СВЕТ: ИСТОРИЯ, ПРИРОДА, ПОВЕДЕНИЕ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Свет представляет собой электромагнитную волну можно обнаружить с помощью чувства зрения. Он составляет часть электромагнитного спектра: так называемый видимый свет. На протяжении многих лет предлагались различные теории, объясняющие его природу.

Например, долгое время существовало убеждение, что свет состоит из потока частиц, испускаемых объектами или глазами наблюдателей. Эту веру арабов и древних греков разделял Исаак Ньютон (1642-1727), объясняя явления света.

Рис. 1. Небо голубое из-за рассеяния солнечного света в атмосфере. Источник: Pixabay.

Хотя Ньютон подозревал, что свет обладает волновыми качествами, а Кристиан Гюйгенс (1629-1695) сумел объяснить преломление и отражение с помощью волновой теории, вера в свет как частицу была широко распространена среди всех ученых до начала 19 века. ,

На заре того века английский физик Томас Янг без сомнения продемонстрировал, что световые лучи могут мешать друг другу, как механические волны в струнах.

Это могло означать только то, что свет был волной, а не частицей, хотя никто не знал, что это за волна, пока в 1873 году Джеймс Клерк Максвелл не объявил свет электромагнитной волной.

При поддержке экспериментальных результатов Генриха Герца в 1887 году волновая природа света была установлена ​​как научный факт.

Но в начале 20 века появились новые доказательства корпускулярной природы света. Эта природа присутствует в явлениях излучения и поглощения, в которых световая энергия переносится в пакетах, называемых «фотонами».

Таким образом, поскольку свет распространяется как волна и взаимодействует с веществом как частица, в настоящее время признается двойственная природа света: волна-частица.

Природа света

Ясно, что природа света двойственна, он распространяется как электромагнитная волна, энергия которой приходит в виде фотонов.

Они, не имеющие массы, движутся в вакууме с постоянной скоростью 300 000 км / с. Это известная скорость света в вакууме, но свет может проходить через другие среды, хотя и с разными скоростями.

Когда фотоны достигают наших глаз, активируются датчики, обнаруживающие наличие света. Информация передается в мозг и там интерпретируется.

Когда источник испускает большое количество фотонов, мы видим его как яркий источник. Если, напротив, он излучает мало, это интерпретируется как непрозрачный источник. Каждый фотон имеет определенную энергию, которую мозг интерпретирует как цвет. Например, синие фотоны более энергичны, чем красные фотоны.

Любой источник обычно излучает фотоны разной энергии, отсюда и цвет, в котором он виден.

Если ничто другое не испускает фотоны с одним типом энергии, это называется монохроматическим светом. Лазер - хороший пример монохроматического света. Наконец, распределение фотонов в источнике называется спектром.

Волна также характеризуется наличием определенной длины волны. Как мы уже говорили, свет принадлежит к электромагнитному спектру, который охватывает чрезвычайно широкий диапазон длин волн, от радиоволн до гамма-лучей. На следующем изображении показано, как луч белого света рассеивает треугольную призму. Свет разделяется на длинные (красные) и короткие (синие) волны.

В середине находится узкая полоса длин волн, известная как видимый спектр, в диапазоне от 400 нанометров (нм) до 700 нм.

Рисунок 2. Электромагнитный спектр, показывающий диапазон видимого света. Источник: Источник: Wikimedia Commons. Автор: Хорст Франк.

Поведение света

Как было исследовано, свет имеет двойственное, волновое и частичное поведение. Свет распространяется так же, как электромагнитная волна, и поэтому он способен переносить энергию. Но когда свет взаимодействует с веществом, он ведет себя как пучок частиц, называемых фотонами.

Рисунок 4. Распространение электромагнитной волны. Источник: Wikimedia Commons. SuperManu.

В 1802 году физик Томас Янг (1773-1829) продемонстрировал волнообразное поведение света в эксперименте с двойной щелью.

Таким образом, он мог создавать максимальные и минимальные помехи на экране. Такое поведение типично для волн, и поэтому Юнг смог продемонстрировать, что свет был волной, а также смог измерить его длину.

