Видимое излучение
Видимое излучение — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок [1] [2] спектра с длинами волн приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный) [3] . Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). [4] Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.
В спектре содержатся не все цвета, которые различает человеческий мозг. Таких оттенков, как розовый или маджента, нет в спектре видимого излучения, они образуются от смешения других цветов.
Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.
Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящему в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят свет в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете. [5] [6]
Содержание
История
Первые объяснения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах. [7]
Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.
Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. [8] [9] Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетого цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.
Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму, на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.
В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.
В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз использует три различных вида рецепторов.
Характеристики границ видимого излучения
| Длина волны, нм | 740 | 380 |
| Энергия фотонов, Дж | 2,61·10 −19 | 4,97·10 −19 |
| Энергия фотонов, эВ | 1,6 | 3,1 |
| Частота, Гц | 3,94·10 14 | 7,49·10 14 |
| Волновое число, см −1 | 1,32·10 4 | 2,50·10 4 |
Спектр видимого излучения
При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. [10] Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:
Кто открыл видимый свет
СВЕТ, зрительное ощущение, возникающее в глазу, и видимое излучение, вызывающее такое ощущение. Это как бы две стороны одного явления – субъективная и физическая. Первой посвящена статья ГЛАЗ, а второй – статьи ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, ОПТИКА, ФИЗИКА. Ниже дается краткий очерк истории развития представлений о природе света. (Эти представления столь важны для всего хода развития физики, что для полного изложения данного вопроса пришлось бы, пожалуй, написать историю физики.)
Ранние представления.
О том, что такие представления, дошедшие до нас из древних времен, возникли на очень ранней стадии развития человечества, свидетельствуют как их примитивность, так и их разнообразие. От греков, а также индусов дошли утверждения о том, что зрение есть нечто исходящее из глаза и как бы ощупывающее предметы, но также и другие теории, согласно которым свет представляет собой поток вещества, исходящий от видимого предмета. Среди этих гипотез ближе всего к современным представлениям точка зрения Демокрита из Абдеры (5 в. до н.э.). Он учил, что свет – это поток частиц, обладающих определенными физическими свойствами, к которым не относится цвет (ощущение цвета возникает уже как следствие вхождения в глаз света). Он писал: «Сладость существует как условность, горечь – как условность, цвет – как условность; в реальности существуют лишь атомы и пустота».
Позднее платоники дали весьма сложное объяснение сущности зрения, основанное на гипотезе о трех потоках частиц, исходящих из Солнца, предмета и глаза, сливающихся воедино и возвращающихся в глаз. Положительным в этой теории было то, что признавалась необходимость источника света; однако она не привела ни к каким значительным научным выводам, и, по-видимому, новых идей не возникало до 11 в., когда знаменитый арабский ученый Альхазен (аль-Хасан), теории которого лежат в основе современных представлений об устройстве и функциях глаза, вернулся к мысли, что источником света служит светящийся предмет.
В средние века с возрождением наук в Европе пришло понимание того, что правильно объяснить физическое явление можно, лишь полностью изучив происходящее, и этот новый дух науки вызвал особый интерес к оптическим экспериментам. Одновременно с изобретением очков, микроскопа и телескопа в эти же века ученые, такие, как Р.Бэкон, Леонардо да Винчи, Й.Кеплер, Г.Галилей и Р.Декарт, пытались понять физические законы, описывающие истинную природу света. По-видимому, все, кроме Декарта, придерживались эмиссионной теории Альхазена. Декарту же мы обязаны понятием «светоносного эфира» (1637) – бесконечно упругой среды, заполняющей все пространство и передающей свет как некое давление. В начале 20 в. эта концепция была оставлена, но лишь после сотни лет интенсивной разработки, в течение которых она порождала весьма глубокие и долгоживущие гипотезы.
Опыты Ньютона.
В 1666 приступил к экспериментальному изучению природы цвета И.Ньютон. Его выводы, представленные в ряде сообщений Королевскому обществу, произвели глубокое впечатление на научные круги Европы, опровергнув ряд хитроумных гипотез и впервые четко обозначив те фундаментальные вопросы, на которые следовало ответить. В итоге Ньютон создал теорию цвета в том виде, в каком она существует по сей день. Согласно его теории, белый свет есть смесь всех цветов, а предметы кажутся цветными, поскольку отражают в глаз наблюдателя одни компоненты белого цвета более интенсивно, нежели другие. Все это, как и множество других идей, было не просто изложено, но и подтверждено многочисленными искусными и точными экспериментами, результаты которых предвосхищали и отметали все возможные возражения. Даже сегодня серьезное изучение проблем цвета лучше всего начинать с внимательного прочтения «Оптики» Ньютона, впервые опубликованной в 1704; своими общими научными замечаниями особенно интересно ее 4-е издание (1728).
Однако для понимания природы света полученные Ньютоном экспериментальные результаты мало что давали, и здесь он оказался не столь удачлив. Он отверг предположения таких ученых, как Гук и Гюйгенс, основанные на более ранних догадках Декарта о том, что свет представляет собой некие возмущения типа волн (точнее, последовательности импульсов) в светоносном эфире. Между тем эта теория была способна хотя бы качественно объяснить явления интерференции и дифракции света. Ньютон же ошибочно полагал, что ей противоречат явление поляризации света и то обстоятельство, что непрозрачные предметы отбрасывают резкие тени. Его собственная гипотеза состояла в том, что свет – это поток частиц; он вообще не находил объяснения явлению поляризации, а явление интерференции (которое одним из первых начал экспериментально изучать) туманно объяснял «трудным и легким преломлением». Огромный авторитет Ньютона обеспечил господство этих взглядов на протяжении многих лет после его кончины.
Волновая теория.
Лишь в начале 19 в. Т.Юнг в Англии и О.Френель во Франции создали детальную волновую теорию света, способную ответить на возражения Ньютона, а также просто и убедительно объяснить почти все известные в то время оптические явления. Математическая волновая теория Френеля и его последователей лежит в основе современной теоретической оптики, хотя и представляет собой просто теорию волнового движения. Она не нуждается в гипотезах относительно того, в какой среде происходит движение. Однако физика на протяжении всего 19 в. пыталась найти ответ на этот вопрос. Но при разработке чисто механической теории распространения волн в эфире возникла трудность: для объяснения поляризации света требовалось, чтобы световые волны были поперечными (подобно волнам, бегущим по веревке). Всякая среда, в которой могут распространяться поперечные колебания, должна обладать определенной жесткостью; это требование не удавалось согласовать со свойствами пустого пространства. Огромные усилия в этом направлении, в том числе использование самых мощных из существовавших тогда методов математического анализа, оказались тщетными. Всякая объединенная модель эфира, света и атомов, в которой эфир не оказывал бы воздействия на поведение атомов, давала следствия, которые опровергались экспериментом.
Максвелл.
У истоков другого пути поисков природы света лежало открытие Дж.Максвелла, сделанное в 1861 и состоявшее в том, что световые явления связаны с электричеством и магнетизмом. Поначалу эфир рассматривался Максвеллом как сложная механическая система, действие которой проявляется в электрических и магнитных силах, но подчиняется законам механики. На основе уравнений, описывающих этот механизм, Максвелл установил возможность существования электромагнитного поля, способного отделяться от порождающих его зарядов и токов и уже независимо от них распространяться в пространстве с постоянной скоростью 310 745 км/с. Хотя Максвелл не занимался непосредственно построением теории света, совпадение этого числа с величиной скорости света, среднее значение которой по имевшимся тогда данным составляло 311 215 км/с, показалось ему крайне удивительным. (Результаты современных измерений дают 299 792 км/с, что согласуется с расчетами на основе уравнений Максвелла.) 10 декабря 1861 он писал своему другу У.Томсону (впоследствии лорду Кельвину): «Я составлял и решал уравнения, даже не подозревая, что скорость распространения магнитных эффектов может быть близка к скорости света, а потому, думаю, у меня есть основания полагать, что магнитная и светоносная среды идентичны».
Однако самой большой заслугой Максвелла было, пожалуй, то, что он сразу же понял: механическая модель не очень существенна для сделанных выводов. В его более поздней работе эти выводы представлены в их современном виде как соотношения между электрическими и магнитными величинами, остающиеся верными независимо от механического объяснения. Г.Герц показал на опыте, что теория Максвелла количественно верна при описании процессов испускания, распространения и поглощения излучения. Эти открытия сделали задачу сторонников эфира еще более сложной, т.к. теперь им следовало дать объяснение не только явлению света, но и электромагнитным явлениям. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Квантовая теория.
