Свет

редактировать
Электромагнитное излучение в видимом спектре или около него

Треугольная призма рассеивает луч белого света. Более длинные волны (красный) и более короткие (синий) разделены.

Свет или видимый свет - это электромагнитное излучение в пределах части электромагнитного спектра, который может восприниматься человеческим глазом . Видимый свет обычно определяется как имеющий длина волн в диапазоне 400–700 нанометров (нм) или от 4,00 × 10 до 7,00 × 10 м, между инфракрасным (с более короткими волнами) и ультрафиолетовым (с более короткими длинами волн). Эта длина волны диапазона диапазон частоты примерно 430–750 терагерц (ТГц).

Луч солнечного света внутри полости Рокка ил'Абиссу в Фондачелли Фантина, Сицилия

Основным источником света на Земле является Солнце. Солнечный свет обеспечивает энергию, которую зеленые растения используют для создания сахаров в основном в форме крахмалов, которые выделяют энергии в живые существа, которые их переваривают. Этот фотосинтеза обеспечивает практически всю энергию, используемую живыми существами. Исторически еще одним источником света для людей был огонь, от древних костров до современных керосиновых ламп. С развитием электрического освещения и энергосистемы электрическое освещение эффективно заменило костровое освещение. Некоторые виды животных излучают собственный свет - процесс, называемый биолюминесценцией. Например, светлячки используют свет, чтобы находить партнеров, а кальмары-вампиры использовать его, чтобы спрятаться от добычи.

Основными свойствами видимого света являются интенсивность, распространение распространения, частота или длина волны спектр и поляризация, а его скорость в вакууме, 299 792 458 метров в секунду, является одной из фундаментальных констант природы. Экспериментально установлено, что видимый свет, как и все типы электромагнитного излучения (ЭМИ), всегда движется с этой скоростью в вакууме.

В физике термин свет иногда относится к электромагнитному излучению. любой длины волны, видимой или невидимой. В этом смысле гамма-лучи, рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны также являются светом. Как и все электромагнитного излучения, видимый свет распространяется как волны. Однако энергия передаваемая волнами поглощается в отдельных местах, так же как и частицы. Поглощенная энергия электромагнитных волн называется фотоном и представляет собой кванты света. Когда световая волна преобразуется и поглощается как фотон, энергия волны мгновенно схлопывается в одно место, и это место - то, куда фотон «прибывает». Это то, что называется коллапсом волновой функции. Эта двойная часть волновая и частичная природа света известна как дуальность волна-цента. Изучение света, известное как оптика, является областью исследований в современной физике.

Содержание

  • 1 Электромагнитный спектр и видимый свет
  • 2 Скорость света
  • 3 Оптика
    • 3.1 Рефракция
  • 4 Источники света
  • 5 Единицы и меры
  • 6 Световое давление
  • 7 Исторические теории света в хронологическом порядке
    • 7.1 Классическая Греция и эллинизм
    • 7.2 Классическая Индия
    • 7.3 Декарт
    • 7.4 Теория частиц
    • 7.5 Волновая теория
    • 7.6 Электромагнитная теория
    • 7.7 Квантовая теория
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Электромагнитный спектр и видимый свет

Электромагнитный спектр, с видимая часть выделена

Как правило, электромагнитное излучение (обозначение «излучение» исключает статическое электрическое, магнитное и ближние поля ) или ЭМИ классифицируется по длине волны в радио волны, микроволны, инфракрасные, видимый спектр, который мы воспринимаем как свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Поведение ЭМИ зависит от s на его длине волны. Более высокие частоты имеют более короткие волны, более низкие частоты имеют более длинные волны. Когда ЭМИ взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение зависит от количества энергии на квант, которое он несет.

ЭМИ в видимой области света состоит из квантов (фотонов ), которые находятся на нижнем конце энергий, способствуют электронному возбуждению в молекулах, что приводит к изменению в молекулах. связях или химии молекулы. Для того, чтобы вызвать длительное молекулярное изменение (изменение конформации) в молекуле зрения сетчатка в сетчатке человека, изменение которая вызывает ощущение зрения.

Существуют животные, чувствительные к различным типам инфракрасного излучения, но не за счет квантового поглощения. Инфракрасное зондирование у змей зависит от вида естественного тепловизионного изображения, в котором температура крошечных пакетов клеточной воды повышается инфракрасным излучением. ЭМИ в этом вызывает молекулярную вибрацию.

