Свет
| Современная физика |
|---|
| |
Свет , видимый свет или видимое излучение — это электромагнитное излучение , которое может восприниматься человеческим глазом . [1] Видимый свет охватывает видимый спектр и обычно определяется как имеющий длины волн в диапазоне 400–700 нанометров (нм), что соответствует частотам 750–420 терагерц . Видимый диапазон соседствует с инфракрасным ( с более длинными длинами волн и более низкими частотами) и ультрафиолетовым (с более короткими длинами волн и более высокими частотами), называемыми в совокупности оптическим излучением . [2] [3]
В физике термин «свет» может относиться в более широком смысле к электромагнитному излучению любой длины волны, видимому или нет. [4] [5] В этом смысле гамма-лучи , рентгеновские лучи , микроволны и радиоволны также являются светом. Основными свойствами света являются интенсивность частоты или длины волны , направление распространения, спектр и поляризация . Его скорость в вакууме , 299 792 458 м/с , является одной из фундаментальных констант природы. [6] Как и все типы электромагнитного излучения, видимый свет распространяется безмассовыми элементарными частицами, называемыми фотонами , которые представляют собой кванты электромагнитного поля и могут анализироваться как волны, так и частицы . Исследование света, известное как оптика , является важной областью исследований в современной физике .
Основным источником естественного света на Земле является Солнце . Исторически еще одним важным источником света для человека был огонь : от древних костров до современных керосиновых ламп . С развитием электрического освещения и энергосистем электрическое освещение эффективно заменило камин.
Электромагнитный спектр и видимый свет
Как правило, электромагнитное излучение (ЭМИ) классифицируется по длине волны на радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , видимый спектр , который мы воспринимаем как свет, ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . Обозначение « излучение » исключает статические электрические , магнитные и ближние поля .
Поведение ЭМИ зависит от его длины волны. Более высокие частоты имеют более короткие длины волн, а более низкие частоты имеют более длинные волны. Когда ЭМИ взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение зависит от количества энергии, приходящейся на один квант, который оно несет.
ЭМИ в области видимого света состоит из квантов (называемых фотонами ), которые находятся на нижнем конце энергий и способны вызывать электронное возбуждение внутри молекул, что приводит к изменениям в связи или химическом составе молекулы. В нижней части спектра видимого света ЭМИ становится невидимым для человека (инфракрасным), поскольку его фотоны больше не обладают достаточной индивидуальной энергией, чтобы вызвать длительное молекулярное изменение (изменение конформации) в ретинале зрительной молекулы в сетчатке глаза человека, что изменение вызывает ощущение видения.
Существуют животные, чувствительные к различным типам инфракрасного излучения, но не за счет квантового поглощения. Инфракрасное восприятие у змей зависит от своего рода естественного тепловидения , при котором температура крошечных пакетов клеточной воды повышается под действием инфракрасного излучения. ЭМИ в этом диапазоне вызывает молекулярную вибрацию и эффекты нагрева, и именно так эти животные его обнаруживают.
Выше диапазона видимого света ультрафиолетовый свет становится невидимым для человека, главным образом потому, что он поглощается роговицей при длине волны ниже 360 нм и внутренней линзой при длине волны ниже 400 нм. Более того, палочки и колбочки, расположенные в сетчатке человеческого глаза, не способны улавливать очень короткие (ниже 360 нм) ультрафиолетовые волны и фактически повреждаются ультрафиолетом. Многие животные с глазами, которым не нужны линзы (например, насекомые и креветки), способны обнаруживать ультрафиолет с помощью механизмов квантового поглощения фотонов, почти таким же химическим способом, которым люди обнаруживают видимый свет.
Различные источники определяют видимый свет всего лишь 420–680 нм. [7] [8] до 380–800 нм. [9] [10] В идеальных лабораторных условиях люди могут видеть инфракрасное излучение длиной не менее 1050 нм; [11] дети и молодые люди могут воспринимать ультрафиолетовые волны с длиной волны примерно до 310–313 нм. [12] [13] [14]
На рост растений также влияет цветовой спектр света — процесс, известный как фотоморфогенез .
Скорость света
Скорость света в вакууме определяется как 299 792 458 м/с (около 186 282 миль в секунду). Фиксированное значение скорости света в единицах СИ обусловлено тем, что метр теперь определяется в единицах скорости света. Все формы электромагнитного излучения движутся с одинаковой скоростью в вакууме.
На протяжении всей истории разные физики пытались измерить скорость света. Галилей попытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером , датским физиком, в 1676 году. Используя телескоп , Рёмер наблюдал движение Юпитера и одного из его спутников , Ио . Отметив несоответствия в видимом периоде обращения Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти диаметр орбиты Земли. [15] Однако на тот момент его размер не был известен. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы вычислил скорость 227 000 000 м/с .
