Электромагнитная теория света
Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) является одной из ключевых теорий в физике, которая объясняет природу света и его взаимодействие с материей. Она устанавливает связь между электрическими и магнитными полями и распространением света как электромагнитной волны.
Основной постулат электромагнитной теории света заключается в том, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве с определенной скоростью. Эта теория была развита в результате исследований Джеймса Клерка Максвелла в 19 веке.
Учебный лабораторный стенд для изучения характеристик и схем подключения различных электрических источников света
В основе электромагнитной теории света лежат следующие ключевые идеи:
- Все заряженные частицы, будь то электроны или протоны, создают электрическое поле вокруг себя. Это электрическое поле описывается величиной, называемой электрическим зарядом. Изменения в электрическом поле вызывают электрические силы и взаимодействия между заряженными частицами.
- Ток, который представляет движение заряженных частиц, создает магнитное поле вокруг проводника. Магнитное поле порождается изменением электрического поля и взаимодействует с другими магнитными полями и заряженными частицами.
- Максвелл установил, что электрическое поле изменяется в пространстве и времени, вызывая появление магнитного поля. В свою очередь, изменения в магнитном поле порождают электрическое поле. Таким образом, электрические и магнитные поля взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом.
- По мере распространения электрических и магнитных полей в пространстве они создают электромагнитную волну, которая является переносчиком электромагнитной энергии и информации.
- Электромагнитные волны могут иметь различные частоты и длины волн, и их поведение определяется уравнениями Максвелла, которые описывают взаимодействие электрических и магнитных полей (смотрите — История открытия электромагнитного и его физические свойства).
Важным результатом электромагнитной теории света является вывод о том, что свет является электромагнитной волной. Световые волны могут распространяться в вакууме со скоростью света, которая составляет примерно 299 792 458 метров в секунду. Они могут иметь различные длины волн, что определяет их цветовые свойства.
Свет — это электромагнитное излучение, видимое для человеческого глаза. Он состоит из маленьких энергетических частиц, называемых фотонами, которые распространяются в виде волн. Свет имеет волновую природу, и его волны распространяются в пространстве, подобно волнам на воде. Свет возникает, когда электроны в атомах или молекулах переходят на более высокие или более низкие энергетические уровни. Когда электроны возвращаются на свои исходные энергетические уровни, они испускают энергию в виде фотонов света определенной длины волны.
С помощью электромагнитной теории света можно объяснить множество явлений, связанных со светом и его взаимодействием с материей. Например, отражение и преломление света, дисперсия (распределение света по спектру) и интерференция (взаимодействие волн) могут быть объяснены с помощью электромагнитной теории света.
Электромагнитная теория света позволяет понять различные оптические явления и она является основой для развития различных областей науки и техники, связанных с использованием света, включая оптические приборы, лазеры, оптоволокно и фотонику.
Подключение натриевой лампы высокого давления
Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) играет важную роль в понимании и объяснении природы света и его взаимодействия с окружающим миром. Она предоставляет фундаментальную основу для развития светотехники, светодизайна, оптики, фотоники и других дисциплин, связанных с изучением и применением света.
Световые волны
Итак, световые волны имеют ту же природу, что и радиоволны. Подобно источнику света, антенна передающей радиостанции излучает во все стороны электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 155 300 000 км/сек. Эти волны, однако, не воспринимаются нашим глазом.
Скорость распространения света в пустоте равна 300 000 км/сек. Скорость света в воздухе практически не отличается от скорости в пустоте, в стекле она равна 200 000 км/сек, в воде 225 000 км/сек.
Длины световых волн очень малы. Их можно измерить в лаборатории, применяя специальную аппаратуру. Красная часть спектра, простирается до длин волн приблизительно в 0,0008 мм, фиолетовая — до 0,0004 мм.
Отдельные цвета отличаются друг от друга длиной световой волны. Каждому цвету соответствует вполне определенная длина волны.
Белый свет можно разложить на все цвета от красного до фиолетового, т. е. на волны длиной от 0,0008 до 0,0004 мм. Длины световых волн видимой области спектра: 0,0008 — 0,0004 мм.
Световые волны возникают в результате периодических движений мельчайших электрически заряженных частичек (электронов) внутри атомов светящегося тела.
Как связаны электромагнитная теория света и электрическое освещение
Электромагнитная теория света является основой для понимания и объяснения явлений, связанных с распространением света и его взаимодействием с материей.
