3 интересных факта о свете, которые вы вряд ли знаете

Вы уже знакомы со светом по урокам в школе и институте. По своему опыту знаем, что после учебных заведений остается скудное представление о свете, потому что все объяснялось с научной точки зрения. В этом уроке мы раскрываем основы света простыми словами. А там где это невозможно, используем наглядные картинки.

Итак, к делу.

В ученом мире принято считать, что любое явление ведет себя однообразно. Например, звук — он ведет себя как волна. Но свет не подчиняется этой модели. Он ведет себя, как волна и частица одновременно. Это и послужило образованию двух теорий, которые объясняют природу и поведение света: волновая и квантовая. В этом письме рассмотрим каждую, чтобы понять, что представляет собою свет.

Согласно волновой теории, свет — это излучение, которое состоит из поперечных электромагнитных волн.

Для справки: поперечная волна — это волна, электромагнитное поле которой колеблется перпендикулярно направлению распространения волны.

Синяя линия — это магнитная волна, красная — электрическая

Интересный факт №1

На солнце процесс излучения света сопровождается вспышками. Однако звуки вспышек до земли не доходят, хотя звук распространяется так же, как и свет, — волной. Конечно, хорошо, что звуки вспышек до нас не доходят — иначе мы не знали бы, что такое тишина. Но почему?

Потому что звук распространяется только в упругой среде, а в космосе — вакуум (пустая среда). Свет же, в отличие от звука, может распространятся в вакууме — и это тоже одна из его особенностей.

Как мы выяснили, свет — это электромагнитное излучение. Однако электромагнитное излучение не ограничивается только светом. Сюда еще входят радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма и космические лучи. Они отличаются друг от друга длиной волны и частотой. И вместе со светом образуют электромагнитный спектр.

Дальше кратко расскажем о каждом виде излучения. Благодаря этому будет легче разобраться в природе света.

Радиоволны. Такие волны используются в радио- и телевещании, рациях и микроволновых печах.

Инфракрасное излучение. Его мы не видим, но ощущаем кожей как тепло. Поэтому этот диапазон еще называют тепловое излучение. Его используют в обогревательных приборах и в медицине для лечения воспалительных заболеваний. Также изготавливают инфракрасные сауны, которые помогают расслабиться и поправить здоровье.

Видимый свет. Наше зрение воспринимает только эту часть спектра, поэтому его так и прозвали. Видимый свет тоже делится на диапазоны с разной длиной волны и частотой. Особенность в том, что мы можем видеть различия этих диапазонов — они проявляются в цвете. Для примера возьмем радугу — она как раз отображает все цвета, входящие в видимый свет. Об этом подробнее поговорим чуть дальше в этом уроке.

Ультрафиолетовое излучение. Этот диапазон делится на три подтипа:

• Длинноволновой (ультрафиолет А, сокращенно UVA) — загар мы получаем именно от этого подтипа излучения.
  
• Средневолновой (ультрафиолет B, сокращенно UVB) — в небольших количествах полезен, потому что помогает организму вырабатывать витамин D. Однако в больших количествах может навредить коже и глазам.
  
• Коротковолновой (ультрафиолет С, сокращенно UVC) — его используют в качестве дезинфицирующего средства, потому что он убивает бактерии.

Рентгеновские лучи — проникают в тело сквозь мягкие ткани. Благодаря этому с их помощью можно определить болезнь и ее стадию, найти пораженные участки организма и увидеть, нужна ли пациенту операция. Однако с рентгеновскими лучами нужно быть осторожными — в большом количестве они опасны для здоровья, так как способны разрушать клетки человека.

Гамма и космические лучи — самые опасные радиоактивные лучи для человека. Первые образуются при распаде ядра, вторые — в результате столкновения очень быстро движущихся частиц в космосе.

Интересный факт №2

Человек — радиоактивное существо. Он каждую секунду излучает в среднем 500 гамма-лучей. Эту радиоактивность мы производим из-за распада калия-40, который с рождения присутствует в нашем организме.

У света есть три характеристики: скорость, частота и длина волны. Эти величины влияют на поведение и восприятие света.

Длина волны — это расстояние между соседними вершинами волны. Величина обозначается буквой «λ».

Частота — это число колебаний в единицу времени. Величина обозначается буквой «f» и выражается в Герцах (Гц) или в колебаниях в секунду.

Скорость — величина, которая показывает, как быстро распространяется свет. Скорость света непостоянна. Она зависит от того, в какой среде движется свет. Чем больше в среде других частиц и веществ, тем меньше скорость. Быстрее всего свет распространяется в вакууме — там его скорость составляет почти 300 000 км/с. Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная.