Теория относительности Эйнштейна появилась в 1905 и в удивительно короткий срок, учитывая ее радикальный характер, завоевала всеобщее признание. Отчасти это произошло потому, что теория относительности, благодаря глубокой связи с экспериментальными фактами, продемонстрировала, что теорию эфира следует отбросить. Хотя теория Эйнштейна и не давала ответа на фундаментальный вопрос, каким образом распространяется свет, оставляя проблему почти в том же виде, как и во времена Юнга и Френеля, она выбила почву из-под разного рода теорий эфира, доказав, что для данного вопроса нет механистического решения. См. также ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ.
Когда теория эфира вступала в свою последнюю фазу, столь же фундаментальное и плодотворное замешательство возникло в другой области физики. Еще в 1887 в ходе экспериментальной проверки теории Максвелла Герц был озадачен явлением фотоэффекта (испусканием отрицательных электрических зарядов с поверхности металла под действием света). К 1902 стало очевидно, что теория Максвелла совершенно неверно предсказывает число и энергию электронов, испускаемых при фотоэффекте. Опираясь на высказанную ранее Планком идею, Эйнштейн в 1905 предложил очень простое объяснение фотоэффекта: свет падает на поверхность металла в виде потока частиц (возрождение представлений Ньютона), энергия которых пропорциональна частоте света, и каждая из них выбивает с поверхности один электрон. Пропорциональность энергии частоте записывается в виде E = hn, где E – энергия, n – частота падающего света, а h – универсальный коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка. Существование дискретных порций энергии, названных квантами, а позднее фотонами, было экспериментально подтверждено в последующее десятилетие. Предложенное Эйнштейном соотношение выполнялось с высокой точностью и нашло свое место в квантовой теории, когда ее впервые применил к строению атома Н.Бор (1912). См. также КОМПТОНА ЭФФЕКТ; ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.
Однако долгое время физический смысл гипотезы Эйнштейна оставался неясным. Очевидно, что говорить о длине волны как о характеристике механической частицы означало бы смешивать электромагнитные и механические свойства, как это было в 19 в. Очевидно также, что интерференцию света от двух щелей невозможно объяснить каким-либо взаимодействием частиц, поскольку частица должна пройти либо через одну, либо через другую щель, и влиять на ее движение обе щели не могут.
Эти и многие подобные вопросы почти 20 лет тревожили сторонников квантовой теории, вздохнувших с облегчением лишь с появлением в 1925 ее современного варианта. Решение было простым, изящным и полностью согласовалось с экспериментом: свет представляет собой волну, но не механическую, пока не происходит обмен энергией с веществом. Переход энергии от света к веществу или от вещества к свету подчиняется соотношению E = hn. Данное соотношение является математическим следствием теории, которая предсказывает, что то же самое справедливо для волны любой природы, например звуковой. В обыденном же опыте дискретность испускания и поглощения энергии не обнаруживается по той причине, что энергия квантов, как правило, мала и лишь поток большого их числа может вызвать зрительное ощущение. (Например, нормальный человеческий глаз, полностью адаптированный к темноте, едва воспринимает освещенность, соответствующую попаданию в глаз примерно 60 фотонов в секунду, а обычные уровни освещенности во много тысяч раз больше.) В то же время фотоэффект и комптон-эффект, которые отражают воздействие отдельных фотонов, а также поглощение звука в кристаллах (соответствующие кванты называют фононами), хорошо известны в физике твердого тела. В настоящее время состояние теории света можно считать удовлетворительным в том смысле, что не осталось значительного объема необъясненной экспериментальной информации. Однако, как видно из истории развития представлений о природе света, нельзя уверенно предсказать судьбу физической гипотезы.
Видимое излучение: применение в медицине и в жизни, источники, свойства, кем и когда открыто
Вы окружены электромагнитными волнами. Они везде! От света, который вы можете видеть, до ультрафиолета, проходящего через ваше окно от солнца. Даже если бы вы попробовали, вы не смогли бы избежать волн. Но опять же, зачем вам это нужно? Зачем чего-то избегать, если это можно применять? Что такое видимое излучение, кем и когда открыто? Как оно воздействует и где применяется?