Другое, более точное измерение скорости света было выполнено в Европе Ипполитом Физо в 1849 году. [16] Физо направил луч света на зеркало, находящееся на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, когда он путешествовал от источника к зеркалу, а затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч пройдет через один зазор в колесе на выходе и следующий зазор на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, количество зубьев колеса и скорость вращения, Физо смог вычислить скорость света как 313 000 000 м/с .
Леон Фуко провел эксперимент с использованием вращающихся зеркал и получил значение 298 000 000 м/с. [16] в 1862 году. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты по скорости света с 1877 года до своей смерти в 1931 году. Он усовершенствовал методы Фуко в 1926 году, используя улучшенные вращающиеся зеркала, чтобы измерить время, необходимое свету, чтобы совершить путешествие туда и обратно от горы Вильсон до горы Сан. Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скорость 299 796 000 м/с. [17]
Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычное вещество , меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет примерно 3/4 от скорости света в вакууме.
Сообщалось, что две независимые группы физиков привели свет к «полной остановке», пропуская его через бозе-эйнштейновский конденсат элемента рубидия : одна команда из Гарвардского университета и Научного института Роуленда в Кембридже, штат Массачусетс, а другая в Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики , также в Кембридже. [18] Однако популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к свету, который сохраняется в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, стимулируемый вторым лазерным импульсом. За то время, пока оно «остановилось», оно перестало быть светлым.
Оптика
Изучение света и взаимодействия света и вещества называется оптикой . Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, дают множество ключей к разгадке природы света.
объект Прозрачный свет пропускает или проходит . И наоборот, непрозрачный объект не пропускает свет и вместо этого отражает или поглощает полученный свет. Большинство объектов не отражают и не пропускают свет зеркально и в некоторой степени рассеивают падающий свет, что называется глянцевостью . Поверхностное рассеяние вызвано шероховатостью отражающих поверхностей, а внутреннее рассеяние вызвано разницей показателей преломления между частицами и средой внутри объекта. Как и прозрачные объекты, полупрозрачные объекты пропускают свет, но полупрозрачные объекты также рассеивают свет определенной длины волны за счет внутреннего рассеяния. [19]
Преломление
Преломление — это изгиб лучей света при прохождении через поверхность между одним прозрачным материалом и другим. Это описывается законом Снеллиуса :
где θ 1 — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, θ 2 — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а n 1 и n 2 — показатели преломления , n = 1 в вакуум . и n 1 в прозрачном веществе >
Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой или между двумя разными средами, длина волны света меняется, но частота остается постоянной. Если луч света не ортогонален (или, скорее, нормален) границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Это изменение направления известно как рефракция .
Преломляющее качество линз часто используется для манипулирования светом с целью изменения видимого размера изображений. Лупы , очки , контактные линзы , микроскопы и телескопы-рефракторы — все это примеры таких манипуляций.
Источники света
Существует множество источников света. Тело при данной температуре излучает характерный спектр излучения черного тела . Простой тепловой источник — солнечный свет , излучение, испускаемое хромосферой Солнца при К температуре около 6000 ( 5730 °C ; 10340 °F ). Пики солнечного излучения в видимой области электромагнитного спектра , представленные в единицах длины волны, [20] и примерно 44% радиации, достигающей земли, видно. [21] Другим примером являются лампы накаливания , которые излучают только около 10% своей энергии в виде видимого света, а остальную часть — в инфракрасном. Распространенным источником теплового света в истории являются светящиеся твердые частицы в пламени , но они также излучают большую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне и лишь часть в видимом спектре.
Пик спектра черного тела находится в глубокой инфракрасной области, на длине волны около 10 микрометров , для относительно холодных объектов, таких как люди. По мере повышения температуры пик смещается в сторону более коротких длин волн, создавая сначала красное свечение, затем белое и, наконец, сине-белый цвет, поскольку пик выходит из видимой части спектра в ультрафиолет. Эти цвета можно увидеть, когда металл нагрет до «красного» или «белого каления». Сине-белое тепловое излучение наблюдается нечасто, за исключением звезд (часто наблюдаемый чисто-синий цвет в газовом пламени или сварочной горелке на самом деле обусловлен молекулярной эмиссией, особенно радикалами CH, излучающими полосу длин волн около 425 нм). и не наблюдается в звездах или чистом тепловом излучении).
Атомы излучают и поглощают свет с характерными энергиями. Это создает « линии излучения » в спектре каждого атома. Излучение может быть самопроизвольным , как в светодиодах , газоразрядных лампах (таких как неоновые лампы и неоновые вывески , ртутные лампы и т. д.) и пламени (свет самого горячего газа — так, например, натрий в газовое пламя излучает характерный желтый свет). Излучение также можно стимулировать , как в лазере или микроволновом мазере .
Замедление свободной заряженной частицы, такой как электрон , может производить видимое излучение: циклотронное излучение , синхротронное излучение и тормозное примерами этого являются излучение. Частицы, движущиеся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, могут производить видимое черенковское излучение . Некоторые химические вещества производят видимое излучение за счет хемолюминесценции . У живых существ этот процесс называется биолюминесценцией . Например, светлячки таким образом излучают свет, а лодки, движущиеся по воде, могут потревожить планктон, который создает светящийся след.
Некоторые вещества излучают свет, когда они освещаются более энергичным излучением — процесс, известный как флуоресценция . Некоторые вещества излучают свет медленно после возбуждения более энергичным излучением. Это известно как фосфоресценция . Фосфоресцентные материалы также можно возбудить, бомбардируя их субатомными частицами. Катодолюминесценция является одним из примеров. Этот механизм используется в с электронно-лучевой трубкой телевизорах и компьютерных мониторах .
Некоторые другие механизмы могут производить свет:
Когда понятие света подразумевает включение фотонов очень высоких энергий (гамма-лучей), дополнительные механизмы генерации включают:
- частица- античастица Аннигиляция
- Радиоактивный распад
Измерение
Свет измеряется с помощью двух основных альтернативных наборов единиц: радиометрия состоит из измерений мощности света на всех длинах волн, а фотометрия измеряет свет с длиной волны, взвешенной по отношению к стандартизированной модели восприятия яркости человеком. Фотометрия полезна, например, для количественной оценки освещенности (освещения), предназначенной для использования человеком.
Единицы фотометрии отличаются от большинства систем физических единиц тем, что они учитывают реакцию человеческого глаза на свет. Колбочки в человеческом глазу делятся на три типа , которые по-разному реагируют в видимом спектре, а пик кумулятивной реакции приходится на длину волны около 555 нм. Следовательно, два источника света, дающие одинаковую интенсивность (Вт/м 2 ) видимого света не обязательно кажутся одинаково яркими. Блоки фотометрии разработаны с учетом этого и, следовательно, лучше отображают, насколько «ярким» кажется свет, чем необработанная интенсивность. Они относятся к чистой мощности через величину, называемую светоотдачей , и используются, например, для определения того, как наилучшим образом достичь достаточного освещения для различных задач в помещении и на открытом воздухе. Освещенность, измеряемая датчиком фотоэлемента , не обязательно соответствует тому, что воспринимается человеческим глазом, и без фильтров, которые могут быть дорогостоящими, фотоэлементы и устройства с зарядовой связью (ПЗС) имеют тенденцию реагировать на некоторое количество инфракрасного , ультрафиолетового или того и другого.
Легкое давление
Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути — явление, которое можно вывести с помощью уравнений Максвелла , но легче объяснить корпускулярной природой света: фотоны ударяются и передают свой импульс. Световое давление равно мощности светового луча c , деленной на скорость света . Из-за величины с влияние светового давления на предметы быта незначительно. мощностью один милливатт Например, лазерная указка силу около 3,3 пиконьютона оказывает на освещаемый объект ; таким образом, можно поднять пенни США с помощью лазерных указателей, но для этого потребуется около 30 миллиардов лазерных указателей мощностью 1 мВт. [22] Однако в приложениях нанометрового масштаба, таких как наноэлектромеханические системы (NEMS), эффект светового давления более значителен, и использование светового давления для управления механизмами NEMS и переключения физических переключателей нанометрового масштаба в интегральных схемах является активной областью исследований. [23] В более крупных масштабах давление света может заставить астероиды вращаться быстрее. [24] действуя на их неправильные формы, как на лопасти ветряной мельницы . возможность создания солнечных парусов , которые будут ускорять космические корабли в космосе. Также исследуется [25] [26]
Хотя движение радиометра Крукса первоначально приписывалось световому давлению, эта интерпретация неверна; характерное вращение Крукса является результатом частичного вакуума. [27] Его не следует путать с радиометром Николса , в котором (небольшое) движение, вызванное крутящим моментом (хотя и недостаточным для полного вращения против трения), напрямую вызвано легким давлением. [28] Как следствие давления света Эйнштейн в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. [29] Он писал: «Излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина покоится. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Обратнодействующая сила давления, действующая на переднюю поверхность, таким образом, больше, чем сила давления, действующая на заднюю. Следовательно, в качестве равнодействующей двух сил остается. силу, которая противодействует движению пластины и увеличивается с увеличением скорости пластины. Вкратце мы назовем эту возникающую «радиационным трением».
Обычно импульс света совпадает с направлением его движения. Однако, например, в затухающих волнах импульс перпендикулярен направлению распространения. [30]
Исторические теории о свете в хронологическом порядке.
Классическая Греция и эллинизм
В пятом веке до нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов ; огонь, воздух, земля и вода. Он верил, что богиня Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла в глазу огонь, который сиял из глаза, делая возможным зрение. Если бы это было правдой, то ночью можно было бы видеть так же хорошо, как и днем, поэтому Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, исходящими из глаз, и лучами от такого источника, как Солнце. [31]
Примерно в 300 году до нашей эры Евклид написал «Оптику» , в которой изучал свойства света. Евклид постулировал, что свет распространяется по прямым линиям, описал законы отражения и изучил их математически. Он подверг сомнению, что зрение является результатом луча из глаза, ибо он спрашивает, как человек видит звезды сразу, если закрыть глаза, а затем открыть их ночью. Если луч из глаза движется бесконечно быстро, это не проблема. [32]
В 55 г. до н. э. Лукреций , римлянин, продолжавший идеи ранних греческих атомистов , писал, что «Свет и тепло Солнца состоят из мельчайших атомов, которые, если их оттолкнуть, не теряя времени, стреляют прямо поперек». пространство воздуха в направлении, заданном толчком». (из «О природе Вселенной »). Несмотря на то, что взгляды Лукреция были похожи на более поздние теории частиц, они не были общепринятыми. Птолемей (ок. второго века) писал о преломлении света в своей книге «Оптика» . [33]
Классическая Индия
В древней Индии индуистские Вайшешика школы Санкхья и примерно с первых веков нашей эры развивали теории света. Согласно школе Санкхьи, свет — один из пяти фундаментальных «тонких» элементов ( танматра ), из которых возникают грубые элементы. Атомность этих элементов конкретно не упоминается, и похоже , что на самом деле они считались непрерывными. [34] Вишну -пурана называет солнечный свет «семью солнечными лучами». [34]
Индийские буддисты , такие как Дигнага в пятом веке и Дхармакирти в седьмом веке, разработали тип атомизма, который представляет собой философию о том, что реальность состоит из атомных сущностей, которые представляют собой мгновенные вспышки света или энергии. Они рассматривали свет как атомарную сущность, эквивалентную энергии. [34]
Декарт
Рене Декарт (1596–1650) считал свет механическим свойством светящегося тела, отвергая «формы» Ибн аль-Хайсама и Витело, а также «виды» Роджера Бэкона , Роберта Гроссетеста и Иоганна Кеплера . [35] В 1637 году он опубликовал теорию преломления света, которая ошибочно предполагала, что свет распространяется быстрее в более плотной среде, чем в менее плотной. Декарт пришел к этому выводу по аналогии с поведением звуковых волн. [ нужна ссылка ] Хотя Декарт ошибался относительно относительных скоростей, он был прав, полагая, что свет ведет себя как волна, и делая вывод, что преломление можно объяснить скоростью света в различных средах.
Декарт не первый, кто использовал механические аналогии, но поскольку он ясно утверждает, что свет — это всего лишь механическое свойство светящегося тела и передающей среды, теория света Декарта считается началом современной физической оптики. [35]
Теория частиц
Пьер Гассенди (1592–1655), атомист, предложил теорию частиц света, которая была опубликована посмертно в 1660-х годах. Исаак Ньютон изучал работы Гассенди в раннем возрасте и предпочитал его точку зрения теории пленума Декарта . В своей «Гипотезе света» 1675 года он заявил, что свет состоит из корпускул (частиц материи), которые излучаются во всех направлениях от источника. Одним из аргументов Ньютона против волновой природы света было то, что волны, как известно, огибают препятствия, тогда как свет распространяется только по прямым линиям. Однако он объяснил явление дифракции света (которое наблюдал Франческо Гримальди ), допустив, что частица света может создавать локализованную волну в эфире .
Теорию Ньютона можно было использовать для предсказания отражения света, но она могла объяснить преломление только путем ошибочного предположения, что свет ускоряется при попадании в более плотную среду , потому что гравитационное притяжение было больше. Ньютон опубликовал окончательную версию своей теории в книге «Оптика» 1704 года. Его репутация помогла теории частиц света удержать господство в восемнадцатом веке. Теория частиц света привела Пьера-Симона Лапласа к утверждению, что тело может быть настолько массивным, что свет не сможет покинуть его. Другими словами, это стало бы тем, что сейчас называют черной дырой . Лаплас отказался от своего предложения позже, после того как волновая теория света прочно утвердилась в качестве модели света (как уже объяснялось, ни теория частиц, ни теория волн не являются полностью правильными). Перевод эссе Ньютона о свете появляется в «Крупномасштабная структура пространства-времени» книге Стивена Хокинга и Джорджа Ф.Р. Эллиса .
Тот факт, что свет может быть поляризован , впервые качественно объяснил Ньютон с помощью теории частиц. Этьен-Луи Малюс в 1810 году создал математическую теорию поляризации частиц. Жан-Батист Био в 1812 году показал, что эта теория объясняет все известные явления поляризации света. В то время поляризация рассматривалась как доказательство теории частиц.
Волновая теория
Чтобы объяснить происхождение цветов , Роберт Гук (1635–1703) разработал «теорию импульсов» и сравнил распространение света с распространением волн в воде в своей работе «Микрография» 1665 года («Наблюдение IX»). В 1672 году Гук предположил, что колебания света могут быть перпендикулярны направлению распространения. Христиан Гюйгенс (1629–1695) разработал математическую волновую теорию света в 1678 году и опубликовал ее в своем «Трактате о свете» в 1690 году. Он предположил, что свет излучается во всех направлениях в виде серии волн в среде, называемой светоносным эфиром . Поскольку на волны не действует гравитация, предполагалось, что они замедляются при входе в более плотную среду. [36]
Волновая теория предсказывала, что световые волны могут интерферировать друг с другом, как звуковые волны (как заметил около 1800 года Томас Янг ). С помощью дифракционного эксперимента Янг показал , что свет ведет себя как волны. Он также предположил, что разные цвета вызываются разными длинами волн света, и объяснил цветовое зрение с помощью трехцветных рецепторов в глазу. Другим сторонником волновой теории был Леонард Эйлер . он утверждал В своей книге Nova theoria lucis et colorum (1746) , что дифракцию легче объяснить с помощью волновой теории. В 1816 году Андре-Мари Ампер высказал Огюстену-Жану Френелю идею о том, что поляризацию света можно объяснить волновой теорией, если бы свет был поперечной волной . [37]
Позже Френель независимо разработал свою собственную волновую теорию света и представил ее Академии наук в 1817 году. Симеон Дени Пуассон добавил к математическим работам Френеля убедительные аргументы в пользу волновой теории, помогая опровергнуть корпускулярную теорию Ньютона. [ сомнительно – обсудить ] К 1821 году Френель смог показать с помощью математических методов, что поляризацию можно объяснить волновой теорией света тогда и только тогда, когда свет полностью поперечный, без каких-либо продольных вибраций. [ нужна ссылка ]
Слабость волновой теории заключалась в том, что световым волнам, как и звуковым волнам, необходима среда для передачи. Существование гипотетического вещества светоносного эфира, предложенное Гюйгенсом в 1678 году, было поставлено под сильное сомнение в конце девятнадцатого века экспериментом Майкельсона-Морли .
Корпускулярная теория Ньютона предполагала, что свет будет распространяться быстрее в более плотной среде, тогда как волновая теория Гюйгенса и других предполагала обратное. В то время скорость света не могла быть измерена достаточно точно, чтобы решить, какая теория верна. Первым, кто провел достаточно точное измерение, был Леон Фуко в 1850 году. [38] Его результаты подтвердили волновую теорию, а классическая теория частиц была окончательно отвергнута лишь для того, чтобы частично возродиться в двадцатом веке.
Электромагнитная теория
В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света вращается, когда лучи света движутся вдоль направления магнитного поля в присутствии прозрачного диэлектрика . Этот эффект теперь известен как вращение Фарадея . [39] Это было первое свидетельство того, что свет связан с электромагнетизмом . В 1846 году он предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий магнитного поля. [39] В 1847 году Фарадей предположил, что свет — это высокочастотная электромагнитная вибрация, которая может распространяться даже в отсутствие такой среды, как эфир. [40]
Работа Фарадея вдохновила Джеймса Клерка Максвелла на изучение электромагнитного излучения и света. Максвелл обнаружил, что самораспространяющиеся электромагнитные волны будут распространяться в пространстве с постоянной скоростью, которая оказалась равна ранее измеренной скорости света. Из этого Максвелл пришел к выводу, что свет представляет собой форму электромагнитного излучения: впервые он изложил этот результат в 1862 году в работе « О физических силовых линиях» . В 1873 году он опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме» , который содержал полное математическое описание поведения электрических и магнитных полей, до сих пор известное как уравнения Максвелла . Вскоре после этого Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла, создав и обнаружив радиоволны в лаборатории и продемонстрировав, что эти волны ведут себя точно так же, как видимый свет, проявляя такие свойства, как отражение, преломление, дифракция и интерференция . Теория Максвелла и эксперименты Герца привели непосредственно к развитию современного радио, радара, телевидения, электромагнитной визуализации и беспроводной связи.
В квантовой теории фотоны рассматриваются как волновые пакеты волн, описанных в классической теории Максвелла. Квантовая теория была необходима для объяснения эффектов даже с помощью визуального света, которые не могла объяснить классическая теория Максвелла (например, спектральные линии ).
Квантовая теория
В 1900 году Макс Планк , пытаясь объяснить излучение черного тела , предположил, что, хотя свет является волной, эти волны могут приобретать или терять энергию только в конечных количествах, связанных с их частотой. Планк назвал эти «комки» световой энергии « квантами » (от латинского слова «сколько»). В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею квантов света для объяснения фотоэлектрического эффекта и предположил, что эти кванты света имеют «реальное» существование. В 1923 году Артур Холли Комптон показал, что сдвиг длины волны, наблюдаемый при рассеянии рентгеновских лучей низкой интенсивности от электронов (так называемое комптоновское рассеяние ), можно объяснить теорией частиц рентгеновских лучей, но не волновой теорией. В 1926 году Гилберт Н. Льюис назвал эти кванты света частицами фотонов . [41]
В конце концов квантовая механика стала представлять свет как (в каком-то смысле) и частицу, и волну, и (в другом смысле) как явление, которое не является ни частицей, ни волной (которые на самом деле являются макроскопическими явлениями, такими как бейсбольные мячи или океанские волны). ). Вместо этого при некоторых приближениях свет может быть описан иногда с помощью математики, соответствующей одному типу макроскопической метафоры (частицы), а иногда и другой макроскопической метафоре (волны).
Как и в случае с радиоволнами и рентгеновскими лучами, участвующими в комптоновском рассеянии, физики отметили, что электромагнитное излучение имеет тенденцию вести себя скорее как классическая волна на более низких частотах, но больше как классическая частица на более высоких частотах, но никогда полностью не теряет своих свойств. качества того или другого. Видимый свет, занимающий промежуточное положение по частоте, в экспериментах легко показать, что его можно описать с помощью волновой или корпускулярной модели, а иногда и той и другой.
В 1924–1925 годах Сатьендра Натх Бос показал, что свет имеет другую статистику, чем классические частицы. Вместе с Эйнштейном они обобщили этот результат для целого набора частиц с целым спином, называемых бозонами (в честь Бозе), которые следуют статистике Бозе-Эйнштейна . Фотон — безмассовый бозон со спином 1.
В 1927 году Поль Дирак квантовал электромагнитное поле . Паскуаль Джордан и Владимир Фок обобщили этот процесс, чтобы рассматривать системы многих тел как возбуждения квантовых полей, процесс с неправильным названием вторичного квантования . А в конце 1940-х годов была разработана полная теория квантовой электродинамики на основе работ Джулиана Швингера , Ричарда Фейнмана , Фримена Дайсона и Шиничиро Томонаги с использованием квантовых полей .
Квантовая оптика
Джон Р. Клаудер , Джордж Сударшан , Рой Дж. Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более детальное понимание фотодетектирования и статистики света (см. степень когерентности ). Это привело к введению когерентного состояния как концепции, которая рассматривала различия между лазерным светом, тепловым светом, экзотическими сжатыми состояниями и т. д., поскольку стало понятно, что свет не может быть полностью описан, просто ссылаясь на электромагнитные поля, описывающие волны в классической теории. картина. В 1977 году Х. Джефф Кимбл и др. продемонстрировали одиночный атом, испускающий по одному фотону за раз, что является еще одним убедительным доказательством того, что свет состоит из фотонов. неизвестные ранее квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических состояний, например сжатый свет Впоследствии были открыты .
Разработка коротких и сверхкоротких лазерных импульсов, создаваемых методами модуляции добротности и синхронизации моделей , открыла путь к изучению того, что стало известно как сверхбыстрые процессы. Были найдены приложения для исследований твердого тела (например, рамановская спектроскопия ) и изучены механические силы света на вещество. Последнее приводило к левитации и позиционированию облаков атомов или даже небольших биологических образцов в оптической ловушке или оптическом пинцете с помощью лазерного луча. Это, наряду с доплеровским охлаждением и сизифовым охлаждением , было решающей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .
Другими замечательными результатами являются демонстрации квантовой запутанности , квантовой телепортации и квантовых логических элементов . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики .
Использование для освещения на Земле
Солнечный свет обеспечивает энергию , которую зеленые растения используют для создания сахаров, главным образом в форме крахмалов , которые выделяют энергию живым существам, которые их переваривают. Этот процесс фотосинтеза обеспечивает практически всю энергию, используемую живыми существами. Некоторые виды животных генерируют собственный свет — процесс, называемый биолюминесценцией . Например, светлячки используют свет, чтобы найти себе партнеров, а кальмары-вампиры используют его, чтобы спрятаться от добычи.
См. также
Примечания
Ссылки
- ^ CIE (1987). Международный словарь по освещению. Архивировано 27 февраля 2010 года в Wayback Machine . Номер 17.4. CIE, 4-е изд.. ISBN 978-3-900734-07-7 .
Согласно Международному словарю освещения определяется , свет следующим образом: «Любое излучение, способное непосредственно вызвать зрительное ощущение». - ^ Пал, ГК; Пал, Правати (2001). «Глава 52» . Учебник практической физиологии (1-е изд.). Ченнаи: Ориент Блэксван. п. 387. ИСБН 978-81-250-2021-9 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 11 октября 2013 г.
Человеческий глаз способен реагировать на все длины волн света от 400 до 700 нм. Это так называемая видимая часть спектра.
- ^ Бузер, Пьер А.; Имбер, Мишель (1992). Зрение . С Прессой. п. 50 . ISBN 978-0-262-02336-8 . Проверено 11 октября 2013 г.
Свет — это особый класс лучистой энергии, охватывающий длины волн от 400 до 700 нм (или мкм) или от 4000 до 7000 Å.
- ^ Грегори Холлок Смит (2006). Фотообъективы: от коробочной камеры до цифровой . СПАЙ Пресс. п. 4. ISBN 978-0-8194-6093-6 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 15 ноября 2020 г.
- ^ Нариндер Кумар (2008). Комплексная физика XII . Публикации Лакшми. п. 1416. ИСБН 978-81-7008-592-8 .
- ^ Узан, Япония; Леклерк, Б (2008). Естественные законы Вселенной: понимание фундаментальных констант . Перевод Роберта Мизона. Springer-Praxis , Интернет-архив : 14 июня 2020 г. AbdzexK uban. стр. 43–44. Бибкод : 2008nlu..book.....U . дои : 10.1007/978-0-387-74081-2 . ISBN 978-0-387-73454-5 .
- ^ Лауфер, Габриэль (1996). «Геометрическая оптика» . Введение в оптику и лазеры в технике . п. 11. Бибкод : 1996iole.book.....L . дои : 10.1017/CBO9781139174190.004 . ISBN 978-0-521-45233-5 . Проверено 20 октября 2013 г.
- ^ Брэдт, Хейл (2004). Астрономические методы: физический подход к астрономическим наблюдениям . Издательство Кембриджского университета. п. 26. ISBN 978-0-521-53551-9 . Проверено 20 октября 2013 г.
- ^ Оганесян, Лена; Стритер, Энтони (2001). Справочник по фармацевтическому анализу . ЦРК Пресс. п. 187. ИСБН 978-0-8247-4194-5 . Проверено 20 октября 2013 г.
- ^ Ахлувалия, В.К.; Гоял, Мадхури (2000). Учебник органической химии . Нароса. п. 110. ИСБН 978-81-7319-159-6 . Проверено 20 октября 2013 г.
- ^ Слайни, Дэвид Х.; Вангеманн, Роберт Т.; Фрэнкс, Джеймс К.; Вольбаршт, Майрон Л. (1976). «Зрительная чувствительность глаза к инфракрасному лазерному излучению». Журнал Оптического общества Америки . 66 (4): 339–341. Бибкод : 1976JOSA...66..339S . дои : 10.1364/JOSA.66.000339 . ПМИД 1262982 .
Была измерена фовеальная чувствительность к нескольким длинам волн лазера ближнего инфракрасного диапазона. Было обнаружено, что глаз может реагировать на излучение с длиной волны не менее 1064 нм. Непрерывный лазерный источник с длиной волны 1064 нм выглядел красным, а импульсный лазерный источник с длиной волны 1060 нм — зеленым, что предполагает наличие генерации второй гармоники в сетчатке.
- ^ Линч, Дэвид К.; Ливингстон, Уильям Чарльз (2001). Цвет и свет в природе (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 231. ИСБН 978-0-521-77504-5 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 12 октября 2013 г.
Пределы общего диапазона чувствительности глаза простираются от 310 до 1050 нанометров.
- ^ Даш, Мадхаб Чандра; Даш, Сатья Пракаш (2009). Основы экологии 3Е . Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 213. ИСБН 978-1-259-08109-5 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 18 октября 2013 г.
В норме человеческий глаз реагирует на световые лучи длиной от 390 до 760 нм. В искусственных условиях этот диапазон можно расширить до диапазона от 310 до 1050 нм.
- ^ Саидман, Жан (15 мая 1933 г.). «О видимости ультрафиолета до длины волны 3130» . Труды Академии наук (на французском языке). 196 :1537–9. Архивировано из оригинала 24 октября 2013 года . Проверено 21 октября 2013 г.
- ^ Олдфорд, Р.В.; Маккей, Р.Дж. (2000). «Научный метод, статистический метод и скорость света» . Статистическая наука . 15 (3): 254–278. дои : 10.1214/ss/1009212817 . МР 1847825 . Архивировано из оригинала 24 марта 2017 года . Проверено 21 августа 2008 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ньюкомб, Саймон (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 16 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 624.
- ^ Майкельсон, А.А. (январь 1927 г.). «Измерения скорости света между горой Вильсон и горой Сан-Антонио». Астрофизический журнал . 65 : 1. Бибкод : 1927ApJ....65....1M . дои : 10.1086/143021 .
- ^ Офис новостей Гарварда (24 января 2001 г.). «Гарвардская газета: Исследователи теперь могут остановить и перезапустить свет» . Новости.harvard.edu. Архивировано из оригинала 28 октября 2011 года . Проверено 8 ноября 2011 г.
- ^ Бернс, Рой С. (2019). Принципы технологии цвета Биллмейера и Зальцмана . Фред В. Биллмейер, Макс Зальцман (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли . ISBN 978-1-119-36668-3 . OCLC 1080250734 .
- ^ «Спектр и цветовая чувствительность глаза» (PDF) . Thulescientific.com . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2010 года . Проверено 29 августа 2017 г.
- ^ «Эталонная солнечная спектральная освещенность: воздушная масса 1,5» . Архивировано из оригинала 12 мая 2019 года . Проверено 12 ноября 2009 г.
- ^ Тан, Хун (1 октября 2009 г.). «Да пребудет с тобой Сила Света». IEEE-спектр . 46 (10): 46–51. дои : 10.1109/MSPEC.2009.5268000 . S2CID 7928030 .
- ^ См., например, исследование нанооптомеханических систем в Йельском университете. Архивировано 25 июня 2010 г. в Wayback Machine .
- ^ Свитил, Кэти А. (5 февраля 2004 г.). «Астероиды вращаются Солнцем» . Откройте для себя журнал . Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 8 мая 2007 г.
- ^ «Солнечные паруса могут отправить космический корабль в плавание в космосе» . НАСА . 31 августа 2004 г. Архивировано из оригинала 21 октября 2012 г. Проверено 30 мая 2008 г.
- ^ «Команда НАСА успешно развернула две солнечные парусные системы» . НАСА . 9 августа 2004 г. Архивировано из оригинала 14 июня 2012 г. Проверено 30 мая 2008 г.
- ^ Лебедев, П. (1901). «Исследования сил давления света» . Энн. Физ . 6 (11): 433–458. Бибкод : 1901АнП...311..433Л . дои : 10.1002/andp.19013111102 . Архивировано из оригинала 6 июня 2022 года . Проверено 29 июля 2022 г.
- ^ Николс, Э.Ф.; Халл, Г. Ф. (1903). «Давление из-за радиации» . Астрофизический журнал . 17 (5): 315–351. Бибкод : 1903ApJ....17..315N . дои : 10.1086/141035 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 15 ноября 2020 г.
- ^ Эйнштейн, А. (1989) [1909]. «О развитии наших взглядов на природу и состав радиации». Собрание сочинений Альберта Эйнштейна . Том 2. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 391.
- ^ Антоньоцци, М.; Бермингем, Чехия; Харниман, РЛ; Симпсон, С.; Старший, Дж.; Хейворд, Р.; Хербер, Х.; Деннис, MR; Бекшаев, А.Ю. (август 2016 г.). «Прямые измерения необычайного оптического импульса и поперечной спин-зависимой силы с использованием нанокантилевера». Физика природы . 12 (8): 731–735. arXiv : 1506.04248 . Бибкод : 2016NatPh..12..731A . дои : 10.1038/nphys3732 . ISSN 1745-2473 . S2CID 52226942 .
- ^ Сингх, С. (2009). Основы оптической техники . Издательство Дискавери. ISBN 978-8183564366 .
- ^ О'Коннор, Джей-Джей; Робертсон, EF (август 2002 г.). «Свет сквозь века: Древняя Греция до Максвелла» . Архивировано из оригинала 19 марта 2017 года . Проверено 20 февраля 2017 г.
- ^ Птолемей и А. Марк Смит (1996). Теория зрительного восприятия Птолемея: английский перевод оптики с введением и комментариями . Издательство Диана. п. 23. ISBN 978-0-87169-862-9 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Буклет для пожилых людей Шастра Пратибха 2015» (PDF) . Sifuae.com . Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2015 года . Проверено 29 августа 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Теории света, от Декарта до Ньютона. Архив AI Sabra CUP, 1981, с. 48 ISBN 978-0-521-28436-3
- ^ Фокко Ян Дейкстерхейс, Линзы и волны: Христиан Гюйгенс и математическая наука оптика в 17 веке , Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-2697-8
- ^ Джеймс Р. Хофманн, Андре-Мари Ампер: Просвещение и электродинамика , Cambridge University Press, 1996, стр. 222.
- ^ Дэвид Кэссиди; Джеральд Холтон; Джеймс Резерфорд (2002). Понимание физики . Биркхойзер. ISBN 978-0-387-98756-9 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 15 ноября 2020 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лонгэйр, Малькольм (2003). Теоретические понятия в физике . п. 87 .
- ^ Кэссиди, Д. (2002). Понимание физики . Спрингер Верлаг Нью-Йорк.
- ^
Барроу, Гордон М. (1962). Введение в молекулярную спектроскопию (отсканированный PDF-файл) . МакГроу-Хилл. LCCN 62-12478 .
Внешние ссылки
СМИ, связанные со Светом, на Викискладе? 
Словарное определение света в Викисловаре 
Цитаты, связанные со Светом , в Wikiquote
Цветовые темы |
|---|
