Світло

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Видиме світло на електромагнітній шкалі

Св́ітло — електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 — 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.

У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру.

Властивості світла вивчаються розділами фізики оптикою та спектроскопією. Вимірювання інтенсивності світла — царина фотометрії.

Фізична природа і властивості світла[ред.ред. код]

Завдяки дисперсії біле світло можна розкласти в спектр за допомогою призми

Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією й інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку — швидкістю світла. Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Довжина хвилі зв'язана з частотою законом дисперсії, який також визначає швидкість поширення світла в середовищі.

Взаємодіючи з речовиною, світло розсіюється і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково відбивається. Заломлення та відбиття світла використовується в різноманітних оптичних приладах: призмах, лінзах, дзеркалах, що дозволяють формувати зображення.

Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія яких залежить від частоти:

 E = h \nu  ,

де E — енергія кванта,  \nu  — частота, h — стала Планка.

Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Дисперсія світла, тобто різна швидкість розповсюдження світлових променів з різною частотою у середовищі, дозволяє розкласти світло на кольорові складові.

Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване. Ступінь поляризації світла змінюється при кожному акті відбиття від будь-якої поверхні або проходження через будь-яке середовище.

Світло переносить енергію. Зокрема, сонячне світло є одним з основних джерел енергії на Землі. Частина цієї енергії сприймається живими організмами при фотосинтезі. Використання сонячної енергії людством одна із найважливіших сучасних проблем.

Оптичні явища в природі. Джерела та приймачі світла[ред.ред. код]

Фізичні тіла, атоми та молекули яких випромінюють світло, називають джерелами світла. Джерела світла бувають штучні та природні, теплові та люмінесцентні, точкові та протяжні. Наприклад, полярне сяйво — природне, протяжне для спостерігача на Землі, люмінесцентне джерело світла.

Джерелами світла є Сонце, спалах блискавки, лампа розжарювання, екран телевізора, монітори тощо. Світло можуть випромінювати також організми (деякі морські тварини, світлячки та ін.)

Пристрої, за допомогою яких можна виявити світлове випромінювання називають приймачами світла. Серед природних приймачів світла — органи живих істот.

Сприйняття світла оком[ред.ред. код]

Докладніше: Зір

Із людських органів чуття найбільше інформації про довкілля дає нам зір. Однак бачити навколишній світ ми можемо тільки тому, що існує світло.

Людина бачить електромагнітні хвилі у видимому діапазоні тому, що має відповідні рецептори, які поглинають світло таких частот, викликаючи при цьому відповідні імпульси в нервовій системі. Сітківка людського ока має два типи світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички не мають особливої чутливості до певного діапазону спектру, зате чутливіші до світла взагалі, тому дозволяють бачити чорно-біле зображення. Колбочки мають у своєму складі молекули, які чутливі до різних діапазонів видимого спектру, тому дозволяють бачити в кольорі.

Відповідність між характеристиками монохроматичного світла й кольорами подана в наступній таблиці. Однак, сприйняття людиною кольору не є простою функцією частоти. Так, суміш жовтого й синього кольорів сприймається оком як зелений колір, хоча світла відповідного частотного діапазону в цій суміші немає.

Таблиця відповідності частот електромагнітного випромінювання та кольорів
Колір Діапазон довжин хвиль, нм Діапазон частот, ТГц Діапазон енергії фотонів, еВ
Фіолетовий 380—440 790—680 2,82—3,26
Синій 440—485 680—620 2,56—2,82
Блакитний 485—500 620—600 2,48—2,56
Зелений 500—565 600—530 2,19—2,48
Жовтий 565—590 530—510 2,10—2,19
Помаранчевий 590—625 510—480 1,98—2,10
Червоний 625—740 480—405 1,68—1,98

Історія дослідження світла[ред.ред. код]

Давньогрецький філософ Емпедокл стверджував, що Афродіта створила людське око із чотирьох елементів: вогню, повітря, землі й води, при чому запалила в оці вогонь, завдяки якому людина може бачити. Так виникла помилкова теорія еманації, в якій сумнівався у своїй «Оптиці» Евклід, пізніше Лукрецій. В 2 ст. книгу під назвою «Оптика» написав також Птоломей. Він описав заломлення світла, однак притримувався того ж погляду, що людина бачить завдяки променям, що виходять з ока.

У «Книзі про оптику» 1021 року Альхазен розвинув теорію оптичних явищ, постулювавши, що освітлена поверхня випромінює в усіх напрямках, але в око потрапляє тільки один із таких променів. Йому належить винахід камери-обскури. На його думку світло — це потік маленьких частинок, які розповсюджуються зі скінченною швидкістю. Альхазен описав і намагався пояснити численні оптичні явища, такі як тіні, затемнення, веселку, проводив експерименти з розкладу світла на різні кольори, пробував пояснити бінокулярний зір, зміну видимих розмірів Місяця та Сонця поблизу від горизонта. Завдяки цим дослідженням Альхазен вважається батьком сучасної оптики.

Починаючи з 17 ст. наукові суперечки щодо природи світла точилися між прихильниками хвильової та корпускулярної теорій. Засновником хвильової теорії можна вважати Рене Декарта, який розглядав світло як збурення у світовій субстанції — пленумі. Корпускулярну теорію сформулював П'єр Гассенді і підтримав Ісаак Ньютон. Хвильову теорію світла розробляли Роберт Гук та Христіан Гюйгенс. На думку Гюйгенса світлові хвилі розповсюджуються в спеціальному середовищі — ефірі.

На початку 19 ст. досліди Томаса Янга з дифракцією дали сильне свідчення на користь хвильової теорії. Було відкрито, що світло є поперечними хвилями й харакреризується поляризацією. Янг висловив припущення, що різні кольори відповідають різним довжинам хвилі. В 1817 році свою хвильову теорію світла виклав у мемуарі для Академії наук Огюстен Жан Френель. Після створення теорії електромагнетизму світло було ідентифіковане, як електромагнітні хвилі.

Перемога хвильвої теорії похитнулася в кінці 19 ст., коли дослід Майкельсона-Морлі не виявив ефіру. Хвилі потребують середовища, в якому вони могли б розповсюджуватися, однак ретельно сплановані експерименти не підтвердили існування цього середовища. Це призвело до створення Альбертом Ейнштейном загальної теорії відносності. Природа електромагнітних хвиль виявилася складнішою, ніж розповсюдження збурень. Розгляд задачі про теплову рівновагу абсолютно чорного тіла зі своїм випромінюванням призвів до появи ідеї про випромінювання світла порціями — світловими квантами, які отримали назву фотонів. Аналіз явища фотоефекту показав, що поглинання світлової енергії теж відбувається квантами.

З розвитком квантової механіки утвердилася ідея Луї де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм, за якою світло має водночас хвильові властивості, чим пояснюється його здатність до дифракції та інтерференції, та корпускулярні властивості, чим пояснюється його поглинання та випромінювання квантами.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Борн М., Вольф Э. (1973). Основы оптики. Москва: Наука. 


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.