Свет это волна сообщение по физике

Обновлено: 05.07.2024

С античных времен философы задумывались о том, что такое свет и какова его природа. Аристотель, Платон, Пифагор и другие мыслители высказывали свои предположения, но их идеи в наше время кажутся просто наивными.

Как начали изучать свет?

Настоящее изучение структуры света началось с изобретения увеличительных линз и телескопов. В 17 веке крупные ученые того времени начали детально исследовать структуру света опираясь на открытия дифракции, дисперсии и интерференции.

Крупнейший ученый 17-18 веков Исаак Ньютон высказал предположение, что свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул) распространяющихся с очень большой скоростью.

Его идея прекрасно описывала прямолинейное распространение света и его дисперсию. Он полагал, что частицы разного цвета имеют различные размеры - самыми большими являются красные, минимальные размеры у фиолетовых корпускул. Смешение различных частиц дает белый цвет, который можно разложить с помощью призмы. Отражение света Ньютон объяснял отскакиванием частиц от поверхности твердого тела. Ученый полностью не отвергал волновую природу света, но все же возражал против нее с помощью нехитрого аргумента - если свет волна, то почему он не проходит сквозь изогнутую трубку, как это успешно делают звуковые волны.

В то же время голландский ученый Христиан Гюйгенс и научный противник Ньютона англичанин Роберт Гук сходились во мнении, что свет имеет волновую природу и распространяется в особой универсальной среде именуемой эфиром. По мнению Гюйгенса, каждый участок эфира способен возбуждать вторичные световые волны, что прекрасно помогало описать такие явления как интерференция (перераспределение минимумов и максимумов освещенности) и дифракцию (отклонение движения луча света от прямой).

Корпускулы или волны?

Некоторое время корпускулярная и волновая теория боролись между собой, причем первая имела даже больше сторонников - сказывался почти непререкаемый авторитет Ньютона. Однако Юнг и Френель успешно дорабатывали положения волновой теории, которая стала завоевывать все больше сторонников.

В 60-70-х годах 19 века показалось, что корпускулярной теории света нанесен окончательный удар - англичанин Джеймс Максвелл создал систему уравнений описывающую электромагнетизм. Поскольку световые волны распространялись с той же скоростью, что и электромагнитные волны, было решено, что свет имеет исключительно волновую структуру.

Абсолютно неожиданным явилось изучение прохождение одиночного фотона через две узких щели расположенные рядом (двойную щель), используемую для изучения волновых свойств света.

На экране ошарашив экспериментаторов появилась интерференционная картина с ее минимумами и максимумами. Получалось невероятное - квант света перед двойной щелью распался на 2 части и прошел через обе щели. Но этого то и не могло быть ни в коем случае - фотон представляет собой единственный квант, который не делим по определению. А вот для волн проблемы с интерференционной картинкой при прохождении двойной щели не появляется - она просто обязана быть.

Корпускулярно-волновой дуализм

Поскольку противоречия между корпускулярной и волновой природой света оказались неразрешимы, оставалось признать, что он обладает как корпускулярной, так и волновой структурой. Название такой структуре дали корпускулярно-волновой дуализм света .

Самое оригинальное, что свои свойства свет проявляет в зависимости от проводимого эксперимента. В большинстве физических явлений он ведет себя как волна, а в фотоэффекте, эффекте Комптона и некоторых других физических явлениях он демонстрирует свои корпускулярные свойства.

Позднее было доказано, что не только фотоны, но и иные микрочастицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом. В 1948 году физик из СССР В. Фабрикант экспериментально подтвердил волновые свойства электрона. Позднее они были обнаружены у протонов, нейтронов и даже атомов. В 2013 году зафиксировали дифракцию (а это волновое свойство) молекулы содержащей больше 800 атомов.

Итак, кто же был прав - Ньютон или Гюйгенс с Гуком? Получается, что по своему правы были оба - и только объединение их теорий дает относительно полную картину природы света.

А сейчас ответим на вопрос вынесенный в заглавие статьи.

Электричество и теплоту мы не можем наблюдать непосредственно — все это воспринимается через их влияние. Однако свет мы видеть можем. К началу XIX века четко сформировались две теории света, и ставить вопрос, какая из них верна, значит, смотреть на природу света односторонне.

К тому времени, когда Ньютон опубликовал свою теорию, его голос уже был самым громким в мировой науке. Разумеется, голосов в свое опровержение со стороны европейских ученых он почти не услышал, как и не появилось научных работ, предлагавших другие точки зрения. Власть научного авторитета Ньютона сохраняла силу и после его смерти, а это значило, что все англоязычные ученые были обречены следовать взглядам Ньютона.