За пределами диапазона видимого света ультрафиолетовый свет становится невидимым для человека, потому что он поглощает роговицу на глубине ниже 360 нм и внутренней линзой ниже 400 нм. Кроме того, стержни и колбочки, расположенные в сетчатке человеческие глаза, не могут обнаруживать очень короткие (ниже 360 нм) ультрафиолетовые волны и фактически повреждаются ультрафиолет. Многие животные с глазами, которым не требуются линзы (например, насекомые и креветки), показывают ультрафиолет с помощью механизмов квантового наращивания фотонов таким же химическим способом, как люди обнаруживают видимый свет.

Различные источники определяют видимый свет в узком диапазоне от 420–680 нм до 380–800 нм. В идеальных лабораторных условиях люди могут видеть инфракрасное излучение до 1050 нм; дети и молодые люди воспринимают ультрафиолетовые волны с длиной волны примерно 310–313 нм.

На рост растений также влияет цветовой спектр - процесс, известный как фотоморфогенез.

Линейный видимый спектр.svg

Скорость света

Скорость света в вакууме определена как точно 299 792 458 м / с (приблизительно 186 282 мили в секунду). Фиксированное значение скорости света в терминах скорости света. Все формы электромагнитного излучения движутся в вакууме с одинаковой скоростью.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмер, датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движения Юпитера и одна из его лун, Io. Отмеченная расхождения в видимом периоде орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти диаметр орбиты Земли. Однако в то время его размер не был известен. Если бы Ремер 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. Физо направил луч света на зеркало в нескольких километрах от него. Вращающееся зубчатое колесо помещалось на пути светового луча, когда он проходил от источника к зеркалу, а затем возвращался в исходное положение. Физо обнаружил, что при скорости вращения луч проходит через один зазор в колесе на выходе и следующий зазор на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, количество зубцов на колесе и скорость вращения, Физо смог вычислить скорость света как 313 000 000 м / с.

Леон Фуко провел эксперимент с использованием вращающихся зеркал, чтобы получить значение 298000000 м / с в 1862 году. Альберт А. Михельсон проводил эксперименты со скоростью света с 1877 года до своей смерти. в 1931 году. Он усовершенствовал методы Фуко в 1926 году, используя улучшенные вращающиеся зеркала, чтобы совершить путешествие туда и обратно от горы Уилсон до горы Сан-Антонио в Калифорнии. Точные измерения показали скорость 299 796 000 м / с.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, используя обычное вещество, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет примерно 3/4 от скорости света в вакууме.

Две независимые группы физиков, как сообщалось, привели свет в «полное бездействие», пропустив его через конденсат Бозе-Эйнштейна элемента рубидий, одна команда в Гарвардском университете и Научном институте Роуленда в Кембридже, Массачусетс, и другом в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики, а также в Кембридже. Такое популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к свету, который накапливается в возбужденных состояниях объектов, а затем повторно излучается в произвольное время, вызванное вторым лазерным импульсом. За то время, пока он «остановился», он перестал светиться.

Оптика

Изучение света и взаимодействия света и материи называется оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, предоставляют много ключей к разгадке природы света.

Refraction

Пример преломления света. Соломинка кажется изогнутой из-за преломления света, попадающего в жидкость из воздуха. Облако, освещенное солнечным светом

Преломление - это изгиб световых лучей при прохождении через поверхность между ними. прозрачный материал и другое. Он описывается законом Снеллиуса :

n 1 грех ⁡ θ 1 = n 2 грех ⁡ θ 2. {\ displaystyle n_ {1} \ sin \ theta _ {1} = n_ {2} \ sin \ theta _ { 2} \.}n_1 \ sin \ theta_1 = n_2 \ sin \ theta_2 \.

, где θ 1 - угол между лучом и поверхностью нормаль 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 вакууме и n>1 в прозрачном веще.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другим средой или между двумя разными средами, длина волны света изменяется, но частота остается постоянной. Если луч не ортогонален (или, скорее, нормален) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Это изменение направления известно как преломление.

. Качество преломления линз часто используется для управления светом с целью видимого размера изображений. Увеличительные очки, очки, контактные линзы, микроскопы и преломляющие телескопы - все это примеры этой манипуляции.

