Пояснення тотожності електромагнітних хвиль зі світовими на основі рівнянь Максвелла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла

Теорія Максвелла, будучи узагальненням основних законів електричних і магнітних явищ, не тільки змогла пояснити вже відомі до того часу експериментальні факти, що також є важливим її наслідком, але і передбачила нові явища. Так, було передбачено існування электромагнитньх хвиль - змінного електромагнітного поля, що поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. В подальшому було доведено, що швидкість розповсюдження вільного електромагнітного поля (не пов'язаного з зарядами і струмами) вакуумі дорівнює швидкості світла. Даний висновок і теоретичне дослідження властивостей електромагнітних хвиль призвели Максвелла до створення електромагнітної теорії світла, за якою світло являє собою електромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі були вперше виявлені німецьким фізиком Р. Герцем (1857-1894), довели, що закони їх порушення і розповсюдження повністю описуються рівняннями Максвелла.

Згідно сучасним уявленням, електромагнітна природа світла - це лише один різновид прояви світла. Інша різновид характеризується його квантової природою. Таке двоїсте подання природи світла склалося в внаслідок тривалого розвитку теорії світла.

В кінці XVII ст. майже одночасно виникли дві, здавалося б, взаємовиключні теорії світла: І. Ньютон запропонував теорію, згідно якої світло являє собою потік світлових частинок (корпускул), що летять від світного тіла за прямолінійним траєкторіях; сучасник В. Ньютона, нідерландський фізик X. Гюйгенс (1629-1695) висунув хвильову теорію, що розглядає світ як пружну хвилю, поширюється у світовому ефірі.

Протягом ста з гаком років корпускулярна теорія мала набагато більше прихильників, ніж хвилева. Проте на початку XIX ст. французькому фізику О.Ж. Френеля (1788-1827) вдалося на основі хвильових уявлень пояснити всі відомі на той час оптичні явища. В результаті хвильова теорія світла отримала загальне визнання, а корпускулярна теорія була забута майже на сторіччя. В 1851 р. французький вчений Ж.Б.Л. Фуко (1819-1868), вимірявши швидкість світла у воді, отримав ще одне експериментальне доказ справедливості хвильової теорії.

Спочатку вважалося, що світло - це поперечна хвиля, яка поширюється в гіпотетичній пружною середовищі, ніби то заповнює весь світовий простір і отримала назву світового ефіру. Після створення електромагнітної теорії на зміну пружним світловим хвилям прийшли електромагнітні хвилі.

В кінці XIX - початку XX ст. ряд нових дослідів змусив знову повернутися до подання про особливі світлових частинках - фотонах. Було встановлено, що світло має двоїсту природу, поєднуючи в собі як хвильові властивості, так і властивості, притаманні частинкам. В одних явищах, таких, як інтерференція, дифракція та поляризація, світло поводиться як хвиля, в інших (фотоефект, ефект Комптона) - як потік частинок (фотонів).

Теорія Максвелла і її експериментальне підтвердження приводять до єдиної теорії електричних, магнітних і оптичних явищ, що базується на уявленні про електромагнітному полі.

Згідно електромагнітної теорії Максвелла: , Для повітря, або вакууму ε = 1, μ =1 , що співпадає із швидкістю світла;

, де c і υ - відповідно швидкості поширення світла у вакуумі та в середовищі з діелектричною проникністю ε і магнітною проникністю μ; n - показник заломлення середовища.

Дане співвідношення пов'язує оптичні, електричні та магнітні характеристики речовини. За Максвеллу, ε і μ - величини, які не залежать від довжини хвилі світла, тому електромагнітна теорія не змогла пояснити явище дисперсії (залежність показника заломлення від довжини хвилі). Ця трудність була подолана в кінці XIX ст. Х.А. Лоренцем (1853-1928), запропонував електронну теорію, згідно якої діелектрична проникність залежить від довжини хвилі світла. Теорія Лоренца, заснована на припущенні про коливання електронів всередині атома, дозволила пояснити явища випромінювання і поглинання світла речовиною.

Світлові хвилі займають лише невеликий інтервал шкали електромагнітних хвиль. Вони охоплюють діапазон від 380 до 770 нм (1 нм = 10-9 м).

Все оточуюче нас простір пронизаний електромагнітним випромінюванням. Сонце, що оточують нас тіла, антени радіостанцій і телевізійних передавачів випускають електромагнітні хвилі, які в залежності від частоти носять різні назви: радіохвилі (РХ); інфрачервоне випромінювання (ІЧ); видимий світ (В); ультрафіолетове випромінювання (УФ); рентгенівські промені (РЛ); гамма-випромінювання (γ).

На відміну від механічних хвиль, які поширюються в речовині - газі, рідині чи твердому тілі, електромагнітні хвилі можуть поширюватися і у вакуумі.

Основні фотометричні величини та їхні одиниці.

Фотометрія - це розділ оптики, який вивчає світлові потоки джерел світла (їх випромінювання, властивості та вимірювання), а також джерела світла та сприймання їх випромінюваної енергії приладами та оком людини.

Фотометрію поділяють:

на «об’єктивну» фотометрію (оперує поняттями енергії, потужності та потоку енергії і застосовна до будь-яких хвиль) та

на «суб’єктивну» фотометрію (оперує величинами, котрі спираються на характер сприймання світла оком людини).

Джерелом світла вважатимемо тіла, котрі випромінюють електро-магнітні хвилі оптичного діапазону (видимі, інфрачервоні та ультрафіолетові промені). Місяць не є справжнім джерелом світла, оскільки його свічення зумовлене відбиванням сонячного випромінювання.

Класифікація джерел світла.

