Свет спектр которого состоит из одного значения

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.

Световые волны — природа понимания, о сновные свойства

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).

В 1704 году сэр Исаак Ньютон опубликовал книгу под названием «Оптика», в которой объяснялись некоторые загадки света. Ньютон показал, что солнечный свет представляет собой смесь непрерывного спектра цветов. Белый свет от Солнца можно пропустить через стеклянную призму и разбить на все цвета радуги. Он даже пропустил цветной спектр через вторую призму, которая снова собрала его в белый свет.

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.

Как мы видим, видимый спектр, то есть свет, который мы можем видеть своими глазами, составляет лишь небольшую часть различных типов излучения, которые существуют. Справа от видимого спектра мы находим типы энергии, которые имеют более низкую частоту (и, следовательно, большую длину волны), чем видимый свет. Эти типы энергии включают инфракрасные (ИК) лучи (тепловые волны, излучаемые тепловыми телами), микроволны и радиоволны. Эти типы излучения постоянно окружают нас и не являются вредными, потому что их частота очень мала. Как мы увидим в разделе «фотон», более низкочастотные волны имеют меньшую энергию и, следовательно, не опасны для нашего здоровья.

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.

Планк обнаружил, что электромагнитное излучение, испускаемое черными телами, нельзя объяснить классической физикой, которая постулировала, что материя может поглощать или излучать любое количество электромагнитного излучения. Планк заметил, что вещество фактически поглощает или излучает энергию только в целых числах. Это было шокирующее открытие, потому что оно поставило под сомнение идею о том, что энергия непрерывна и может передаваться в любом количестве. Реальность, которую обнаружил Планк, заключается в том, что энергия не является непрерывной, а квантованной, что означает, что она может передаваться только отдельными «пакетами» (или частицами). Каждый из этих энергетических пакетов известен как квант (множественное число: кванты).

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

Открытия Планка проложили путь к открытию фотона. Фотон — это элементарная частица или квант света. Как мы скоро увидим, фотоны могут поглощаться или испускаться атомами и молекулами. Когда фотон поглощается, его энергия передается этому атому или молекуле. Поскольку энергия квантуется, передается вся энергия фотона (помните, что мы не можем передавать доли квантов, которые являются наименьшими возможными отдельными «энергетическими пакетами»). Верно и обратное этому процессу. Когда атом или молекула теряют энергию, они испускают фотон, который несет энергию, точно равную потерям энергии атома или молекулы. Это изменение энергии прямо пропорционально частоте испускаемого или поглощаемого фотона.

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.

Свет спектр которого состоит из одного значения

Наряду с коэффициентом отражения для различных зон спектра приведена величина визуального коэффициента отражения для указанных объектов. Она достаточно точно определяет фотографический коэффициент отражения (общий) для работы на черно-белых изопанхроматических фотопленках. При работе на цветных фотопленках следует учитывать разницу в спектральных коэффициентах отражения, отличающихся один от другого в ряде случаев во много раз.

Разница в отражательной способности разноокрашенных деталей в объектах съемки определяет интервал их яркостей.

Интервал яркостей объекта съемки — отношение между яркостью самой темной и самой светлой деталями объекта.

Интервал яркостей при съемках на цветные фотопленки достигает наибольшей величины в синечувствительном слое и наименьшей — в зелено- и красночувствительном слоях, Для зеленочувствительного слоя он совпадает с интервалом яркостей при визуальном наблюдении, поэтому светочувствительность, указываемая на упаковке цветных фотопленок, определяется всегда применительно к зеленочувствительному слою фотоматериала.

В табл. 2 приведены ориентировочные интервалы яркостей некоторых объектов при съемке на черно-белую фотопленку.

Т а б л и ц а 2. Ориентировочные интервалы яркостей
Наиболее распространенные объекты съемки	Интервалы яркостей
Пейзаж в пасмурную погоду	1:2-3
Пейзаж в ясную, солнечную погоду	1:5 — 10
Пейзаж в ясную, солнечную погоду со светлым передним планом	1: 20 — 60
Пейзаж в ясную солнечную погоду с темным передним планом	1:100 — 300
Городской пейзаж без переднего плана	1:10 — 40
Темные здания на фоне неба	1:100 — 200
Узкие улицы, освещенные солнцем, с тенями от домов	1: 300 — 500
Арки ворот с освещенным солнцем фоном	1:1000 — 10000
Фигура на натуре при солнечном освещении	1:10 — 20
Фигура в светлом помещении	1:10 — 100
Интерьер без окон в кадре	1:8 — 12
Интерьер, снимаемый напротив окон	1:100 — 500

В табл. 3 приведены интервалы цветозональных яркостей применительно к съемкам пейзажей на цветной фотопленке.

Т а б л и ц а 3.	Интервалы цветозональных яркостей некоторых типичных объектов при цветной съёмке пейзажа.
Объект съёмки		Условия освещения	Зоны спектра			Визуальный интервал яркостей
			синяя	зелёная	красная
Пейзаж без переднего плана		Солнце и рассеянный свет от неба, лёгкая дымка	1:129	1:58	1:63	1:59
Поляна на опушке леса		Солнце и рассеянный свет от неба, безоблачно	1:230	1:90	1:100	1:100
Деревья на открытой поляне		Солнце и рассеянный свет от неба, кучевые облака	1:110	1:66	1:67	1:78
рассеянный свет от неба, кучевые облака	1:170	1:145	1:150	1:156

2. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

СТАНДАРТЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Ввиду неопределенности белого света введено несколько стандартных источников света, которые называются источниками А, В, С и Е.

Свет источника А считается стандартным излучением для электрических ламп накаливания. Его цветовая температура 2854 К,

Источники В и С — условные стандарты солнечного света, из которых С — более голубой (цветовая температура — 6500 К), а В—более желтый (цветовая температура — , 4800 К).

По международному соглашению за стандарт прямого солнечного света принимается излучение с цветовой температурой 5400 К.

Источник Е, в отличие от источников А, В, С, не является температурным и обладает равноэнергетическим спектром, в котором энергии всех монохроматических излучений равны между собой.

К оглавлению

СОЛНЦЕ

Солнечный свет бывает направленным (прямым) и рассеянным атмосферой. Он непостоянен по интенсивности и по спектральному распределению энергии излучения-

К закономерным факторам изменчивости солнечного освещения относятся высота солнца над горизонтом и расположение по отношению к нему фотографируемой поверхности, к случайным — состояние атмосферы (ясно, дождь, туман и т. п.).

Спектр излучения зависит от тех же факторов.Он изменяется, например, от того, как расположен объект — на солнце или в тени. В первом случае объект освещается более “теплым”, прямым солнечным светом в сочетании с рассеянным светом неба и облаков. Освещение в тенях светом неба хорошо заметно, например, на снегу в солнечный день. Немаловажным фактором, влияющим на дневное освещение и спектр излучения, является отражение света от земли, растений, стен зданий и других окружающих объектов.

В ранние утренние и предвечерние часы в солнечном свете содержится значительно больше оранжевых и красных лучей, чем в середине дня. Такие колебания также зависят от атмосферных условий, времени года, географической широты.

С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Частицы воздуха меньше поглощают лучи коротковолновой части спектра (фиолетовые, синие и голубые) , что приводит к изменению спектра и, следовательно, к увеличению цветовой температуры дневного освещения.

В зависимости от высоты светила солнечное освещение делится на периоды эффектного, нормального и зенитного освещения.

На характер солнечной освещенности постоянное влияние оказывает атмосфера. При наличии кучевых облаков освещенность незатененных объектов увеличивается примерно еще на 25 %, а освещенность в тени возрастает в 2—2,5 раза. Контрастность света снижается приблизительно в 2 раза по сравнению с освещением в ясную, безоблачную погоду.

При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения.

В безоблачную погоду при отсутствии дымки колебания в освещенности, связанные с влиянием атмосферных факторов, невелики, поэтому можно указать некоторые средние характеристики солнечного освещения в безоблачную погоду в зависимости от времени дня.

Величины освещенности для средней полосы в разные месяцы года и часы дня приведены в табл. 4.

К оглавлению

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Все осветители разделяют на приборы общего (рассеянного) и направленного света,

Важнейшей характеристикой осветительного прибора является угол рассеяния — плоский угол, в пределах которого сила света осветительного прибора снижается не более чем на 10 % от силы света в направлении оси.

Приборы общего света должны быть с большим углом рассеяния (60—i80 °). У приборов направленного света угол рассеяния должен колебаться от узкого (несколько градусов) до довольно широкого (50—60°). Так, все прожекторы дают сильный и узконаправленный световой пучок. Но при съемке прожекторы применяют редко. Чаще используют приборы с галогенными лампами, например “Свет-500” или аСает-1000” и “Луч-300” или аЛуч-500”. Однако эти приборы потребляют довольно большую электрическую мощность, поэтому их применение в любительской практике ограничено.

Более доступен любителям прибор ХОП (хроникально-осветительный прибор), представляющий собой отражатель из алюминия, источник света, в котором размещен горизонтально, по оси отражателя. Прибор рассчитан на установку фотографических (перекальных) ламп накаливания мощностью 275 или 500 Вт. Выдвижной патрон позволяет регулировать светораспределение. Прибор годится как для создания общего, так и направленного освещения. Угол может быть ограничен с помощью имеющихся на приборе двух створок. Крепится прибор на штативе.

Другой простой осветительный прибор ОФ-1. Патрон в нем расположен вертикально по отношению к оси сферического отражателя. Он позволяет использовать не только обычные лампы накаливания, но и прожекторную лампу типа ПЖ-13, которая может работать только в вертикальном положении, Патрон в приборе можно перемещать в имеющихся прорезях и тем самым несколько регулировать угол рассеяния.

К оглавлению

ЭЛЕКТРОННЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ФОТОВСПЫШКИ

Электронные импульсные фотовспышки — приборы одно- и многоразового действия. Они очень экономичны. Спектр излучения близок к дневному. Высокая интенсивность света и кратковременность вспышки (1/100—-1/1000 с и короче) и дают возможность применять фотоматериалы чувствительности и фотографировать быстродвижущиеся объекты.

Приборы используются как в качестве основного источника света, так и дополнительного (например, для подсветки теней при контровом свете и др.).

Основные узлы приборов:
импульсный источник света — газоразрядная лампа, наполненная инертным газом, обычно ксеноном:
устройство поджига лампы, состоящего из повышающего трансформатора и вспомогательных элементов:
накопитель электрической энергии — конденсатор большой емкости;
устройство электропитания — батареи гальванических элементов или аккумуляторов, преобразователь тока, устройства для подключения к электросети или к другому источнику питания.

Узлы объединены в единую конструкцию, состоящую из корпуса с отражателем, или скомпонованы в два блока и более.

Более удобны импульсные фотовспышки, работающие от батарей карманного фонаря, элементов питания 373 и т. д. Главное их достоинство — автономность питания.

В качестве автономных источников питания могут быть использованы и аккумуляторы. Они освобождают фотографа от частой смены разрядившихся батарей.

Ряд преобразователей напряжения имеет автоматическое устройство для включения (при зарядке или подзарядке конденсатора) и выключения (при достижении рабочего напряжения на конденсаторе) источника питания.

Электронные импульсные фотовспышки ФИЛ-ПМ, “Электрон” и ряд других снабжены преобразователями на транзисторах, “Свет”, фотон” и некоторые другие могут питаться от преобразователя типа ПН-70. В импульсных фотовспышках ранних выпусков использовались электромеханические преобразователи напряжения, но они менее надежны и создают повышенный шум при работе.

Фотовспышки ФИЛ-9. “Заря” отличаются от рассмотренных приборов тем, что они не снабжены накопительным конденсатором. Широкого распространения эти фотовспышки не получили, так как работают только от сети переменного тока, имеют низкую стабильность энергии вспышек и другие недостатки.

Энергия вспышки зависит от емкости и напряжения накопительного конденсатора.

Энергию вспышки можно регулировать изменением суммарной емкости конденсатора с помощью специального переключателя.

Энергия может уменьшиться при снижении напряжения питания из-за разряда батареи,

Ведущее число — это произведение расстояния от фотовспышки до объекта съемки на число диафрагмы объектива. Ведущее число зависит от энергии вспышки, угла рассеяния светового пучка и конструкции отражателя. Обычно ведущее число указывается для пленки чувствительностью 65 ед. ГОСТ, реже — для других. (в современных вспышках ведущее число указывается для пленки чувствительностью 100 ISO )

Если объект съемки светлый (белый), то число диафрагмы увеличивают, для более темного объекта число диафрагмы уменьшают. Кроме того, фактические значения энергии и ведущих чисел могут несколько отличаться от указанных в паспорте фотовспышки. Причиной бывают отклонения емкости конденсаторов в пределах их допусков, изменения питающего напряжения и ряд других факторов, В большинстве случаев такие отклонения незначительны, и их можно не принимать во внимание. Если же экспозиция должна быть более точной, следует уточнить ведущее число при пробной съемке.

К оглавлению

Использованые материаллы:Справочник фотографа / А. Б. Меледин, Ю. И. Журба, В. Г. Анцев и др., Москва © Издательство «Высшая школа», 1989г.
Изменен 10.10.00
Автор: Ермолаев П. Н.
Адрес: samshit@mail.ru

Что такое свет? Типы и свойства света, характеристики

«Свет — это электромагнитное излучение в видимом спектральном диапазоне, а иногда и в расширенном. «

Первоначально свет понимался как явление, которое может быть воспринято человеческим глазом в течение долгого времени без какого-либо понимания его физического происхождения. Это понятие различимо от тьмы.

Свет в православном храме — это образ небесного, Божественного света.

Первым христианским писателем, объявившим, что «Бог есть свет», был святой апостол и евангелист Иоанн Богослов. Эту истину, по его словам, он услышал от Самого Иисуса Христа: И вот благовестив, которое мы слышали от Него и возвещаем вам: Бог есть свет, и нет в Нем никакой тьмы (1 Ин 1, 5).

Полезные статьи:

История изучения свойств света

В ранней истории науки свет было принято описывать как поток крошечных частиц, что соответствовало геометрической оптике. Однако было собрано все больше свидетельств волновой природы света, что привело к появлению волновой теории Христиана Гюйгенса, опубликованной в 1690 году, как основы волновой оптики.

Дальнейшие систематические эксперименты, в частности наблюдение Домиником-Франсуа-Жаном Араго привели к научной работе и термину «пятно Араго». Начало всеобщему признанию волновой оптики как правильного описания света.

В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл отождествил оптические волны с электромагнитными волнами, что еще раз подтвердило их природу. К большому удивлению научного сообщества, значительные новые доказательства в природе частиц был найден в начале 20-го века Альбертом Эйнштейном.

В конце концов, квантовая теория стала определяющей, охватывающая как волновую, так и корпускулярную природу света. Свет теперь понимается как электромагнитное излучение. В большинстве случаев его описывают с помощью классической теории, однако со ссылкой на квантовую оптику.

Видимый и невидимый свет

В узком смысле свет понимается как электромагнитное излучение в диапазоне длин волн, в котором он виден людям, то есть там, где он может возбуждать сетчатку человеческого глаза для создания визуального впечатления.

Однако в технологическом контексте этот термин часто используется для значительно более широкого спектрального диапазона, который также включает ультрафиолетовый и инфракрасный свет. О ни не видны, но во многих отношениях обладают схожими физическими свойствами, включая их распространение .

Дальнейшее расширение концепции света является результатом рассмотрения того, что электромагнитное излучение более или менее сильно взаимодействует с прозрачными средами (например, с оптическими стеклами). В частности, в случаях с сильными такими взаимодействиями, детали среды играют большую роль в наблюдаемых явлениях.

Например, при определенных обстоятельствах наблюдается «медленный» свет со скоростью намного меньшей скорости света в вакууме. Затем можно рассматривать свет как явление, которое включает в себя как электромагнитное поле, так и взаимодействующую с ним материю, где оба играют важную роль.

Свет — это не только основа одного из важнейших органов чувств человека, но и центральное явление в научных и технических областях оптики и фотоники.

Поэтому работа со светом была чрезвычайно важна для прогресса человечества с точки зрения науки, технологий и развития бизнеса.

Типы света, характеристики

Монохроматический свет

Определение: с вет с одной оптической частотой, в котором оптический спектр содержит только одну оптическуйю частоту.

Например, соответствующая напряженность электрического поля в определенной точке пространства, которая демонстрирует синусоидальные колебания с постоянной мгновенной частотой и нулевой полосой пропускания.

Термин «монохромный» изначально означает одного цвета. Разные длины оптических волн видимого света связаны с разными воспринимаемыми цветами. Однако на практике светлые цвета редко являются критерием монохроматичности, и немонохроматический свет также может иметь определенные цвета. Кроме того, этот термин применяется к инфракрасному и ультрафиолетовому свету, а также к видимому.

Полихроматический свет

Определение: свет с несколькими оптическими частотами.

Он имеет несколько оптических частот. В некоторых случаях полихроматический свет представляет собой смесь некоторого количества компонентов с дискретной длиной волны, в то время как в других случаях его оптический спектр является непрерывным.

Типичным примером полихроматического света является жизнь, созданная как тепловое излучение. Например, в лампе накаливания свет имеет широкий диапазон оптических частот.

Белый свет

Определение: свет, который человеческому глазу кажется «белым».

Это может быть широкополосный свет, где спектральная яркость не слишком сильно меняется в видимой области спектра. Или со структурированным оптическим спектром, но все же с подходящим балансом спектральных компонентов. Воспринимаемый цветовой тон в конечном итоге определяется только силой, с которой возбуждаются фоторецепторы L, M и C человеческого глаза.

Однако для некоторых приложений человеческое восприятие не является интересующим аспектом, и требования к свойствам оптического спектра белого света могут быть разными. Белый свет бывает теплым, нейтральным белым и холодным и зависит от температуры цвета.

Инфракрасное излучение

Определение: невидимый свет с длиной волны примерно от 750 нм до 1 мм.

Инфракрасный свет — это свет с длиной волны вакуума больше ≈ 700–800 нм, верхней границей видимого диапазона длин волн.

Этот предел четко не определен, поскольку в этой спектральной области чувствительность глаза снижается очень постепенно. Хотя чувствительность, например, при 700 нм, уже очень низкая, даже свет от некоторых лазерных диодов на длинах волн свыше 750 нм можно увидеть, если этот свет достаточно интенсивный.

Такой свет может быть вредным для глаз, даже если он не воспринимается как очень яркий. Верхний предел инфракрасной спектральной области по длине волны также точно не определен; обычно считается, что он составляет примерно 1 мм.

Ультрафиолетовый свет

Определение: свет с длиной волны короче ≈ 400 нм, нижнего предела видимого диапазона.

Для различения разных спектральных областей используются разные определения:

• В ближнем УФ диапазонах спектра области от 400 нм до 300 нм. В средних УФ диапазонов область от 300 до 200 нм, и более короткие длины волн от 200 нм до 10 нм принадлежат к дальней УФ- области. Еще более короткие длины волн относятся к крайнему УФ (EUV).
• Термин «вакуумное УФ» (ниже ≈ 200 нм) относится к диапазону длин волн, в котором часто используется вакуумный прибор, поскольку свет сильно поглощается воздухом. Вакуумный УФ включает дальний и крайний УФ.
• UVA обозначает диапазон от 320 до 400 нм, UVB от 280 до 320 нм и UVC от 200 до 280 нм.

Однако точные определения этих спектральных областей различаются в литературе.

УФ-свет находит широкое применение в дезинфекцию воды и инструментов, контроль качества многих материалов и возбуждение флуоресценции в аналитических целях. Во время кризиса Covid-19 способность технологии ультрафиолетового света дезактивировать вирусы привлекла повышенное внимание.

Свет лазера

Определение: свет (лазерное излучение) , генерируемый лазерным устройством.

Такой свет обладает некоторыми очень особыми свойствами, которые очень сильно отличают его от света другого происхождения:

Лазерный свет обычно доставляется в виде лазерного луча, то есть он распространяется преимущественно в четко определенном направлении с умеренной расходимостью луча. Он имеет высокую (иногда чрезвычайно высокую) степень пространственной когерентности. Это означает, что электрические поля в разных местах по профилю луча колеблются с жестким фазовым соотношением.

Именно эта когерентность является причиной того, почему лазерный луч может распространяться на большие расстояния без значительного распространения в поперечных направлениях, и почему он может быть сфокусирован в очень маленькие точки.

Лазерный свет также имеет высокую степень временной когерентности, которая эквивалентна большой длине когерентности. Это означает, что жесткое фазовое соотношение также сохраняется в течение относительно длительных интервалов времени, соответствующих большим расстояниям распространения (часто многие километры) или огромному количеству циклов колебаний.

В большинстве случаев лазерный свет имеет линейную поляризацию. Это означает, что электрическое поле колеблется в определенном пространственном направлении.

Флуоресценция

Определение: это короткоживущая фотолюминесценция, возбуждаемая при облучении вещества светом.

Атомы, ионы или молекулы в образце. Они распадаются на нижележащие состояния (например , основные состояний) посредством спонтанного излучения фотонов флуоресценции. Это явление используется для освещения, особенно в люминесцентных лампах. Это также происходит как побочный эффект в различных типах лазеров и усилителей с оптической накаякой.

Например, в твердотельных лазерах и усилителях на легированных изоляторах, включая волоконные лазеры и усилители, в полупроводниковых лазерах с оптической накачкой. Получающееся в результате излучение называется флуоресцентным светом.

Тепловое излучение

Определение: часть тепловой энергии преобразуется в энергию электромагнитного излучения

Любой объект излучает некоторое количество электромагнитного излучения теплового характера, которое называется тепловым излучением или иногда тепловым излучением. Только при абсолютном нуле температуры, которая никогда не может быть достигнута точно, это тепловое излучение исчезнет.

В то же время предметы могут полгощать излучение и в результате нагреваться. Таким образом, тепловое излучение обеспечивает механизм обмена теплом между объектами.

Тепловое излучение хорошо известно, например, от лампочек и от солнца. Даже если температура недостаточно высока для генерации видимого теплового излучения, может наблюдаться сильное инфракрасное излучение, которое можно почувствовать, например, на коже.

Общие свойства света

Свет — это электромагнитное излучение с чрезвычайно высокими частотами. Для видимого света эти частоты лежат примерно между 400 ТГц и 750 ТГц, что соответствует диапазону длин волн от 400 до 750 нм.

Это г раницы ультрафиолета и особенно инфракрасного размыты из-за постепенного снижения чувствительности человеческого глаза. Чрезвычайно высокие частоты колебаний подразумевают циклы колебаний продолжительностью всего несколько фемтосекунд.

В то время как некоторые источники излучают квазимонохроматический свет с четко определенной оптической частотой, другие могут иметь очень большую оптическую полосу пропускания в сотни терагерц. Оптические частоты слишком высоки для прямого измерения и, тем не менее, могут быть определены с необычайной точностью.

Оптические частоты слишком высоки, например, для прямого измерения с помощью электронных средств. Тем не менее, в настоящее время существуют сложные методы фазово-когерентной связи оптической частоты с частотой микроволн, например, от атомных часов.

Это позволяет измерять оптические частоты с чрезвычайно высокой точностью. И наоборот, можно использовать высокоточные оптические стандарты честоты и точно получать из них электронные сигналы низкой частоты.

Скорость света

Свет обычно распространяется с чрезвычайно высокой скоростью. В вакууме фазовая и групповая скорость немного ниже 300 000 км / с. Согласно устоявшимся теориям физики, никакие частицы и никакая передача информации не могут быть быстрее этого.

При распространении в среде свет обычно имеет разную фазовую скорость и групповую скорость. В большинстве случаев, особенно для обычных оптических материалов, обе скорости существенно уменьшаются. Фазовая скорость уменьшается на показатель преломления, а групповая скорость уменьшается на групповой показатель.

Есть определенные ситуации, когда фазовая скорость света в среде даже больше, чем скорость света в вакууме ( быстрый свет → сверхсветовая передача). Иногда даже групповая скорость может быть выше, но без передачи информации со сверхсветовой скоростью. С другой стороны, бывают случаи, когда групповая скорость становится намного ниже, чем обычно (медленный свет).

Ультракороткие световые импульсы

Потенциал света иметь чрезвычайно широкую полосу пропускания является основой для возможности генерировать чрезвычайно короткие световые импульсы (вспышки света).

Короткий импульс неизбежно имеет полосу пропускания, которая по крайней мере порядка обратной длительности импульса; поэтому не может быть очень коротких импульсов, не имеющих большой полосы пропускания, рассчитанной с помощью преобразования Фурье.)

Для длительностей импульса не более несколько десятков пикосекунд, широко распространен термин ультракороткие импульсы. Самые короткие импульсы, которые могут генерироваться некоторыми лазерными источниками с синхронизацией мод, имеют длительность около 5 фемтосекунд (5 фс).

Еще более короткие длительности возможны за счет применения методов нелинейной компрессии импульсов. тогда как оптический спектр существенно превышает видимый диапазон.

Короткие волны

Высокие оптические частоты также подразумевают довольно короткие длины оптических волн в соответствии с соотношением λ = c / ν , хотя скорость света довольно высока — немного ниже 300 000 км / с в вакууме.

Следствием коротких оптических длин волн является то, что эффекты дифракции и интерференции не так легко наблюдать. Волновая природа света, таким образом, не очень очевидна в повседневной жизни. С другой стороны, геометрическая оптика, описывающая распространение света лучами, по той же причине является полезным приближением во многих ситуациях.

Коллимированный световой пучок с высокой пространственной когерентностью и не слишком малым диаметром в ее фокусе может распространяться с приблизительно постоянная диаметром пучка над значительными расстояниями, и в некоторой степени похож на луче.

Свет — энергетический транспорт

Свет переносит энергию. Например, Земля получает огромное количество энергии в день в виде солнечного света (в основном это инфракрасный свет); крошечная часть этого, преобразованная в полезные формы, такие как электрическая энергия, в принципе могла бы удовлетворить все потребности в энергии на Земле.

Возможно прямое преобразование света в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических элементов; эффективность преобразования часто составляет порядка 20%, но в некоторых случаях может быть значительно больше (> 40%), например, с тандемными ячейками. Такие технологии начали вносить существенный вклад в удовлетворение потребностей человечества в энергии.

Первоначально он был очень дорогим, но в последние десятилетия стал одним из самых дешевых источников электроэнергии. Его потенциал будет ограничен доступностью солнечного света, изменяющейся во времени.

Поскольку свет может быть сильно сфокусирован на небольших точках, при условии, что он демонстрирует высокую степень пространственной когерентности. Это позволяет вкладывать энергию строго контролируемыми способами, особенно для лазерного света и является фундаментальной основой возможностей лазерной обработки материалов.

Еще одним важным аспектом является концентрация световой энергии во временной области. Интенсивный ультракороткий импульс может иметь чрезвычайно короткую длительность, поэтому может иметь чрезвычайно высокую пиковую мощность, даже если энергия импульса довольно умеренная.

Исскуственные источники света

Свет может генерироваться множеством источников. Отличаются друг от друга способом получения светового излучения, потребляемой мощностью и темпартурой цвета. Наиболее популярные из них кратко описаны ниже:

Лампы накаливания

Лампы накаливания — это источники света, которые производят тепловое излучение от электрически нагретой нити накала. Обычно эта нить накала сделана из вольфрама, что позволяет работать при относительно высоких температурах порядка 2400–2800 Кельвинов. Ранние лампы накаливания изготавливались с углеродной нитью, которая была гораздо менее термостойкой.

Нить накала может поддерживаться только двумя токоведущими проводами или, альтернативно, также дополнительными опорными проводами, которые закреплены в изоляционном стекле.

Чтобы предотвратить быстрое окисление нити накала, ее помещают в стеклянную колбу, которую либо откачивают, либо (чаще) заполняют инертным газом низкого давления, таким как азот, аргон или криптон, который замедляет испарение нити. материал, но также уносит тепло.