Она описывает свет как электромагнитную волну, которая состоит из электрического и магнитного поля, колеблющихся перпендикулярно друг другу и распространяющихся в пространстве.
Электрическое освещение, в свою очередь, является процессом использования искусственного света для освещения помещений, объектов и поверхностей. Оно играет важную роль в нашей повседневной жизни, обеспечивая нам комфортное и безопасное окружение.
Связь между электромагнитной теорией света и электрическим освещением заключается в том, что электрический ток, протекающий через проводники, создает электрическое поле, которое в свою очередь взаимодействует с электромагнитными волнами и их распространением.
Учебный лабораторный стенд для изучения схем подключения бытовых источников света, электрических розеток и выключателей
В электрическом освещении применяются различные источники света, такие как лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные лампы высокого давления, светодиоды и т.д. Все они основаны на использовании электрического тока, который приводит к излучению энергии в виде световых волн.
Например, в случае лампы накаливания, электрический ток протекает через нить накаливания, нагревая ее до высокой температуры и вызывая излучение видимого света.
В случае светодиодов, электрический ток приводит к электронным переходам в полупроводниковом материале, что вызывает излучение света определенной длины волны.
Таким образом, электромагнитная теория света обеспечивает физическое объяснение процессов, связанных с электрическим освещением. Она помогает понять, как источники света, светотехнические приборы и другие компоненты системы освещения взаимодействуют между собой и с окружающей средой, чтобы создать нужную освещенность и обеспечить качественные показатели освещения.
А здесь смотрите что такое свет подробно с примерами и картинками: Физическая природа света и цвета
Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Современное освещение» и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в Telegram
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Свет и цвет: основы основ
Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.
Мы окружены
Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.
На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.
От света к цвету и обратно
Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.
Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.
Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.
Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).
Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.
Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный — пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — иллюстрация 4.
Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения
Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.
Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения
Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).
Цветовой тон (hue)
– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.
Яркость (Brightness)
– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии — нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный — алый — бордовый — бурый — черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».
Светлость (Lightness)
– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.
– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.
Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).
Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.
Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop
Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% — это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) — это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 — это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах, в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.
Цвет объектов
Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.
Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.
Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.
— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.
— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.
— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.
Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).
Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра
Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.
Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра
Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.
Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра
Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.
В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.
Белый свет
Белый свет — электромагнитное излучение видимого диапазона, которое вызывает у наблюдателя с нормальным цветовым зрением световое ощущение, нейтральное по отношению к цвету. Спектр белого света может быть как непрерывным (например, тепловое излучение тела, нагретого до температуры, близкой к температуре фотосферы Солнца, около 6000 К), так и линейчатым; в последнем случае спектр белого света составляют как минимум три монохроматических излучения, вызывающих отклик у светочувствительных клеток человеческого глаза трёх различных типов. Белый свет может быть также получен в результате смешения двух излучений с дополнительными цветамиОсветительные приборы, кроме специальных случаев, должны создавать белый свет.
Связанные понятия
Ви́димое излуче́ние — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают.
Диффу́зное излуче́ние не́ба — солнечное излучение, достигающее земной поверхности после того, как оно было рассеяно на молекулах или твёрдых частицах в атмосфере. Из всего излучения Солнца, рассеивающегося в атмосфере, около двух третей в конечном счёте достигает Земли как диффузное излучение (если Солнце находится высоко над горизонтом, рассеивается не менее 25 % падающего излучения).
Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы — участок 760—780 нм (385—395 ТГц).
Стоксов сдвиг — разница длин волн максимумов спектров поглощения и флуоресценции. Измеряется в обратных сантиметрах, реже в нанометрах, в силу нелинейной зависимости энергии фотона от длины волны. Назван в честь физика Джорджа Стокса.
Рэле́евское рассе́ивание — когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно выше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. Названо в честь британского физика лорда Рэлея, установившего зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны в 1871 году.
Упоминания в литературе
Ультрафиолетовое излучение уничтожает бактерии, образует озон из кислорода. Инфракрасное излучение – это тепло, которое поглощается материалом. Белый солнечный свет состоит из электромагнитных волн различных длин. Каждая длина волн соответствует определенному цвету. При управлении пучком солнечных лучей стеклянной призмой будет видна радуга. Смешивание всех световых волн и создает впечатление белого света . В цветовом спектре ламп накаливания и люминесцентных с хорошим качеством цветопередачи имеются все нужные цвета. Теоретическая максимальная величина общего индекса цветопередачи составляет 100. Чем ниже индекс, тем хуже качество цветопередачи лампы.
