Какую природу имеет свет

Природа света (излучение)

Природа света это электромагнитное излучение которая воспринимается человеческим глазом, сточки физики это электромагнитная волна, которая так же рассматривается как фотоны с определенным импульсом, энергией и массой, иногда рассматривают как состояние вещества (плазма). Науки которые изучают свет: физика, оптика, математика, химия, медицина и другие.

Что такое природа света

В конце XVIIстолетия появились две гипотезы о природе света: корпускулярная — Ньютона и волновая — Гюйгенса. Согласно Ньютону свет представляет поток особых частиц, которые испускаются накаленными телами. Эта теория хорошо объясняла явления оптики, связанные с прямолинейным распространением света, однако испытывала затруднения при объяснении явлений интерференции, дифракции и поляризации света.

По Гюйгенсу, свет — это продольные волны в заполняющем всю вселенную упругом эфире. Волновые представления о природе света поддерживались М. В. Ломоносовым и Л. Эйлером. Однако лишь в начале XIX в. волновая теория была надежно обоснована работами Т. Юнга и О. Френеля, которые установили поперечность световых волн и дали полное объяснение явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Все же свет рассматривался как упругие колебания, происходящие в гипотетической среде — мировом эфире.

В 1865 г. появилась гипотеза Максвелла о том, что свет — это электромагнитные волны достаточно малой длины волны, излучение которых связано с движением электронов внутри атома. Эта теория дала значительный толчок развитию оптики, в которой последовал ряд новых открытий, подтверждающих электромагнитную природу света.

Следующим этапом в развитии представлений о природе света было предположение о том, что свет испускается и поглощается прерывно (дискретно) отдельными порциями, или квантами. Первоначально идея о дискретности света была высказана М. Планком (1900), затем она получила подтверждение в исследованиях А. Эйнштейна (1905) по фотоэффекту.

В результате появилась квантовая теория природы света. Согласно этой теории свет представляет поток порций или особых частиц электромагнитной волны, каждая из которых несет определенное количество или квант энергии. Эти частицы вначале назывались квантами света, а затем получили название фотонов. Фотоны излучаются атомами и молекулами вещества. Так как обычно происходит одновременное излучение множества частиц, то глаз не замечает прерывистого характера излучения от каждой отдельной частицы.

Природа света в оптике

Изучение оптики в данном курсе начинается с явлений, в которых наиболее выступают волновые свойства света. Затем рассматриваются явления, в которых проявляется его прерывность, а также условия излучения, и, наконец, в заключительной главе курса будут сформулированы современные взгляды на единую природу вещества и света.

Что такое свет в физике — определение, свойства и природа света

Вопрос, что такое свет в физике, является ключевым для многих отраслей деятельности науки и техники, он вызывает живой интерес как специалистов, так и просто любителей все знать. Использование слова «свет» в физике достаточно условно, так как оно не передает никаких свойств и характеристик отдельно взятого типа излучения. Это общее определение, которое удобно использовать для такого же общего описания природного явления.

Свет – это то явление, с которым мы сталкиваемся постоянно, и благодаря чему вообще существует все живое на земле. Частицы так называемого «света» движутся от Солнца через огромные комические просторы на Землю, освещают ее и придают предметам, окружающим человека, видимость и многие свойства. На это явление можно смотреть далеко не с одной точки зрения, поэтому данный вопрос стоит рассмотреть более подробно.

Что такое свет в физике

Споры вокруг того, что же такое свет, шли в физике и научной среде многие века. Различные деятели выдвигали самые разные теории, что представляет собой данное явление природы, но никак не могли сойтись в едином мнении. Теории появлялись, как грибы после дождя, то опровергая, то дополняя друг друга.

Был создан целый раздел физики – оптика, задача которого стояла в изучении рассматриваемого явления.

К изучению природы света приложили свои талантливые руки все видные деятели науки, начиная с 17 века. Такие европейские светила, как Декарт, Гук, Юнг, Ньютон, Гейгенс, Ампер и многие другие предпринимали многие попытки понять, чем является видимое нам излучение: волной или же потоком частиц.

