Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:
Итак, согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты v состоит из фотонов (квантов) с определенной энергией выражаемой формулой (28.1). Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения. Поскольку то из формулы (28.1) получим
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.
Физика цвета — Искусство цвета (Иоханнес Иттен)
Принцип Гюйгенса. Световые лучи
Выясним, как волновая теория объясняет перемещение фронта волны в пространстве.
Чем дальше от точки О (рис. 28.1) уходит фронт волны, тем меньше становится кривизна его поверхности. Поэтому на большом расстоянии от источника света маленький участок сферического фронта волны на практике можно считать плоским, а световые лучи можно считать параллельными. Например, солнечные лучи на поверхности Земли считают параллельными.
Для упрощения дальше мы условно будем говорить об энергии и цвете луча, подразумевая под этим энергию и цвет излучения, переносимого по направлению луча.
Физика цвета
В 1676 году сэр Исаак Ньютон с помощью трехгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. Подобный спектр содержал все цвета за исключением пурпурного.
Эти цвета получаются из солнечного луча с помощью преломления. Существуют и другие физические пути образования цвета, например, связанные с процессами интерференции, дифракции, поляризации и флуоресценции.
Если мы разделим спектр на две части, например — на красно-оранжево-желтую и зелено-сине-фиолетовую, и соберем каждую из этих групп специальной линзой, то в результате получим два смешанных цвета, смесь которых в свою очередь также даст нам белый цвет.
Два цвета, объединение которых дает белый цвет, называются дополнительными цветами.
Каждый цвет является дополнительным по отношению к смеси всех остальных цветов спектра.
В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие. В этом отношении глаз отличается от музыкального уха, которое может выделить любой из звуков аккорда.
Различные цвета создаются световыми волнами, которые представляют собой определенный род электромагнитной энергии.
Человеческий глаз может воспринимать свет только при длине волн от 400 до 700 миллимикрон:
Длина волн, соответствующая отдельным цветам спектра, и соответствующие частоты (число колебаний в секунду) для каждого спектрального цвета имеют следующие характеристики:
| Цвет | Длина волны в н/м |
Частота колебаний в секунду |
|---|---|---|
| Красный | 800-650 mμ | 400-470 млрд. |
| Оранжевый | 640-590 mμ | 470-520 млрд. |
| Жёлтый | 580-550 mμ | 520-590 млрд. |
| Зелёный | 530-490 mμ | 590-650 млрд. |
| Голубой | 480-460 mμ | 650-700 млрд. |
| Синий | 450-440 mμ | 700-760 млрд. |
| Фиолетовый | 430-390 mμ | 760-800 млрд. |
Отношение частот красного и фиолетового цвета приблизительно равно 1:2, то есть такое же как в музыкальной октаве.
Цвет предметов возникает, главным образом, в процессе поглощения волн. Красный сосуд выглядит красным потому, что он поглощает все остальные цвета светового луча и отражает только красный.
Когда мы говорим: «эта чашка красная», то мы на самом деле имеем в виду, что молекулярный состав поверхности чашки таков, что он поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создается при ее освещении.
Если красная бумага (поверхность, поглощающая все лучи кроме красного) освещается зеленым светом, то бумага покажется нам черной, потому что зеленый цвет не содержит лучей, отвечающих красному цвету, которые могли быть отражены нашей бумагой.
| Цвет | Длина волны в н/м |
Частота колебаний в секунду |
|---|---|---|
| Красный | 800-650 mμ | 400-470 млрд. |
| Оранжевый | 640-590 mμ | 470-520 млрд. |
| Жёлтый | 580-550 mμ | 520-590 млрд. |
| Зелёный | 530-490 mμ | 590-650 млрд. |
| Голубой | 480-460 mμ | 650-700 млрд. |
| Синий | 450-440 mμ | 700-760 млрд. |
| Фиолетовый | 430-390 mμ | 760-800 млрд. |
Природа света в физике — формулы и определения с примерами решения задач
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.
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны:
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).
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.
Характеристики световых волн — КиберПедия
- 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.
