Что такое Свет?
Свет — странная штука. Он распространяется по прямой линии, как лазерная указка или солнечный свет, проникает через окно, изгибается и отражается при других обстоятельствах. В еще более редких случаях может проходить сквозь предметы и даже причинять смерть или вред. Но что такое свет? Из чего он сделан? И как он измеряется?
Люди задумались над тем, что такое свет на протяжении всей записанной истории. На этом изображении показано, как он проходит по прямым линиям через оконные жалюзи.
Свет – это электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение можно рассматривать как волны, которые распространяются через электромагнитное поле и космический вакуум со скоростью ~300 000 километров в секунду (или 3,0*108 м/с). Эти волны могут иметь множество длин волн и частот и описываются во всем электромагнитном спектре. Однако, свет также можно рассматривать, как поток состоящий из определенных квантов или наименьших единиц, называемых фотонами, которые колеблются в пустом пространстве со скоростью ~ 300 000 километров в секунду. В зависимости от эксперимента или задачи, он может рассматриваться физиками как волна или частица. В дополнение к этому, свет, можно рассматривать как вероятностную функцию, которая является волнообразной и частицеподобной.
Разделяющий свет
Электромагнитный спектр состоит из всех длин и частот электромагнитных волн, излучения или света. Волны электромагнитного спектра различаются расстоянием между общими точками отдельных волн (т. е. длиной волны) и количеством волн, пересекающих данную точку в данную секунду (т. е. частотой). Электромагнитное излучение, несущее наибольшую энергию, имеет самую высокую частоту и самые короткие длины волн. Электромагнитный спектр состоит из следующих волн длин волн, от наибольшей до самой короткой:
- Радиоволны – от 100 000 километров до 1 метра.
- Микроволны — от 10 сантиметров до 1 миллиметра .
- Инфракрасное (тепловое излучение) – от 1 миллиметра до 1 микрона (т. е. размером с острие иглы).
- Видимый – от 700 до 400 нанометров (т.е. размеры одноклеточных организмов).
- Ультрафиолетовый – от 400 до 10 нанометров (т.е. размеров молекул).
- Рентгеновские лучи – от 10 нанометров до 10 пикометров (т.е. размеров атомов).
- Гамма-лучи – от 10 пикометров до 1 пикометра (т. е. размеров атомных ядер).
Изучение света показало, что — это электромагнитное излучение. На этой диаграмме изображена большая часть того, что составляет электромагнитный спектр.
Кроме того, видимый может быть разделен на свой собственный спектр длин волн для каждого цвета. Человеческий глаз обнаруживает и воспринимает различные длины волн и частоты видимого света, как разные цвета. В зависимости от атома или молекулы, которые взаимодействуют с длинами волн видимого света или излучают их, каждое вещество будет поглощать, отражать и/или испускать электромагнитное излучение различной длины волны. Глаз и мозг распознают и дифференцируют различные длины волн света, воспринимая окружающий мир, взаимодействующий со светом, как имеющий определенный диапазон цветов, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Красный цвет имеет самую длинную длину волны в видимом диапазоне и находится рядом с инфракрасным; фиолетовый имеет самую короткую длину волны в видимом свете и находится рядом с ультрафиолетовым в электромагнитном спектре.
Исследование
Многие ученые и мыслители внесли свой вклад в изучение света и его спектра. Однако на протяжении тысячелетий они спорили над определением и пониманием явления. Древнегреческий философ Эмпедокл представлял, что человеческий глаз посылает луч в мир, чтобы обнаружить лучи, исходящие от других источников. Другие греки, такие как Евклид и Лукреций, отвергли это представление. Лукреций в 55 г. до н.э. предположил, что свет состоит из атомов, которые бесконечно быстро движутся от своего источника. В V и VII веках индийские буддийские философы Дигнага и Дхармакирти предположили, что он состоит из атомного эквивалента энергии, что отличает его от таких вещей, как материя. Позже, в начале 17 века, философ Рене Декарт отверг идею о том, что свет может распространяться бесконечно быстро, поскольку преломление предполагало, что он меняет скорость при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду).