Именно это противоречие, к которому приводили опыты, ставило исследователей в тупик. Ученым была никак не понятна сочетаемость: как в одном эксперименте явление может вести себя, как поток частиц, а в другом – как электромагнитное излучение.

На сегодня данный вопрос в известной степени решен. Все новые знания позволили вникнуть в суть вещей более глубоко. Корпускулярную и волновую теорию позже дополнила электромагнитная, далее специальная теория относительности Эйнштейна, позже квантовая теория и, наконец, квантовая электродинамика.

Волновые свойства света

То, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами, начали предполагать многие ученые еще в 17-18 веках. Опыты Юнга, Френеля, Ньютона явственно показали, что волновые характеристики выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они имеют значения при доказательстве того, что мы имеем дело с волной.

Луч видимого диапазона излучения способен как бы огибать препятствия любой формы и засвечивать даже ту область, которая якобы находится в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для твердых частиц, получило название дифракции.

Также доказано, что излучение может накладываться друг на друга и как бы дополнять волны аналогичной природы, либо же «тушить», уменьшать их интенсивность. Это явление получило название интерференции.

Оно активно применяется, к примеру, при производстве автомобильных фар – в их стеклах есть специальная фактура, которая позволяет использовать интерференцию и максимально увеличивать интенсивность свечения.

Но утверждение, что свет – это только волна, также находит протесты. Так как другие опыты, скажем, русского ученого Вавилова, показывают, что ему свойственна двойственная характеристика.

Электромагнитная природа света

То, что обычный солнечный луч является электромагнитной волной, является доказанным научным фактом. Над этим трудились многие умы, в частности, Эйнштейн, Вавилов и другие. Не один раздел физики посвящен доказательству того факта, что свет возникает в результате различных возбуждений в атомах и молекулах.

Это может быть тепловое, химическое или электромагнитное воздействие. При прохождении различных процессов в атоме он излучает кванты энергии во всем видимом диапазоне.

Определение электромагнитной природы излучения доказано многими экспериментами, а также теорией. Наиболее полное описание данных вопросов дал известный ученый Максвелл в своих уравнениях по электромагнетизму.

Спектральный состав света

Как показал в своих экспериментах английский естествоиспытатель Ньютон, обычный белый свет – это набор многих цветов, то есть волн с различной длиной, которые в результате взаимодействия складываются в один белый. Длина волн видимого спектра лежит в диапазоне 380-780 нанометров.

Наука смогла доказать, что практически любой вариант излучения не является монохроматичным – то есть, состоящим из волн только одной длины. Почти любой источник света испускает определенный спектр излучения, в котором есть разброс по длинам волн.

Если излучение имеет более короткие волны, нежели 380 нм, то они относятся к ультрафиолетовому свету, если большие 780 нм – инфракрасному. За их пределами сверху и снизу есть и другие типы излучения: гамма-лучи, рентгеновские волны, микроволновой диапазон.

Закон прямолинейного распространения света

Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х10 8 м/с. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!

Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.

Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д.

И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.

Какую природу имеет 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.

Понятие и определение света с точки зрения физики

В XXI веке науке известно почти все об окружающих нас явлениях. По крайней мере, она может достаточно точно ответить на вопрос, что такое свет, какие у него свойства и каким законам он подчиняется.

Что такое свет с точки зрения физики

Первую научную теорию о природе света предложил в XVIII веке Христиан Гюйгенс, утверждавший, что световое излучение распространяется в пространстве волнами. Исаак Ньютон выдвинул свою концепцию о природе этого явления, согласно которой свет — это поток мельчайших частиц.

В середине XIX-го века наука сформировала новые представления о физической природе света. Прорывом стал закон электромагнитного поля Джеймса Максвелла, который смог гармонично соединить идеи Гюйгенса и Ньютона. Ученый доказал, что световое излучение одновременно является и частицей, и волной.

Эти же представления о явлении света актуальны и для современного научного сообщества. Единицей измерения светового потока принято считать фотон — квант электромагнитного излучения.