Источники света

Есть много источников света. Тело при данной температуре излучает характерный спектр черного спектра абсолютно тела. Простой тепловой источник - это солнечный свет, излучение, излучаемое хромосферой Солнца при температуре около 6000 кельвинов (5730 градусов по Цельсию; 10340 градусов по Фаренгейту), пика в видимой области электромагнитного поля. при отображении в длине волны видно примерно 44% солнечной энергии, достигающей земли. Другой пример - лампы накаливания, которые излучают только около 10% своей энергии в виде видимого света, а остальную часть - в виде инфракрасного. Обычным способом теплового света в истории являются светящиеся твердые частицы в пламени, но они также испускают большую часть своего излучения в инфракрасном диапазоне и только часть в видимом спектре.

Пик черного тела находится в глубоком инфракрасном диапазоне длиной волны около 10 микрометров для относительно холодных объектов, таких как люди. При повышении температуры смещается в сторону более коротких волн, создавая сначала красное свечение, затем белое и, наконец, сине-белый цвет, когда пик перемещается из видимой части в ультрафиолет. Эти цвета можно увидеть, когда металл нагревается до «докрасна» или «до белого каления». Сине-белое тепловое излучение наблюдается нечасто, за исключением звезд (обычно наблюдаемый синий цвет в пламени газа или горелки сварщика - это фактически из-за молекулярной эмиссии, в частности радикалов CH (излучающих полосу длин волн около 425 нм, и не наблюдается в звездах или в чистом тепловом излучении).

Атомы излучают и поглощают свет с соответствующей энергией.>"в спектре каждого атома. Эмиссия может быть спонтанной, как в светодиодах, газе газоразрядные лампы (например, неоновые лампы и неоновые вывески, ртутные лампы и т. д.) и пламя (свет от самого горячего газа - так, например, натрий в газовом пламени излучает характерный желтый свет). Излучение также можно стимулировать, как в лазере или микроволновом мазер.

Торможение свободной заряженной частицы, такой как электрон, может вызвать видимое циклическое излучение: Примерами это, синхротронное излучение и тормозное излучение. Частицы, движущиеся в среде со скоростью превышения скорости света в этой среде, могут быть видимое черенковское излучение. Некоторые химические вещества производят видимое излучение за счет хемолюминесценции. У живых этот процесс называется биолюминесценцией. Например, светлячки излучают световым образом, а лодки, движущиеся по воде, могут мешать планктону, создавая светящийся след.

Некоторые вещества излучают свет, когда они освещаются более энергичным излучением, процесс, известный как флуоресценция. Некоторые вещества медленно излучают свет после возбуждения более энергичным излучением. Это известно как фосфоресценция. Фосфоресцентные материалы также можно возбуждать, бомбардируя их субатомными частями. Катодолюминесценция является одним из примеров. Этот механизм используется в электронно-лучевой трубке телевизорах и компьютерных мониторов.

Гонконг, освещаемых красочным искусственным освещением.

некоторыми другими механизмами может быть свет:

Когда концепция света включает фотоны очень высоких энергий (гамма-лучи), дополнительные механизмы генерации, включая:

Единицы и меры

Свет измеряется с помощью двух альтернативных наборов единиц: радиометрия состоит из измерений мощности света на всех длинах волн, а фотометрия измеряет свет с длиной волны, взвешенной по стандартизированной модели восприятия яркости человека. Фотометрия полезна, например, для количественной оценки освещения (освещения), предназначенного для использования человеком. Единицы для обеих систем представлены в следующих таблицах.

