • Световое искусство
  • Световой луч - в частности, световые лучи, видимые сбоку
  • Light Fantastic (сериал)
  • Легкая мельница
  • Светопись
  • Световое загрязнение
  • Световая терапия
  • Освещение
  • Список источников света
  • Люминесценция: журнал биологической и химической люминесценции
  • Фотический рефлекс чихания
  • Право на свет
  • Риски и преимущества пребывания на солнце
  • Спектроскопия

Примечания

  1. ^ Организации по стандартизации рекомендуютобозначатьрадиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетический»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
  2. ^ a b c d e Иногда встречаются альтернативные символы: W или E для лучистой энергии, P или F для лучистого потока, I для энергетической освещенности, W для лучистой светимости.
  3. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу частоты , обозначаются суффиксом « ν » (греческий) - не путать с суффиксом «v» (от «визуальный»), обозначающим фотометрическую величину.
  4. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу длины волны , обозначаются суффиксом « λ » (греческий).
  5. ^ a b Направленные величины обозначаются суффиксом « Ω » (греческий).
  6. ^ Организации по стандартизации рекомендуют обозначать фотометрические величины индексом «v» (для «визуального»), чтобы избежать путаницы с радиометрическими или фотонными величинами. Например: Стандартные буквенные символы США для светотехники USAS Z7.1-1967, Y10.18-1967
  7. ^ Символы в этом столбце обозначают размеры ; « L », « T » и « J » обозначают длину, время и силу света соответственно, а не символы единиц измерения литр, тесла и джоуль.
  8. ^ a b c Иногда встречаются альтернативные символы: W для световой энергии, P или F для светового потока и ρ для световой отдачи источника.