Примерно в то же время Исаак Ньютон работал над работами Пьера Гассенди, предполагавшего, что свет является частицей. Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц материи, которую он назвал корпускулами. В 17 веке шли споры: это волна или частица? Роберт Гук утверждал, что это волна, подобная волнам на пруду; Ньютон указал на то, что он распространяется по прямым линиям, и предложил не согласиться. Многие другие ученые на протяжении многих лет вносили свой вклад в дебаты, включая Кристиана Гюйгенса, Йозефа фон Фраунгофера, Майкла Фарадея, Томаса Янга, Альберта Майкельсона, Эдварда Морли, Джеймса Максвелла, Генриха Герца и Макса Планка.
Свойства Света
Правда в том, что он просто особенный. Свет может вести себя как волна, так и частица. Свойства волны или частицы могут стать более очевидными в зависимости от эксперимента или наблюдения.
Волнообразные свойства
Свет ведет себя как волны в пруду, потому что он может интерферировать сам с собой. Представьте себе два источника волн, распространяющихся по спокойному пруду. Когда волны встречаются и взаимодействуют друг с другом, они могут иметь как конструктивную, так и деструктивную интерференцию. Пик волны называется вершиной, а нижняя часть волны (между двумя вершинами) — впадиной. Место встречи двух отдельных волн, пик или минимум определяет, как волны интерферируют друг с другом. Если пик одной волны встречается с пиком другой волны, они конструктивно интерферируют, все равно образуя пик волны. Если пик одной волны встречается с впадиной другой, они разрушительно интерферируют и нейтрализуют друг друга, не создавая волны. Глядя на гифку ниже, обратите внимание, что там, где разрушительно мешают волны, вода спокойна.
На этом GIF-изображении показано, как волны создают интерференционную картину на поверхности воды.
Подобно волнам в пруду, свет может интерферировать сам с собой и создавать интерференционную картину, когда проецируется на поверхность, как показано на рисунке ниже. Яркие пятна — это места, где встречающиеся волны демонстрируют конструктивную интерференцию, а области с недостатком света — это места, где встречающиеся волны деструктивно интерферируют друг с другом, и он по существу нейтрализует себя. Это можно продемонстрировать в эксперименте, подобном тому, который провел Томас Юнг .
На этом изображении показана интерференционная картина, которую может создать свет, попадающий на поверхность через двойную щель. Темные области – это деструктивные помехи.
На схеме ниже показаны компоненты эксперимента, подобного тому, который Томас Юнг провел в 1800-х годах. Однако на схеме ниже используется монохроматический источник света, такой как лазер, тогда как Юнг использовал источники, к которым у него был доступ в 1800-х годах.
Эксперимент с двумя щелями продемонстрировал неоспоримые волновые свойства света.
Когда свет одной и той же длины волны проходит через две крошечные параллельные щели или отверстия, свет, распространяющийся из каждой щели, взаимодействует с другой. Там, где волны конструктивно интерферируют, они создают яркое пятно на поверхности, на которую светят, а там, где они интерферируют разрушительно, света становится меньше или совсем нет.
Томас Юнг использовал солнечный — белый свет, состоящий из всех цветов радуги. В этом эксперименте, каждая длина волны и частота разделяются так, что точки на поверхности демонстрируют радужный узор.
Свойства, подобные частицам
Поведение частиц света наблюдается в фотоэлектрическом эффекте. Когда он падает на поверхность, электроны атомов случайным образом повышают энергетические уровни. Это говорит о том, что свет взаимодействует с материей и воздействует на нее, потому что электроны ведут себя так, как будто на них случайно воздействуют частицы. Эйнштейн предположил, что свет можно квантовать или что существует наименьшая единица или квант. Кванты света называются фотонами. Эйнштейн объяснил, что количество энергии, которую несет фотон, прямо пропорционально его частоте и обратно пропорционально его длине волны. Кроме того, как ни странно, свет можно пропускать через эксперимент с двумя щелями по одному фотону за раз. Чувствительный экран обнаружения может быть настроен для обнаружения каждого фотона, когда он сталкивается с поверхностью. Затем компьютер может наметить места, где отдельные фотоны воздействуют на экран обнаружения. Однако даже когда через двойную щель проходит по одному фотону, со временем график все равно создает интерференционную картину! Итак, интерферируют ли отдельные фотоны сами с собой или путешествуют во времени, мешая друг другу?
