Видимый свет физика. Свет как поток частиц. Свет в специальной теории относительности

В 17 веке появились две теории (волновая и корпускулярная) о том, свет. Согласно первой, свет представляет собой электромагнитную волну. Это было подтверждено системой уравнений Максвелла, составленной в 19 веке. Она очень хорошо описывала электрические и магнитные поля. До сих пор никто не смог доказать, что теория Максвелла неверна.

В 20 веке обнаружились некоторые явления, идущие вразрез с волновыми представлениями в свете. В их число входит фотоэффект - выбивание электронов из вещества падающим светом. Согласно волновой теории, это явление должно иметь значительную задержку: световая волна должна передать значительное количество энергии электрону, чтобы он вылетел из вещества. Однако опыты показали, что задержка практически отсутствует. Была создана новая теория, утверждающая, что свет - частиц (корпускулов). Таким образом был показан корпускулярно-волновой дуализм света.

Волновые свойства света

К явлениям, подтверждающим, что свет - электромагнитная волна, относится интерференция, дифракция и другие. Они часто используются в различных научных исследованиях.

Интерференция - это наложение двух волн, приводящее к увеличению или уменьшению интенсивности излучения. В результате получается интерференционная картина: чередование максимумов и минимумов, причем максимумы обладают интенсивностью излучения, в 4 раза превышающей интенсивность источника. Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы источники были (т.е. обладали одинаковой частотой излучения и постоянной разностью фаз).

Корпускулярные свойства света

Свет проявляет свои корпускулярные свойства при фотоэффекте. Это явление было открыто немецким физиком Г. Герцем и экспериментально исследовано русским ученым А.Г. Столетовым. Он получил некоторые интересные данные. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов зависит только от частоты падающего излучения. Это противоречит представлениям классической физики.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота, при которой этой явление еще наблюдается. Таким образом, фотоэффект может иметь место даже при падающем излучении низкой энергии (главное, чтобы частота была подходящей). Интересным открытием стало и то, что количество электронов, вылетевших с поверхности вещества в единицу времени, зависит только от интенсивность излучения (прямая зависимость).

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.

«Свет » относится к тем категориям, которые кажутся наиболее знакомыми, понятными и простыми, но на самом деле оказываются самыми сложными. Вообще говоря, на протяжении всего развития физики представления о том, что такое свет неоднократно кардинально менялись.

В древнем мире мнения о свете были самые разные. В ньютоновскую эпоху в большей степени получила развитие геометрическая оптика и корпускулярный взгляд на свет, хотя в то же возникли и волновые представления о свете (принцип Гюйгенса). С открытием явлений интерференции и дифракции приоритет перешел к волновой теории света, причем в рамках Максвелла оказалось, что свет - это электромагнитные колебания (волны в электромагнитном поле). Однако в рамках пришлось вновь вернуться к корпускулярным представлениям о свете, тогда же появилось понятие фотон - квант света. С тех пор считается, что свет имеет двойственную природу - в одних случаях волновую, в других - корпускулярную.

Полевая физика существенно меняет философию всех этих вопросов. Во-первых, она отделяет понятие , которой принадлежат базовые (протоны, электроны и т.п.) и состоящие из них тела, от понятия , к которым относится свет, как электромагнитной компоненты . В свет не является материальной сущностью, это колебательный процесс, который может характеризоваться такими понятиями как частота или , но не обладает или .

Согласно этой философии свет не подчиняется законам, справедливым для материальных тел. В частности, на него не могут действовать , для него не применимо классическое правило сложения , так как свет - сущность иной природы, нежели материальные объекты. Так если бросить камень с движущейся лодки, то его полная скорость относительно берега будет суммой начальной скорости камня и скорости лодки. Если же камень упадет в воду, то скорость распространения кругов на воде не зависит от того, с какой скоростью камень летел, так как круги на воде, также как и свет, ни что иное как , а не материальное тело. Скорость волн определяется свойствами среды, в которой они распространяются, и она не зависит от скорости источника, создавшего эти волны (скорость источника влияет на частоту волн, этот эффект носит название эффекта Доплера). Это простое объяснение наглядно показывает, почему в отличие от скорости камня не зависит от источника. Просто закон сложения скоростей, применимый для материальных тел, не применим к свету, как сущности иной природы.

Согласно отклонение света в также не связано с действием на свет гравитационных , так как свет, как колебательный процесс, не обладает (а точнее гравитационным зарядом). Этот эффект происходит за счет увеличения среды вблизи крупного тела а, следовательно, свет испытывает некоторое преломление, проходя через более плотную среду. Аналогичным образом в полевой физике получают совершенно иную интерпретацию и объяснение многие эффекты, связанные со светом.

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.

«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.