На рис. 2.6 показана примерно в натуральную величину часть картины теней, создаваемой на расстоянии 3 м двумя прямыми параллельными щелями в светонепроницаемой перегородке. Щели находятся на расстоянии 0,2 мм друг от друга и освещаются нерасходящимся красным лучом лазера, расположенного по другую сторону перегородки. Почему используется свет лазера, а не электрического фонарика? Только потому, что точная форма тени также зависит и от цвета света, который ее производит. Белый свет фонарика содержит весь спектр видимых цветов, поэтому он может отбрасывать тени с многоцветными краями. Поэтому для экспериментов, смысл которых в получении точной формы тени, лучше использовать свет одного цвета. Можно поместить перед фонариком цветной фильтр (например, пластину из цветного стекла), чтобы через него проходил свет только одного цвета. Это помогло бы, но фильтры выделяют его не слишком аккуратно. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание света совершенно конкретного цвета почти без примеси других[4].
Белый солнечный свет состоит из электромагнитных волн различных длин. Определенная длина волн соответствует каждому цвету. Если управлять пучком солнечных лучей стеклянной призмой, то станет видна радуга. При возникновении радуги множество маленьких дождевых капель образуют в воздухе призмы, через которые светит солнце. Взаимодействие всех световых волн создает впечатление белого света . Цветные предметы осознаются как цветные только в том случае, если в спектре источника света имеются все соответствующие цвета. Это случается, например, на солнце, при лампах накаливания и люминесцентных лампах с хорошими качествами цветопередачи.
Важно учитывать также и явление хроматической аберрации. Различные лучи призматического спектра преломляются неодинаково. Если предмет освещен красным светом, то его изображение появляется на большем расстоянии от чечевицы, чем при освещении того же предмета фиолетовым цветом. Поэтому предмет, освещенный белым светом , дает собственно не одно изображение, но столько, сколько имеется различных световых лучей спектра. Этим объясняется, что изображение имеет то розоватый, то фиолетовый оттенок, в зависимости от расстояния между экраном и чечевицей.
Свет, излучаемый солнцем, состоит из ряда цветных лучей. Чтобы убедиться в этом, достаточно пропустить солнечный луч через трехгранную стеклянную призму, разлагающую белый свет в цветовой спектр. Это явление сходно с эффектом радуги на небе, представляющей собой спектр преломленных отраженных солнечных лучей в дождевых каплях, рассеянных в воздухе.
При печати иллюстраций в полиграфии и изобразительном искусстве применяется субтрактивная цветовая модель. Она описывает синтез печатных красок. Основными цветами в данной схеме являются голубой, пурпурный, желтый и черный. Цвета же, полученные в результате их смешивания, называют дополнительными. Например, смешивание желтого и голубого цветов в данной цветовой модели дает зеленый, а смешивание красного и желтого – оранжевый цвет. Каждый цвет, полученный из двух основных, является производной от их яркости и насыщенности. В реальной жизни данную модель можно представить следующим образом: если осветить какой-либо предмет, часть спектра белого света будет поглощена. Длина, а значит, и цвет отраженной волны зависят от того, в какой части спектра произошло поглощение. Таким образом, цвет образуется вычитанием из белого света определенных участков спектра.
Способность глаза различать цвета – важная функция человеческого глаза. Лица, у которых нарушено цветоощущение, не могут работать на транспорте, регулировать движение и т. п. Известно, что белый свет , проходя через призму, разлагается на 7 основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Чтобы запомнить эти цвета спектра и их последовательность, надо заучить следующую фразу, в которой слова начинаются с той же буквы, с какой начинается и название цвета: «Каждый охотник желает знать, где сидят фазаны».
Все светодиодные лампы излучают неприятный жесткий холодный белый свет , но никак не теплый белый свет. А такой свет очень вреден для здоровья человека.
Как вы думаете какие? Красный, пурпурный и ультрамарин – имеют наиболее длинную растяжку, мы на бумаге можем разложить большое количество их оттенков, примешивая к ним серый или белый. Наиболее короткую растяжку имеют желтый и кобальт фиолетовый светлый. Поэтому художники знают, что к фиолетовой краске лучше ничего не примешивать иначе она быстро исчезает. Многим известен тот факт, что при высыхании краска светлеет, так как высыхает клеевой слой, и она больше начинает отражать белый свет . Все это стоит учитывать при работе с краской.
