Сьогодні ми розповімо про одиниці вимірювання сили світла. Ця стаття розкриє читачам властивості фотонів, які дозволять визначити, чому світло буває різної яскравості.

Частка чи хвиля?

На початку двадцятого століття вчених спантеличувало поведінка квантів світла – фотонів. З одного боку, інтерференція і дифракція говорили про їх хвильовий сутності. Отже, світло характеризували такі властивості, як частота, довжина хвилі і амплітуда. З іншого боку, досліди Лебедєва переконали наукове співтовариство в тому, що фотони передають поверхонь імпульс. Це було б неможливо, якби не мало частинки масою. Таким чином, фізикам довелося визнати: електромагнітне випромінювання одночасно і хвиля, і матеріальний об'єкт.

Енергія фотона

Як довів Ейнштейн, маса і є енергія. Цей факт доводить наше центральне світило Сонце. Термоядерна реакція перетворює масу сильно стисненого газу в чисту енергію. Але як визначити потужність випускається випромінювання? Чому вранці, наприклад, сила світла сонця нижче, ніж опівдні? Описані в попередньому параграфі характеристики пов'язані між собою певними співвідношеннями. І всі вони вказують на енергію, яку несе електромагнітне випромінювання. Ця величина змінюється в більшу сторону при:

зменшенні довжини хвилі;

зростання частоти.

У чому криється енергія електромагнітного випромінювання?

Фотон відрізняється від інших частинок. Його маса і, отже, енергія існують, тільки поки він рухається крізь простір. При зіткненні з перешкодою квант світла підвищує його внутрішню енергію або надає йому кінетичний момент. Але сам фотон при цьому перестає існувати. В залежності від того, що саме виступає перешкодою, відбуваються різні зміни.

Якщо перешкода – тверде тіло, то найчастіше світло нагріває його. Також можливі наступні сценарії: фотон змінює напрямок руху, стимулює хімічну реакцію або примушує один з електронів покинути свою орбіту і перейти в інший стан (фотоефект).

Якщо перешкода – єдина молекула, наприклад, з розрідженого хмари газу у відкритому космосі, то фотон змушує її коливатися сильніше.

Якщо перешкода – масивне тіло (наприклад, зірка або навіть галактика), то світло спотворюється і змінює напрямок руху. На цьому ефекті заснована можливість «зазирнути» в далеке минуле космосу.

Наука і людяність

Наукові дані часто здаються чимось абстрактним, незастосовним до життя. Відбувається це і з характеристиками світла. Якщо мова йде про експеримент або вимірі випромінювання зірок, ученим потрібно знати абсолютні величини (вони називають фотометричними). Ці поняття, як правило, виражаються в термінах енергії та потужності. Нагадаємо, під потужністю розуміється швидкість зміни енергії в одиницю часу, і в цілому вона показує кількість роботи, яке може виробляти система. Але людина обмежений у здатності відчувати реальність. Наприклад, шкіра відчуває тепло, але очей не бачить фотон інфрачервоного випромінювання. Та ж проблема і з одиницями сили світла: потужність, яку випромінювання демонструє насправді, відрізняється від потужності, яку здатне сприймати людське око.

Спектральна чутливість людського ока

Нагадуємо, що мова нижче піде про усереднених показниках. Всі люди різні. Деякі взагалі не сприймають окремі кольори (дальтоніки). Для інших культура кольору не збігається з загальноприйнятою науковою точкою зору. Наприклад, японці не розрізняють зелений та блакитний, а англійці – блакитний і синій. У цих мовах різні кольори позначаються одним словом. Одиниця сили світла залежить від спектральної чутливості середнього людського ока. Максимум денного світла припадає на фотон з довжиною хвилі 555 нм. Це означає, що при світлі сонця людина краще всього бачить зелений колір. Максимум нічного зору – це фотон з довжиною хвилі 507 нанометрів. Отже, при Місяці люди краще бачать блакитні об'єкти. В сутінках все залежить від освітлення: чим воно краще, тим більш «зеленим» стає максимум кольору, який людина сприймає.

