Задание:
Найти частоту монохроматического излучения, мощностью Р = 3·10–2 Вт, что соответствует интенсивности потока 1014 фотон/с.
Решение:
Фотон
Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).
В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.
Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).
Формулы фотона
Эти формулы являются наиболее важными.
Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)
Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний
Где:
- E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Масса фотона
Где:
- m — масса фотона (в кг),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).
Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).
Импульс фотона
Где:
- p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
- h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- λ — длина световой волны (в метрах).
Длина волны света, период и частота
Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.
Где:
- λ — длина световой волны (в метрах),
- c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
- T — период световых колебаний (в секундах),
- ν — частота колебаний света (в Гц – герц).
Пример решения задачи с данными формулами
Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.
λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м
Формула энергии фотонов: E = h×v
h — постоянная Планка,
v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.
Таким образом, составляем равенство:
E = h × (с/λ) = hc / λ
Вспоминаем другие данные:
c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)
h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)
E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж
Фотон является волной?
Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.
Так он доказал, что:
- свет — это поток фотонов,
- энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
- интенсивность света соответствует количеству фотонов.
Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.
Видимый свет: свойства, диапазон, спектр, источники
Видимый свет – это видимая часть электромагнитного излучения, т.е. видимое излучение, воспринимаемое сетчаткой человеческого глаза.
Видимый свет – единственный тип электромагнитных волн, известный людям с незапамятных времен, хотя его природа была неизвестна до 1860-х годов. Люди были очарованы оптическими явлениями, такими как радуга, видимая на фотографии. На протяжении веков спорили о том, имеет ли свет конечную скорость или распространяется мгновенно.
Из этой статьи вы узнаете, как стала понятна природа света и почему мы видим мир в цветах.
В 1861 году Джеймс Максвелл опубликовал уравнения, в которых доказал, что электричество и магнетизм являются двумя видами одного и того же явления – электромагнетизма. Уравнения Максвелла не только связно объяснили все электрические и магнитные явления, но и предсказали существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света c = 3 * 10 8 м / с. Естественным выводом было предположить, что свет – это электромагнитная волна.
Свойства
Электромагнитная волна характеризуется:
- частотой ν, которая представляет собой число полных циклов изменения магнитного или электрического поля в секунду, выраженное в герцах (Гц), 1 Гц = 1 с -1 .
- длиной волны λ, которая является расстоянием между ближайшими точками, где электрическое или магнитное поле находится в одной и той же фазе цикла.
Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: ν = c / λ , где где c – скорость света.
Диапазон.
Видимый свет охватывает очень узкий диапазон в спектре электромагнитных волн, от 380 до 780 нм. Излучение меньшей длины волны является ультрафиолетовым, а излучение большей длины волны – инфракрасным.
Поэтому мы видим только очень ограниченную часть электромагнитного спектра, для остальной части электромагнитного спектра у нас нет сенсорных клеток, и мы вынуждены прибегать к техническим средствам. Часто информация, которую мы регистрируем с помощью технических средств, таких как инфракрасные камеры, затем “переводится” в цвета, которые мы видим.
Спектр
Человеческий глаз воспринимает свет разной длины волны как впечатление различных цветов (рис. 1).
- фиолетовый от 380 нм до 436 нм;
- синий от 436 нм до 495 нм;
- зеленый от 495 нм до 566 нм;
- желтый, от 566 нм до 589 нм;
- оранжевый 589 нм – 627 нм;
- красный от 627 нм до 780 нм.
Белый свет – это смесь всех цветов. Вы можете увидеть это, разложив свет в призме или посмотрев на радугу, которая возникает в результате дисперсии белого света на капельках воды в облаках.
Как получается, что мы видим мир в красках? Когда белый свет падает на тело, часть излучения поглощается, а часть отражается от его поверхности. Если тело поглощает свет от красного до зеленого и отражает синий и фиолетовый свет, то при рассмотрении в белом свете оно будет иметь оттенок синего или фиолетового, в зависимости от соотношения этих цветов в отраженном свете.