Джерела світла поділяють:

1. по розміру на:

- точкові;

- протяжні (неточкові);

2. по кольору свічення на:

- монохроматичні (одноколірні);

- немонохроматичні (білі, багатоколірні);

3. по способу реалізації (створення) світіння на:

- теплові (дуже нагріті);

- нетеплові (холодні як світні бактерії, світлячки та газорозрядні лампи);

4. по виду випромінюваних хвиль на:

- когерентні (наприклад, лазери);

- некогерентні (усі інші джерела);

5. по характеристиках їх конструктора на:

- природні (Сонце, зорі, галактики…);

- штучні (створені людиною).

Усі штучні джерела перетворюють у світлову енергію певний інший вид енергії.

Наприклад, лампочка розжарення споживає енергію Ео (Дж) від електромережі, має потужність

Ро = Ео/t (Вт),

а у світлову енергію Еν вона перетворює лише 3-5% спожитої. Тому її світлова потужність:

Рν = Еν/t (Вт)

значно менша від електричної. У суб’єктивній фотометрії цю величину називають повним світловим потоком джерела (Ф) і вимірюють його не у ватах, а в люменах: [Ф] = лм.

1лм – це світловий потік, випромінюваний точковим джерелом світла в одну свічку всередині одиничного тілесного кута в один стеррадіан.

Співвідношення між (лм) та (Вт) визначається так: ідеально ефективний перетворювач електроенергії у світло потужністю 1 Вт створює на довжині хвилі 550нм (зелене світло) світловий потік, котрий сприймається нашим оком і оцінюється у 650 люменів.

На іншій довжині хвилі його потік буде менший у стільки разів, у скільки чутливість ока до цієї хвилі буде меншою, ніж до зеленого світла.

Світловий потік типових джерел

Лампа розжарювання 40 Вт 415-460 люмен.

Лампа розжарювання 60 Вт 790-830 люмен.

Лампа розжарювання 100 Вт 1550-1630 люмен.

Лампа розжарювання 200 Вт 2860-2960 люмен.

Газорозрядна лампа 35 Вт ("автомобільний ксенон") 3000-3100 люмен.

Світлодіод Cree XP-G 5 Вт 460-493 люмен.

Світлодіод P7 SSC 10 Вт близько 700 люмен.

Світлодіод Creemc-e 10 Вт близько 770 люмен.

Люмінесцентна лампа 40 Вт 2480 люмен.

Сонце 3,8 × 1028 люмен.

Джерело світла характеризується певним оптичним ККД, котрий називається світловіддачею η:

η = Ф/No [η] = лм/Вт.

У ламп денного світла цей коефіцієнт складає η ≈ 60-75 лм/Вт.

Слід намагатись використовувати джерела світла із найвищим η.

Для того, щоб прочитати параграф з підручника ми вмикаємо світло (настільну лампу), щоб збільшити освітленість.

Під освітленістю розумітимемо фізичну величину, котра дорівнює відношенню світлового потоку Ф до поперечної площі поверхні S, на яку він припадає:

Е = Ф/S.

Одиницею освітленості Е є люкс (лк).

1 люкс – це така освітленість, котру створює світловий потік 1 лм, рівномірно розподілений по поверхні площею 1м2.

Створено прилади для вимірювання освітленості (люксометри). Саме за цією величиною визначаються норми освітленості, при яких використання нашого ока є найбільш безпечне (наприклад, рекомендоване освітлення житлового приміщення 80 лк).

Приклади освітленісті:

Сонячни промені опівдні 100 000 лк.

При кінозйомці в студії 10 000 лк.

На відкритім місці в похмурий день 1000 лк.

У світлій кімнаті поблизу вікна 100 лк.

На робочому столі для тонких робіт 100-200 лк.

На екрані кінотеатру 85-120 лк.

Необхідне для читання 30-50 лк.

Від повного місяця 0,2 лк.

Від нічного неба в безмісячну ніч 0,0003 лк.

До основних понять фотометрії крім світлової потужності, світлового потоку, освітленості та світловіддачі джерела належать також сила світла J, світність джерела R та яскравість В.

Силою світла називають фізичну величину, котра чисельно дорівнює світловому потоку Ф, який приходиться на одиницю тілесного кута Ω

J = ΔФ/ΔΩ.

Одиницею вимірювання сили світла J є кандела (міжнародна свічка).

1 Кд дорівнює силі світла спеціальної електричної лампочки, котра випромінює в певному напрямку при пропусканні через неї строго задану силу струму. Ця одиниця є однією із семи основних одиниць системи СІ.

[J] = Кд = 1лм/стер

Сила світла типових джерел:

Свічка 1 кд.

Лампа розжарювання 100 кд.

Звичайний світодіод 0,005..3 кд.

Зверх яскравий світодіод 25…500 кд.

Зверх яскравий світодіод з коллиматором 1500 кд.

Сучасна люмінесцентна лампа 100 кд.

Сонце 3×1027 кд.

Якщо точкове джерело випромінює потік рівномірно по всіх напрямках, то таке джерело називають ізотропним.

Cвітністю називають величину, котра дорівнює світловому потоку Ф, випромінюваному одиницею поверхні, що світиться:

R = Ф/S

R визначає потік, що віддається джерелом.

Яскравість — це потік, що посилає в даному напрямку одиницею видимої поверхні в одиничному тілесному куті. Відношення сили світла, випромінюваного поверхнею, до площі її проекції на площину, перпендикулярну осі спостереження. Або — характеристика світних тіл, рівна відношенню сили світла в якому-небудь напрямку до площі проекції світної поверхні на площину, перпендикулярну цьому напрямку. У системі СІ вимірюється в канделах на м².

Дата добавления: 2017-01-14