Световое излучение — это поперечная волна. Однако в падающем от источника пучке световых волн присутствуют колебания всех возможных направлений, в том числе, и продольных.

Природа явления, какие законы его описывают

За 200 лет активных изучений световых явлений, ученые накопили достаточно информации и сформулировали основные законы распространения светового потока в пространстве.

К ним относятся:

1. Прямолинейное распространение светового луча в однородной среде.
2. Отражение светового луча от непрозрачной поверхности.
3. Преломление светового луча на границе двух разных сред.

Закон прямолинейного распространения утверждает, что видимый свет в однородной среде (воздух, вода) распространяется строго по прямой линии. Если на этой линии разместить предмет, то от него образуется тень.

В неоднородной же среде направление светового луча меняется. Одну часть фотонов поглощает среда, другая — меняет свой вектор движения.

Закон отражения одним из первых сформулирован учеными древности. Из этого закона следуют следующие свойства света:

1. Падающий световой поток и отраженный луч находятся в одной плоскости.
2. Угол падения светового луча всегда равен углу отражения.

Как действует закон преломления, каждый из нас мог наблюдать в жизни неоднократно. Мы видели как преломляется чайная ложка в прозрачном стакане воды, но не знали, что это объясняется изменением длины световых волн. Попадая в более плотную среду, скорость распространения светового потока уменьшается, и, наоборот, она увеличивается, переходя из воды в воздух. Другим примером, иллюстрирующим закон преломления света в атмосфере является радуга.

Общие определения

В физике существует специальный раздел, который занимается изучением света, его распространения в пространстве и взаимодействия с другим веществом. Этот раздел называется оптикой.

Другие важные определения, которые необходимо знать при изучении оптических явлений, это:

1. Световой поток. Это величина, равная количеству энергии, излучаемой источником света за единицу времени.
2. Сила света. Так называют плотность светового потока, распространяемого в данном направлении пространства.
3. Яркость. Это характеристика, которая показывает отношение силы света, который излучает поверхность, к площади ее проекции на перпендикулярную оси наблюдения плоскость.
4. Освещенность. Этим термином называют количество света, который падает на единицу поверхности.

Характеристики и основные свойства света

Основной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, то есть его двойственная природа, присущие ему свойства и волны, и частицы.

К основным волновым свойствам данного явления относятся:

1. Интерференция — пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.
2. Дифракция. Этим термином называется свойство световой волны огибать препятствия на своем пути.
3. Поляризация — свойство световых лучей распространяться в определенном направлении (лазеры).

Квантовыми свойствами света считаются:

1. Фотоэффект — выделение веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.
2. Излучение черного тела. Абсолютно черным телом в физике называют тело, поглощающее все то излучение, которое на него падает.
3. Эффект Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения получил название эффект Комптона.

Спектральный состав света

Еще Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет является набором многих цветов или волн, имеющих различную длину, которые при взаимодействии складываются в белый. Видимый свет находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.

Если излучение обладает волнами, короче 380 нм, то оно относится к ультрафиолетовому свету, если излучение имеет длину волн более 780 нм — оно называется инфракрасным.

За пределами ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся и другие, известные науке виды:

• гамма-лучи;
• рентгеновские волны;
• микроволновой диапазон и др.

Как свет воспринимается глазом

Свет воспринимается глазами человека в диапазоне 370-790 нм. Ультрафиолетовое излучение наше зрение зафиксировать не может, зато его воздействие испытывает на себе наша кожа, на которую оно оседает в виде загара. Инфракрасное же излучение ощущается человеком как тепло. Разработки последних лет подтвердили преимущество инфракрасных обогревателей перед другими видами.

Сетчатка глаз обладает уникальной способностью улавливать фотоны и передавать эту информацию в мозг для последующей обработки. Это подтвержденный факт, который свидетельствует о том, что человек является гармоничной частью природы.

Как видите, физика и ее отдельные аспекты кажутся простыми только на первый взгляд. Для того, чтобы разобраться в сути некоторых явлений, придется потратить не один час. Если физика — это не для вас и не про вас, обязательно обращайтесь за помощью к экспертам Феникс.Хелп.