Видимый свет лишь слегка поглощается как атмосферой Земли, так и водой. Эта особенность чрезвычайно важна для жизни на Земле. Ему мы обязаны не только способностью видеть окружающее нас пространство, но и самим происхождением жизни на Земле. Жизнь не могла бы существовать без фотосинтеза, для которого необходим свет.
Свет имеет волновую природу, т.е. он подвержен различным физическим явлениям, характерным для волн, таким как дифракция или интерференция. Но в то же время он имеет корпускулярную природу – он состоит из фотонов, элементарных частиц с нулевым зарядом и массой покоя. Отсутствие массы покоя означает, что фотон не существует в состоянии покоя, он может двигаться только со скоростью света.
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны:
E = h * ν = ( h * c ) / λ, где
где ν – частота волны, λ – длина волны, c = 3 * 10 8 – скорость света, h – постоянная Планка, h = 6,63*10- 34 Дж*с = 4,14*10 -15 эВ·c.
Смешивая вместе красные, синие и зеленые лучи света, можно получить любой цвет. Смешивание света равной интенсивности этих трех цветов дает белый свет (рис. 2). Изменяя пропорцию каждого цвета, можно получить другой цвет. Явление создания новых цветов путем наложения лучей видимого света разной длины называется аддитивным синтезом.
Рис. 2. Аддитивный синтез цвета
Чувствительность человеческого глаза к цветам обусловлена наличием в сетчатке трех типов фоторецепторов, называемых колбочками. Каждый тип колбочек чувствителен к разным цветам света: красному, зеленому и синему. В зависимости от соотношения этих трех цветов, регистрируемых колбочками, в мозге формируется впечатление о полученном цвете.
Центр области видимого света находится на длине волны около 555 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. К свету этого цвета чувствительность глаза наиболее высока. Кривая чувствительности глаза стремится к нулю как на длинноволновой, так и на коротковолновой стороне (рис. 3).
Рис. 3. Чувствительность глаз к свету разной длины волны
Все современные мониторы, телевизоры, цифровые камеры и подобные устройства работают по принципу аддитивного смешивания цветов. Комбинируя цвета RGB (красный, зеленый, синий) в любом количестве комбинаций, можно получить широкий спектр производных цветов на экране.
Источники.
Источником видимого света может быть пламя свечи, газ в люминесцентной лампе или зажженная лампочка, а также отражающий солнечный свет объект.
Спектр частот света или спектр волн света?
Прежде чем читать и разбираться с этой статьёй, необходимо ознакомиться со статьёй ”Что такое волна?“.
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/chtotakoewolna.shtml
Эта статья Ссылки находятся внизу в разделе РЕЦЕНЗИИ
А теперь давайте разбираться, что такое частотный спектр света и как в данном вопросе нас специально дурачат? В астрономии от светящегося объекта наблюдатель принимает спектр частот. Вот пример. Солнечный луч света – это множество цветных линий, которые мы наблюдаем как радугу. Каждая тоненькая линия – это монохроматическая частота (одна частота). Каждую монохроматическую частоту приносят частицы фотоны, обладающие этой одной частотой. Вы заметили, что наблюдать можно только линии частот (радуга), а наблюдать длину волны невозможно потому, что её у фотонов просто нет. Фотоны – это частицы, а у частиц волн нет. Частицы могут только совершать колебания. А это не одно и тоже. У фотонов нет также и характеристики длина волны. У фотонов речь может идти только о частотах или спектрах частот.
Необходимо понимать, что эффект зрения основан на частотах, которые переносятся частицами фотонами и которые колеблются, а не волнуются.
Но везде, где речь заходит о частотах света или спектрах частот, то обязательно сразу в качестве единиц измерения применяют единицы длины волны.
Например. Для человека видимый спектр: от 380нм — фиолетовый цвет до 760нм — красный цвет. Вне этого диапазона наше зрение не видит. Но задумайтесь, ведь глаза видят частоты в виде монохроматических частот, либо смеси частот в виде спектра. А никаких длин волн глаза не видят.
