Свет и его общая характеристика

 

Cко́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства и времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО. В 1977 году удалось вычислить приблизительную скорость света, равную 299792458±1,2 м/с рассчитанную исходя из эталонного метра 1960 года. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или же 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Скорость света обозначается буквой c. Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. В природе со скоростью света распространяются:

собственно  видимый свет

другие  виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)

Из  специальной теории относительности  следует, что движение любых материальных объектов быстрее скорости света  невозможно, поскольку наличие частиц, обладающих подобным свойством (называемых тахионами), привело бы к противоречию с принципом причинности.

Действительно, если начало и конец пути тахиона  отстоят друг от друга на расстояние большее, чем мог пройти за время  пути свет, то согласно преобразованиям Лоренца получается, что в некоторой системе отсчёта, процесс будет выглядеть так, что конец пути предшествует во времени его началу. Иными словами, наблюдатель этой системы отсчёта придёт к заключению, что источник тахионов влияет на прошлое, что является нарушением принципа причинности. Принцип причинности является несомненным опытным фактом, хотя и не является логически обязательным (ни одна теория не использует его в качестве постулата).

Частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

 

1. Источник  света.

Источник света — любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

В физике идеализированы моделями точечных и непрерывных источников света.

Возникновение света.

Хорошо  известно, что при нагревании до определённых температур вещества начинают излучать свет: будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или наше небесное светило, температура на поверхности которого составляет тысячи градусов.

Учёными было установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и изменяется определёнными скачками, своими для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10−8 секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные — возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в  более низкие испускается порция энергии — фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

E = hνnm,

где h — постоянная Планка, а νnm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней:

С ростом температуры тела излучение дополняется  всё более высокими частотами. Таким  образом, излучение тела, нагретого  до нескольких тысяч градусов, будет  представлять сплошной спектр: от инфракрасного до ультрафиолетового.

 
 
 
 
 
 

Глава 2.

Свойства  света, основные понятия.

Рассматривая  двойственную природу света, следует  понимать, что эта двойственность означает одновременное наличие  у света молекулярных и волновых свойств. Волновая теория света — одна из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории основывается на том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна (от длины которой зависит цвет видимого нами света). Теория подтверждается многими опытами (в частности опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

1. Волновые:

• Отражение;
• Преломление;
• Интерференция;
• Поляризация;
• Дисперсия;
• Давления света.

2. Квантовые:

• Фотоэффект;
• Давление света;
• Отражение;
• Эффект Комптона.

Сначала рассмотрим ключевые понятия.

Интерференция – физическое явление перераспределения  волновой энергии в пространстве при наложении монохроматичных (одинаковой частоты колебаний) волн.

Поляризация – физический процесс создания определенного направления колебаний вектора напряженности в электромагнитной волне.

Дисперсия – зависимость показателя преломления  вещества от длинны волны падающего  излучения.

Дифракция (результат интерференции) – физическое явление нарушения прямолинейного распространения волн в неоднородных средах.

Фотоэффект- явление вырывания электронов с  поверхности тел под действием  света.

Эффект  Комптона- явление изменения длины  волны излучения при его рассеивании.

Некоторые явления включены в обе колонки. Это означает, что их природу можно объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций. Однако существуют как число волновые свойства света (поляризация, дисперсия, дифракция), так и квантовые(фотоэффект и эффект Комптона).  

1. Волновые  свойства света.

Отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Законы отражения. Формулы Френеля. Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

Этот  закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.

Преломление (рефракция) — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных (проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. Преломление свойственно для многих видов излучения различной природы, например, электромагнитных и звуковых волн

.

Преломление практически любых волн подчиняется  закону Снелла (лишь бы длина волны  не была настолько большой по сравнению  с преломляющим объектом, что дифракция практически полностью замаскировала бы преломление, а среды были изотропными - что очень часто бывает на практике).

Тесно связано с преломлением такое  явление, как отражение от границы  прозрачных сред. В каком-то смысле это две стороны одного и того же явления. Так, например, явление полного внутреннего отражения связано с тем, что преломленной волны, которая бы удовлетворяла закону преломления для некоторых углов падения не находится, и волне приходится целиком отражаться.

Для каждого  конкретного типа волн и сред имеются определенные соотношения, связывающие интенсивность падающей, преломленной и отраженной волны в зависимости от угла падения.

 Интерференция света — явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света, т. е. испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разностью фаз, расположены очень близко друг от друга. Такими источниками света являются, например, два зеркальных изображения одного источника света. У двух разных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют. Поляризация света, упорядоченность в ориентации вектора напряженности электрического E и магнитного H полей световой волны в плоскости, перпендикулярной распространению света. Различают линейную поляризацию света, когда E сохраняет постоянные направления (плоскость, в которой лежит E и световой луч, называется плоскостью поляризации), эллиптическую, при которой конец E описывает эллипс, и круговую (конец E описывает круг). Обычный (естественный) свет не поляризован. Поляризация света возникает при отражении, преломлении света, прохождении через анизотропную среду. Первые указания на поперечную анизотропию светового луча получены Х. Гюйгенсом в 1690; понятие "поляризация света" было введено И. Ньютоном в 1705, а объяснена поляризация света электромагнитной теорией света Дж.К. Максвелла. Поляризованный свет широко используется во многих областях техники (например, для плавной регулировки света, при исследовании упругих напряжений и т.д.). Человеческий глаз не различает поляризацию света, а глаза некоторых насекомых, например пчел, воспринимают ее.