Солнечный свет

1. Солнце на самом деле белое, если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.

2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.

3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.

4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.

5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.

6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет.

Интересные факты о свете

7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.

8. Световой чихательный рефлекс, который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.

9. При двойной радуге, свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.

10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет, в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.

11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.

12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.

Законы света

13. Свет обладает импульсом. Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.

14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету, что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.

15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет.

16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.

17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу. Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).

18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец, никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.

19. Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.

20. Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.

Не так давно, в декабре 2000 года мировая научная общественность отмечала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики и открытие новой фундаментальной физической константы – постоянной Планка.

Заслуга в этом принадлежит выдающемуся немецкому физику Максу Планку. Событие это осталось практически незамеченным. Между тем, историческая дата 14 декабря 1900 г., когда на заседании Берлинского физического общества Макс Планк впервые произнес слово «квант», имеет все основания стать одним из самых значительных событий в истории человечества. С этого дня начинается отсчет того кардинального переворота в научной мысли, который к настоящему времени привел к качественно новым фундаментальным научным достижениям квантовой теории. В результате, к настоящему времени оказалась заложенной основа тем грядущим масштабным и глубоким изменениям во всех сферах общества, которые ожидают нас в недалеком будущем.

Планку удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, проблему, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора, несовместимую с принципами классической физики. Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики, что и обусловило актуальность нашего исследования.

Цель работы – проанализировать квантовую теорию света.

В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи :

Рассмотреть развитие представление о природе света;

Изучить квантовые свойства света: фотоэффект и эффект Комтона;

Проанализировать квантовую теорию Планка.

Методы исследования:

Обработка, анализ научных источников;

Анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме.

Объект исследования – квантовая теория света

1. Развитие представлений о свете

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:

где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

Рис. 1. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны.

Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:

Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c.

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт .

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение

превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 2. дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рис. 2. Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10 –9 м = 10 –7 см = 10 –3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм .

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений

2. Квантовые свойства света: фотоэффект. Эффект Комтона

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 3.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения . На рис. 4 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Рис. 4.Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

4) Фотоэффект практически безинерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света .

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис. 5), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

h = 4,136·10 –15 эВ·с

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света .

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна

Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,

E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 ,

следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Эффект Комптона

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии. Согласно волновой теории, электрон под действием периодического поля световой волны совершает вынужденные колебания на частоте волны и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты .

Схема Комптона представлена на рис. 6. Монохроматическое рентгеновское излучение с длиной волны λ0, исходящее из рентгеновской трубки R, проходит через свинцовые диафрагмы и в виде узкого пучка направляется на рассеивающее вещество-мишень P (графит, алюминий). Излучение, рассеянное под некоторым углом θ, анализируется с помощью спектрографа рентгеновских лучей S, в котором роль дифракционной решетки играет кристалл K, закрепленный на поворотном столике. Опыт показал, что в рассеянном излучении наблюдается увеличение длины волны Δλ, зависящее от угла рассеяния θ:

Δλ = λ - λ 0 = 2Λ sin 2 θ / 2,

где Λ = 2,43·10–3 нм – так называемая комптоновская длина волны, не зависящая от свойств рассеивающего вещества. В рассеянном излучении наряду со спектральной линией с длиной волны λ наблюдается несмещенная линия с длиной волны λ0. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода рассеивающего вещества.

Рис.6. Схема эксперимента Комптона

На рис.7 представлены кривые распределения интенсивности в спектре излучения, рассеянного под некоторыми углами.

Рис. 7. Спектры рассеянного излучения

Объяснение эффекта Комптона было дано в 1923 году А. Комптоном и П. Дебаем (независимо) на основе квантовых представлений о природе излучения. Если принять, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона есть результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества. У легких атомов рассеивающих веществ электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными. В процессе столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствии с законами сохранения .

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц – налетающего фотона, обладающего энергией E0 = hν0 и импульсом p0 = hν0 / c, с покоящимся электроном, энергия покоя которого равна Фотон, столкнувшись с электроном, изменяет направление движения (рассеивается). Импульс фотона после рассеяния становится равным p = hν / c, а его энергия E = hν < E0. Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны. Энергия электрона после столкновения в соответствии с релятивистской формулой (см. § 7.5) становится равной где pe – приобретенный импульс электрона. Закон сохранения записывается в виде

Закон сохранения импульса

можно переписать в скалярной форме, если воспользоваться теоремой косинусов (см. диаграмму импульсов, рис. 8):

Рис. 8.Диаграмма импульсов при упругом рассеянии фотона на покоящемся электроне.

Из двух соотношений, выражающих законы сохранения энергии и импульса, после несложных преобразований и исключения величины pe можно получить

mc 2 (ν 0 – ν) = hν 0 ν(1 – cos θ).

Переход от частот к длинам волн приводит к выражению, которое совпадает с формулой Комптона, полученной из эксперимента:

Таким образом, теоретический расчет, выполненный на основе квантовых представлений дал исчерпывающее объяснение эффекту Комптона и позволил выразить комптоновскую длину волны Λ через фундаментальные константы h, c и m:

Как показывает опыт, в рассеянном излучении наряду со смещенной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная линия с первоначальной длиной волны λ0. Это объясняется взаимодействием части фотонов с электронами, сильно связанными с атомами. В этом случае фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Из-за большой массы атома по сравнению с массой электрона атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона, поэтому длина волны λ рассеянного излучения практически не отличается от длины волны λ0 падающего излучения .

3. Квантовая теория Планка

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Решение проблемы излучения черного тела ознаменовало начало новой эры в физике. Нелегко было примириться с отказом от классических представлений, и сам Планк, совершив великое открытие, в течение нескольких лет безуспешно пытался понять квантование энергии с позиции классической физики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная И. Ньютона и волновая Р. Гука и Х. Гюйгенса.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон, и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

В результате, многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

2) Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3) Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

4) Фотоэффект практически безинерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Концепция фотонов, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. для объяснения фотоэффекта, получила экспериментальное подтверждение в опытах американского физика А. Комптона (1922 г.). Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных (или слабо связанных с атомами) электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения, названный впоследствии эффектом Комптона, не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны излучения не должна изменяться при рассеянии.

В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными.

Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

2. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

3. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

4. Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

5. Покровский, А.К. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / А.К. Покровский, Л.Б. Миротин; под ред. Л.Б. Миротина. - М.: Экзамен, 2005. - 480 с

6. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

7. Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004

8. Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 317 с.

Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / Г.И. Рузавин. - М. : Юнити, 2005. - 287 с.

Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: Учеб. пособие для вузов / Т.Я. Дубнищева. - Новосибирск: Сибирское унив. изд-во, 2003. - 407 с.

Лебедев С.А. Концепции современного естествознания. – М.: 2007

Гусейханов, М.К. Концепции современного естествознания: - М. : Дашков и К, 2005. - 692 с.

Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2004

Торосян, В.Г. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / В.Г. Торосян. - М. : Высш. шк., 2003. - 208 с.

Свет – это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.

ООН объявила 2015 год Международным годом света, чтобы продемонстрировать "жителям Земли важность света и оптических технологий в жизни, для будущего и для развития общества".

Солнечный свет 1. Солнце на самом деле белое, если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.
4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.
5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.
6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет.

Интересные факты о свете
7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.

8. Световой чихательный рефлекс, который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.
9. При двойной радуге, свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет, в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.
12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.

Законы света
13. Свет обладает импульсом. Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.

14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету, что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет.
16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу. Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).
18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец, никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.
19. Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.
20. Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.

Осветите свои знания в области науки нашими забавными легкими фактами для детей. Наслаждайтесь интересными мелочами, связанными с скоростью света, оптикой, солнечным светом, ультрафиолетовым светом и инфракрасным светом. Понимают, как работает электромагнитное излучение, и обнаруживают множество увлекательных свойств света.

В физике свет относится к электромагнитному излучению. Свет, о котором мы обычно говорим в повседневной жизни, относится к видимому спектру (части электромагнитного спектра, который может видеть человеческий глаз).

Другие животные могут видеть части спектра, которые люди не могут. Например, большое количество насекомых может видеть ультрафиолетовый (УФ) свет.

Ультрафиолетовый свет можно использовать для того, чтобы показать вещи, которые человеческий глаз не видит, пригодится для криминалистов.

Длина волны инфракрасного света слишком велика, чтобы быть видимой для человеческого глаза.

Ученые изучают свойства и поведение света в области физики, известной как оптика.

Исаак Ньютон заметил, что тонкий луч солнечного света, поражающий стеклянную призму под углом, создает полосу видимых цветов, включающую красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый (ROYGBIV). Это произошло потому, что разные цвета проходят через стекло (и другие среды) с разной скоростью, заставляя их преломляться под разными углами и отделяться друг от друга.

Свет проходит очень, очень быстро. Скорость света в вакууме (область, свободная от материи) составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду).

Свет распространяется медленнее с помощью различных сред, таких как стекло, вода и воздух. Этим средам дается показатель преломления для описания того, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, что означает, что огни проходят через него со скоростью около 124 000 миль в секунду (200 000 километров в секунду). Показатель преломления воды составляет 1,3, а показатель преломления воздуха — 1.0003, что означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.

Свет занимает 1,255 секунды, чтобы добраться от Земли до Луны.

Солнечный свет может достигать глубины около 80 метров (262 фута) в океане.

Одна из многих вещей, над которыми работал итальянский ученый Галилей Галилей, — это телескопы, производящие телескопы с 30-кратным увеличением в некоторых из его более поздних работ. Эти телескопы помогли ему обнаружить четыре крупнейшие луны, вращающиеся вокруг Юпитера (позже названные спутниками Галилея).

Фотосинтез — это процесс, который включает растения, использующие энергию от солнечного света, для превращения углекислого газа в пищу.

Свет - лишь небольшая видимая частица огромного электромагнитного спектра излучения. В этот спектр входят радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Один лишь видимый свет человек может разглядеть в виде цветов, которые он образует на поверхности предметов. Разные цвета получаются из-за разных частот световых волн, путешествующих сквозь пространство. Чем ближе друг к другу вершины волн, тем выше их частота. Наименьшую частоту и самую большую длину волны среди всех световых волн имеют радиоволны, в то время как гамма-излучение напротив, обладает самой высокой частотой.

Для того, чтобы разглядеть всю прелесть цветов, которые способен образовывать видимый спектр излучения, вам достаточно фонарика, экрана телевизора или просто солнечного дня. Кроме того, необходимо найти ровную поверхность, которая могла бы отражать свет, и, конечно же, необходим наблюдатель. Трудно недооценить важность цвета в повседневной жизни. Без него мы не могли бы отличить многие вещи друг от друга.

Сам по себе свет - пучок невидимой энергии, путешествующий через пространство. Чтобы мы смогли разглядеть его, необходимо, чтобы свет прошел сквозь плотные облака пыли или тумана. Мы также можем наблюдать взаимодействие света с окружающим миром, когда он отражается от встречных объектов. Наши глаза улавливают его отраженные волны и преобразуют их в цвета. Сэр Исаак Ньютон обнаружил, что, когда луч света пропускают сквозь призму, он преломляется и распадается на цвета, расположенные в одном и том же порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Наша сетчатка содержит два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки определяют интенсивность света и его яркость, в то время как колбочки отвечают за цветовосприятие. Всего в наших глазах находится три типа колбочек, которые различают красный, синий и зеленый цвета соответственно. Именно комбинации этих трех основных цветов и образуют все остальные, вторичные цвета. Если вам необходим наглядный пример, то представьте, что весь спектр электромагнитного излучения занимает расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса (что примерно составляет около 2500 миль), тогда видимый спектр будет в длину равен примерно одному дюйму.

Иоганн Вольфганг фон Гете заметил, что, глядя сквозь призму на темные объекты, расположенные на светлом фоне, вокруг них появляется цветной ореол. Такой эффект обычно происходит при переходе от белого к черному, когда цвет меняется поэтапно на желтый, затем красный, а от черного - на фиолетовый, синий и бирюзовый. Наблюдая за закатом, вы наверняка замечали, как меняется цветовая гамма на вечернем небе. По мере приближения к горизонту, солнце становится краснее и краснее, это явление обусловлено тем, что из-за изменения угла солнца, его свет проходит через более низкие и плотные слои атмосферы. Красный цвет получается в результате того, что свету приходится преодолевать более плотную среду.

Если же мы посмотрим в противоположную сторону, то увидим, как меняется вечернее небо от темно-голубого к синему и фиолетовому. Чем больше света находится в атмосфере, тем более ярким будет небо, а то, что мы наблюдаем ночью - не что иное, как тьма и пустота космоса вверху над нами.

Если смотреть на окно несколько секунд, а затем закрыть глаза, то можно увидеть его негатив - светлую раму, окружающую темное стекло. Этот трюк работает с любыми цветными предметами. Это объясняется тем, что каждый цвет обладает дополняющим цветом. Красный обладает голубым, зеленый - пурпурным, а синий - желтым.

Если вы будете светить на вазу двумя разными источниками света, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, то у вазы появится две тени. Если один из источников света будет светить красным, то противоположная ему тень станет тоже красной, а основная - голубой. На самом же деле все тени серого цвета, а то, что вы видите - лишь оптический обман.

Все зависит от освещения. Разноцветные огни - это лишь видимая часть спектра, но сами-то предметы сделаны не из света. К примеру, у вас есть зеленая рубашка, и пока вы идете по улице - все хорошо, она по прежнему зеленая, но что вы скажете о ней, когда войдете в помещение с красным освещением? Обычно красный смешиваясь с зеленым создает желтый цвет, но рубашка окрашена пигментным красителем, где зеленый был получен путем смешивания синего и желтого красителей, которые не будут отражать красный. Таким образом, ваша рубашка будет казаться черного цвета. В неосвещенном помещении рубашка также будет казаться черной, равно как и остальные предметы.

В качестве еще одного примера возьмем банан. Что делает его желтым? Когда белый свет попадает на банан, все его составляющие кроме желтого поглощаются. Желтый, тем временем, отражается у нас в глазах. В некотором смысле, бананы могут быть любого другого цвета, но не желтого, поскольку мы видим лишь тот цвет, который они отразили. Так какого же цвета банан на самом деле? Ответ прост: он синий. Теоретически, конечно же. Синий цвет является дополнительным к желтому. Таким образом, можно прийти к заключению, что цвет не является свойством предмета, это всего лишь интерпретация невидимых волн разных частот, порождаемая нашим мозгом.

Если взглянуть на цветовой круг, то можно увидеть первичные и вторичные цвета в альтернативном порядке. Каждый вторичный цвет производится путем объединения соседних основных цветов. Объединив красный и зеленый цвета, мы получим желтый, объединив зеленый и синий - получим голубой, а объединив красный и синий - получим розовый. Вы никогда не задумывались, почему розового нет в радуге? Ответ прост: такого цвета в природе нет. Есть желтый и голубой, но не розовый. Это обусловлено тем, что красный и синий цвета находятся в противоположных концах видимого спектра. Розовый цвет, по своей сути, олицетворяет собой все в мире, невидимое человеческому глазу.

Всем известно, что черный придает особую загадочность образу и стройнит, но слышали ли вы о новом черном - так называемом Вантаблэке? Этот цвет похож на настоящую черную дыру. Его невозможно увидеть, он становится видим только из-за своего фона. Можно увидеть его границы, но если смотреть прямо на пятно этого цвета, то это будет подобно взгляду в пустоту. Да, это даже не черный, это - ничто. Он поглощает весь видимый спектр света, за исключением 0,035% излучения. Для сравнения, этот показатель у черного угля никогда не опускается ниже 0,5%.

Вантаблэк был совсем недавно изобретен британскими учеными и будет применяться в проектировании невидимых перехватчиков и современного оружия. На сегодняшний день главной сферой его применения остается астрономия, где для проведения космических исследований необходимы сверхчувствительные телескопы, которые способны обнаружить самые далекие звезды и галактики.

