Большинство людей воспринимают свет как нечто само собой разумеющееся и даже не задумываются о его физической природе. Хотя ученые уже занимались вопросом оптического изображения еще в древности, более серьезные размышления о природе света относятся к XVII веку.
В 1678 году Христиан Гюйгенс (1629–1695) представил Парижской академии трактат о природе света как продольной волны. Однако Исаак Ньютон (1643 – 1727) считал свет потоком частиц. Его авторитет привел к преобладанию корпускулярного представления о свете до конца 18 века.
Только в 19 веке произошло большое развитие волновой теории, подкрепленное научными открытиями в области электричества и магнетизма.
Сегодня мы знаем, что свет — это поперечные электромагнитные волны в достаточно узком диапазоне длин волн, которые одновременно проявляются в виде потока фотонов. Так что можно использовать обе теории. Но прежде чем этот результат был достигнут, знание должно было пройти долгий путь развития.
Только после открытия гальванического элемента в 1799 году Алессандро Вольта (1745 – 1827) смогли начаться систематические исследования в области электричества.
В 1820 году Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а значит, электричество и магнетизм должны быть как-то связаны.
Кроме того, Андриен-Мари Ампер (1775 – 1836) предсказал и доказал взаимное силовое действие электрических токов и сформулировал закон Ампера.
Майкл Фарадей (1791 – 1867) открыл электромагнитную индукцию и сформулировал закон Фарадея. Это проложило путь Джеймсу Клерку Максвеллу (1831 – 1879), который в своих четырех уравнениях (после сокращения первоначальных восьми) обобщил все, что было известно к тому времени об электричестве и магнетизме, создав единую теорию электромагнитного поля.
Из них следует, что временное изменение электрического поля возбуждает магнитное поле и, наоборот, временное изменение магнитного поля возбуждает электрическое поле.
Из них также следует, что оба поля распространяются в виде волн со скоростью света, которая конечна. Произведение диэлектрической и магнитной проницаемости среды дает обратную величину квадрата скорости света.
Таким образом, электромагнитные волны были предсказаны теоретически задолго до того, как они получили экспериментальное подтверждение.
Совпадение скорости их распространения со скоростью света было настолько поразительным, что привело Максвелла к мысли, что в этих волнах заключается сущность света.
К теории Максвелла все долгое время относились с большим недоверием. Электромагнитные волны не были экспериментально подтверждены, и их существование казалось очень невероятным в глазах физиков того времени. Сам Максвелл не видел подтверждения своей теории.
Всего через девять лет после его смерти этого добился Генрих Рудольф Герц (1857 – 1894), проделавший опыты с искровым разрядом между двумя концевыми электродами и получивший ответ антенной.
Так, он экспериментально продемонстрировал электромагнитные волны с длиной волны короче одного метра, но не придал этим волнам никакого практического значения. Однако вскоре эта ошибка была опровергнута Маркони, Теслой и Поповым открытием беспроводного телеграфа.
Таким образом, электромагнитные волны перестали быть простой гипотезой и стали частью всеобъемлющей физической теории электромагнитного поля.
Как на самом деле выглядит такая волна, можно увидеть на рисунке.
Как уже говорилось, временное изменение электрического поля возбуждает магнитное поле и наоборот. Векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и возбуждают друг друга.
Последовательная электромагнитная волна распространяется в направлении, перпендикулярном обоим этим векторам. (В результате поляризации может происходить периодическое закручивание плоскости колебаний каждого вектора и периодическое изменение амплитуды. Но это выходит за рамки данной статьи.)
Однако длины волн электромагнитных волн (или электромагнитного излучения) могут быть в очень широком диапазоне. Из них видимое излучение образует лишь узкую область в интервале длин волн 380 нм - 760 нм, и каждой длине волны соответствует определенный цвет.
По мере увеличения длины волны в этом интервале цвета постепенно переходят от фиолетового через синий, зеленый и желтый к красному.
Мы воспринимаем солнечный свет как белый, потому что он состоит из непрерывного спектра всех цветов. Спектр его, рассеиваемый призмой или оптической решеткой, наверняка известен каждому, как каждый видел на небе радугу.
Отдельные участки спектра электромагнитных волн четко расположены на рисунке.
Более короткие длины волн, чем видимое излучение, имеют ультрафиолетовое (УФ) излучение 10–8 м - 3,8·10–7 нм, еще более короткие длины волн имеют рентгеновское излучение 10–11 м - 10 –8 м, а самая короткая длина волны – гамма-излучение < 10–11 м.
Более длинные волны, чем видимое излучение, – это инфракрасное (ИК) излучение 7,6·10–7 м - 10–4 м, еще длиннее длины волн имеют микроволны 10–4 м - 10–1 м, а самые большие длины волн имеют радиоволны > 10–1 м.
Интерфейсы отдельных областей строго не определены и могут незначительно отличаться в литературе.
Все названные виды излучений имеют одну сущность, но свойства их весьма различны. Поэтому разные виды излучения могут использоваться в разных областях физики и техники.
Электромагнитный спектр — совокупность всех диапазонов электромагнитного излучения в зависимости от частоты или длины волны
Интересным свойством электромагнитных волн является их уже упомянутый дуалистический характер. Они ведут себя одновременно как волны и как частицы.
Для излучения с большей длиной волны преобладает волновой характер, для излучения с меньшей длиной волны преобладает корпускулярный характер.
В электромагнитной волне энергия не распространяется непрерывно, а концентрируется в некоторых сгустках - квантах, под которыми понимаются квазичастицы, т.е. частицы с нулевой массой покоя. С этой точки зрения свет также имеет корпускулярную природу и говорят о корпускулярно-волновом дуализме.
Благодаря своей волновой природе электромагнитные волны подчиняются всем волновым законам, таким как закон отражения и преломления на границе раздела двух сред или явление интерференции на тонких слоях или после дифракции на оптической решетке. (Общеизвестные законы мы приводим без дополнительных объяснений, так как данная статья не заменяет учебника физики.)
Сдвиг частоты излучения за счет эффекта Доплера в сторону красного края видимого излучения известен по наблюдениям далеких звезды и галактики как красное смещение.
Периодические изменения частоты из-за эффекта Доплера, вызванного обращением звезды вокруг общего центра масс с большой планетой, являются косвенным свидетельством существования больших планет у некоторых звезд.
Следствием корпускулярного характера являются явления, попадающие в область квантовой механики.
Излучение проявляется как поток частиц, точнее квазичастиц, называемых фотонами. В соответствии с частотой соответствующей электромагнитной волны фотоны имеют энергию
E = hn,
где n — частота, а h — постоянная Планка, названная в честь одного из основателей квантовой механики Макса Планка (1858 – 1947).
Поскольку длина волны обратно пропорциональна частоте и прямо пропорциональна периоду колебаний согласно соотношению c/n = cT, фотоны с меньшей длиной волны обладают большей энергией.
Если фотоны видимого излучения имеют энергии в интервале 1,63 эВ - 3,27 эВ, то энергии фотонов g-излучения порядка мегаэлектронвольт, и, наоборот, например, фотоны микроволнового излучения имеют энергии фотона только порядка тысячных долей до сотен электрон-вольт.
Из всего широкого спектра электромагнитных волн светом называется только узкая область видимого излучения.
Примеры корпускулярных проявлений электромагнитного излучения включают фотоэлектрическое явление взаимодействия падающих фотонов со свободными электронами внутри вещества, эффект Комптона или рождение или аннигиляцию пар частиц и античастиц.
Здесь следует также упомянуть вклад Альберта Эйнштейна (1879 – 1955), получившего Нобелевскую премию в 1921 г. за объяснение упомянутого фотоэлектрического явления.
Именно Эйнштейн ввел термин «фотон» для квазичастиц света и, основываясь на явлении аннигиляции частиц с образованием не менее двух фотонов излучения g, доказал связь между материей и энергией согласно известному уравнению Е = мс2.
Он также теоретически предсказал гравитационное линзирование или влияние гравитационного поля на фотоны и возникающее в результате искривление пути света вблизи очень массивных объектов.
Эта кривизна была впервые подтверждена экспериментально в 1919 году во время полного солнечного затмения экспедицией Артура Эддингтона.
Фотоны жесткого ультрафиолетового излучения и всех высших энергий опасны для живых организмов, поскольку повреждают клетки.
Земля защищена от них озоновым слоем в верхних слоях атмосферы, который отфильтровывает излучение с длинами волн короче 290 нм. Поэтому больше всего излучения приходится на поверхность Земли именно в видимой области спектра, и поэтому неслучайно человеческое зрение выработало чувствительность именно к этому диапазону длин волн.
Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью к излучению с длиной волны 550 нм, что соответствует максимальной интенсивности, падающей на поверхность Земли.
Зрение других животных, живущих в определенных условиях, может быть слегка смещено либо в инфракрасную, либо в ультрафиолетовую сторону видимого излучения.
Смотрите также: Отражение, преломление и поглощение светового потока