Світло

Світло – це електромагнітне випромінювання, що сприймається людським оком. Людське око сприймає електромагнітні хвилі з довжинами від 380 до 760 нм. 

Довжина хвилі – це, відстань на яку встигає поширитися хвиля за період коливання її джерела. Джерелами електромагнітного випромінювання є заряди, які рухаються.

В якості короткохвильового кордону приймають ділянку 380-400 нм (790-750 ТГц), а в якості довгохвильової – 760-780 нм (до 810нм) (395-385 ТГц)

У фізиці термін «світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто охоплює інфрачервону та ультрафіолетову області спектра.

Світло вивчають такі розділи фізики як оптика та спектроскопія, а вимірювання інтенсивності світла — фотометрія (світловий потік, яскравість, освітленість та інше).

З іншого боку світло – це потік частинок – фотонів, що мають імпульс і несучих енергію.

Тобто можна говорити, що світло має подвійну природу.

Як виникає світло

Світло – це електромагнітна хвиля, отже випромінюється зарядженими частинками, що рухаються з прискоренням, а частинки ці входять до складу атомів речовин. Щоб атоми речовини почали випромінювати, вони повинні отримати енергію ззовні, для цього речовину слід або нагріти, або опромінити.

Отримуючи надлишок енергії, атом переходить у збуджений стан, в якому може перебувати протягом 10-8 с, а потім витрачає надлишкову енергію на випромінювання. Тому сильно нагріті тіла світяться, і їх світіння пояснюється випромінюванням атомами електромагнітних хвиль з довжинами від 380 до 760нм. При цьому кожна речовина випромінює тільки певний набір довжин хвиль, не схожу на інші.

Це відбувається тому, що атоми речовини можуть перебувати в особливих дискретних енергетичних станах, кожному з яких відповідає певна енергія. Випромінювання світла відбувається при переході атома з енергетичного стану з більшою енергією в стан з меншою енергією. Різниця енергій і переноситься випромінюваною хвилею. При цьому процес випромінювання кінцевий в часі і становить приблизно t = 10 ^-8 с, а хвиля, яку випромінює атом, може бути представлена у вигляді невеликої частини синусоїди. Така частина синусоїди має довжину l = c t, тобто l = 3 · 10 ⁸ м / с · 10 ^-8 = 3 м і називається хвильовим цугом (хвильовим пакетом). Випромінювання цугів відбувається відразу великою кількістю атомів речовини незалежно один від одного. Такий потік цугів ми сприймаємо як світло.

Джерела світла

Джерело світла – це тіло, яке випромінює в навколишній простір електромагнітне випромінювання (світло).  Джерело світла називається точковим якщо його розмірами можна знехтувати порівняно з відстанню до нього від місця спостереження.

Розрізняють природні та штучні джерела світла.

• Природні – це джерела світла природа – Сонце, зорі, блискавка, полярне сяйво, комахи, що світяться, деякі рослини.

• Штучні –  це джерела світла які створила людина – лампи, свічки, вогнище, прожектори, світильники та інші.

Залежно від температури розрізняють також теплові та люмінесцентні джерела світла. 

• Теплові – Сонце, свічки, газові паяльники.

• Люмінесцентні – екран телевізора, монітор комп’ютера, люмінесцентні та світлодіодні лампи, деякі живі організми, полярні сяйва.

Світлові явища

Дисперсія світла

Дисперсія світла – явище спектрального розкладання немонохроматичного випромінювання на складові частини по частотах – ν (довжинах хвиль – λ).

Причиною такого розкладу є залежність швидкості світла в середовищі від частоти (довжини хвилі).

Швидкість світла в середовищі υ ═ c / n,

де n – показник заломлення середовища, с – швидкість світла у вакуумі (299 792 458 м/с).

Один з найбільш наочних прикладів дисперсії – розкладання білого світла при проходженні його через призму (дослід Ньютона). Сутністю явища дисперсії є неоднакова швидкість поширення променів світла c різною довжиною хвилі в оптичному середовищі (Світло має однакову швидкість у вакуумі, незалежно від довжини хвилі). Звичайно чим більше частота хвилі, тим більше її показник заломлення в середовищі і менше швидкість поширення в ній: у хвиль довгохвильової (червоною) області спектра вище швидкість в середовищі і менше ступінь заломлення, у хвиль короткохвильової (фіолетовою) області спектра менше швидкість світла в середовищі і більше ступінь заломлення.

Інтерференція світла

Інтерференція світла – це спільна для хвиль будь-якої природи властивість, яка полягає в тому, що хвилі накладаються одна на одну. Внаслідок чого результуючі коливання посилюються або послаблюються залежно від точки простору.

Для отримання стійкої інтерференційної картини необхідно, щоб хвилі які складаються були когерентні. Когерентними називають хвилі з однаковою частотою (періодом) і постійної в часі різницею фаз. Щоб отримати когерентні хвилі необхідно світлову хвилю від одного джерела “розділити” на дві або кілька хвиль. Після проходження різних шляхів ці хвилі, маючи деяку різницю ходу, інтерферують.

Схема отримання інтерференції за допомогою біпризми Френеля.

Хвиля, що йде від джерела світла роздвоюється, в наслідок заломлення світла в двох половинах біпризми. Отримувані хвилі 1 і 2, як би виходять від двох уявних джерел S1 і S2 і є когерентними. Тому в заштрихованої області спостерігається інтерференція. На ділянці АВ екрану спостерігається інтерференційна картина.

Дифракція світла

Дифракція світла – це явище огинання світловими хвилями різних непрозорих перешкод. Явище дифракції пояснює принцип Гюйгенса-Френеля: кожна точка фронту хвилі є джерелом вторинних хвиль – основний фактор, який зумовлює інтенсивність світла в будь-якій точці простору.

Умова спостереження дифракції:

r≥ d² /λ

r – відстань від екрана до перешкоди

d  – розмір перешкоди

λ  – довжина хвилі.

Геометрична оптика ( Розповсюдження світла )

Це розділ оптики який вивчає розповсюдження світла. Довжини хвиль, які сприймаються оком малі, тому поширення видимого світла можна розглядати, відволікаючись від його хвильової природи. Тоді напрямок поширення хвилі можна визначити за допомогою променів – ліній, перпендикулярних хвильовим поверхнях.

В основі геометричної оптики лежать чотири закони:

Закон прямолінійного поширення світла

В оптичному однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.

Закон відбивання

Падаючий і відбитий промені, а також перпендикуляр, проведений до межі двох середовищ у точці падіння, лежать в одній площині, кут падіння α дорівнює куту відбиття β.

Закон заломлення

Падаючий і заломлений промені, а також перпендикуляр, проведений до межі двох середовищ у точці заломлення, лежать в одній площині, відношення синуса кута падіння до кута заломлення ɣ є величина стала для середовищ :

sin α / sin ɣ = n

n – відносний показник заломлення другого середовища від першого.