Таблица 1. Радиометрические единицы СИ
  • v
  • t
КоличествоЕдиницаРазмерПримечания
ИмяСимволИмяСимволСимвол
Лучистая энергия Qeджоуль J M⋅L⋅TЭнергия электромагнитного излучения.
Плотность лучистой энергии weджоулей на кубический метрДж / мM⋅L⋅TЛучистая энергия на единицу объема.
Лучистый поток Φeватт W = Дж / сM⋅L⋅TИзлучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой».
Спектральный поток Φe, νватт на герц W/Hz M⋅L⋅TЛучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅nm.
Φe, λватт на метрВт / мM⋅L⋅T
Сила излучения Ie, Омватт на стерадиан W/sr M⋅L⋅TИзлучаемый, отраженный поток излучения, передано или получено на единицу телесного угла. Это направленная величина.
Спектральная интенсивность Ie, Ом, νватт на стерадиан на герцВт⋅ср⋅ГцM⋅L⋅TИнтенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr⋅nm. Это направленная величина.
Ie, Ом, λватт на стерадиан на метрВт⋅смM⋅L⋅T
Сияние Le, Омватт на стерадиан на квадратный метрВт⋅смM⋅TЛучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхность, на единицу телесного угла на единицу площади. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная яркость Lе, Ом, νватт на стерадиан на квадратный метр на герцВт⋅ср⋅м⋅ГцM⋅TЯркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr⋅m⋅nm. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
Le, Ом, λватт на стерадиан на квадратный метр, на метрВт⋅смM⋅L⋅T
энергетическая освещенность. Плотность потока Eeватт на квадратный метрВт / мM⋅TПоток излучения, получаемый поверхностью на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная освещенность. Спектральная плотность потока Ee, νватт на квадратный метр на герцВт⋅м⋅ГцM⋅TЭнергия излучения поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы измерения спектральной плотности потока, не относящиеся к системе СИ, включают янски (1 Ян = 10 Вт⋅мГц) и единицу солнечного потока (1 sfu = 10 Вт⋅мГц = 10 Ян.).
Ee, λватт на квадратный метр на метрВт / мM⋅L⋅T
Радиосветимость Jeватт на квадратный метрВт / мM⋅TЛучистый поток оставляя (излучаемый, отраженный и проходящий) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная светимость Jе, νватт на квадратный метр на герцВт⋅м⋅ГцM⋅TСветимость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅мнм. Иногда это также неправильно называют «спектральной интенсивностью».
Je, λватт на квадратный метр на метрВт / мM⋅L⋅T
коэффициент излучения Meватт на квадратный метрВт / мM⋅Tизлучающий поток, излучаемый поверхностью на единицу площади. Это излучаемая составляющая излучения. «Излучение» - это старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная светимость Mе, νватт на квадратный метр на герцВт⋅м⋅ГцM⋅TЭнергия излучения поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅мнм. «Спектральный коэффициент излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
Me, λватт на квадратный метр на метрВт / мM⋅L⋅T
Излучение Heджоуль на квадратный метрДж / мM⋅TЛучистое излучение энергия, получаемая поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности, интегрированная во времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом».
Спектральная экспозиция Hе, νджоуль на квадратный метр на герцДж⋅м⋅ГцM⋅TИзлучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅мнм. Иногда это также называют «спектральным флюенсом».
He, λджоуль на квадратный метр, на метрДж / мM⋅L⋅T
Коэффициент излучения в полусфере εН / Д1Коэффициент излучения поверхности, деленный на черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральнаяполусферическая излучательная способность εν. or. ελНеприменимо1Спектральная светимость поверхности, деленная на светимость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Направленная способность излучения εΩН / Д1Сияние, излучаемое поверхность, деленное на излучаемое черным телом при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральная направленная излучательная способность εОм, ν. or. εОм, λН / Д1Спектральная яркость, излучаемая поверхность, деленная на яркость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Полусферическое поглощение AН / Д1Лучистый поток, поглощаемый поверхность, деленный на поток, получаемый поверхностью. Не следует путать с «поглощение ».
