Comments (0)

Світло як електромагнітна хвиля by Tanya Babanina - Ourboox.com

This free e-book was created with

Create your own amazing e-book!
It's simple and free.

Start now

Світло як електромагнітна хвиля

by Tanya Babanina

Joined Apr 2020
Published Books 2

Світло

Св́ітло — електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 — 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру.Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується частотою, довжиною хвилі, поляризацією й інтенсивністю. Увакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку — швидкістю світла. Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Довжина хвилі зв’язана з частотою законом дисперсії, який також визначає швидкість поширення світла в середовищі.Взаємодіючи з речовиною, світло розсіюється і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково відбивається. Заломлення та відбиття світла використовується в різноманітних оптичних приладах: призмах, лінзах,дзеркалах, що дозволяють формувати зображення.Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим спектром сприймається як кольорове. Дисперсія світла, тобто різна швидкість розповсюдження світлових променів з різною частотою у середовищі, дозволяє розкласти світло на кольорові складові.Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване. Ступінь поляризації світла змінюється при кожному акті відбиття від будь-якої поверхні або проходження через будь-яке середовище.Світло переносить енергію. Зокрема, сонячне світло є одним із основних джерел енергії на Землі. Частина цієї енергії сприймається живими організмами прифотосинтезі. Використання сонячної енергії людством одна із найважливіших сучасних проблем.

Колір	Діапазон довжин хвиль, нм	Діапазон частот, ТГц	Діапазон енергії фотонів, еВ
Фіолетовий	380—440	790—680	2,82—3,26
Синій	440—485	680—620	2,56—2,82
Блакитний	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелений	500—565	600—530	2,19—2,48
Жовтий	565—590	530—510	2,10—2,19
Помаранчевий	590—625	510—480	1,98—2,10
Червоний	625—740	480—405	1,68—1,98

Із людських органів чуття найбільше інформації про довкілля дає нам зір. Однак бачити навколишній світ ми можемо тільки тому, що існує світло.

Людина бачить електромагнітні хвилі у видимому діапазоні тому, що має відповідні рецептори, які поглинають світло таких частот, викликаючи при цьому відповідні імпульси в нервовій системі. Сітківка людського ока має два типи світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички не мають особливої чутливості до певного діапазону спектру, зате чутливіші до світла взагалі, тому дозволяють бачити чорно-біле зображення. Колбочки мають у своєму складі молекули, які чутливі до різних діапазонів видимого спектру, тому дозволяють бачити в кольорі.

Відповідність між характеристиками монохроматичного світла й кольорами подана в наступній таблиці. Однак, сприйняття людиною кольору не є простою функцією частоти. Так, суміш жовтого й синього кольорів сприймається оком як зелений колір, хоча світла відповідного частотного діапазону в цій суміші немає.

Інтерференція світла

https://www.youtube.com/watch?v=_kf7guE1AMw

Інтерференцією світла називають суперпозицію світлових хвиль, що йдуть від двох або більше когерентних джерел, що приводить до перерозподілу інтенсивності світла в просторі.

Когерентними вважають джерела, які:

– випромінюють світло однакової частоти ω₁ = ω₂;

– випромінюють світло однакової поляризації;

– інтерферуючі хвилі мають сталу в часі різницю фаз.

Інтерференція характеризується інтерференційною картиною – чергуванням світлих та темних смуг (максимумів та мінімумів інтенсивності).

Умовою стабільності інтерференційної картини є суперпозиція когерентних хвиль.

Когерентні хвилі на практиці отримують від джерела, розділивши світло, що випромінюється ним на два пучки, наприклад, заломлений та відбитий.

Інтерференція світла в тонких плівка

Інтерференція в тонкій плівці. Альфа – кут падіння, бета – кут відбиття, жовтий промінь відстане від оранжевого, вони зводяться оком в один і інтерферують.

Отримати стійку інтерференційну картину для світла від двох розділених у просторі і незалежних один від одного джерел світла не так легко. Атоми випромінюють світло цугами дуже малої тривалості, і когерентність порушується. Порівняно просто таку картину можна отримати, зробивши так, щоб інтерферували хвилі одного і того ж цуга. Так, інтерференція виникає при розділенні початкового променю світла на два промені при його проходженні через тонку плівку, наприклад плівку, що наносять на поверхню лінз у просвітленних об’єктивах. Промінь світла, проходячи через плівку, відіб’ється двічі — від внутрішньої та зовнішньої її поверхонь. Відбиті промені матимуть постійну різницю фаз, що дорівнює подвоєній товщині плівки, від чого промені стають когерентними і будуть інтерферувати.

Явище інтерференції спостерігається в тонкому шарі незмішуваних рідин (гасі або олії на поверхні води), в мильних бульбашках, бензині, на крилах метеликів, в кольорах мінливості тощо.

Кільця Ньютона

Іншим методом одержання стійкої інтерференційної картини для світла служить використання повітряних прошарків, засноване на однаковій різниці ходу двох частин хвилі: однієї − відразу відбитої від внутрішньої поверхні лінзи і інший − що пройшла повітряний прошарок під нею і лише потім відбилася. Її можна отримати, якщо покласти плоско-випуклу лінзу на скляну пластину опуклістю вниз. При освітленні лінзи зверху монохроматичним світлом утворюється темна пляма в місці достатньо щільного зіткнення лінзи і пластинки, оточене темними і світлими концентричними кільцями,які чергуються, різної інтенсивності. Темні кільця відповідають інтерференційним мінімумам, а світлі − максимумам, одночасно темні і світлі кільця є ізолініями рівної товщини повітряного прошарку. Вимірявши радіус світлого або темного кільця і визначивши його порядковий номер від центру, можна визначити довжину хвилі монохроматичного світла. Чим крутіше поверхня лінзи, особливо ближче до країв, тим менше відстань між сусідніми світлими або темними кільцями.

Кільця Ньютона – кольорові кільця, які можна спостерігати за допомогою випуклої скляної пластинки внаслідок інтерференції світла, відбитого від різних поверхонь.

Вперше це явище описав у 1664 році Роберт Гук, але своєю назвою кільця завдячують Ісааку Ньютону, який детально проаналізував їхню структуру.

Аналогічні кольорові розводи можна часто спостерігати на різного типу поверхнях, вкритих прозорою плівкою, наприклад, на масних плямах в калюжах.

Просвітлення оптики

Поліпшення якості лінз за рахунок зменшення втрат інтенсивності при відбиванні називається просвітленням оптики.

Для просвітлення оптики використовуються тонкі плівки, матеріал яких підбирається так, щоб при нанесенні їх на поверхню лінзи для відбитих променів виконувалася умова мінімуму інтенсивності. Для просвітлення оптики показник заломлення плівки повинен бути трохи меншим за показник заломлення того матеріалу з якого виготовлено лінзу.

У випадку «просвітлення оптики» інтерферуючі промені у відбитому світлі гасять один одного за умови:

n = (n_c)^1/2,

де n_c – показник заломлення скла; n – показник заломлення плівки.

Товщина плівки, що просвітлює, кратна чверті довжини хвилі.

Явище інтерференції використовується для точного визначення:
– довжин світлових хвиль,
– показника заломлення,
– швидкості світла,
– малих кутів.

Прилади, що використовують явища інтерференції для оптичних вимірів, називаються інтерферометрами.

Дифракція світла.

https://www.youtube.com/watch?v=vMdn-s6OelQ

Дифракція була відкрита Франческо Грімальді в кінці XVII ст. Усі досліди, які підтверджують прямолінійність поширення світла, проводять з об’єктами, розміри яких великі порівняно з довжиною хвилі.Чітку дифракційну картину можна спостерігати також тоді, коли розміри отвору чи екрана порівняно великі, але екран спостереження розміщений дуже далеко. Дифракція властива всім без винятку хвильовим процесам. Якщо перед антеною випромінювача радіохвиль розмістити екран, то він не дасть чіткої тіні. Приймач, розміщений за екраном у його геометричній
тіні, виявить електромагнітну хвилю.