Связанные понятия (продолжение)
Атмосферная оптика — раздел физики атмосферы, в котором изучаются физические процессы взаимодействия оптического излучения распространяющегося в атмосфере. Атмосферная оптика занимается исследованием: физических и химических процессов, определяющих оптическое состояние атмосферы, технологии исследования окружающей среды, механизмов формирования и изменения климата, в том числе оптически значимые составляющие атмосферы и процессы, определяющие радиационный режим и климат Земли.
Фотосинтетически активная радиация, или, сокращённо, ФАР — часть доходящей до биоценозов солнечной радиации в диапазоне от 400 до 700 нм, используемая растениями для фотосинтеза. Этот участок спектра более или менее соответствует области видимого излучения. Фотоны с более короткой длиной волны несут слишком много энергии, поэтому могут повредить клетки, но они по большей части отфильтровываются озоновым слоем в стратосфере. Кванты с большими длинами волн несут недостаточно энергии и поэтому не используются.
Интерфере́нция в тóнких плёнках – явление, которое возникает в результате разделения луча света при отражении от верхней и нижней границ тонкой плёнки. В результате возникают две световые волны, которые могут интерферировать. Тонкоплёночная интерференция объясняет цветовую палитру, видимую в свете, отраженном от мыльных пузырей и масляных плёнок на воде. Это явление также является основополагающим механизмом, используемым в объективах камер, зеркалах, оптических фильтрах и антибликовых покрытиях.
Спектральные цвета — цвета, которым по зрительному ощущению человека можно поставить в соответствие видимый свет, имеющий определённую длину волны. Их можно интерпретировать, как узкие (вплоть до монохроматичности) участки непрерывного спектра видимого светового излучения.
Метамери́я (или метамери́зм) — свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. В более узком смысле, метамерией называют явление, когда два окрашенных образца воспринимаются одинаково окрашенными под одним источником освещения, но теряют сходство при других условиях освещения (с другими спектральными характеристиками излучаемого света).
Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.
Инфракра́сное излуче́ние — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (λ ~ 1—2 мм, частота 300 ГГц).
Актинометр (от греч. ακτίς актино- — луч и μέτρον — мера) — измерительный прибор, который служит для измерения интенсивности электромагнитного излучения, преимущественно видимого и ультрафиолетового света. В метеорологии применяется для измерения прямой солнечной радиации.
Люминесце́нция (от лат. lumen, род. падеж luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.
Межзвёздная экстинкция, или галактическая экстинкция (от лат. exstinctio — гашение), — поглощение и рассеяние электромагнитного излучения веществом (пылью и газом), находящимся в межзвёздном пространстве между излучающим астрономическим объектом и наблюдателем. Её, как таковую, впервые описал Роберт Джулиус Трюмплер в 1930 году. Однако её проявления были отмечены ещё в 1847 году Фридрихом Георгом Вильгельмом Струве, и её влияние на цвет звёзд (межзвёздное покраснение) наблюдалось многими людьми.
Интерфере́нция све́та — интерференция электромагнитных волн (в узком смысле — прежде всего, видимого света) — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление обычно характеризуется чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности света. Конкретный вид такого распределения интенсивности света в пространстве или на экране, куда падает свет, называется интерференционной картиной.
Лес Лайман-альфа (Lyα-лес) — многократное повторение абсорбционной линии Лайман-альфа в спектрах далеких астрономических объектов. Для очень далёких объектов это явление может быть настолько сильным, что вызывает значительный спад интенсивности в некотором интервале частот; это называется эффектом Гана — Петерсона (Gunn — Peterson).
Электромагни́тный спектр — совокупность всех диапазонов частот электромагнитного излучения.
Ультраяркие рентгеновские источники (англ. Ultraluminous X-ray source, ULXs) — небесное тело с сильным излучением в рентгеновском диапазоне (1039–1042 эрг/с в диапазоне 0,5–100 кэВ), квазипериодическим на масштабе порядка 20 с, шкала переменности от нескольких секунд до нескольких лет. Если предположить, что излучение изотропно, то для согласования с эддингтоновской светимостью, необходимо, чтоб масса гравитирующего тела была 10’000 Mʘ.
Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) — вид спектроскопии, в основе которой лежит способность исследуемых систем (молекул) к неупругому (рамановскому, или комбинационному) рассеянию монохроматического света.
Спектра́льная ли́ния поглоще́ния или тёмная спектра́льная ли́ния — особенность спектра, заключающаяся в понижении интенсивности излучения вблизи некоторой энергии.
Избыток инфракрасного излучения —это измеренный параметр астрономического источника, который по своему спектральному распределению энергии имеет больший измеренный поток инфракрасного излучения, чем ожидалось, в предположении, что звезда излучает, как абсолютно черное тело. Слева можно увидеть спектральное распределение энергии белого карлика G29-38. На длинах волн более 2 мкм обнаруженное излучение сильнее ожидаемого по экстраполированному видимому спектру белого карлика и виден избыток инфракрасного.
Источник сверхмягкого рентгеновского излучения (SuperSoft X-ray Sources (SSS или SSXS)) является астрономическим источником, который излучает энергию в диапазоне мягких рентгеновских лучей. Эти рентгеновские источники были исследованы в начале 90-х годов спутником «ROSAT». Они имеют очень мягкие спектры (90% фотонов имеют энергии меньше 0.5кэВ) и высокие светимости L=1038эрг/с. Эти источники были интерпретированы как тесные двойные системы с белым карликом и вторичной звездой спектрального класса.
Диспе́рсия све́та (разложение света) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Су́меречное зре́ние — механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях освещённости, промежуточной по отношению к тем, при которых действуют ночное и дневное зрение.
Атмосферная дисперсия — размывание изображения звезды или планеты при прохождении луча света через земную атмосферу, проявляющееся в виде небольшого спектрального пятнышка.
Потемнение диска к краю — оптический эффект при наблюдении звёзд, включая Солнце, при котором центральная часть диска звезды кажется ярче, чем край или лимб диска. Понимание данного эффекта позволило создать модели звездных атмосфер с учетом подобного градиента яркости, что способствовало развитию теории переноса излучения.
Фурье-спектрометр — оптический прибор, используемый для количественного и качественного анализа содержания веществ в газовой пробе.
Инфракрасная фотография — это техника фотосъёмки, в которой используется специальная фотоплёнка или матрица цифрового фотоаппарата, чувствительные к инфракрасному световому излучению; используется специальный фильтр для цифрового фотоаппарата, который пропускает инфракрасный свет, но, блокирует видимую часть спектра. Волновой диапазон, используемый в такой фотографии, лежит в пределах от 700 до 900 нм.
Естественные источники света — это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ.
Дневно́е зре́ние — механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях относительно высокой освещённости. Осуществляется с помощью колбочек при яркости фона, превышающей 10 кд/м2, что соответствует дневным условиям освещения. Палочки в этих условиях не функционируют. Синонимы: фотопическое (от др.-греч. φῶς — свет и ὤψ — взгляд, вид) и колбочковое зрение.
Тума́нная ра́дуга (бе́лая ра́дуга, тума́нная дуга́) — радуга, представляющая собой широкую блестящую белую дугу, обусловленную преломлением и рассеянием света в очень мелких капельках воды.
Атмосферное излучение — это инфракрасное излучение, порождаемое атмосферой и облаками в частности, с длинами волн от 4 до 120 мкм.
Двухфото́нный ла́зерный микроско́п — лазерный микроскоп, позволяющий наблюдать живые ткани на глубине более одного миллиметра, используя явление флуоресценции. Двухфотонный микроскоп является разновидностью мультифотонного флуоресцентного микроскопа. Его преимущества по сравнению с конфокальным микроскопом — большая проникающая способность и низкая степень фототоксичности.
Впервые исследования поглощающих спектров одноатомного газа, имеющего линейчатые спектры испускания, пропуская через него белый свет были сделаны в 1854 году, и выполнил их Густав Кирхгоф.
Источник света — любой объект, излучающий электромагнитную энергию в видимой области спектра. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.
Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5⋅1014—3⋅1016 Гц). Термин происходит от лат. ultra — сверх, за пределами и фиолетовый (violet). В разговорной речи может использоваться также наименование «ультрафиолет».