Другой аспект света - это частица, представленная пакетами энергии, называемыми фотонами, которые в вакууме движутся со скоростью c = 3 x 10 ⁸ м / с и не имеют массы. Но у них есть энергия E:

А также импульс величины:

Где h - постоянная Планка, значение которой составляет 6,63 x 10 ^-34 Джоуль в секунду, а f - частота волны. Объединяя эти выражения:

А поскольку длина волны λ и частота связаны соотношением c = λ.f, остается:

Принцип Гюйгенса

Рис. 5. Волновой фронт и световые лучи, распространяющиеся по прямой. Источник: Serway. R. Физика для науки и техники.

При изучении поведения света необходимо учитывать два важных принципа: принцип Гюйгенса и принцип Ферма. Принцип Гюйгенса гласит, что:

Почему именно сферические волны? Если предположить, что среда однородна, свет, излучаемый точечным источником, будет равномерно распространяться во всех направлениях. Мы можем представить свет, распространяющийся в центре большой сферы с равномерно распределенными лучами. Тот, кто наблюдает этот свет, понимает, что он движется по прямой к его глазу и движется перпендикулярно фронту волны.

Если лучи света исходят от очень удаленного источника, например Солнца, фронт волны плоский, а лучи параллельны. Это и есть подход геометрической оптики.

Принцип Ферма

Принцип Ферма гласит, что:

Этот принцип получил свое название от французского математика Пьера де Ферма (1601–1665), который впервые установил его в 1662 году.

Согласно этому принципу в однородной среде свет распространяется с постоянной скоростью, поэтому он имеет равномерное прямолинейное движение и его траектория является прямой линией.

Распространение света

Свет распространяется как электромагнитная волна. И электрическое поле, и магнитное поле генерируют друг друга, составляя связанные волны, которые находятся в фазе и перпендикулярны друг другу и направлению распространения.

В общем, волна, распространяющаяся в пространстве, может быть описана в терминах волнового фронта. Это набор точек с одинаковой амплитудой и фазой. Зная местоположение волнового фронта в данный момент, можно узнать любое последующее местоположение в соответствии с принципом Гюйгенса.

дифракция

Лазер дифрагирует на шестиугольной щели. Lienzocian

Волновое поведение света ясно подтверждается двумя важными явлениями, возникающими при его распространении: дифракцией и интерференцией. При дифракции волны, будь то волны воды, звука или света, искажаются, когда проходят через отверстия, объезжают препятствия или заходят за углы.

Если апертура большая по сравнению с длиной волны, искажение не очень велико, но если апертура мала, изменение формы волны более заметно. Дифракция - это исключительное свойство волн, поэтому, когда свет демонстрирует дифракцию, мы знаем, что он имеет волновое поведение.

Помехи и поляризация

Со своей стороны, интерференция света происходит, когда электромагнитные волны, составляющие их, перекрываются. При этом они добавляются векторно, и это может вызвать два типа помех:

–Конструктивная, когда интенсивность образовавшейся волны больше интенсивности составляющих.

–Разрушающий, если интенсивность меньше, чем у компонентов.

Интерференция световых волн возникает, когда волны монохроматические и все время поддерживают одинаковую разность фаз. Это называется согласованностью. Такой свет может исходить, например, от лазера. Обычные источники, такие как лампы накаливания, не производят когерентный свет, потому что свет, излучаемый миллионами атомов в нити накала, постоянно меняет фазу.

Но если на ту же лампочку поместить непрозрачный плафон с двумя маленькими отверстиями, расположенными близко друг к другу, свет, выходящий из каждой щели, будет действовать как когерентный источник.

Наконец, когда колебания электромагнитного поля все в одном направлении, возникает поляризация. Естественный свет не поляризован, поскольку состоит из множества компонентов, каждый из которых колеблется в своем направлении.

Эксперимент Юнга

В начале XIX века английский физик Томас Янг первым получил когерентный свет с помощью обычного источника света.

В своем знаменитом эксперименте с двойной щелью он пропускал свет через щель в непрозрачном экране. Согласно принципу Гюйгенса генерируются два вторичных источника, которые, в свою очередь, проходят через второй непрозрачный экран с двумя щелями.

Рисунок 6. Анимация эксперимента Юнга с двойной щелью. Источник: Wikimedia Commons.

Полученный таким образом свет освещал стену в темной комнате. То, что было видно, было узором, состоящим из чередующихся светлых и темных участков. Существование этого рисунка объясняется описанным выше явлением интерференции.

Эксперимент Юнга был очень важен, потому что он раскрыл волновую природу света. Впоследствии эксперимент был проведен с элементарными частицами, такими как электроны, нейтроны и протоны, с аналогичными результатами.

Явления света

отражение

Отражение света в воде

Когда луч света попадает на поверхность, часть света может отражаться, а часть поглощаться. Если это прозрачная среда, часть света продолжает свой путь через нее.

Также поверхность может быть гладкой, как у зеркала, или шероховатой и неровной. Отражение, которое происходит на гладкой поверхности, называется зеркальным отражением, в противном случае это диффузное отражение или неравномерное отражение. Полированная поверхность, например зеркало, может отражать до 95% падающего света.

Зеркальное отражение

На рисунке показан луч света, движущийся в среде, которой может быть воздух. Он падает под углом θ ₁ на плоскую зеркальную поверхность и отражается под углом θ ₂ . Линия, обозначенная нормалью, перпендикулярна поверхности.

Угол падения равен углу отражения. Источник: Serway. R. Физика для науки и техники.

И падающий, и отраженный луч, и нормаль к зеркальной поверхности находятся в одной плоскости. Древние греки уже заметили, что угол падения равен углу отражения:

Это математическое выражение - закон отражения света. Однако другие волны, например, звуковые, также способны отражаться.

Большинство поверхностей шероховатые, поэтому отражение света диффузное. Таким образом, отражаемый ими свет распространяется во всех направлениях, поэтому объекты можно увидеть откуда угодно.

Поскольку некоторые длины волн отражаются больше, чем другие, объекты имеют разные цвета.

Например, листья деревьев отражают свет, который находится примерно в середине видимого спектра, что соответствует зеленому цвету. Остальные видимые длины волн поглощаются: от ультрафиолета, близкого к синему (350-450 нм) и красного света (650-700 нм).

преломление

Явление преломления. Josell7

Преломление света происходит потому, что свет распространяется с разной скоростью в зависимости от среды. В вакууме скорость света c = 3 x 10 ⁸ м / с, но когда свет достигает материальной среды, возникают процессы поглощения и излучения, которые вызывают уменьшение энергии, а вместе с ней и скорости.

Например, при движении по воздуху свет движется с почти равной скоростью с, но в воде свет движется со скоростью три четверти с, а в стекле он движется со скоростью примерно две трети с.

Показатель преломления

Показатель преломления обозначается n и определяется как отношение скорости света в вакууме c к его скорости в указанной среде v:

Показатель преломления всегда больше 1, поскольку скорость света в вакууме всегда больше, чем в материальной среде. Вот некоторые типичные значения n:

-Воздушный: 1.0003

-Вода: 1,33

-Стекло: 1,5

-Алмаз: 2,42

Закон Снеллиуса

Когда луч света попадает на границу между двумя средами под углом, например, воздухом и стеклом, часть света отражается, а другая часть продолжает свой путь внутрь стекла.

В этом случае длина волны и скорость изменяются при переходе от одной среды к другой, но не частота. Поскольку v = c / n = λ.f, а также в вакууме c = λo. f, то имеем:

То есть длина волны в данной среде всегда меньше длины волны в вакууме λo.

Рисунок 8. Закон Снеллиуса. Источник: Рисунок слева: диаграмма преломления света. Рекс, А. Основы физики. Рисунок справа: Wikimedia Commons. Josell7.

Обратите внимание на треугольники, у которых есть общая гипотенуза красного цвета. В каждой среде гипотенуза измеряет λ ₁ / sin θ ₁ и λ ₂ / sin θ ₂ соответственно, поскольку λ и v пропорциональны, поэтому:

Поскольку λ = λ _o / n, имеем:

Что можно выразить как:

Это формула закона Снеллиуса в честь голландского математика Виллеброрда Снелла (1580–1626), который вывел ее экспериментальным путем, наблюдая за светом, переходящим от воздуха к воде и стеклу.