Для наглядности того, что представляют собой эти три характеристики, давайте возьмем скачущих кенгуру. Длина волны в данном случае — это длина прыжка кенгуру, частота — количество прыжков за определенное время, скорость — то, как быстро кенгуру добрались от начала рисунка до конца.

Длина волны верхнего кенгуру меньше, чем нижнего. Зато частота выше. При этом скорость движения у обоих животных одинаковая. То же самое и со световыми лучами — их длина и частота могут отличаться, но скорость у них будет одинаковая

Зависимость перечисленных характеристик света отображается в такой формуле:
c = λ * f

Видимый свет — белый, его излучают солнце и лампы. В белом свете смешаны все лучи из видимого диапазона. Также в нем содержатся некоторые лучи из двух соседних диапазонов: инфракрасного и ультрафиолетового.

Самый известный способ разделить все лучи, входящие в белый свет, — это пропустить его через призму. Сделав это, мы увидим все цвета радуги: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

Каждому цвету соответствуют лучи с определенной длиной волны. Показали их в таблице ниже:

Наше зрение воспринимает цвета из видимого света с разной чувствительностью. Наибольшая приходится на длину волны 555 нм, которая находится в диапазоне зеленого цвета. Причины этого мы рассмотрим в четвертом уроке.

Интересный факт №3

Раньше в Японии вместо зеленого сигнала светофора использовался синий. В таком виде светофоры там просуществовали 5 лет. Потом японцы решили придерживаться мировых стандартов и заменили синий на зеленый. Как думаете, почему?

Дело в том, что у лучей синего цвета длина волны меньше, чем у лучей зеленого цвета. Из-за этого они плохо рассеиваются в атмосфере и хуже видны издалека. Например, в густом тумане вы точно не сможете разглядеть синий луч, а зеленый сможете.

По той же причине красный сигнал был выбран в качестве стоп-сигнала. Длина волны красных лучей наибольшая из всего видимого диапазона, поэтому их трудно не заметить.

Волновая теория помогает рассчитать и предсказать скорость света и его оптические свойства: отражение, поглощение, пропускание, преломление, интерференцию и поляризацию (об этих терминах мы расскажем в следующих уроках). Однако с ее помощью невозможно рассчитать энергию излучения. В этом случае на помощь приходит квантовая теория.

Квантовая теория гласит, что электромагнитное излучение (и видимый свет в том числе) состоит из квантов (фотонов), которые разлетаются в пространстве подобно круглым пулям при разрыве шрапнели.

В 1900 году Макс Планк предположил, что энергия излучения испускается не непрерывно, а дискретными неделимыми порциями. Эти порции называют:

• квантами, когда говорят об электромагнитном излучении в целом;
  
• фотонами, когда говорят о видимом свете.
  

Точки на картинке — это кванты (фотоны)

Квантовая теория не существует сама по себе. Она пересекается с волновой, потому что энергия кванта зависит от частоты электромагнитного излучения и длины волны. Эта зависимость описывается двумя выражениями:

Эти формулы не обязательно запоминать. Главное, что из них нужно вынести, — это то, что:

У радиосигналов волны длинные, а значит, энергия излучения маленькая. Вот почему они не представляют для нас никакой опасности, даже если постоянно находиться вблизи радиопередатчика.

Однако, чем меньше длина волны, тем опаснее техника: свет инфракрасного и белого светодиода не причинит вреда, но светодиод в ультрафиолетовом диапазоне может навредить не только бактериям, но и человеку.

Итак, сегодня мы вспомнили, что:

1. Свет — это электромагнитное излучение, которое ведет себя как волна и как частица одновременно.

2. Кроме света, к электромагнитному излучению относятся радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма и космические лучи.

3. Длина волны, частота колебаний и скорость — три главные характеристики света.

4. Свет включает в себя лучи разных цветов, которые можно увидеть в радуге. Вместе они образуют луч белого цвета и отличаются друг от друга длиной волны и частотой. При этом скорость у них одинаковая.

5. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения. Вот почему радиоволны, инфракрасные обогреватели и свет не приносят нам вреда, а ультрафиолетовые светодиоды могут быть опасны не только для бактерий, но и для нас.

На сегодня все. С теорией покончено, дальше будем рассматривать то, что пригодится в вашей работе.

В следующем уроке расскажем о том, как образуется свет в обычных лампах накаливания, люминесцентных лампах и светодиодах. Это поможет вам выбрать самые подходящие источники света для ваших объектов. До скорого!

Всегда ваша,
команда Азбуки Света

Отписаться от бесплатного курса по основам света можно здесь