Дифракція світла – явище огинання світловими хвилями перешкод та проникнення світла в область геометричної тіні.

Явище дифракції світла наглядно підтверджує теорію корпускулярно-хвильової природи світла. Дифракція спостерігається і для звуку, і для свіла, і для будь-яких інших хвильових процесів. Спостерігати дифракцію світла важко, оскільки хвилі відхиляються від перешкод на помітні кути лише за умови, що розміри перешкод приблизно дорівнюють довжині хвилі світла, а вона дуже мала.

Дифракційна решітка

У результаті проходження світла через щілину її краї стануть джерелами вторинних когерентних хвиль, які, поширюючись, потраплять у геометричну тінь. Оскільки дані хвилі когерентні, на екрані відобразиться інтерференційна картина.

Виходячи з того, що чим більша кількість щілин, тим чіткішою є інтерференційна картина, на практиці використовують дифракційну решітку — послідовність однакових за шириною щілин, розташованих на однаковій відстані одна від одної.

Періодом решітки називають відстань, яка дорівнює сумі ширини непрозорої для світла ділянки і ширини щілини.

Умови спостереження дифракційного максимуму: добуток періоду решітки на синус кута відхилення променя дорівнює добутку довжини хвилі і цілого числа, яке характеризує порядок максимуму.

Застосування дифракції: визначення хімічного складу речовини, встановлення швидкості обертання, хімічного складу й температури зірок в астрономії.

Дисперсія світла

https://www.youtube.com/watch?v=Ywq93UFRFMc

Дисперсія – це залежність швидкості світла в речовині від частоти проходження світла або довжини хвилі. Уперше це явище спостерігав та пояснив англійський фізик Ісак Ньютон.

Якщо тонкий пучок сонячного світла спрямувати на скляну призму, після заломлення в ній можна спостерігати розкладення білого світла в кольоровий спектр: сім основних кольорів – червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий — плавно переходять один в один. Найменше відхиляються від початкового напрямку падіння червоні промені, найбільше – фіолетові.

Оскільки біле світло є сукупністю різних кольорів, можна пояснити виникнення забарвлення предметів. Наприклад, зелений колір листя рослини обумовлений тим, що листя поглинає промені всіх кольорів, а зелені відбивають. Тому ми бачимо зелений колір листя.

Різноманітний світ кольорів викликає у кожної людини індивідуальні відчуття.

Прилад для спостереження спектрів і розкладання світла у спектр називається спектроскопом.

Поляризація світла

https://www.youtube.com/watch?v=8YkfEft4p-w&feature=youtu.be

Терміном поляризація електромагнітної хвилі або поляризація світла описується просторова орієнтація електричної складової електромагнітної хвилі – вектора напруженості електричного поля.

Електромагнітна хвиля в порожнечі завжди поперечна, тобто вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до напрямку поширення хвилі. Однак при цьому залишаються ще дві незалежні, відмінні можливості орієнтації напруженості. Що більше, цей вектор може змінювати свою орієнтацію з плином часу.Поляризоване світло знаходить широке застосування в наукових дослідженнях і в техніці. У багатьох випадках доводиться плавно регулювати освітлення того або іншого об’єкта. Поставивши перед джерелом св

ітла поляризатор і аналізатор, можна, поволі повертаючи аналізатор, плавно змінювати освітлення об’єкта від максимального до повної темноти.

Поляризациійні фільтри застывшие для гасінны відбитіс відбіліськів, припринців к фотографіванні картин, скляных и фарфоровых виробов, природных вод. Якобы поместье полярного государства в Ваддезерске, в котором все в порядке. Таков действительный поляризационный флирт и посильный контраст в отношении нас на фотографирование, злобных при сонливости.

У будівельній и машиностроительной техники явление поляризація використовуєс для віччення напружень, в том числе в окремих вузлах споруд и машин. Я уверен, что он будет в декоративных целях (на прилавке, в облачном театре, в час театральных постановок, в Тошо), в геологии и в ряде галлерейных наук и технологий.