Вот ещё пример. Везде, где графики со спектрами частот, размерность должна быть в Гц. Однако Вас везде обманывают и специально вместо частот всегда пишут размерность длины волны, которой на самом деле у фотонов нет. Например, график солнечного спектра частот, а по оси абсцисс пишут размерность длин волн. Кроме того, одна из главных характеристик солнечного спектра специально называется максимальная длина волны (л) излучения (формула Вина л = b/T) вместо максимальной частоты излучения.
ПРИМЕЧАНИЕ. Назовите прибор, который измеряет длину волны? Таких приборов нет, даже для акустических измерений. В акустике и электромеханике измеряется только частота. Затем все обязаны по акустической формуле V=лv рассчитать длину волны и для акустики и для электромеханики, где V — скорость звука, а л — длина волны. Применение формулы С=лv для излучения, где C — скорость света. Это обман и просто невежественно. Сжимается только акустическая волна V=лv. Фотон – это частица с поперечными колебаниями, и сжать фотон невозможно.
Фотон – частица света. Характеристиками фотонов являются: масса, частота, амплитуда и инерция (энергия).
На рисунке изображена спектральная кривая солнечного излучения. Рисунок взят из справочника. Во всех остальных справочниках и учебниках то же самое. Вы нигде не найдёте рисунок спектра с единицами измерения частоты в Гц, везде по оси абсцисс будут единицы измерения в единицах длины.
Этот обман нужен для того, чтобы подтверждались математические теории Эйнштейна, в которых свет (фотоны) является волной. И, чтобы Вы не забывали, везде Вас обманывают. Где только можно. Везде, где излучение упоминание о частотах будет исключено. Например, микроволновка и так далее.
ПРИМЕЧАНИЕ. На всех графиках, где изображаются частотные спектры, в данном случае, частотный спектр Солнца, по оси абсцисс пишут вместо частот размерность длины волны, которой на самом деле у фотонов нет. Это делается всегда и везде (с 1905 года, года вы-хода в свет СТО Эйнштейна) и специально, чтобы этим подтверждались математические теории Эйнштейна, в которых свет (фотоны) является волной. А свет не волна и пересчитывать всегда частоту в длину волны по акустической формуле С=лv просто обман. Спектр частотный, а не волновой. Спектр частот, но не волн.
Посмотрите на частоты видимого света от 750 ТГц (380нм) до 385 ТГц (760нм). Некоторые видят их впервые потому, что негласно их писать запрещено. Зато в единицах длины все помнят. Как это делается. В утверждённой программе образования можно писать только длины волн и это обязательно для всех. Подумайте, нужна Вам такая утверждённая про-грамма образования?
Не разрешайте себя зомбировать утверждённой программой образования, думайте о том, что Вас заставляют заучивать. Там очень много ошибочного, специально для Вас под-сунутого.
Об ошибках в физике здесь более 100 статей
http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/
Документы по борьбе с инакомыслием в науке.
1. Постановление ЦК ВКП(б) от 25.01.1931г.
Запрещение рассмотрения проблем физических взаимодействий на механической, ма-териалистической основе.
2. Специальное постановление ЦК ВКП(б) от 1934г.
О дискуссии о релятивизме.
Жертвами этого постановления стали Н.А.Козырев и Н.П.Бронштейн.
3. Постановление ЦК ВКП(б) от 05.12.1942г.
4. Постановление Президиума АН от 1964г.
В этом постановлении предписывалось объявлять параноиками всех, кто критикует теории относительности Эйнштейна.
Сразу было выявлено 24 параноика среди учёных.
5. Постановление Президиума РАН от 1998г.
О создании комиссии по борьбе с лженаукой и фальсификации научных исследований во главе с академиком Э.П.Кругляковым.
Комиссия исправно функционирует.
Комиссия не скрывает, что следует принципу: ”Всё, что противоречит теориям Эйнштейна и теории ”Большого Взрыва“, является лженаукой“.
Главные идеологи этого мракобесия С.И.Вавилов, А.Ф.Иоффе, В.Л.Гинзбург.
ДОПОЛНЕНИЕ. Кроме того, частоту собственных колебаний фотонов невозможно экспериментально измерить ни в одном диапазоне.