Рекомендации

  1. ^ CIE (1987). Международный словарь по освещению. Архивировано 27 февраля 2010 г. в Wayback Machine . Номер 17.4. CIE, 4-е издание. ISBN  978-3-900734-07-7 .
    Согласно Международному словарю по освещению , свет определяется следующим образом: «Любое излучение, способное непосредственно вызвать визуальное ощущение».
  2. ^ Pal, GK; Pal, Pravati (2001). «Глава 52» . Учебник практической физиологии (1-е изд.). Ченнаи: Восточный Блэксуан. п. 387. ISBN. 978-81-250-2021-9. Проверено 11 октября 2013 года . Человеческий глаз способен реагировать на все длины волн света от 400 до 700 нм. Это называется видимой частью спектра.
  3. ^ Buser, Pierre A .; Имбер, Мишель (1992). Видение . MIT Press. п. 50 . ISBN 978-0-262-02336-8. Проверено 11 октября 2013 года . Свет - это особый класс лучистой энергии, охватывающий длины волн от 400 до 700 нм (или мкм), или от 4000 до 7000 Å.
  4. ^ Узан, JP; Леклерк, Б. (2008). Естественные законы Вселенной . Естественные законы Вселенной: понимание фундаментальных констант . С. 43–4. Bibcode : 2008nlu..book ..... U . DOI : 10.1007 / 978-0-387-74081-2 . ISBN 978-0-387-73454-5.
  5. ^ Грегори Хэллок Смит (2006). Объективы фотоаппаратов: от коробчатых до цифровых . SPIE Press. п. 4. ISBN 978-0-8194-6093-6.
  6. ^ Нариндер Кумар (2008). Комплексная физика XII . Публикации Лакшми. п. 1416. ISBN 978-81-7008-592-8.
  7. Лауфер, Габриэль (13 июля 1996 г.). Введение в оптику и лазеры в технике . Введение в оптику и лазеры в технике . п. 11. Bibcode : 1996iole.book ..... L . DOI : 10.1017 / CBO9781139174190.004 . ISBN 978-0-521-45233-5. Проверено 20 октября 2013 года .
  8. ^ Bradt, Hale (2004). Методы астрономии: физический подход к астрономическим наблюдениям . Издательство Кембриджского университета. п. 26. ISBN 978-0-521-53551-9. Проверено 20 октября 2013 года .
  9. ^ Оганесян, Лена; Стритер, Энтони (9 ноября 2001 г.). Справочник по фармацевтическому анализу . CRC Press. п. 187. ISBN. 978-0-8247-4194-5. Проверено 20 октября 2013 года .
  10. ^ Ахлувалия, ВК; Гоял, Мадхури (1 января 2000 г.). Учебник органической химии . Нароса. п. 110. ISBN 978-81-7319-159-6. Проверено 20 октября 2013 года .
  11. ^ Слини, Дэвид Х .; Wangemann, Роберт Т .; Franks, Джеймс К .; Вольбаршт, Майрон Л. (1976). «Зрительная чувствительность глаза к инфракрасному лазерному излучению». Журнал Оптического общества Америки . 66 (4): 339–341. Bibcode : 1976JOSA ... 66..339S . DOI : 10.1364 / JOSA.66.000339 . PMID 1262982 . Была измерена чувствительность фовеа к нескольким длинам волн ближнего инфракрасного излучения. Было обнаружено, что глаз может реагировать на излучение с длиной волны не менее 1064 нм. Непрерывный лазерный источник с длиной волны 1064 нм выглядел красным, а импульсный лазерный источник с длиной волны 1060 нм выглядел зеленым, что свидетельствует о наличии генерации второй гармоники в сетчатке.
  12. ^ Линч, Дэвид К .; Ливингстон, Уильям Чарльз (2001). Цвет и свет в природе (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 231. ISBN. 978-0-521-77504-5. Проверено 12 октября 2013 года . Пределы общего диапазона чувствительности глаза простираются от 310 до 1050 нанометров.
  13. ^ Даш, Мадхаб Чандра; Даш, Сатья Пракаш (2009). Основы экологии 3Е . Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 213. ISBN 978-1-259-08109-5. Проверено 18 октября 2013 года . Обычно человеческий глаз реагирует на световые лучи от 390 до 760 нм. Это может быть расширено до диапазона от 310 до 1050 нм в искусственных условиях.
  14. ^ Saidman, Жан (15 мая 1933). "Sur la visibilité de l'ultraviolet jusqu'à la longueur d'onde 3130" [Видимость ультрафиолета на длине волны 3130]. Comptes rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 196 : 1537–9.
  15. ^ Олдфорд, Р. З .; Маккей, Р. Дж (2000). «Научный метод, статистический метод и скорость света» . Статистическая наука . 15 (3): 254–278. DOI : 10,1214 / сс / 1009212817 . Руководство по ремонту 1847825 . 
  16. ^ a b Ньюкомб, Саймон (1911). «Свет»  . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 624.