Будову людського ока

Майже завжди, коли мова заходить про зорі, ми говоримо, що бачить око. Це невірне твердження, бо в першу чергу сприймає мозок. Око – це тільки інструмент, який передає інформацію про світловому потоці в головний комп'ютер. І, як будь-який інструмент, вся система сприйняття кольорів має свої обмеження. У сітківці людини є два різних типи клітин – колбочки і палички. Перші відповідають за денний зір і краще сприймають кольори. Другі надають нічний зір, завдяки паличкам людина розрізняє світло і тінь. Але вони погано сприймають кольори. Палички також більш чутливі до руху. Саме тому, якщо людина йде по освітленому місяцем парку або лісі, він зауважує кожне похитування гілок, кожен подих вітру. Еволюційна причина такого поділу проста: у нас одне сонце. Місяць світить відбитим світлом, а значить, її спектр не сильно відрізняється від спектру центрального світила. Тому день ділиться на дві частини – освітлену і темну. Якщо б люди жили в системі двох або трьох зірок, то наш зір, можливо, мала б більше компонентів, кожен з яких був пристосований до спектру одного світила.
Треба сказати, що на нашій планеті є істоти, чий зір відрізняється від людського. Пустельні жителі, наприклад, очі вловлюють інфрачервоне світло. Деякі риби бачать ближній ультрафіолет, так як це випромінювання проникає в товщу води все глибше. Наші домашні улюбленці кішки і собаки інакше сприймають кольори, і їх спектр урізаний: вони краще пристосовані до світлотіні. Але і люди всі різні, як ми вже згадували вище. Деякі представники людства бачать ближній інфрачервоний світло. Не можна сказати, що їм були б не потрібні тепловізори, але вони здатні сприймати трохи більше червоні відтінки, ніж більшість. В інших розвинена ультрафіолетова частина спектра. Такий випадок описується, наприклад, у фільмі «Планета Ка-Пекс». Головний герой стверджує, що він прибув з іншої зоряної системи. Обстеження виявило у нього здатність бачити ультрафіолетове випромінювання. Доводить це, що Прот - інопланетянин? Немає. Деяким людям це під силу. До того ж ближній ультрафіолет впритул прилягає до видимого спектру. Не дивно, що хтось сприймає трохи більше. А ось Супермен точно не з Землі: рентгенівський спектр занадто далеко від видимого, щоб таке зір можна було пояснити з людської точки зору.

Абсолютна і відносні одиниці для визначення світлового потоку

Незалежна від спектральної чутливості величина, яка показує потік світла у відомому напрямку, називається «кандела». Одиниця виміру потужності вже з більш «людським» ставленням вимовляється так само. Відмінність полягає тільки в математичному позначенні цих понять: абсолютне значення має нижній індекс «е», щодо людського ока – «?». Але не варто забувати, що величини цих категорій буду сильно відрізнятися. Це необхідно враховувати при вирішенні реальних завдань.

Перерахування і зіставлення абсолютних і відносних величин

Щоб зрозуміти, у чому виміряється сила світла, необхідно зіставити «абсолютні» і «людські» значення. Праворуч наводяться поняття чисто фізичні. Зліва розташовуються величини, які вони перетворюються при проходженні крізь систему людського ока.

Сила випромінювання стає силою світла. Поняття вимірюється в канделах.

Енергетична яскравість перетворюється на яскравість. Величини виражаються в канделах на квадратний метр.

Напевно читач побачив тут знайомі слова. Багато разів за своє життя люди кажуть: «Дуже яскраве сонце, підемо в тінь» або «Зроби монітор пояскравіше, фільм занадто похмурий і темний». Сподіваємося, стаття злегка прояснить, звідки взялося це поняття, а також як називається одиниця сили світла.

Особливості поняття «кандела»

Трохи вище ми вже згадували цей термін. Також ми пояснили, чому одним і тим же словом називають різні поняття фізики, пов'язані з потужністю електромагнітного випромінювання. Отже, одиниця вимірювання сили світла називається «кандела». Але чому вона дорівнює? Одна кандела – сила світла в відомому напрямку від джерела, що випускає суворо монохроматичне випромінювання з частотою 54*10 14 , причому енергетична сила джерела в цьому напрямку дорівнює 1/683 Вт в одиницю тілесного кута. Перевести частоту в довжину хвилі читач цілком може сам, формула дуже легка. Підкажемо: результат лежить у видимій області. Одиниця вимірювання сили світла носить назву «кандела» неспроста. Ті, хто знає англійську мову, пам'ятають, що candle – це свічка. Раніше багато областей людської діяльності вимірювалися в природних параметрах, наприклад, кінських силах, міліметрах ртутного стовпа. Так що не дивно, що одиниця вимірювання сили світла – кандела це, одна свічка. Тільки свічка це досить своєрідна: зі строго заданою довжиною хвилі, і виробляє конкретне число фотонів в секунду.