Во-первых, нет эффектов, позволяющих измерить собственную частоту фотонов (света).
Во-вторых, нет таких частотомеров, которые могли бы измерить, например, собственную частоту фотонов видимого света, которая равна 10 в 15 степени Гц.
Есть только прибор пирометр, который определяет электрическим способом цвет, а да-лее по цвету и выдуманной фальшивой формуле Вина, пожалуйста, Вам и частота.
Все частоты в шкале электромагнитных излучений фальшивые. Например, в радиодиапазоне вместо собственной частоты радиофотонов подсунута частота следования фотонов. Однако это не одно и то же.
Это очень ёмкий вопрос и он изложен в книге С.А.Николаева «Ложь об электромагнит-ной волне и шкале электромагнитных излучений», СПб, 2014г.
А также в 8 издании книги С.А.Николаева «Эволюционный круговорот материи во Вселенной», СПб, 2015г.
|
Величина |
1 |
1 |
|||||||||
|
w = |
εε0 E 2 + |
µµ0 H 2 |
|||||||||
|
2 |
|||||||||||
|
2 |
|||||||||||
|
называется |
объемной |
плотностью энергии |
электромагнитного |
поля. |
|||||||
|
Вектор |
|||||||||||
|
S = E × H |
(1.6) |
||||||||||
|
называется |
вектором |
плотности |
потока |
энергии |
электромагнитного |
||||||
|
поля. |
E |
||||||||||
|
Уравнение (1.5) показывает, что |
вектор |
определяется волновым |
|||||||||
|
уравнением. Отметим, |
что вектор H находится из второго уравнения в (1.1) |
||||||||||
|
после определения вектора |
E. |
Уравнение |
(1.5) |
показывает, |
что |
электромагнитное поле определяется некоторым волновым процессом, поэтому об электромагнитном поле говорят как об электромагнитной волне. Таким образом, электромагнитной волной называют связанные колебания электрического и магнитного полей, причем связь между электрическим и магнитным полями осуществляется посредством уравнений Максвелла ( см. ниже формулы (1.10), (1.11)).
В электродинамике и оптике большое значение имеют плоские монохроматические волны. Электромагнитная волна называется монохроматической , если она зависит от времени по гармоническому закону.
Волна называется плоской, если она зависит только от одной пространственной координаты (см.(1.13)). Плоскую монохроматическую волну можно записать в виде
|
E = Em cos ψ, |
(1.7) |
|
ψ = ω t – k r + α, k r = kx x + ky y + kz z |
Постоянный вектор Em называется амплитудным вектором. Величину ψ называют фазой колебаний, ω — круговой или циклической частотой, постоянный вектор k – волновым вектором, α — начальной фазой.
|
Подставляя (1.7) в (1.5), получаем так называемое |
дисперсионное |
|
соотношение : |
|
|
ω = v k , k = |k| |
(1.8) |
|
Период колебаний T связан с ω соотношением |
ωT = 2π
Величина ν = 1/T называется частотой колебаний ( ν определяет число колебаний векторов E, H в фиксированной точке пространства за 1с ).
10
|
Величина k называется волновым числом. |
Этот параметр определяет |
|
длину электромагнитной волны λ: |
|
|
λ = 2π / k |
(1.9) |
Размер λ характеризует пространственный период распределения полей E и H в плоской монохроматической волне в фиксированный момент времени ( см. рис.1.1).
Волновой вектор k указывает на направление распространения электромагнитной волны. Действительно, из первого уравнения Максвелла в (1.2) следует E k = 0. Поэтому E k . Разыскивая вектор Н в виде
H = Hm cos ψ,
для неизвестного амплитудного вектора Hm из второго уравнения в (1.1) получим
µµ0
Беря по модулю это соотношение, с учетом (1.8) получим следующую связь между амплитудами электрического и магнитного полей
Из (1.10)следует, что H k , H E . Таким образом, векторы H , E, k взаимно ортогональны. Это обстоятельство позволяет изобразить картину распространения волны в виде, указанном на рис.1.1, откуда видно, что волна движется вдоль вектора k.
Е
λЛуч света
k
H
Рис.1.1. Пространственная картина распределения напряженностей электрического и магнитного полей в плоской монохроматической волне
11
Вектор плотности потока энергии электромагнитного поля в плоской монохроматической волне выражается как
|
S = E× H = |
E 2 |
k |
(1.12) |
|
|
µµ ω |
||||
|
0 |
Отсюда видно, что плотность потока энергии электромагнитного поля совпадает с направлением движения электромагнитной волны. Направим ось x вдоль вектора k . Тогда
|
ψ =ω t −k x +α |
(1.13) |
|||
|
Поверхность постоянной фазы ψ |
= |
соnst |
называется |
фронтом |
|
волны или волновой поверхностью. |
Скорость движения фронта волны |
|||
|
называется скоростью распространения |
волны. |
Из (1.13) |
видно, что |
координата точки поверхности фронта волны x является функцией времени, а производная dx/dt будет скоростью волны.
Дифференцируя соотношение (1.13), с учетом (1.8), получим
dx/dt = ω /k = v
Таким образом, v — это скорость распространения электромагнитной волны в среде. В вакууме ε = µ = 1, поэтому
v = c =1 / 
ε0µ0 = 3×108 м/ с
Величину
называют абсолютным показателем преломления среды. Отметим что между частотой ν , длиной волны λ и скоростью света в среде v имеют место следующие соотношения:
|
ν = v / λ, v = c / n |
(1.15) |
Первая формула являются следствиями дисперсионного соотношения
(1.8).
1.3. Основные характеристики света
12
Чтобы определить понятие «короткие электромагнитные волны», обратимся к шкале электромагнитных волн
|
104 |
1 |
10-4 |
10-8 |
λ, см |
|||||||||||||||||
|
3·106 |
3·1010 |
3·1014 |
3·1018 |
υ, Гц |
|||||||||||||||||
|
Длин- |
Сред- |
Корот- |
Ультра- |
Инфра- |
Свет |
Ультра- |
Рентге- |
γ |
|||||||||||||
|
ные |
ние |
кие |
короткие |
||||||||||||||||||
|
красные |
фиолето- |
новские |
лучи |
||||||||||||||||||
|
Радиоволны |
лучи |
выe лучи |
лучи |
||||||||||||||||||
Из таблицы видно, что коротковолновая часть спектра определяет
Электрические колебанияλ
световые волны с длинами ~ 1 мкм. ЕслиМолекуляговоритьн – атомныеточныхколебаниязначениях,
вибраторов
то частоты и длины световых волн определяются значениями
0,39 мкм ≤ λ ≤ 0,76 мкм, ν = (0,4 − 0,75) 1015 Гц
Электромагнитные вволны этого диапазона называются светом потому, что они воспринимаются человеческим глазом. Выделенный
диапазон световых волн является условным, так как глаз человека реагирует не только на частоту колебаний. но и на интенсивность. По этой причине можно наблюдать яркое свечение лазерного луча с длиной волны 0,85 мкм.
Уместно отметить, что глаз человека наиболее восприимчив к свету с длиной волны 0,555 мкм ( зеленый свет ) и именно эта часть спектра света в оптическом диапазоне наиболее интенсивно излучается Солнцем.
Для большинства оптически прозрачных сред ( то есть пропускающих свет ) имеет место µ ~ 1 , поэтому можно считать
Опыт показывает, что диэлектрическая проницаемость среды является функцией частоты электромагнитного поля ε = ε(ν). Типичная частотная
зависимость ε(ν) представлена на рис. 1.2.
13
ε
|
103 |
106 |
109 |
1012 |
1015 |
υ, Гц |
Рис. 1.2. Частотная зависимость ε(ν) : ε нч — низкочастотная; ε рч — радиочастотная; ε ин — инфракрасная; εопт — оптическая
Данные на рис.1.2 показывают, что формулу (1.16) следует писать в виде
|
n = εопт |
|
|
В качестве примера укажем, что для воды εнч = 81, |
εопт =1,77 . |
|
Подобная зависимость ε(ν) обусловливается различными |
механизмами |
поляризации вещества и объясняется теорией поляризации диэлектриков
[1].
Всилу того, что скорость света в вакууме всегда больше скорости света
всреде с > v , значения показателей преломления различных сред больше единицы n > 1.
Опыт показывает, что взаимодействие света с веществом обусловливается в основном только взаимодействием с электрическим полем электромагнитной волны, то есть с вектором Е. По этой причине вектор Е называют световым вектором.
Согласно (1.6) электромагнитное поле переносит энергию. Так как частота изменения электромагнитного поля чрезвычайно велика, то измерительные приборы (и глаз человека ) обычно фиксируют среднюю величину модуля потока энергии, определяемого как
|
t0 |
||
|
<| S |> = t0 |
−1 ∫| S(t + t1 ) | dt1 |
(1.18) |
|
0 |
где t0 — время наблюдения волны, которое значительно больше периода колебаний t0 >> Т = 1/ ν.
Средний модуль плотности потока электромагнитной энергии называют интенсивностью света и обозначают как I :
I = < | S | >
14
Используя связь (1.11) между амплитудами получаем следующее выражение для интенсивности плоского монохроматического света
|
I = CnEm |
2 = CnA2 , C = |
1 |
ε0 |
= |
1 |
Ом-1 |
(1.19) |
|
2 |
µ0 |
754 |
|||||
|
где А = Em — амплитуда светового вектора. |
Отметим, |
что в дальнейшем |
ради удобства обозначений для амплитуды светового вектора будем пользоваться различными обозначениями: Em , A, E0 , b и так далее. Обратим внимание, что интенсивность света зависит только от амплитуды волны и характеристик среды, но не зависит от частоты света ( или его длины волны ).
Упражнение. Используя формулы (1.7) и (1.12), доказать справедливость соотношений (1.19).
Свет называется естественным , если электромагнитная волна является суперпозицией ( суммой ) волн различной длины и различной ориентации световых векторов.
Свет называется поляризованным, если вдоль луча световой вектор каким либо образом упорядочен. Например, в случае плоской монохроматической волны световой вектор находится в плоскости, проходящей через луч и световой вектор. В этом случае свет называют плоскополяризованным. Если конец светового векра описывает вдоль луча винтовую линию, то его такую волну называют эллиптически поляризованной. Эллиптическая поляризация света имеет место при прохождении через растворы, содержащие органические вещества, например, в растворах сахара.
Линия, вдоль которой распространяется световая энергия, называется лучом. Из определения следует, что вектор плотности потока световой энергии S является касательным к лучу ( рис.1.3 ). Если исходить
|
из квантовой природы света, |
то лучи — это траектории движения фотонов |
|||
|
( см. раздел 8 ). |
||||
|
E2 |
||||
|
Световые вектора |
E1 |
Луч света |
||
Ei
Рис.1.3.Световые векторы Ei , суперпозиция которых образует белый свет, ортогональны направлению луча естественного (белого) света
15
В системе СИ характеристики электромагнитного излучения имеют следующие единицы измерения.
|
[E]= В/ м, |
[H ]= А / м, |
[I ]= Вт / м2 , |
||
|
[ν]= Гц =1 / с, |
[λ]= м =106 мкм, |
|||
|
ε0 = 8,85 ×10−12 ф / м, |
µ0 =12,57 ×10−7 гн / м, |
с = 3×108 м / с |
Приведем значения показателей преломления некоторых прозрачных сред
|
Вещество |
n |
|
Вода |
1,33 |
|
Лед |
1,31 |
|
Стекло |
1,5 — 1,9 |
|
Алмаз |
2,45 |
Таким образом, к основным характеристикам света относят такие понятия: частота и длина волны света, понятие монохроматического, естественного и поляризованного света, интенсивность, луч, волновой вектор и волновое число, дисперсионное соотношение ( связывающее частоту и длину волны света ), световой вектор и его ориентация относительно луча.
ЗАДАЧИ. Задача 1.1.
Длина волны монохроматического света в вакууме равна λ0 =0,5 мкм.
Найти частоту и длины волн этой световой волны в воде и стекле. Решение. Частота колебании света согласно (1.15) выражается как v = c / n = 3 108 (м/ c) / 0,5 10−6 (м) = 6 1014 Гц. При переходе из одной
среды в другую не изменяется частота света и изменяется скорость света согласно v = c/n и длина волны. Отсюда получаем v = c / λ0 = c /(nλ) , что
дает λ = λ0 / n . В случае воды λ = 0,5 мкм / 1,33 = 0,376 мкм, стекла
λ = 0, 333 мкм.
16
Любой свет представляет собой электромагнитное излучение, которое воспринимается глазом. Согласно различным теориям физики, он может считаться как волной, так и потоком фотонов – в зависимости от ситуации. Субъективной характеристикой света является цвет, который воспринимается человеческим глазом. Для монохроматического излучения он определяется частотой волны, а для сложного – спектральным составом.
Общее понятие
Монохроматический свет – это световые колебание волн, которые имеют одинаковую частоту. К нему можно отнести как часть воспринимаемого глазом спектра, так и невидимого (инфракрасный, рентгеновский, ультрафиолетовый).
Под монохроматическим понимают излучение электромагнитных волн, которые имеют одинаковую длину и частоту колебания. Как видим, эти два определения тождественны. Можно сделать вывод, что монохроматический свет и монохроматическое излучение – это одно и то же.
Получение света одного тона. Монохроматоры
В естественных условиях нет источника, который бы испускал свет с одной длиной волны и одинаковой частотой колебания. Монохроматический свет получают при помощи специальных приборов, которые называют монохроматорами. Это возможно различными способами. Для первого варианта используются призматические системы. С их помощью выделяют поток с необходимой степенью монохроматичности.
Второй метод, который позволяет выделить монохроматический пучок света, основывается на свойствах дифракции и применении дифракционной решетки. Третьим способом получения является производство газоразрядных ламп или источников света, в которых при испускании волны происходит только один электронный переход.
Применение монохроматического света и приборов его излучения
Самым простым примером может служить лазер. Его создание стало возможным благодаря дискретным свойствам света. Использование лазерных лучей отличается многогранностью: их применяют в медицине, рекламе, строительстве, промышленности, астрономии и многих других сферах. При этом длина волны монохроматического света, испускаемого прибором, благодаря его конструкции может быть строго постоянной. По времени это может быть как непрерывный, так и дискретный свет. Также к монохроматорам относят различного рода спектрометры, которые применяются в самых разных сферах.
Монохроматический свет и его влияние на организм человека
Основными спектральными цветами являются красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Существует направление медицины, которое изучает их влияние на организм человека. Называется оно офтальмохромотерапией.
Использование красного света помогает в избавлении от различных заболеваний верхних дыхательных путей. Оранжевый помогает улучшить кровообращение и пищеварение, ускоряет регенерацию мышечной и нервной ткани. Желтый цвет благотворно влияет на работу желудочно-кишечного тракта и оказывает очищающее воздействие на весь организм.
Зеленый способствует излечению гипертонии, неврозов, утомления, бессонницы. Голубой благодаря своим антибактериальным свойствам способен снять воспалительные процессы в горле. Также его применяют при лечении ревматизма, экземы, витилиго, гнойных высыпаний на кожных покровах. Синий монохроматический свет благотворно влияет на парасимпатическую нервную систему и гипофиз, а фиолетовый повышает тонус мышц, головного мозга, глаз, позволяет нормализовать работу органов ЖКТ и нервной системы в общем.
Как видно из вышесказанного, однотонный свет необходим не только для идеализированных экспериментов физиков, он способен приносить реальную пользу здоровью, не говоря уже о промышленности и других сферах человеческой деятельности.
На
дифракционную решетку с периодом 60 мкм нормально падает монохроматическая
электромагнитная волна. Определите ее частоту, если угол между первым и вторым
максимумами равен 5,7 ͦ.
Решение.
Общее
условие образования максимумов при дифракции волн на дифракционной решетке
получаем для третьего и четвертого максимумов имеет следующий вид.
Замечая,
что при малых углах sin α
≈ α и учитываем соотношение между длиной волны и частотой, получаем u.