Спектральное полусферическое поглощение Aν. or. AλН / Д1Спектральный поток, поглощаемая поверхность, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью. Это не следует путать с «спектральная абсорбция ».
Направленное поглощение Н / Д1Излучение, поглощаемая поверхность, деленное на яркость, падающую на эту поверхность. Не следует путать с «поглощение ».
Спектральное поглощенное поглощение A, ν. or. AОм, λН / Д1Спектральная яркость, поглощаемая поверхность, деленная на спектральную яркость, падающую на эту поверхность. Это не следует путать с «спектральная абсорбция ».
Коэффициент отражения полусферы RН / Д1Излучаемый поток, отраженная поверхность, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Спектральный полусферический коэффициент отражения Rν. or. RλН / Д1Спектральный поток, отраженный от поверхности, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Направленная отражательная способность Н / Д1Сияние, отраженное поверхность, деленное на получаемое этой поверхностью.
Спектральная отражательная способность RОм, ν. or. RОм, λН / Д1Спектральная яркость, отраженная от поверхности, деленная на яркость, полученная эта поверхность.
Полусферический коэффициент пропускания TН / Д1Лучистый поток, передаваемый поверхность, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Спектральный полусферический коэффициент пропускания Tν. or. TλН / Д1Спектральный поток, передаваемый поток, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Направленный коэффициент пропускания Н / Д1Сияние, передаваемое поверхность, деленное на получаемое этой поверхностью.
Спектральное направленное пропускание TОм, ν. or. TОм, λН / Д1Спектральная яркость, передаваемая поверхность, деленная на яркость, принимаемую эту поверхность.
Коэффициент затухания в полусфере μобратный метрmLПоток поглощения, поглощаемый и рассеиваемый объем на единицу длины, деленный на полученный этим объемом.
Спектральный полусферический коэффициент затухания μν. or. μλСпектральный обратный измерительmLСпектральный лучистый поток, поглощенный и рассеянный объем на единицу длины, деленный на полученный этим объемом.
Коэффициент направленного ослабления μΩобратный метрmLИзлучение, поглощаемое и рассеиваемое на объем на единицу длины, деленное на полученное этим объемом.
Коэффициент направленного спектрального ослабления μОм, ν. or. μОм, λобратный метрmLСпектральная яркость, поглощенная и рассеянная объем на единицу длины, деленная на полученную на этот объем.
См. Также: SI ·Радиометрия ·Фотометрия ·(Сравнить)
Таблица 2. Величины фотометрии SI
  • v
  • t
КоличествоЕдиницаРазмер Примечания
ИмяСимволИмяСимволСимвол
Световая энергия QvЛюмен-секунда lm ⋅sTJЛюмен-секунда иногда называют талботом.
Световой поток, сила светаΦv люмен (= ​​кандела стерадиан )лм (= кд⋅sr)JСветовая энергия в единицу времени
Сила света Ivкандела (= ​​люмен на стерадиан)cd (= лм / ср)JСветовой поток на единицу телесный угол
Яркость Lvкандела на квадратный метр кд / м (= лм / (ср⋅м))LJСветовой поток на единицу телесного угла на единицу площади проекции источника.Кандела на квадратный метр иногда называется нит.
Освещенность Evлюкс ( = люмен на квадратный метр)lx (= лм / м)LJСветовой поток, падающий на поверхности
Световой поток, световой потокMvлюмен на квадратный метрлм / мLJСветовой поток, излучаемая поверхность
Световая экспозиция Hvлюкс в секунду лксLTJИнтегрированная во времени освещенность
Плотность световой энергииωvлюмен в секунду на кубический метрлм⋅с / мLTJ
Световая отдача (излучение)Kлюмен на ватт лм / W MLTJОтношение светового потока к лучистому потоку
Световой поток cy (источник)ηлюмен на ватт лм / W MLTJОтношение светового потока к потребляемой мощности
Световая отдача, световой коэффициентV1Нормализованная световая отдача по максимально возможной эффективности
См. Также: SI ·Фотометрия ·Радиометрия ·(Сравнить)