Световые волны
Термин «световые волны» может использоваться по-разному разными людьми. Физики склонны небрежно использовать его на одном уровне с электромагнитными. Итак, в чем разница? Электромагнитные волны (или электромагнитное излучение) представляют собой волны, создаваемые колебательными магнитными и электрическими полями, и включают радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Как и все волны, они несут энергию, и эта энергия может быть очень высокой интенсивности (например, электромагнитные волны, которые мы получаем от солнца).
При взгляде на спектр видимого света синим концом электромагнитного спектра является высокая частота, высокая энергия и короткая длина волны. Красный конец электромагнитного спектра представляет собой низкочастотную, малую энергию и большую длину волны. Свет — это лишь часть электромагнитного спектра, часть, которую могут видеть наши глаза. Каковы сферы применения видимого излучения, кроме той, которая позволяет человеку видеть все вокруг?
Различные типы световых волн
Радиоволны находятся на красном конце электромагнитного спектра. Красный конец также является наименьшей энергией, самой низкой частотой и самой большой длиной волны. Радиоволны в основном используются в коммуникациях, для передачи сигналов от одного места к другому. Радиостанции используют радиоволны, как и сотовые телефоны, телевизоры и беспроводные сети. Из-за большой длины волны радиоволн они могут отскочить от ионосферы Земли, позволяя радиостанциям передавать свои радиопередачи на большие расстояния, не находясь в прямой видимости всех своих слушателей.
Микроволны являются ближайшими к красному концу спектра. Вероятно, вы можете догадаться, что микроволны используются в наших кухонных микроволновках для приготовления пищи. Они имеют достаточно высокую энергию, чтобы увеличить движение молекул в вашей пище, не ионизируя атомы. Это важно, потому что это означает, что пища будет только нагреваться, – ее химический состав останется прежним.
Инфракрасный имеет длину волны немного больше, чем наши глаза могут обнаружить. Тело человека имеет температуру, которая производит излучение в этой части спектра, и поэтому инфракрасные детекторы могут использоваться как камеры ночного видения. ИК-порт также используется пультом дистанционного управления для отправки сигналов на телевизоры и другое аудио- или видеооборудование.
Видимый свет – это часть электромагнитного спектра, который наши глаза могут обнаружить, и та часть, с которой мы больше всего знакомы в нашей повседневной жизни. Он считается находящимся в «середине» электромагнитного спектра, хотя это довольно произвольно.
Ультрафиолет (часто сокращается до УФ) направляется в синюю сторону электромагнитного спектра, который является высокоэнергетической и более короткой волновой стороной. Ультрафиолетовое излучение слишком короткое в длине волны, чтобы наши глаза могли его обнаружить. УФ-волны являются достаточно высокой энергией, поэтому они способны ионизировать атомы, разрушая молекулярные связи и даже молекулы ДНК. По этой причине УФ вызывает солнечный ожог и даже рак кожи. Большинство вредных ультрафиолетовых волн Солнца поглощается атмосферой (особенно азотом) и озоновым слоем, но достаточно большая его часть попадает на землю. Поэтому стоит быть осторожными и использовать солнцезащитный крем и солнечные очки.
Рентгеновское излучение имеет очень высокую энергию и подобно УФ может ионизировать атомы в теле и наносить урон. Однако на правильных длинах волн и в правильных количествах их можно использовать безопасно, не повреждая ткани тела, чтобы создать, например, снимки грудной клетки. Также рентгеновские телескопы полезны при исследовании астрофизики.
Что такое видимый свет и как его можно использовать?
Каково применение видимого излучения? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала дать определение этому термину. Видимый свет – это электромагнитное излучение, вызванное фотонами, поражающими поверхность и поглощаемыми электронами материала, при этом излучается цвет, который имеет наименьшую скорость поглощения. Например, огнетушители красные, потому что частицы краски поглощают зеленую частоту лучше, чем красную.
340-750 нм – длина волны видимого спектра. Благодаря этим знаниям можно создавать диоды, которые излучают свет на определенных частотах. Одним из применений видимого света является светофор. Видимый свет – любая электромагнитная волна (или фотон как квантовый эквивалент), которая лежит в области синего и красного цветов спектра. Он имеет множество применений. Видимый свет используется как источник света, который можно увидеть человеческим глазом. Это лазеры, свободная космическая связь, оружие, сигнализация, освещение.
Он также используется в качестве сигнатурной эмиссии некоторых атомных и химических реакций, позволяя идентифицировать присутствие различных материалов, поэтому используется в судебной экспертизе и медицине. Видимый свет – это электромагнитное излучение в диапазоне частот от 430 до 770 ТГц, соответствующее длинам волн от 390 до 700 нм. Это диапазон электромагнитного излучения, который может быть получен глазами животных и человека. Эволюция, вероятно, оборудовала животных органом для получения этого диапазона излучения. Видимый свет представляет собой максимальную интенсивность солнечного излучения, и он довольно коротковолновой. Также он не повреждает живые клетки, в отличие от, например, УФ, рентгеновских или гамма-лучей.
Видимый свет – это электромагнитная волна
Обычно наблюдаемый свет представляет собой комбинацию различных цветных световых волн. Эти разные цвета света обусловлены разными частотами света. Видимый свет имеет много применений в оптике, материаловедении, конденсированном веществе, лазерных науках, разных отраслях промышленности, которые используют этот свет для экспериментов и каждый день. Примерами являются экраны проекторов, лазерный луч, используемый в шоу, или указатель, камера и так далее.
Свет – это часть электромагнитного спектра, к которому чувствительны наши глаза. Главное применение видимого света – это способность видеть вещи своими глазами. Излучение спектра передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Этот спектр классически разделен на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Наши глаза могут обнаружить только крошечную часть электромагнитного спектра, называемую видимым светом.
Так работают лампочки: электрический ток нагревает ламповую нить примерно до 3000 градусов, и она светится горячим светом. Поверхность Солнца составляет около 5600 градусов и выделяет много света. Белый свет фактически состоит из целого ряда цветов, смешанных друг с другом. Это можно увидеть, если пропустить белый свет через стеклянную призму. Компакт-диски считываются лазерным излучением. Лазеры используются в компакт-дисках и DVD-плеерах, где свет отражается от крошечных ямок на диске, при этом происходит преобразование в звук или данные. Лазеры также используются в лазерных принтерах и в системах прицеливания самолетов.
Опасности видимого света
Видимые световые волны – единственные электромагнитные волны, которые может увидеть человеческий глаз. Люди видят их как цвета радуги, каждый из которых имеет свою длину волны. Красный имеет самую длинную, а фиолетовый – самую короткую. Когда все волны видны вместе, они создают белый свет. Конусы в глазах являются приемниками для этих крошечных волн видимого света. Солнце является естественным источником видимых световых волн, и глаза видят отражение этого солнечного света от окружающих объектов. Цвет объекта, который видит человек, это цвет отраженного света. Все остальные цвета поглощаются.
Слишком большое излучение может повредить сетчатку глаза. Это может произойти, если вы посмотрите на что-то очень яркое, например на Солнце. Хотя повреждение можно вылечить, но если воздействие видимого излучения является сильным и постоянным, это может иметь необратимые последствия.
Видимое излучение: источники, свойства, применение
Лампочки – еще один источник видимых световых волн. А еще лазеры. Кто их открыл? Альберт Эйнштейн (1917) предложил механизм стимулированного излучения – принцип действия лазера. Открытие спонтанного излучения Эйнштейна (процесс, происходящий в атомах) побудило его развить идею стимуляции светодиодов. В 1950-х годах исследователи предложили конструкции для устройства, которое стимулировало бы излучение для усиления света. Первый лазер был построен Теодором М. Майманом В 1960 году.
Как производится лазер?
Искусственный процесс включает в себя следующее:
- Источник энергии.
- Активная среда.
- Оптическая полость.
Активная среда поглощает энергию из источника, сохраняет ее и высвобождает ее как свет. Что-то из этого света запускает другие атомы, чтобы высвободить их энергию, поэтому к запущенному добавляется еще больше света. Зеркала в конце оптической полости отражают свет обратно в активную среду, и процесс начинается снова, заставляя свет усиливаться и вызывая его часть в виде узкого луча – лазера. Для увеличения светового излучения в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем было изначально. Это называется инверсией данных. Это состояние не происходит при нормальных условиях. Поэтому этому процессу должны помочь искусственные технологии, а не природа.
Лекарственное средство
Применение видимого излучения в медицине – это обычное дело. Лазеры используются в микрохирургических процедурах, таких как выполнение небольших точных разрезов, операций на печени и капиллярной хирургии, что приводит к небольшой потере крови. Лазеры также используются в офтальмологии (удаление катаракты и коррекция зрения), дерматологии (удаление татуировок и шрамов), стоматологии (очищение полости), онкологии (лечение рака кожи).
Какой можно привести пример применения видимого излучения в медицине? Светотерапия также используется для облегчения сезонного аффективного расстройства, регулирует ваши внутренние биологические часы (суточные ритмы) и влияет на настроение. Терапевтическое применение света и цвета также исследуется во многих больницах и исследовательских центрах по всему миру. Результаты пока показывают, что полный спектр, ультрафиолетовый, цветной и лазерный свет могут иметь терапевтическое значение для ряда условий – от хронической боли и депрессии до иммунных расстройств.
Видимое излучение: кем и когда открыто?
Первым объяснил возникновение спектра (этот термин был употреблен впервые в 1671 году) видимого излучения Исаак Ньютон в своем труде «Оптика» и Иоганн Гете в своей работе «Теория цветов». Что такое видимое излучение? Кем и когда открыто? Также похожими исследованиями занимался Роджер Бэкон, который наблюдал за спектром в стакане воды задолго до Ньютона и Гете.
Применение в жизни видимого излучения дает возможность видеть что-либо вообще. Свет движется, как волна, отскакивая от объектов, чтобы люди могли их видеть. Без этого все были бы в полной темноте. Но в физике свет может относиться к любой электромагнитной волне: радиоволнам, микроволнам, инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому, рентгеновскому излучению или гамма-лучам.
Кто открыл видимый свет и когда
Строительство
Ви́димое излуче́ние — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом [1] . Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра [2] . Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (790—750 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (395—385 ТГц) [1] [3] . Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).
Не всем цветам, которые различает человеческий глаз, соответствует какое-либо монохроматическое излучение. Такие оттенки, как розовый, бежевый или пурпурный образуются только в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн.
Видимое излучение также попадает в «оптическое окно» — область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемого земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает синий свет существенно сильнее, чем свет с бо́льшими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.
Многие виды животных способны видеть излучение, не видимое человеческому глазу, то есть не входящее в видимый диапазон. Например, пчёлы и многие другие насекомые видят излучение в ультрафиолетовом диапазоне, что помогает им находить нектар на цветах. Растения, опыляемые насекомыми, оказываются в более выгодном положении с точки зрения продолжения рода, если они ярки именно в ультрафиолетовом спектре. Птицы также способны видеть ультрафиолетовое излучение (300—400 нм), а некоторые виды имеют даже метки на оперении для привлечения партнёра, видимые только в ультрафиолете [4] [5] .
Содержание
История [ править | править код ]
Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах [6] [7] .
Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum — видение, появление) в печати в 1671 году, описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся в прозрачной среде с различной скоростью. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.
Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели [6] [8] . Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.
Гёте, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остаётся белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.
Длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения были впервые представлены 12 ноября 1801 года в Бейкеровской лекции Томасом Юнгом, они получены путём перевода в длины волн параметров колец Ньютона, измеренных самим Исааком Ньютоном. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, соответствующей нужному цвету части разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов [9] :30-31 . Юнг представил полученные значения длин волн в виде таблицы, выразив во французских дюймах (1 дюйм=27,07 мм) [10] , будучи переведёнными в нанометры, их значения неплохо соответствуют современным, принятым для различных цветов. В 1821 году Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решётки, измерив углы дифракции теодолитом и переведя в длины волн [11] . Как и Юнг, он выразил их во французских дюймах, переведённые в нанометры, они отличаются от современных на единицы [9] :39-41 . Таким образом, ещё в начале XIX века стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров.
В XIX веке, после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.
В начале XIX века Томас Юнг и Герман фон Гельмгольц также исследовали взаимосвязь между спектром видимого излучения и цветным зрением. Их теория цветного зрения верно предполагала, что для определения цвета глаз используются рецепторы трёх различных типов.
Характеристики границ видимого излучения [ править | править код ]
| Длина волны, нм | 380 | 780 |
| Энергия фотонов, Дж | 5,23⋅10 −19 | 2,55⋅10 −19 |
| Энергия фотонов, эВ | 3,26 | 1,59 |
| Частота, Гц | 7,89⋅10 14 | 3,84⋅10 14 |
| Волновое число, см −1 | 1,65⋅10 5 | 0,81⋅10 5 |
Спектр видимого излучения [ править | править код ]
При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разными углами. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены с помощью света одной длины волны (точнее, с очень узким диапазоном длин волн), называются спектральными цветами [12] . Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице [13] :
| Цвет | Диапазон длин волн, нм | Диапазон частот, ТГц | Диапазон энергии фотонов, эВ |
|---|---|---|---|
| Фиолетовый | ≤450 | ≥667 | ≥2,75 |
| Синий | 450—480 | 625—667 | 2,58—2,75 |
| Сине-зелёный | 480—510 | 588—625 | 2,43—2,58 |
| Зелёный | 510—550 | 545—588 | 2,25—2,43 |
| Желто-зелёный | 550—570 | 526—545 | 2,17—2,25 |
| Жёлтый | 570—590 | 508—526 | 2,10—2,17 |
| Оранжевый | 590—630 | 476—508 | 1,97—2,10 |
| Красный | ≥630 | ≤476 | ≤1,97 |
Указанные в таблице границы диапазонов носят условный характер, в действительности же цвета плавно переходят друг в друга, и расположение видимых наблюдателем границ между ними в большой степени зависит от условий наблюдения [13] .
Электромагнитный спектр представляет диапазон всех частот или длин волн электромагнитного излучения от очень низких энергетических частот как радиоволны до очень высоких частот, таких как гамма-лучи. Свет это часть электромагнитного излучения, которая является видимой для человеческого глаза и называется видимый свет.
Солнечные лучи гораздо шире видимого спектра света и описываются как полный спектр, включающий диапазон длин волн, необходимых для поддержания жизни на земле и влияния Солнца на человека: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ).
Видимый спектр света включает семь цветных полос, когда солнечные лучи преломляются через призму: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Первым человеком, открывшим что белый состоит из цветов радуги был Исаак Ньютон который в 1666 году направил солнечный луч через узкую щель и затем через призму на стену – получив все видимые цвета.
Видимый свет применение
За годы светотехническая промышленность стремительно развивала электрические и искусственные источники, которые копировали свойства солнечного излучения.
В 1960-х годов ученые придумали термин «полный спектр освещения» для описания источников, испускающих подобие полного естественного освещения, который включал ультрафиолетовый и видимый спектр необходимый для здоровья организма человека, животных и растений.
Искусственное освещение для дома или офиса подразумевает естественное освещение в непрерывном распределении спектральной мощности который представляет мощность источника в зависимости от длины волны с равномерным уровнем лучистой энергии связанный с флуоресцентными и галогенновыми лампами.
Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Что такое цвет
Пожалуй, наиболее важной характеристикой видимого света является пояснение что такое цвет. Цвет является неотъемлемым свойством и артефактом человеческого глаза. Как ни странно, но объекты “не имеют” цвета – он существует только в голове смотрящего. Наши глаза содержат специализированные клетки, образующие сетчатку глаза, которая действует как приемники, настроенные на длины волн в этой узкой полосе частот.
Излучение в нижней части видимого спектра, имеющей большую длину волны (около 740 нм) воспринимается как красный, в середине, как зеленый, и на верхнем конце спектра, с длиной волны около 380 нм, считается синий. Все остальные цвета, которые мы воспринимаем, являются смесью этих цветов.
Например, желтый цвет содержит красный и зеленый; голубой – смесь зеленого и синего, пурпурный – смесь красного и синего . Белый содержит все цвета в сочетании. Черный – это полное отсутствие видимого излучения.
Цвет и температура
Излучение энергии воспринимается как изменение цвета. Например, пламя паяльной лампы меняется от красноватого до синего и можно отрегулировать, чтобы жарче горела. Этот процесс превращения тепловой энергии в видимую энергию называется накаливание.
Лампа накаливания высвобождает часть своей тепловой энергии в виде фотонов. Около 800 градусов по Цельсию энергия, излучаемая объектом, достигает инфракрасного излучения. При увеличении температуры, энергия переходит в видимый спектр и у объекта появляется красноватое свечение. Когда объект становится жарче, цвет меняется до “белого каления” и в итоге превращается в синий.
Видимое излучение в астрономии
Видимый свет горячих объектов, таких как звезды, может быть использован для оценки их температуры.
Например, температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 0 по Кельвину или 5527 0 по Цельсию.
Излучаемая энергия имеет пиковую длину колебаний около 550 нм, которые мы воспринимаем как видимый белый (или слегка желтоватый).
Если бы температура поверхности Солнца была прохладнее, около 3000 0 С, это бы выглядело как красноватый цвет, как звезда Бетельгейзе. Если бы это было жарче, около 12000 0 С, это будет выглядеть голубым, как звезда Ригель.
Астрономы также могут определить, какие объекты из чего состоят, так как каждый элемент поглощает свет в определенных длинах волн, называемых спектром поглощения. Зная спектры поглощения элементов, астрономы могут использовать спектроскопы для определения химического состава звезд, газопылевых облаков и других удаленных объектов.
Электромагнитный спектр представляет диапазон всех частот или длин волн электромагнитного излучения от очень низких энергетических частот как радиоволны до очень высоких частот, таких как гамма-лучи. Свет это часть электромагнитного излучения, которая является видимой для человеческого глаза и называется видимый свет.
Солнечные лучи гораздо шире видимого спектра света и описываются как полный спектр, включающий диапазон длин волн, необходимых для поддержания жизни на земле и влияния Солнца на человека: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ).
Видимый спектр света включает семь цветных полос, когда солнечные лучи преломляются через призму: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Первым человеком, открывшим что белый состоит из цветов радуги был Исаак Ньютон который в 1666 году направил солнечный луч через узкую щель и затем через призму на стену – получив все видимые цвета.
Видимый свет применение
За годы светотехническая промышленность стремительно развивала электрические и искусственные источники, которые копировали свойства солнечного излучения.
В 1960-х годов ученые придумали термин «полный спектр освещения» для описания источников, испускающих подобие полного естественного освещения, который включал ультрафиолетовый и видимый спектр необходимый для здоровья организма человека, животных и растений.
Искусственное освещение для дома или офиса подразумевает естественное освещение в непрерывном распределении спектральной мощности который представляет мощность источника в зависимости от длины волны с равномерным уровнем лучистой энергии связанный с флуоресцентными и галогенновыми лампами.
Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Что такое цвет
Пожалуй, наиболее важной характеристикой видимого света является пояснение что такое цвет. Цвет является неотъемлемым свойством и артефактом человеческого глаза. Как ни странно, но объекты “не имеют” цвета – он существует только в голове смотрящего. Наши глаза содержат специализированные клетки, образующие сетчатку глаза, которая действует как приемники, настроенные на длины волн в этой узкой полосе частот.
Излучение в нижней части видимого спектра, имеющей большую длину волны (около 740 нм) воспринимается как красный, в середине, как зеленый, и на верхнем конце спектра, с длиной волны около 380 нм, считается синий. Все остальные цвета, которые мы воспринимаем, являются смесью этих цветов.
Например, желтый цвет содержит красный и зеленый; голубой – смесь зеленого и синего, пурпурный – смесь красного и синего . Белый содержит все цвета в сочетании. Черный – это полное отсутствие видимого излучения.
Цвет и температура
Излучение энергии воспринимается как изменение цвета. Например, пламя паяльной лампы меняется от красноватого до синего и можно отрегулировать, чтобы жарче горела. Этот процесс превращения тепловой энергии в видимую энергию называется накаливание.
Лампа накаливания высвобождает часть своей тепловой энергии в виде фотонов. Около 800 градусов по Цельсию энергия, излучаемая объектом, достигает инфракрасного излучения. При увеличении температуры, энергия переходит в видимый спектр и у объекта появляется красноватое свечение. Когда объект становится жарче, цвет меняется до “белого каления” и в итоге превращается в синий.
Видимое излучение в астрономии
Видимый свет горячих объектов, таких как звезды, может быть использован для оценки их температуры.
Например, температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 0 по Кельвину или 5527 0 по Цельсию.
Излучаемая энергия имеет пиковую длину колебаний около 550 нм, которые мы воспринимаем как видимый белый (или слегка желтоватый).
Если бы температура поверхности Солнца была прохладнее, около 3000 0 С, это бы выглядело как красноватый цвет, как звезда Бетельгейзе. Если бы это было жарче, около 12000 0 С, это будет выглядеть голубым, как звезда Ригель.
Астрономы также могут определить, какие объекты из чего состоят, так как каждый элемент поглощает свет в определенных длинах волн, называемых спектром поглощения. Зная спектры поглощения элементов, астрономы могут использовать спектроскопы для определения химического состава звезд, газопылевых облаков и других удаленных объектов.