Такая рябь образуется при взаимной интерференции двух лучей света, что доказывает его волновую природу

Распространение волн

В континентальной Европе взгляды на природу света были иными. Хотя первенство оставалось за Гюйгенсом, набирал популярность эфирный подход Рене Декарта. По теории Гюйгенса получалось, что свет — это периодические колебания, распространяющиеся с определенной конечной скоростью во всех направлениях от источника света.

Голландский физик разработал геометрию, которая показывала, как световые волны ведут себя при встрече с препятствием. Он описал фронт волны как геометрическое место точек, каждая из которых в свою очередь становится источником световых колебаний и посылает новые волновые возмущения во всех направлениях. Эту теорию можно использовать для объяснения многих наблюдаемых световых эффектов, некоторые из которых теория Ньютона объяснить не может. Самой уязвимой точкой теории Ньютона было то, что она не могла объяснить интерференцию — взаимодействие двух пучков света друг с другом.

Молодой английский врач Томас Юнг в свои двадцать с небольшим лет оказался достаточно смелым, чтобы выступить против взглядов Ньютона. (Бенджамин Франклин также придерживался волновой теории света.) Как бы то ни было, но хор несогласных с волновой теорией Юнга вскоре затих, поскольку к 1804 году он провел две публичные демонстрации, доказавшие правоту Гюйгенса.

Вода вместо света

Первый эксперимент предполагал наблюдение за поведением волн на воде в волновом бассейне. Юнг делал так, чтобы два волновых фронта сталкивались, или интерферировали, и показывал, что наложение волн в одних точках приводило к увеличению амплитуды, а в других — к существенному ее уменьшению, даже полному исчезновению. Также Юнг посылал плоскую волну на препятствие с небольшой щелью. Все увидели то, что предсказывал Гюйгенс для света, а именно сразу за пределами препятствия небольшая часть волнового фронта, проходящая через щель, распространялась во всех направлениях.

Опыт юнга по интерференции света

Распространяющиеся волны сталкиваются и интерферируют. Волна имеет пики и впадины, и при столкновении волны накладываются в каждой точке экрана. Пик с пиком создает еще большую амплитуду волны (и яркость света). При наложении друг на друга впадин происходит то же. Но если пик встречается с впадиной, амплитуды уничтожают друг друга, и волна в этой точке исчезает — получается темная точка. На схеме ниже красные линии представляют пики, а желтые — впадины. Как вы видите, свет создает узор из темных и светлых линий, доказывая свою волновую природу.

Свет — это форма энергии, видимая человеческим глазом, которую излучают движущиеся заряженные частицы.

Солнечный свет играет важную роль в жизни живой природы. Он необходим для роста растений. Растения преобразуют энергию солнечного света в химическую форму с помощью процесса фотосинтеза. Нефть, уголь и природный газ являются остатками растений, живших миллионы лет назад. Можно сказать, что это энергия преобразованного солнечного света.

Ученые с помощью экспериментов доказали, что время от времени свет ведет себя как частица, а в другое время как волна. В 1900 году квантовая теория Макса Планка объединила две точки зрения ученых на свет. И в современной физике свет рассматривают как поперечные электромагнитные волны, видимые человек, которые излучаются квантами света (фотонами) — частицами не имеющими массы и движущимися со скоростью

Характеристики света

Как любую волну, свет можно охарактеризовать длиной (λ), частотой (υ) и скоростью распространения в какой-либо среде (v). Связь между этими величинами демонстрирует формула:

Видимый свет лежит в диапазоне длин волн электромагнитного излучения от м (в порядке возрастания длины волны: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Частота световой волны связана с его цветом.

Когда световая волна переходит из вакуума в среду, то происходит уменьшение ее длины и скорости распространения, частота световой волны остается неизменной:

n — показатель преломления среды, с — скорость света в вакууме.

Необходимо помнить, что скорость света:

в вакууме является универсальной постоянной во всех системах отчета;
в среде всегда меньше скорости света в вакууме;
зависит от среды, через которую он проходит;
в вакууме всегда больше скорости любой частицы, обладающей массой.

Волновая природа света

Волновая природа света была впервые проиллюстрирована с помощью экспериментов по дифракции и интерференции. Как и все электромагнитные волны, свет может проходить через вакуум, отражаться и преломляться. Поперечную природу света доказывает явление поляризации.

Интерференция

Световые волны, имеющие постоянную разность фаз и одинаковые частоты, производят видимый эффект интерференции, когда происходит усиление или ослабление результирующей волны.

Дифракция

Дифракция — это огибание световой волной препятствий. Явление можно наблюдать, когда препятствие по своим размерам сравнимо с длиной волны. Если объект намного больше длины волны от источника света, явление практически незаметно.

Результат дифракции — чередующиеся цветные и темные полосы света или концентрические окружности. Этот оптический эффект возникает в результате того, что волны, обогнувшие препятствие интерферируют. Такую картину дает отраженный от поверхности компакт-диска свет.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Представление о природе света

В конце XVII века возникли две научные гипотезы о природе света - корпускулярная и волновая .