Отражательная способность — величина, описывающая способность какой-либо поверхности или границы раздела двух сред отражать падающий на неё поток электромагнитного излучения. Широко используется в оптике, количественно характеризуется коэффициентом отражения. Для характеризации диффузного отражения используется величина, называемая альбедо.
Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 0,9-14 мкм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими.
Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).
Эффект усиления Эмерсона, или просто эффект Эмерсона — усиление эффективности фотосинтеза при одновременном облучении хлоропластов светом с длинной волны в 670 нм (коротковолновый) и 700 нм (длинноволновый красный свет). При одновременном освещении как длинноволновым, так и коротковолновым красным светом эффективность фотосинтеза оказывается значительно выше, чем сумма эффективностей при освещении только коротковолновым или длинноволновым красным светом. Открытие этого эффекта позволило Эмерсону.
Фло́ккулы (от лат. floccus — «клочок»; ед. число фло́ккула или фло́ккул; также употребляется термин «хромосферные факелы») — волокнистые образования в хромосфере Солнца, имеющие бо́льшую яркость и плотность, чем окружающие их участки. Являются продолжением фотосферных факелов в хромосферу. Обычно находятся вблизи областей с сильными магнитными полями (активных областей), часто окружают солнечные пятна.
Красный край, или красный барьер фотосинтеза — резкое усиление отражения зелёной растительности в ближнем инфракрасном излучении. Хлорофилл поглощает большую часть света в видимой области, однако после 680 нм наблюдается резкое падение поглощения. Это происходит из-за резкого усиления отражения в ближней инфракрасной области. При этом вклад отражения (альбедо) возрастает с 5 % до 50 % в диапазоне от 680 до 730 нм.
Бала́нс бе́лого цве́та (также кратко называемый баланс белого) — один из параметров метода передачи цветного изображения, определяющий соответствие цветовой гаммы изображения объекта цветовой гамме объекта съёмки.
Теория ретинекса (англ. retinex theory; от retina — сетчатка и cortex — кора головного мозга) — теория цветовой константности зрения, сформулированная Эдвином Г. Лэндом в 1971 году.
Собственное свече́ние атмосфе́ры — очень слабое излучение света атмосферой планеты. В случае с атмосферой Земли этот оптический феномен приводит к тому, что ночное небо никогда не является полностью тёмным, даже если исключить свет звёзд и рассеянный свет Солнца с дневной стороны.
Солнечная корона — внешние слои атмосферы Солнца, начинающиеся выше тонкого переходного слоя над хромосферой, в котором температура возрастает в 100 раз.
Со́лнечная вспы́шка — взрывной процесс выделения энергии (кинетической, световой и тепловой) в атмосфере Солнца. Вспышки так или иначе охватывают все слои солнечной атмосферы: фотосферу, хромосферу и корону Солнца. Необходимо отметить, что солнечные вспышки и корональные выбросы массы являются различными и независимыми явлениями солнечной активности. Энерговыделение мощной солнечной вспышки может достигать 6×1025 джоулей, что составляет около 1⁄6 энергии, выделяемой Солнцем за секунду, или 160 млрд.
Рели́ктовое излуче́ние (лат. relictum — остаток), космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение — равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода. Обладает высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К.
Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.
Белый свет как электромагнитная волна состоит из
1. Свойства света.
Свет – это электромагнитные волны в интервале частот Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т.е. длин волн в интервале 380 ÷ 780 нм. Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.
Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта.
Свет имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в любой другой среде скорость света убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.
2. Интерференция света. Применение интерференции.
Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина).
Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.
Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее.
На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны.
Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути.
| При разности хода, равной четному числу длин полуволн |
| наблюдается интерференционный максимум. |
| При разности хода, равной нечетному числу длин полуволн |
| наблюдается интерференционный минимум. |
Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн.
Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей, для просветления оптики.
3. Дифракция света.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света.
Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка.
Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.
Пусть на решетку падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.
Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода Δ= d·sinφ,
где d – постоянная решетки – расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, φ – угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки.
При разности хода, равной целому числу длин волн d·sinφ = k·λ, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны.
Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ.
В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.
4. Поляризация света.
Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.
Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит.
Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации.
Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
5. Дисперсия света.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета (спектр), при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета.
Запомнить 7 основных цветов спектра можно по мнемоническому правилу:
«Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан»
Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны.
Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн.
Джеймс Максвелл высказал предположение, что свет – это электромагнитная волна.
Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.