Единицы фотометрии отличаются от разных систем физических единиц тем, что они принимают во внимание реакцию человеческих глаз на свет. колбочки в человеческом глазу бывают трех типов, которые по-разному реагируют в видимом спектре, совокупный ответ вызывает пика на длине волны 555 нм. Следовательно, два источника света, которые производят одинаковую интенсивность (Вт / м) видимого света, не обязательно выглядят одинаково яркими. Фотометрические блоки разработаны с учетом этого и поэтому лучше, насколько «ярким» кажется свет, чем исходная интенсивность. Они к исходной мощности величиной, называемой светоотдачей, и используются для таких целей, как определение того, как наилучшим образом достичь достаточного освещения для различных задач в помещении и на улице. Освещение, измеренное датчиком фотоэлемента, не соответствует тому, что воспринимается человеческим глазом, и без фильтров, которые могут быть дорогими, фотоэлементы и устройства с зарядовой связью (CCD) имеют тенденцию реагировать на инфракрасный, ультрафиолетовый или оба.

Давление света

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути - явление, которое можно вывести с помощью уравнений Максвелла, но его легче объяснить с помощью частиц природы света: фотоны падают и передают свой импульс. Световое давление равно мощности светового луча, деленной на c, скорость света. Из-за величины c влияние светового давления на предметы повседневного обихода незначительно. Например, лазерная указка мощностью в один милливатт оказывает на освещаемый объект силу около 3,3 пиконьютон ; таким образом, можно было бы поднять США. пенни с лазерными указками, но для этого потребуется около 30 миллиардов лазерных указок мощностью 1 мВт. Однако в приложениях с масштабом нанометров, таких как наноэлектромеханические системы (NEMS), влияние светового давления более значимо, и они используют световое давление для управления механизмами NEMS и для поворота нанометрового масштаба. физические переключатели в интегральных схемах - активная область исследований. В больших масштабах легкое давление может заставить астероиды вращаться быстрее, воздействовать на их неправильную форму, как на лопасти ветряной мельницы. Возможность создания солнечных парусов, которые ускоряют бы космические корабли в космосе, также исследуется.

Хотя движение радиометра Крукса изначально приписывалось световому давлению, это интерпретация неверна; характерное вращение Крукса является результатом частичного вакуума. Его не следует путать с радиометром Николса, в котором (небольшое) движение, вызванное крутящим моментом (хотя и недостаточным для полного вращения против трения), непосредственно вызвано легким давлением. Как следствие светового давления Эйнштейн в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое препятствовало движению материи. Он писал: «Излучение будет усиливать на обечайки пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина находится в состоянии покоя. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Таким образом, обратная сила давления, оказываемого на переднюю поверхность, больше, чем сила давления, действующая на спину. Следовательно, как два результата сил, остается сила. Вкратце мы будем называть это результирующим «радиационным трением» ».

Обычно импульс света совпадает с направлением его движения. Однако, например, в затухающих волнах импульс перпендикулярен распространения распространения.

Исторические теории о свете в хронологическом порядке

Классическая Греция и эллинизм

В пятом веке нашей эры Эмпедокл постулировал, что все состоит из четырех элементов ; огонь, воздух, земля и вода. Он считал, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов и что она зажгла огонь в глазу, который сиял из глаза, используем зрение. Как и днем, поэтому Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами от такого источника, как солнце.

Примерно в 300 г. до н.э., Евклид написал "Оптику", в которой изучал свойства света. Евклид постулировал, что свет по прямым линиям, описал законы отражения и изучил их ихически. Он сомневался, что зрение вызывает луча из глаза, потому что он спрашивает, как человек видит звезды сразу, если он закрывает глаза, а затем открывает их ночью. Луч из глаз распространяется бесконечно быстро, это не проблема.

В 55 г. до н.э., Лукреций, римлянин, который продолжал идеи более ранних греческих атомистов, писал, что «свет и тепло солнца; они состоят из мельчайших элементов, которые, когда их отталкивают, не теряют времени и стреляют прямо через воздушное пространство в направлении, заданном толчком ». (из «О природе Вселенной»). Несмотря на сходство с более поздними теориями частиц, взгляды Лукреция не были общепринятыми. Птолемей (ок. II в.) Писал о преломлении света в своей книге «Оптика».

Классическая Индия

В древней Индии, индуистские школы санкхьи и вайшешика, примерно с первых веков нашей эры, использовали теорию света. Согласно школе санкхьи, свет является одним из пяти основных «тонких» элементов (танматра), из которых используются грубые элементы. Атомарность эти элементы специально не регистрируются, и похоже, что они действительно считались непрерывными. С другой, школа Вайшешики дает атомную теорию стороны физического мира на неатомной основе эфира, пространства и времени. (См. Индийский атомизм.) Основные атомы - это атомы земли (притхиви), воды (пани), огня (агни) и воздуха (вайю). Лучи света считаются потоком с высокой скоростью. теджас (огонь) атомы. Частицы света могут иметь разные характеристики в зависимости от скорости и расположения атомов теджаса. Вишну-пурана называет солнечный свет «семью лучами солнца».

Индийские буддисты, такие как Дигнага в 5-м доме. века и Дхармакирти в VII веке разработали тип атомизма, который представляет собой философию о том, что реальность состоит из атомарных сущностей, которые представляют собой мгновенные вспышки света или энергии. Они рассматривали свет как атомную сущность, эквивалентную энергии.

