Что представляет собой свет согласно современной теории

Что такое свет с точки зрения физики?

На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.

Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое свет?

Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.

Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.

Какова природа света?

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.

По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».

Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Какова скорость света?

Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.

Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.

В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.

Как свет воспринимается глазом?

Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.

Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.

Источник

Что представляет собой свет

Содержание статьи

Корпускулярно-волновой дуализм

В 17 веке появились две теории (волновая и корпускулярная) о том, что такое свет. Согласно первой, свет представляет собой электромагнитную волну. Это было подтверждено системой уравнений Максвелла, составленной в 19 веке. Она очень хорошо описывала электрические и магнитные поля. До сих пор никто не смог доказать, что теория Максвелла неверна.

В 20 веке обнаружились некоторые явления, идущие вразрез с волновыми представлениями в свете. В их число входит фотоэффект — выбивание электронов из вещества падающим светом. Согласно волновой теории, это явление должно иметь значительную задержку: световая волна должна передать значительное количество энергии электрону, чтобы он вылетел из вещества. Однако опыты показали, что задержка практически отсутствует. Была создана новая теория, утверждающая, что свет — это поток частиц (корпускулов). Таким образом был показан корпускулярно-волновой дуализм света.

Волновые свойства света

К явлениям, подтверждающим, что свет — электромагнитная волна, относится интерференция, дифракция и другие. Они часто используются в различных научных исследованиях.

Интерференция — это наложение двух волн, приводящее к увеличению или уменьшению интенсивности излучения. В результате получается интерференционная картина: чередование максимумов и минимумов, причем максимумы обладают интенсивностью излучения, в 4 раза превышающей интенсивность источника. Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы источники были когерентными (т.е. обладали одинаковой частотой излучения и постоянной разностью фаз).

Корпускулярные свойства света

Свет проявляет свои корпускулярные свойства при фотоэффекте. Это явление было открыто немецким физиком Г. Герцем и экспериментально исследовано русским ученым А.Г. Столетовым. Он получил некоторые интересные данные. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов зависит только от частоты падающего излучения. Это противоречит представлениям классической физики.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота, при которой этой явление еще наблюдается. Таким образом, фотоэффект может иметь место даже при падающем излучении низкой энергии (главное, чтобы частота была подходящей). Интересным открытием стало и то, что количество электронов, вылетевших с поверхности вещества в единицу времени, зависит только от интенсивность излучения (прямая зависимость).

Источник

Свет: частица или волна? История развития представлений и корпускулярно-волновой дуализм.

На протяжении истории человечество задумывалось о природе такого явления, как свет. С древних времен и до наших дней представления о нем менялись и совершенствовались. Наиболее популярные гипотезы склонялись к тому, что свет — это частица или волна. Раздел современной науки, изучающий природу и поведение света, называется оптикой.

История развития представлений о свете

Согласно представлениям древнегреческих философов, например, Аристотеля, свет – это лучи, исходящие из глаз человека. Через эфир, прозрачную субстанцию, заполняющую пространство, эти лучи распространяются, позволяя человеку видеть предметы.

Вам будет интересно: История и гибель лайнера «Нормандия» (Normandie)

Другой философ, Платон, высказал предположение, что источником света на Земле является Солнце.

Философ и математик Пифагор полагал, что из предметов вылетают крошечные частицы. Попадая в глаз человека, они дают нам представление о внешнем виде этих предметов.

Несмотря на кажущуюся наивность, данные гипотезы заложили основу для дальнейшего развития мысли.

Так, в XVII веке немецкий ученый Иоганн Кеплер высказал теорию, близкую к представлениям Платона и Пифагора. По его мнению, свет – частица, или точнее, поток частиц, распространяющийся от какого-либо источника.

Корпускулярная гипотеза Ньютона

Ученый Исаак Ньютон выдвинул теорию, объединившую до некоторой степени противоречивые представления о данном явлении.

Согласно гипотезе Ньютона, свет – частица, скорость перемещения которой очень велика. Корпускулы распространяются в однородной среде, двигаясь равномерно и прямолинейно от источника света. Если поток этих частиц попадает в глаз, то человек наблюдает его источник.

По мнению ученого, корпускулы имели неодинаковые размеры, давая ощущения различных цветов. Например, крупные частицы способствуют тому, что человек видит красный цвет. Явления отражения потока света он аргументировал отскоком частиц от твердой преграды.

Белый цвет ученый объяснил сочетанием всех цветов спектра. На этом заключении построена его теория дисперсии – явления, обнаруженного им в 1666 году.

Гипотезы Ньютона нашли большое признание среди его современников, объясняя многие оптические явления.

Волновая теория Гюйгенса

Другой ученый того же времени, Христиан Гюйгенс, не согласился с тем, что свет – частица. Он выдвинул волновую гипотезу природы света.

Гюйгенс полагал, что все пространство между предметами и в самих предметах заполнено эфиром, а световое излучение – это импульсы, волны, распространяющиеся в этом эфире. Каждый участок эфира, до которого доходит световая волна, становится источником, так называемых вторичных волн. Опыты по интерференции и дифракции света подтвердили возможность волнового объяснения природы света.

Теория Гюйгенса не получила большого признания в его время, так как большинство ученых склонны были считать свет частицей. Однако она была впоследствии принята и доработана многими учеными, например, Юнгом и Френелем.

Дальнейшее развитие представлений

Вопрос, что такое свет в физике, продолжал занимать умы ученых. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой световое излучение – это высокочастотные электромагнитные волны. Его представления основывались на факте, что скорость распространения света в вакууме равняется скорости распространения электромагнитных волн.

В 1900 году Макс Планк ввел в науку термин «квант», переводящийся как «порция», «небольшое количество». Согласно Планку, излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а порционно, квантами.

Эти представления развил Альберт Эйнштейн. Он высказал мнение, что свет не только излучается, но также поглощается и распространяется частицами. Для их обозначения он использовал слово «фотоны» (термин впервые предложен Гилбертом Льюисом).

Корпускулярно-волновой дуализм

Современное объяснение природы света лежит в понятии корпускулярно-волнового дуализма. Суть данного явления состоит в том, что материи могут проявлять свойства и волны, и частицы. Свет является примером такой материи. Исследования ученых, пришедших к, казалось бы, противоположным мнениям, являются подтверждением двойственной природы света. В одно и то же время свет – частица и волна. Степень выраженности каждого из этих свойств зависит от конкретных физических условий. В определенных случаях свет проявляет свойства электромагнитной волны, подтверждая волновую теорию своего происхождения, в иных случаях, свет — это поток корпускул (фотонов). Это дает основания заявить, что свет – частица.

Свет стал первой материей в истории физики, у которой признали наличие корпускулярно-волнового дуализма. В дальнейшем это свойство было обнаружено еще у ряда материй, например, волновое поведение наблюдается у молекул и нуклонов.

Подводя итог, можно сказать, что свет – уникальное явление, история развития представлений о котором насчитывает более двух тысяч лет. Согласно современному понимаю данного явления, свет обладает двойственной природой, проявляя свойства и волн, и частиц.

Источник

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.

Источник