  17. Перейти ↑ Michelson, AA (январь 1927 г.). «Измерения скорости света между горами Вильсон и Сан-Антонио». Астрофизический журнал . 65 : 1. Bibcode : 1927ApJ .... 65 .... 1M . DOI : 10.1086 / 143021 .
  18. Офис новостей Гарварда (24 января 2001 г.). «Harvard Gazette: теперь исследователи могут останавливать, зажигать свет» . News.harvard.edu. Архивировано из оригинального 28 октября 2011 года . Проверено 8 ноября 2011 года .
  19. ^ «Спектр и цветовая чувствительность глаза» (PDF) . Thulescientific.com . Проверено 29 августа 2017 года .
  20. ^ "Справочная солнечная спектральная освещенность: воздушная масса 1,5" . Проверено 12 ноября 2009 года .
  21. Перейти ↑ Tang, Hong (1 октября 2009 г.). «Да пребудет с тобой сила света». IEEE Spectrum . 46 (10): 46–51. DOI : 10.1109 / MSPEC.2009.5268000 . S2CID 7928030 . 
  22. ^ См., Например, исследование нано-опто-механических систем в Йельском университете .
  23. Кэти А. (5 февраля 2004 г.). "Астероиды вращаются Солнцем" . Откройте для себя журнал .
  24. ^ "Солнечные паруса могут отправить космический корабль" в плавание "через космос" . НАСА . 31 августа 2004 г.
  25. ^ «Команда НАСА успешно развертывает две системы солнечных парусов» . НАСА . 9 августа 2004 г.
  26. ^ П. Лебедев, Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes, Ann. Phys. 6, 433 (1901).
  27. ^ Николс, EF; Халл, GF (1903). «Давление радиации» . Астрофизический журнал . 17 (5): 315–351. Bibcode : 1903ApJ .... 17..315N . DOI : 10.1086 / 141035 .
  28. ^ Эйнштейн, А. (1909). О развитии наших взглядов на природу и строение излучения. Переведено в: Сборник статей Альберта Эйнштейна, т. 2 (Princeton University Press, Princeton, 1989) . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 391.
  29. ^ Antognozzi, M .; Bermingham, CR; Харниман, Р.Л .; Simpson, S .; Senior, J .; Hayward, R .; Hoerber, H .; Деннис, MR; Бекшаев, А.Ю. (август 2016). «Прямые измерения необыкновенного оптического момента и поперечной силы, зависящей от спина, с помощью нанокантилевера». Физика природы . 12 (8): 731–735. arXiv : 1506.04248 . DOI : 10.1038 / nphys3732 . ISSN 1745-2473 . S2CID 52226942 .  
  30. Перейти ↑ Singh, S. (2009). Основы оптической инженерии . Издательство Discovery. ISBN 9788183564366.
  31. ^ О'Коннор, JJ; Робертсон, EF (август 2002 г.). «Свет сквозь века: от Древней Греции до Максвелла» .
  32. ^ Птолемей и А. Марк Смит (1996). Теория зрительного восприятия Птолемея: английский перевод оптики с введением и комментарием . Дайан Паблишинг. п. 23. ISBN 978-0-87169-862-9.
  33. ^ a b c "Буклет для пожилых людей Шастра Пратибха 2015" (PDF) . Sifuae.com . Проверено 29 августа 2017 года .
  34. ^ a b Теории света, от Декарта до Ньютона AI Sabra CUP Archive, 1981 p. 48 ISBN 0-521-28436-8 , 978-0-521-28436-3 
  35. ^ Фокко Ян Дейкстерхейс, Линзы и волны: Христиан Гюйгенс и математическая наука об оптике в 17 веке , Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-2697-8 
  36. ^ Джеймс Р. Хофманн, Андре-Мари Ампер: Просвещение и электродинамика , Cambridge University Press, 1996, стр. 222.
  37. ^ Дэвид Кэссиди; Джеральд Холтон; Джеймс Резерфорд (2002). Понимание физики . Birkhäuser. ISBN 978-0-387-98756-9.
  38. ^ a b Longair, Малкольм (2003). Теоретические концепции в физике . п. 87 .
  39. Перейти ↑ Cassidy, D (2002). Понимание физики . Springer Verlag Нью-Йорк.
  40. ^ Барроу, Гордон М. (1962). Введение в молекулярную спектроскопию (отсканированный PDF-файл) . Макгроу-Хилл. LCCN 62-12478 .  
  41. ^ Hignett, Кэтрин (16 февраля 2018). «Физика создает новую форму света, которая может привести к революции квантовых вычислений» . Newsweek . Проверено 17 февраля 2018 .
  42. ^ Лян, Ци-Ю; и другие. (16 февраля 2018 г.). «Наблюдение трехфотонных связанных состояний в квантовой нелинейной среде» . Наука . 359 (6377): 783–786. arXiv : 1709.01478 . Bibcode : 2018Sci ... 359..783L . DOI : 10.1126 / science.aao7293 . PMC 6467536 . PMID 29449489 .  

внешняя ссылка

  • Свет (физика) в Британской энциклопедии
  • Свет в энциклопедическом словаре Вьетнама