Наблюдая за кем-то в красном платье, помните ли вы, что кто-то из ваших друзей видит его вовсе не как красное, а, к примеру, как синее или зеленое. Все мы с детства обучены названиям цветов, поэтому принимаем как должное, что тот конкретный цвет - красный. Но не следует забывать, что в мире есть тысячи людей, страдающих от разных типов дальтонизма. Он мешает им различать красный, зеленый и синий цвета, поэтому они видят мир не совсем таким, каким видим его мы.

При помощи красного, желтого, зеленого и синего цветов в различных комбинациях можно описать все остальные цвета видимого спектра. Фиолетовый, к примеру, может быть описан как красно-синий, цвет лайма - как желто-зеленый, оранжевый - как красновато-желтый, а бирюзовый - как голубовато-зеленый. Но как бы вы назвали что-то оранжево-зеленого цвета? А голубовато-желтого? Вы не знаете, а все это потому что на самом деле этих цветов не существует в теории, они называются запрещенными. Все сводится к тому, как мы воспринимаем цвет. Колбочки в наших глазах определяют красный, зеленый и синий цвета по разным длинам волн. Когда их длины пересекаются, мы видим уже новые цвета. Идея запрещенных цветов настолько сильно засела в головах Хьюитта Крэйна и Томаса Пиантанида, что в 1983 году им удалось совершить невозможное. Проводя ряд экспериментов, им удалось воссоздать такие цвета, у которых не было названия. Этот эффект был достигнут путем расположения рядом друг с другом красных и зеленых полосок (а также желтых и синих). Убедившись в том, что свет, отраженный каждым цветом активизирует лишь определенные колбочки, они принялись смешивать цвета таким образом, что у них получилось сформировать абсолютно новые цвета, до того момента не виданные никем.

Наверняка все слышали о том, что собаки - дальтоники, и что летучие мыши на самом деле полностью слепы. Но это не совсем верно. Летучие мыши способны видеть, просто у них не самое хорошее зрение, а собаки, в свою очередь, не различают цвета так, как это делаем мы. У человека есть три цветовых рецептора, в то время как у собаки всего лишь два, таким образом, они лишены удовольствия видеть красный цвет. Но все относительно. Будет ли собака считаться дальтоником для кальмара, который различает лишь синий цвет? В то же время, змеи слабо различают обычный спектр цветов, в то время как отлично справляются с этой задачей в инфракрасном диапазоне. Пчелы, в свою очередь, различают синий, желтый и ультрафиолет. Вы ведь помните, насколько мал видимый для нас спектр света, в сравнении с общим спектром электромагнитного излучения? Вы не сможете представить себе какой-то новый цвет, также, как и не сможете объяснить слепому от рождения человеку, как выглядит красный цвет. У нас просто нет слов, которые смогли бы донести истинный смысл до человека, никогда в жизни не видевшего тот или иной цвет. Если вам нужны примеры, то некоторые бабочки обладают тремя рецепторами цвета, как и люди, а также еще двумя дополнительными, которые различают неизвестные человеку цвета.

Вы, наверное, слышали, фразы, подобные этой: «О, у вас прекрасная фиолетовая аура!» или «Ты просто светишься!» Оказывается, есть в этих фразах доля истины. Ученые Киотского университета обнаружили, что люди в самом деле излучают видимый свет, но этот свет в 1000 раз менее мощный, чем видимый невооруженным глазом. Они также обнаружили, что наша аура достигает максимальной яркости ближе к 4 часам дня. Они приписывают это явление побочным продуктам нашего метаболизма - свободным радикалам.

Чем больше расстояние между источником света и наблюдателем, тем более тусклым становится свет. Это не потому, что тот теряет свою силу по пути или впитывается различными объектами, а потому что энергия света рассеивается по большей площади, прежде чем доходит до вас. Солнце одинаково ярко светит во всех направлениях, поскольку его свет распространяется во все стороны в равных количествах. Чем дальше расстояние, тем более рассеянным становится свет, этот процесс может длиться до тех пор, пока он не рассеется до состояния миллиардов отдельных фотонов, разлетающихся во всех направлениях. Свет также несет в себе информацию. Мы узнаем о расположении других звезд и галактик, их составе и направлении движения по свету, отраженному ими.