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток мельчайших световых частиц (корпускул), которые летят с огромной скоростью. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости частиц при переходе из одной среды в другую.

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам.

Согласно современным представлениям, свет имеет двоякую природу, т.е. он одновременно характеризуется и корпускулярными, и волновыми свойствами. В таких явлениях, как интерференция и дифракция, на первый план выступают волновые свойства света, а в явлении фотоэффекта, - корпускулярные.

Свет как электромагнитные волны

Одной из характеристик света является его цвет , который определяется частотой световой волны. Белый свет представляет собой смесь волн различных частот. Он может быть разложен на цветные волны, каждая из которых характеризуется определенной частотой. Такие волны называются монохроматическими.

Скорость света

Согласно самым новым измерениям скорость света в вакууме

Измерения скорости света в различных прозрачных веществах показали, что она всегда меньше, чем в вакууме. Например, в воде скорость света уменьшается в 4/3 раза.

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе называется абсолютным показателем преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество частота остается постоянной (цвет не изменяется). Длина волны в среде с показателем преломления n изменяется:

Как и океанские волны, световые волны имеют измеримую длину, высоту, продолжительность или частоту. Солнечный свет содержит непрерывное распределение длин волн. Когда они расположены от длинных до коротких волн (от низких до высоких частот), они образуют часть электромагнитного спектра. Спектр делится на три части: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный. Все три длины волны могут вызвать повреждение. Различные материалы и разные цвета поглощают больше энергии, чем другие материалы и цвета.

Полезные статьи:

Частицы

Легкие частицы называются фотонами. Свет - это набор частиц, очень быстро движущихся в одном направлении. Представьте себе воду, которая брызгает из шланга.

Фотоны - это маленькие энергетические пакеты. Когда они попадают в объект, энергия передается, возбуждая электроны в объекте. Если фотон содержит нужное количество энергии, связи между атомами разрываются. Вот как свет выцветает, ослабляет некоторые материалы и вызывает другие повреждения.

Зрение, особенности восприятия

Чтобы видеть, нужен свет и рецептор - ваши глаза. То, что вы видите, - это свет, отраженный от объекта. Часть видимого света поглощается объектом. Синий объект отражает синюю часть спектра, поглощая свет других цветов.

Интенсивность света, количество света, отражаемого объектом, и способность глаза воспринимать свет - все это влияет на наше восприятие яркости. Стареющие глаза менее гибкие и менее способны приспосабливаться к быстрым изменениям освещения.

Если вы войдете в галерею из яркого помещения, например атриума, экспонаты могут выглядеть тусклыми. Всем глазам требуется больше времени, чтобы акклиматизироваться от яркого к темному, чем от темного к яркому.

Свет излучается источником волнами. Каждая волна состоит из двух частей; электрическая часть и магнитная часть. Вот почему свет называется электромагнитным излучением.

Мозг - обработка данных

Наш мозг интерпретирует световые волны, присваивая разные цвета разным длинам волн, но большая часть света во Вселенной распространяется с длинами волн, слишком короткими или слишком длинными, чтобы человеческий глаз мог их обнаружить. Самые длинные волны - это инфракрасная, микроволновая и радиочастотная части спектра. Самыми короткими длинами волн спектра являются ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Видимая часть - очень небольшая часть электромагнитного спектра.

Немного математики и истории

Длины волн обычно измеряются в миллиардных долях метра (нанометрах) или 10 миллиардных долях метра (Ангстремы). Расстояние от пика одной волны до пика следующей. Люди могут видеть волны с длиной волны примерно от 700 нм, которая кажется темно-красной, до примерно 400 нм, которая выглядит фиолетовой. Свет с короткими длинами волн (фиолетовый) несет больше энергии, чем свет с длинными волнами (красный).

Свет - это электромагнитные волны и не только

Электромагнитное излучение - один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, - все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.

Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны - это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение - это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн - колеблющееся магнитное поле; другой - колеблющееся электрическое поле.

Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y - амплитуда, а ось X - расстояние в пространстве.

Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.

Электромагнитный спектр световых волн

Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.

Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны - самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.

Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.

Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.

Двойственная природа света, история в деталях

Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела - тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.

Двумерное представление волны. Амплитуда - это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны - это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.

Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.

Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.

Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.

Фотон

Заключение

Электромагнитное излучение можно описать его амплитудой (яркостью), длиной волны, частотой и периодом. В начале двадцатого века открытие квантования энергии привело к открытию, что свет - это не только волна, но также может быть описан как совокупность частиц, известных как фотоны. Фотоны несут дискретные количества энергии, называемые квантами. Эта энергия может передаваться атомам и молекулам при поглощении фотонов. Атомы и молекулы также могут терять энергию из-за испускания фотонов.

Читайте также: