Сегодня расскажем, почему световое излучение – это важнейшее понятие современной физики. Также будут описаны свойства квантов электромагнитной энергии и история их изучения.
Солнце и луна
В мировой культуре существует множество мифов о возникновении и поведении главных небесных светил. Где-то они брат и сестра, где-то – муж и жена, какие-то народы верят, что это фрукты мирового древа, какие-то – что это драгоценные камни и боги. И все легенды были созданы в попытке понять, почему световое излучение – это порождение Солнца и Луны.
Часто открытия происходят случайно, и путь науки далеко не такой прямой, как кажется. Например, для первоначального понимания танца небесных тел понадобилась религия, которая сначала запретила исследовать феномен, а потом сама же и попросила ученых об этом.
Пасха и квант
В шестнадцатом веке Римский папа Лев X решил усовершенствовать таблицы для вычисления даты наступления праздника Пасхи. Понять, когда именно наступает этот день, невероятно сложно, потому что требуется соединить три разные системы отсчета времени: дни недели, солнечный и лунный циклы.
- Пасха – это непременно воскресенье.
- Праздник всегда наступает после дня весеннего равноденствия.
- Важно, чтобы полнолуние уже прошло к моменту прихода Пасхи.
- Еще одним условием являлось несовпадение иудейской, католической и православной традиций.
Сейчас этот день можно предсказать на тысячелетие вперед, но раньше таблицы для вычисления были верны пять-шесть лет, а затем надо было проводить новую подгонку дат. Такая низкая точность была связана с полной уверенностью цивилизованных людей, что Земля – плоская, находится в центре мироздания, а видимые изменения планет, Солнца и Луны объяснялось наличием эпициклов, маленьких дополнительных кружков, по которым вращаются небесные тела.
Все это доставляло массу хлопот при вычислениях. Чтобы не возиться с этим каждый раз, Лев X заказал исследование у астрономов того времени. И они пришли к удивительному открытию: Земля - не центр вселенной, источник светового излучения – это Солнце, а Луна только отражает свет и сама является чем-то вроде планеты. Древнее исследование привело в дальнейшем к пониманию электромагнитной и квантовой природы света.
Ньютон и Фарадей
В семнадцатом-восемнадцатом веках английский ученый Исаак Ньютон задался вопросом: «Что такое солнечный луч?» Школьники знают его как автора закона всемирного тяготения, но он изучал и оптику. В итоге Ньютон пришел к выводу, что световые волны излучения Солнца раскладываются на цветные составляющие, то есть превращаются в радугу. И тем самым заложил основы понимания волновой природы света.
А в двадцатом году девятнадцатого века английский же физик Майкл Фарадей доказал: ток (и вообще любой движущийся заряженный объект) – источник электромагнитного поля. Чтобы понять, что световое излучение – это квант электромагнитного поля, потребовалось изобрести принципиально новую физику мира элементарных частиц.
Планк и кот Шредингера
Началась эра кванта с исследования нагретых тел. Из классической физики было известно, что тепловое излучение непрерывно. Максимум этого спектра был связан с температурой тела формулой Рэлея-Джинса. Она хорошо описывала экспериментальные данные при маленьких длинах волн, а вот в синей области спектра начинались проблемы: энергия любого объекта была настолько велика, что могла бы уничтожить вселенную. Этот феномен получил название ультрафиолетовой катастрофы.
В 1900 году Макс Планк пытался написать такую формулу для энергии светового излучения нагретого тела, исключающую сценарий разрушения мира. При этом немецкий физик был вынужден ввести величину, которую он назвал квантом действия. И этот термин обозначал наименьшую порцию электромагнитного поля.
Сам Планк считал квант не более чем математической уловкой, но другие ученые осознали потенциал такого открытия. Целая школа исследователей (среди них были Альберт Эйнштейн, Эрвин Шредингер, Вернер Карл Гейзенберг) создали новое направление в науке – квантовую физику. Благодаря им люди поняли наконец, почему атомы излучают и что такое свет.
Однако Макс Планк долго не принимал фундаментальности своего открытия. Он спорил с коллегами и даже придумал парадокс с котом Шредингера, который и жив, и мертв одновременно. Какое-то время ученый пытался разными математическими ухищрениями обойти квант в формуле излучения абсолютно черного тела. Но у него ничего не вышло, и в конце концов он сдался.
Что такое свет?
Благодаря деятельности этих замечательных и смелых ученых теперь мы знаем: свет – это квант электромагнитного излучения, который имеет свойства как волны, так и материальной частицы.
- Длина волны светового излучения – это расстояние между двумя соседними максимумами колебания электромагнитного поля. Обозначается буквой λ. Вообще говоря, это расстояние между одинаковыми фазами соседних колебаний одной волны. Но на рисунке более наглядно можно продемонстрировать именно расстояние между «горбами» или «ложбинами». Длина волны измеряется в метрах с соответствующей приставкой. Например, видимое излучение – это кванты с λ от 380 до 780 нанометров (нм).
- Частота светового излучения – это количество волн, которое укладываются в единицу времени (в секунду). Данная характеристика скорее временная, чем пространственная. Она обозначается греческим символом ν или латинской буквой f.
- Амплитуда электромагнитного колебания – это высота максимумов и минимумов колебания. В общем случае показывает напряженность электрического и магнитного полей, которые изгибаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.
- Масса частицы – причина того, что у света есть импульс. Эта характеристика подтверждает: квант электромагнитного поля (называется фотон) – это частица! Правда, не стоит забывать, что масса покоя у нее равна нулю, а это значит, что она существует только в движении.
Частота и длина волны света связана соотношением λν = c, где c – скорость света в вакууме. Чем ниже длина волны и выше частота, тем выше энергия волны.
Одна или много?
Если мы рассмотрим один фотон, то он будет обладать всеми описанными выше характеристиками. Но есть эффекты и величины, которые возникают, только если речь идет о массовом эффекте.
Например, любой человек знает: на закате интенсивность солнечного света меньше. В это время на диск центрального светила можно спокойно смотреть незащищенными глазами. Тогда как на солнце в зените даже взглянуть опасно – можно кратковременно ослепнуть и потерять ориентацию в пространстве. И причина тому – кривизна нашей планеты. Чем ниже садится солнце, тем более толстый слой атмосферы проходят его лучи, и тем больше их поглощается.
На поверхность земли при этом попадает все меньше и меньше фотонов. Это явление можно описать изменением мощности светового излучения.
Световой поток и человеческий глаз
При этом световой поток – это совершенно конкретный физический термин. И сейчас мы раскроем его значение.
Чем больше фотонов падает на квадратный метр площади за единицу времени, тем больше мощность потока излучения.
Если количество квантов света фиксирует беспристрастная машина, она покажет верное с точки зрения физики значение. Но у человеческого глаза есть максимум, который он видит наиболее хорошо, а все остальные частоты зрение улавливает хуже. То есть красных и фиолетовых фотонов люди видят меньше, чем их падает на поверхность, а вот зеленые воспринимаются лучше. Так вот, световой поток – это поток излучения, в который внесена поправка на спектральную чувствительность человеческого глаза.
Ядерный реактор и взрыв
У любой науки есть обратная, темная сторона. Как только был изобретен механический блок, его стали использовать для создания метательных машин. Как только химики продвинулись в изучении материи, их знания стали использовать против людей. И атом повысил мощь человеческих боевых возможностей до полного уничтожения себя и планеты.
Как известно, ядреная реакция – источник множества видов частиц и излучений. Даже очень чистое химическое радиоактивное вещество производит нейтроны, альфа-, бета-, гамма-излучение, а также электромагнитные волны всех диапазонов. Световое излучение взрыва поражает намного сильнее непосредственно ударной волны. Ожоги долго лечатся и оставляют шрамы. Более серьезные повреждения живой материи приносит только радиоактивный компонент этого акта бесчеловечности, взрыва атомной бомбы.