В качестве альтернативы, закон Снеллиуса записывается в терминах скорости света в каждой среде с использованием определения показателя преломления: n = c / v:

рассеивание

Как объяснялось выше, свет состоит из фотонов с разной энергией, и каждая энергия воспринимается как цвет. Белый свет содержит фотоны всех энергий и поэтому может быть разделен на огни разного цвета. Это рассеяние света, которое уже изучал Ньютон.

Капли воды в атмосфере ведут себя как маленькие призмы. Источник: Pixabay.

Ньютон взял оптическую призму, пропустил через нее луч белого света и получил цветные полосы от красного до фиолетового. Эта полоса представляет собой спектр видимого света, показанный на рисунке 2.

Рассеяние света - это естественное явление, красотой которого мы восхищаемся в небе, когда образуется радуга. Солнечный свет падает на капли воды в атмосфере, которые действуют как крошечные ньютоноподобные призмы, рассеивая свет.

Синий цвет, которым мы видим небо, также является следствием рассеивания. Богатая азотом и кислородом атмосфера в основном рассеивает оттенки синего и фиолетового, но человеческий глаз более чувствителен к синему, и поэтому мы видим небо этого цвета.

Когда Солнце находится ниже над горизонтом, во время восхода или заката небо становится оранжевым благодаря тому, что световые лучи должны проходить через более толстый слой атмосферы. Красноватые тона низких частот меньше взаимодействуют с элементами атмосферы и позволяют напрямую достигать поверхности.

Атмосфера, изобилующая пылью и загрязнением, например, в некоторых крупных городах, имеет сероватое небо из-за рассеивания низких частот.

Теории о свете

Свет рассматривался в первую очередь как частица или волна. Корпускулярная теория, которую защищал Ньютон, рассматривала свет как пучок частиц. В то время как отражение и преломление можно адекватно объяснить, если предположить, что свет был волной, как утверждал Гюйгенс.

Но задолго до появления этих замечательных ученых люди уже размышляли о природе света. Среди них не мог отсутствовать греческий философ Аристотель. Вот краткое изложение теорий света во времени:

Аристотелевская теория

2500 лет назад Аристотель утверждал, что свет выходит из глаз наблюдателя, освещает объекты и каким-то образом возвращается вместе с изображением, чтобы человек мог его оценить.

Корпускулярная теория Ньютона

Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые распространяются по прямой во всех направлениях. Когда они достигают глаз, они воспринимают это ощущение как свет.

Теория волн Гюйгенса

Гюйгенс опубликовал работу под названием «Трактат о свете», в которой предположил, что это возмущение среды, подобное звуковым волнам.

Электромагнитная теория Максвелла

Хотя эксперимент с двойной щелью не оставил сомнений в волновой природе света, большую часть девятнадцатого века высказывались предположения о типе волны, пока Максвелл в своей электромагнитной теории не заявил, что свет состоит из распространение электромагнитного поля.

Свет как электромагнитная волна объясняет явления распространения света, описанные в предыдущих разделах, и является концепцией, принятой современной физикой, как и корпускулярная природа света.

Корпускулярная теория Эйнштейна

Согласно современным представлениям о свете, он состоит из безмассовых и незаряженных частиц, называемых фотонами. Несмотря на отсутствие массы, у них есть импульс и энергия, как объяснялось выше. Эта теория успешно объясняет способ взаимодействия света с веществом путем обмена энергией в дискретных (квантованных) количествах.

Существование квантов света было предложено Альбертом Эйнштейном для объяснения фотоэлектрического эффекта, открытого Генрихом Герцем несколькими годами ранее. Фотоэлектрический эффект состоит из испускания электронов веществом, на которое воздействует какой-либо тип электромагнитного излучения, почти всегда в диапазоне от ультрафиолетового до видимого света.

Ссылки

1. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 7. Волны и квантовая физика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Целители. Теории света. Получено с: fisic.ch.
3. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Шестой. Эд Прентис Холл.
4. Волновое движение. Принцип Ферма. Получено с: sc.ehu.es.
5. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон.
6. Ромеро, О. 2009. Физика. Сантильяна Гипертекст.
7. Сервей, Р. 2019. Физика для науки и техники. Десятый. Издание. Том 2. Cengage.
8. Шипман, Дж. 2009. Введение в физическую науку. Двенадцатое издание. Брукс / Коул, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Свет. Получено с: es.wikipedia.org.