Декарт

Рене Декарт (1596–1650) считал свет механическим свойством светящегося тела, отвергая «формы» Ибн аль-Хайсама и Витело, а также «разновидности» Бэкона, Гроссетесте и Кеплер. В 1637 году он опубликовал теорию преломления света, в которой ошибочно предполагалось, что свет распространяется быстрее в более плотной среде, чем в менее плотной. Декарт пришел к такому выводу по аналогии с поведением звуковых волн. Хотя Декарт ошибался относительно относительных скоростей, он был прав, предполагая, что свет ведет себя как волна, и заключая, что преломление можно объяснить скоростью света в различных средах.

Декарт не первый, кто использовал механические аналогии, но поскольку он четко утверждает, что свет - это только механическое свойство светящегося тела и передающей среды, теория света Декарта рассматривается как начало современной физической оптика.

Теория частиц

Пьер Гассенди.

Пьер Гассенди (1592–1655), атомщик, предложил теорию частиц света, которая была опубликована посмертно в 1660-х годах. Исаак Ньютон изучал работы Гассенди в раннем возрасте и предпочитал его взгляд теории Пленума Декарта. В своей «Гипотезе света» 1675 года он заявил, что свет состоит из корпускул (частиц материи), которые испускаются во всех направлениях от источника. Один из аргументов Ньютона против волновой природы света заключался в том, что волны, как известно, огибали препятствия, в то время как свет распространялся только по прямым линиям. Однако он объяснил явление дифракции света (которое наблюдал Франческо Гримальди ), допустив, что легкая частица может создавать локализованную волну в эфир.

Теория Ньютона могла быть использована для предсказания отражения света, но могла объяснить преломление только неверным предположением, что свет ускоряется при входе в более плотную среду потому что гравитационное притяжение было больше. Ньютон опубликовал окончательную версию своей теории в своей Opticks 1704 года. Его репутация помогла теории частиц света сохранить господство в 18 веке. Теория частиц Из-за света Лаплас утверждал, что тело могло быть массивным, что свет не мог выйти из него. Другими словами, это стало бы тем, что сейчас называется черная дырой. Позднее Лаплас отозвал свое предложение, после того как волновая теория света прочно утвердилась в качестве модели света (как было объяснено, ни теория частиц, ни теория волн не являются полностью правильными). Перевод эссе Ньютона о свете появляется в книге «Крупномасштабная структура пространства-времени» Стивена Хокинга и Джорджа Ф.Р. Эллиса.

Тот факт, что свет может быть поляризованным был впервые качественно объяснен Ньютоном с помощью теории частиц. Этьен-Луи Малюс в 1810 году создал математическую теорию поляризации частиц. Жан-Батист Био в 1812 году показана 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 импульссов» и сравнил распространение света на волны в воде в его работе 1665 года Micrographia («Наблюдение IX»). В 1672 году предположил, что колебания света могут быть перпендикулярны круговое распространение. 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 Светоносный эфир. Временная линия в период не временной гравитация.

Кристиан Гюйгенс. Томас Янг набросок эксперимента с двумя щелями, показывающий дифракция. Эксперименты Юнга подтвердили теорию о том, что свет состоит из волн.

Теория волн предсказывала, что световые волны могут интерферировать друг с другом, как звуковые волны (как отмечалось около 1800 года Томасом Янгом ). Янг показал с помощью дифракционного эксперимента , что свет ведет себя как волны. Он также предположил, что разные цвета были вызваны волнениями разными длинами света, и объяснил цветовое зрение с точки зрения трехцветных рецепторов в глазу. Еще одним сторонником волновой теории был Леонард Эйлер. Он утверждал в Новой теории lucis et colorum (1746), что дифракцию легче объяснить с помощью волновой теории. В 1816 году Андре-Мари Ампер дал Огюстен-Жан Френель идея, что поляризация света может быть объяснена волновой теорией, если свет был поперечной волной.

Позже, Френель независимо разработал свою волновую теорию света и представил ее Академия наук в 1817 году. Симеон Дени Пуассон добавил к математической работе Френеля убедительный аргумент в пользу волновой теории, помогая опровергнуть корпускулярную теорию Ньютона. К 1821 году Френель смог с помощью математических методов показать, что поляризация может быть объяснена волновой теорией света тогда и только, когда свет был полностью поперечным, без каких-либо продольных колебаний.

Слабость волны Теория заключалась в том, что световые волны, как и звуковые волны, нуждаются в среде для передачи. Существование гипотетического вещества светоносного эфира, предложенного Гюйгенсом в 1678 году, подверглось серьезному сомнению в конце девятнадцатого века в результате эксперимента Майкельсона-Морли.

корпускулярная теория Ньютона предполагала, что свет будет двигаться быстрее в более плотной среде, в то время 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 точные измерения, был Леон Фуко в 1850 году. Его результат поддержал волновую теорию, и классическая теория частиц окончательно отвергнута, лишь частично возродившись в 20 веке.

Электромагнитная теория

Трехмерная визуализация линейно поляризованной световой волны, застывшей во времени и показывающей две колеблющиеся компоненты света; электрическое поле и магнитное поле, перпендикулярные друг другу и направление движения (поперечная волна ).

В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда световые лучи проходят вдоль направления магнитного поля в присутствии прозрачного диэлектрика, эффект, теперь известный как Вращение Фарадея. свет связан с электромагнетизмом. В 1846 году он предположил, что свет может быть некоторой разновидностью возмущения, распространяющееся вдоль силовых линий магнитного поля. В 1847 году Фарадей предположил, что свет высокочастотная электромагнитная вибрация даже, которая может распространяться распространяться.

Работа Фарадея вдохновила Джеймса Клерка Максвелла на рассмотрении электромагнитного излучения и света. ектромагнитные волны будут перемещаться в постоянной скорости, кот орая оказалась равной ранее измеренной скорости света. Из этого Максвелл пришел к выводу, что свет является формой электромагнитного излучения: он впервые изложил этот результат в 1862 году в работе «О физических линиях силы». В 1873 году он опубликовал Трактат об электричестве и магнетизме, который содержал полное математическое описание поведения и магнитных полей, до сих пор известных как уравнения Максвелла. Вскоре после этого Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла, создав и обнаружив радиоволны в лаборатории и действав, что волны ведут себя точно так же, как видимый свет, проявляя такие свойства, как отражение, преломление, дифракция и интерференция. Теория Максвелла и эксперименты Герца создают непосредственно в развитии современного радио, радара, телевидения, создания электромагнитных изображений и беспроводной связи.

В квантовой теории фотоны как волновые пакеты волн, описанных в классической теории Максвелла. Квантовая теория необходима для объяснения эффектов даже с помощью визуального света, чего не могла классическая теория Максвелла (например, спектральных линий ).

Квантовая теория

В 1900 году Макс Планк, пытаясь объяснить излучение черного тела, предположил, что, хотя свет был волной, эти волны могли получают или теряют энергию только в конечных количествах, связанных с их другими. Планк назвал эти «сгустки» световой энергии «квантами » (от латинского слова «сколько»). В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею световых квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта и предположил, что эти световые кванты имеют «реальное» существование. В 1923 году Артур Холли Комптон показал, что сдвиг волны волны наблюдаемого, когда рентгеновские лучи низкой мощности, рассеянные электронами (так называемое ), можно объяснить с помощью теории частиц комптенсенского излучения.., но не волновая теория. В 1926 году Гилберт Н. Льюис назвал эти световые кванты части фотонами.

В конце концов современной теории квантовой механики представила свет как (в некотором смысле) как частицу. и волна, и (в другом смысле), как явление, которое не является ни частицами, ни волной (которые на самом деле являются макроскопическими явлениями, такими как бейсбольные мячи или океанские волны). Вместо этого современная физика рассматривает свет как нечто, что может быть иногда описываемо математически, подход для одного макроскопической метафоры типа типа, а иногда и другой макроскопической метафоры (волны на воде), но на самом деле это то, что невозможно полностью вообразить. Как и в случае радиоволн и рентгеновских лучей, участвующих в комптоновском рассеянии, электромагнитное излучение имеет тенденцию вести себя больше как классическая волна на более низких частотах, но больше не теряет все качества одного или другого. Видимый свет, занимающий промежуточную последовательность по частоте, можно легко показать в экспериментах, что его можно легко показать с помощью моделей волны или описанных частиц, а иногда и того и другого.

В феврале 2018 года ученые впервые сообщили об открытии новой формы света, которая может быть полезной для разработки квантовых компьютеров.

См. также

  • icon Физический портал
  • icon Научный портал

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с Light.
Искать light в Wiktionary, бесплатный словарь.
Wiki Цитата содержит цитаты, связанные с: Свет
Последняя правка сделана 2021-05-27 09:14:42
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте