Волновой спектр

ВОЛНОВОЙ СПЕКТР

Волновой спектр

Диапазон волн (таблица)

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—405	1,68—1,98

Введение

Свет, видимый свет или видимое излучение — это электромагнитное излучение, которое может восприниматься человеческим глазом. Видимый свет охватывает видимый спектр и обычно определяется как имеющий длину волны в диапазоне 400-700 нанометров (нм), что соответствует частотам 750-420 терагерц. Видимый диапазон находится рядом с инфракрасным (с более длинными длинами волн и более низкими частотами) и ультрафиолетовым (с более короткими длинами волн и более высокими частотами) излучениями, которые в совокупности называются оптическим излучением.

В физике термин свет может в более широком смысле относиться к электромагнитному излучению любой длины волны, видимой или нет. В этом смысле гамма-лучи, рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны также являются светом. Основными свойствами света являются интенсивность, направление распространения, спектр частот или длин волн и поляризация. Его скорость в вакууме, равная 299792458 м/с, является одной из фундаментальных констант природы.[7] Все электромагнитные излучения обладают некоторыми свойствами как частиц, так и волн. Отдельные безмассовые элементарные частицы, или кванты, света, называемые фотонами, могут быть обнаружены с помощью специального оборудования; такие явления, как интерференция, описываются волнами. Большинство повседневных взаимодействий со светом можно понять с помощью геометрической оптики; квантовая оптика является важной областью исследований в современной физике.

Основным источником естественного света на Земле является Солнце. Исторически огонь был еще одним важным источником света для людей, от древних походных костров до современных керосиновых ламп. С развитием электрического освещения и систем электроснабжения электрическое освещение фактически заменило огонь в каминах.

Электромагнитный спектр и видимый свет

Электромагнитный спектр, видимая часть которого выделена. Нижняя диаграмма (видимый спектр) показывает длину волны в нанометрах (нм). Основная статья: Электромагнитный спектр Как правило, электромагнитное излучение (ЭМИ) подразделяется по длине волны на радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый спектр, который мы воспринимаем как свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Термин «излучение» не включает статические электрические, магнитные и ближние поля.

Поведение ЭМИ зависит от длины волны. Более высокие частоты имеют более короткие длины волн, а более низкие частоты — более длинные. Когда ЭМИ взаимодействует с отдельными атомами и молекулами, его поведение зависит от количества энергии, приходящейся на каждый квант, который он переносит. ЭМИ в области видимого света состоит из квантов (называемых фотонами), которые находятся на нижней границе энергий, способных вызывать электронное возбуждение внутри молекул, что приводит к изменениям в связях или химическом составе молекулы. В нижней части спектра видимого света ЭМИ становится невидимым для человека (инфракрасное излучение), поскольку его фотоны больше не обладают достаточной индивидуальной энергией, чтобы вызвать длительные молекулярные изменения (изменение конформации) в зрительной молекуле сетчатки глаза человека, которые вызывают ощущение зрения. Существуют животные, чувствительные к различным видам инфракрасного излучения, но не за счет квантового поглощения. Восприятие инфракрасного излучения змеями основано на естественном тепловизионном изображении, при котором инфракрасное излучение повышает температуру крошечных частиц клеточной воды. ЭМИ в этом диапазоне вызывает молекулярные вибрации и нагревательные эффекты, которые и обнаруживают эти животные.

За пределами диапазона видимого света ультрафиолетовый свет становится невидимым для человека, главным образом потому, что он поглощается роговицей при длине волны ниже 360 нм и внутренним хрусталиком при длине волны ниже 400 нм. Кроме того, палочки и колбочки, расположенные в сетчатке человеческого глаза, не могут воспринимать очень короткие (менее 360 нм) ультрафиолетовые волны и фактически повреждаются ультрафиолетом. Многие животные, глаза которых не нуждаются в линзах (например, насекомые и креветки), способны улавливать ультрафиолет с помощью механизмов квантового поглощения фотонов, во многом таким же химическим способом, каким люди улавливают видимый свет. Различные источники определяют видимый свет в диапазоне от 420-680 нм до 380-800 нм в широком диапазоне. В идеальных лабораторных условиях люди могут видеть инфракрасное излучение длиной волны не менее 1050 нм; дети и молодые люди могут воспринимать ультрафиолетовое излучение длиной волны не более 310-313 нм. На рост растений также влияет цветовой спектр света — процесс, известный как фотоморфогенез.

Скорость света

Скорость светового луча солнечного света внутри полости Рокка-илл’Абиссу в Фондачелли-Фантина, Сицилия Скорость света в вакууме определена равной в точности 299792458 м/с (приблизительно 186 282 мили в секунду). Фиксированное значение скорости света в единицах СИ является результатом того факта, что в настоящее время метр определяется как скорость света. Все виды электромагнитного излучения движутся в вакууме с одинаковой скоростью. На протяжении всей истории физики пытались измерить скорость света. Галилей попытался измерить скорость света в XVII веке.

Первый эксперимент по измерению скорости света был проведен датским физиком Оле Ремером в 1676 году. Используя телескоп, Ремер наблюдал за движением Юпитера и одного из его спутников, Ио. Отметив расхождения в видимом периоде обращения Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Однако в то время его размеры были неизвестны. Если бы Ремер знал диаметр земной орбиты, он бы вычислил скорость в 227000000 м/с. Другое, более точное измерение скорости света было выполнено в Европе Ипполитом Физо в 1849 году. Физо направил луч света на зеркало, находящееся на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, когда он направлялся от источника к зеркалу, а затем возвращался в исходное положение. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч будет проходить через одну щель в колесе на выходе и через следующую щель на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, количество зубьев на колесе и скорость вращения, Физо смог вычислить скорость света, равную 313000000 м/с.

В 1862 году Леон Фуко провел эксперимент, в котором использовал вращающиеся зеркала для получения значения 298000000 м/с. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты по определению скорости света с 1877 года до своей смерти в 1931 году. В 1926 году он усовершенствовал методы Фуко, используя усовершенствованные вращающиеся зеркала для измерения времени, необходимого свету, чтобы совершить путешествие туда и обратно от горы Уилсон до горы Сан-Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скорость 299796000 м/с. Эффективная скорость света в различных прозрачных средах, содержащих обычное вещество, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет примерно 3/4 от скорости света в вакууме.

Сообщалось, что две независимые команды физиков «полностью остановили» излучение, пропустив его через конденсат Бозе–Эйнштейна, состоящий из рубидия, – одна команда из Гарвардского университета и Научного института Роуленда в Кембридже, штат Массачусетс, а другая — из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, также расположенного в Кембридже. Однако популярное описание «остановки» света в этих экспериментах относится только к тому, что свет накапливается в возбужденных состояниях атомов, а затем испускается повторно в произвольное более позднее время под воздействием второго лазерного импульса. За время «остановки» он перестал быть светом.