Использование света
Свет всех длин волн и частот имеет множество применений. Начнем с того, что биосфера на планете практически полностью зависит от электромагнитного излучения Солнца. Растения осуществляют фотосинтез, используя энергию Солнца для преобразования углекислого газа и воды в молекулы сахара. Животные, питающиеся растениями, в свою очередь, в своей жизни также полностью полагаются на Солнце. В дополнение к этому, видимый свет использовался организмами с тех пор, как первые прокариотические клетки смогли его обнаружить. Постепенно адаптация увеличила способность жизни использовать его для навигации. Хотя люди могут только биологически обнаруживать видимый свет, многие другие организмы могут обнаруживать частоты за пределами видимого спектра. Животные, такие как змеи, могут улавливать инфракрасный и ультрафиолетовый свет и использовать его для охоты. Цветы отражают ультрафиолетовый, который пчелы могут обнаружить и использовать, чтобы добыть цветочный нектар и пыльцу.
Люди также разработали технологию, которая может использовать и обнаруживать свет за пределами видимого спектра. Радиоволны и микроволны используются в качестве сигналов для передачи информации между удаленными источниками. Инфракрасный важен для всего: от ночного видения или камер ночного наблюдения до отслеживания глобального климата. Ультрафиолетовый свет важен для человека, поскольку он помогает вырабатывать витамин D, предшественник таких гормонов, как тестостерон. Рентгеновские лучи некоторое время использовались, чтобы позволить врачам видеть своих пациентов, а гамма-лучи были предназначены для борьбы с раком и опухолями. Помимо всего этого, все эти спектры можно поглотить и использовать для обнаружения самых дальних объектов во Вселенной. Во ней, астрономам трудно наблюдать с помощью видимого света, они также собирают данные о радиоволнах, микроволнах, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении, излучаемых галактиками, туманностями, черными дырами, сверхновыми и нейтронными звездами. .
Ключевые понятия света
Ниже приведены ключевые понятия:
- Это электромагнитное излучение, организованное в электромагнитный спектр и состоящее из радиоволн, микроволн, инфракрасного, видимого , ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-лучей.
- Видимый свет или белый можно разделить на волны разной длины и частоты, которые воспринимаются человеческим глазом и мозгом, как цвета.
- Он распространяется в пустом пространстве со скоростью около 300 000 километров в секунду. Однако, свет замедляется при прохождении через более плотные среды, такие как воздух, вода или стекло.
- Он ведет себя, как волна и частица. Он может создавать интерференционную картину, демонстрирующую волновые свойства. И он же, воздействует на отдельные частицы материи, демонстрируя свойства частиц.
Краткие итоги урока
В целом свет считается электромагнитным излучением или энергией, которая распространяется в виде волн или колеблющихся фотонов через пустое пространство со скоростью примерно 300 000 километров в секунду (или 3,0*108 м/с). Он демонстрирует волновые свойства, создавая интерференционные картины, которые можно объяснить тем, что свет состоит из волн с разными длинами волн и частотами. Длина волны описывает расстояние между волнами, а частота — это количество периодов волны, которые проходят точку за данную секунду. Электромагнитное излучение, несущее наибольшую энергию, имеет самую высокую частоту и самые короткие длины волн.
Однако, свет также демонстрирует свойства частиц. Эйнштейн предположил, что он состоит из квантов, которые он назвал фотонами. Ученый подсчитал, что количество энергии, которую переносит фотон, прямо пропорционально его частоте и обратно пропорционально его длине волны. Поэтому его можно рассматривать как нечто, что ведет себя как волны, так и частицы.
Часто задаваемые вопросы
Что такое свет?
Это электромагнитное излучение. Однако его рассматривать как волну или частицу. Он проявляет волновые свойства, создавая интерференционные картины в эксперименте с двумя щелями и обладает свойствами частиц, продемонстрированными в фотоэлектрическом эффекте. Свет, как волна состоит из множества длин волн и частот, он как фотоны колеблется на разных частотах и на разных длинах волн.
Каково определение света в науке?
В науке он определяется как электромагнитное излучение или энергия, которая распространяется в виде волн или колеблющихся фотонов через пустое пространство со скоростью примерно 300 000 километров в секунду. Он, как волна распространяется через электромагнитное поле. В виде фотонов (квантов или частиц) возникает как поток в электромагнитном поле и распространяется перпендикулярно его колебанию или энергетическому уровню.
Как называется наука о свете?
Науку о свете иногда называют оптикой. Однако, поскольку он является неотъемлемой частью Вселенной и того, как все работает, изучение явления, по сути, представляет собой огромную часть физики и квантовой физики.