Газоразрядные лампы

Газоразрядные лампы — это источники света, в основе которых лежит электрический разряд в ионизированном газе или парах металла. Некоторые из них уже использовались со второй половины 19 — го века на, в то время как другие были изобретены гораздо позже. В последние десятилетия технология в некоторых областях получила дальнейшее развитие.

В настоящее время доступен очень широкий спектр газоразрядных ламп, основные параметры которых, такие как выходная мощность и длительность импульса, варьируются на порядки.

Принцип работы газоразрядной лампы заключается в том, что атомы или молекулы газа переводятся в возбужденные электронные состояния за счет столкновения электронов или, альтернативно, за счет передачи энергии от других атомов, ионов или молекул газа. Впоследствии возбужденные частицы излучают люминесцентный свет, который часто находится либо в видимом спектральном диапазоне, либо в ультрафиолетовом, иногда и в инфракрасном.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы — это устройства, которые излучают флуоресцентный свет. Эта флуоресценция возникает в люминофоре (флуоресцентном материале), который обычно возбуждается ультрафиолетовым светом от электрического разряда в каком-либо газе, обычно в парах ртути.

Впоследствии флуоресцентное покрытие на внутренней поверхности трубки поглощает ультрафиолетовый свет и преобразует его в флуоресцентный свет, в основном в видимой области спектра. А любой оставшийся ультрафиолетовый свет поглощается стеклянной трубкой.

Люминофор содержит несколько активных (светоизлучающих) веществ, которые смешаны таким образом, что общий спектр излучения приводит к восприятию свтеа как белого цвета .

Светодиоды

Светоизлучающие диоды или просто светодиоды являются одними из наиболее широко используемых полупроводниковых диодов различных типов. доступных сегодня. Обычно используются в телевизорах, цветных дисплеях, а также в светодиодном освещении.

Светоизлучающие диоды сделаны из очень тонкого слоя полупроводникового материала с достаточно высокой степенью легирования. В зависимости от используемого полупроводникового материала и количества легирования, при прямом смещении светодиод будет излучать цветной свет с определенной спектральной длиной волны.

Типы светоизлучающих диодов

• Арсенид галлия (GaAs) — инфракрасный;
• Фосфид арсенида галлия (GaAsP) — от красного до инфракрасного, оранжевый;
• Фосфид арсенида галлия алюминия (AlGaAsP) — ярко-красный, оранжево-красный, оранжевый и желтый;
• Фосфид галлия (GaP) — красный, желтый и зеленый;
• Фосфид алюминия-галлия (AlGaP) — зеленый;
• Нитрид галлия (GaN) — зеленый, изумрудно-зеленый;
• Нитрид галлия-индия (GaInN) — ближний ультрафиолетовый, голубовато-зеленый и синий;
• Карбид кремния (SiC) — синий как подложка;
• Селенид цинка (ZnSe) — синий;
• Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) — ультрафиолет.

Выводы

Свет может обладать как частицами, так и волновыми свойствами.

Во многих отношениях световые явления очень хорошо описываются с помощью волновой оптики. Уже в 19 — ом веке свет был идентифицирован с электромагнитными волнами Джеймса Клерка Максвелла, так что даже физическая природа этих волн , казалось, довольно ясно. Таким образом, было большим сюрпризом узнать в начале 20 — го века, что в некоторых отношениях свет ведет себя совсем не так, как ожидалось от волнового явления. Например, фотоэлектрический эффект было трудно объяснить на основе волновой модели.

Альберт Эйнштейн и другие думали о доказательствах своего рода частицной природы света, и в последующие годы была разработана ранняя квантовая теория. Это привело к существенно более совершенной модели света, которая, наконец, примирила природу волны и частицы. Раздел физики, который имеет дело с квантовыми эффектами света (например, сжатые состояния света и другие виды неклассического света со специальными свойствами квантового шума), называется квантовой оптикой.

Для человеческого разума все еще остается трудным описать свет как с помощью волн, так и с помощью частиц (фотонов), которые, по-видимому, принадлежат к совершенно разным категориям. Однако в настоящее время широко признано, что текущее научное описание света является вполне удовлетворительным и полным, хорошо согласуется с очень широким диапазоном наблюдений и не противоречит каким-либо хорошо установленным наблюдениям.