Сьогодні розповімо, чому світлове випромінювання – це найважливіше поняття сучасної фізики. Також будуть описані властивості квантів електромагнітної енергії та історія їх вивчення.

Сонце і місяць

У світовій культурі існує безліч міфів про виникнення і поведінці головних небесних світил. Десь вони брат і сестра, десь- чоловік і дружина, якісь народи вірять, що це фрукти світового дерева, якісь- що це дорогоцінні камені і боги. І всі легенди були створені в спробі зрозуміти, чому світлове випромінювання – це породження Сонця і Місяця.


Часто відкриття відбуваються випадково, і шлях науки далеко не такий прямий, як здається. Наприклад, для початкового розуміння танцю небесних тіл знадобилася релігія, яка спочатку заборонила дослідити феномен, а потім сама ж і попросила учених про це.

Пасха і квант

У шістнадцятому столітті Римський папа Лев X вирішив удосконалити таблиці для обчислення дати настання свята Великодня. Зрозуміти, коли саме настає цей день, неймовірно складно, тому що потрібно з'єднати три різні системи відліку часу: дні тижня, сонячний і місячний цикли.

Великдень – це неодмінно неділю.

Свято завжди настає після дня весняного рівнодення.

Важливо, щоб повний місяць вже минув до моменту приходу Великодня.

Ще однією умовою було розбіжність єврейської, католицької і православної традицій.

Зараз цей день можна передбачити на тисячоліття вперед, але раніше таблиці для обчислення були вірні п'ять-шість років, а потім треба було проводити нову підгонку дат. Така низька точність була пов'язана з повною упевненістю цивілізованих людей, що Земля – плоска, знаходиться в центрі світобудови, а видимі зміни планет, Сонця і Місяця пояснювалося наявністю епіциклів, маленьких додаткових гуртків, за якими обертаються небесні тіла.


Все це доставляло масу клопоту при обчисленнях. Щоб не возитися з цим кожен раз, Лев X замовив дослідження у астрономів того часу. І вони прийшли до дивовижного відкриття: Земля - не центр всесвіту, джерело світлового випромінювання – це Сонце, а Місяць тільки відображає світ і сама є чимось на зразок планети. Давнє дослідження привело в подальшому до розуміння електромагнітної і квантової природи світла.

Ньютон і Фарадей

У сімнадцятому-вісімнадцятому століттях англійський учений Ісаак Ньютон задався питанням: «Що таке сонячний промінь?» Школярі знають його як автора закону всесвітнього тяжіння, але він вивчав і оптику. У підсумку Ньютон прийшов до висновку, що світлові хвилі випромінювання Сонця розкладаються на кольорові складові, тобто перетворюються в веселку. І тим самим заклав основи розуміння хвильової природи світла. А в двадцятому році дев'ятнадцятого століття англійський ж фізик Майкл Фарадей довів: струм (і взагалі будь-який рухомий заряджений об'єкт) – джерело електромагнітного поля. Щоб зрозуміти, що світлове випромінювання – це квант електромагнітного поля, треба було винайти принципово нову фізику світу елементарних частинок.

Планк і кіт Шредінгера

Почалася ера кванта з дослідження нагрітих тел. З класичної фізики було відомо, що теплове випромінювання безперервно. Максимум цього спектру був пов'язаний з температурою тіла формулою Релея-Джинса. Вона добре описувала експериментальні дані при малих довжинах хвиль, а от в синій області спектру починалися проблеми: енергія будь-якого об'єкта була настільки велика, що могла б знищити всесвіт. Цей феномен отримав назву ультрафіолетової катастрофи.
У 1900 році Макс Планк намагався написати таку формулу для енергії світлового випромінювання нагрітого тіла, що виключає сценарій руйнування світу. При цьому німецький фізик був змушений ввести величину, яку він назвав квантом дії. І цей термін позначав найменшу порцію електромагнітного поля. Сам Планк вважав квант не більше ніж математичної прийомом, але інші вчені усвідомили потенціал такого відкриття. Ціла школа дослідників (серед них були Альберт Ейнштейн, Ервін Шредінгер, Вернер Карл Гейзенберг) створили новий напрямок у науці – квантову фізику. Завдяки їм люди нарешті зрозуміли, чому атоми випромінюють і що таке світло. Однак Макс Планк довго не брав фундаментальності свого відкриття. Він сперечався з колегами і навіть придумав парадокс з котом Шредінгера, який і живий, і мертвий одночасно. Якийсь час вчений намагався різними математичними хитрощами обійти квант у формулі випромінювання абсолютно чорного тіла. Але в нього нічого не вийшло, і врешті-решт він здався.

Що таке світло?

Завдяки діяльності цих чудових і сміливих вчених тепер ми знаємо: світло – це квант електромагнітного випромінювання, який має властивості як хвилі, так і матеріальної частинки.

Довжина хвилі світлового випромінювання – це відстань між двома сусідніми максимумами коливання електромагнітного поля. Позначається буквою ?. Взагалі кажучи, це відстань між однаковими фазами коливань сусідніх одній хвилі. Але на малюнку більш наочно можна продемонструвати саме відстань між «горбами» або «ложбинами». Довжина хвилі вимірюється в метрах з відповідною приставкою. Наприклад, видиме випромінювання – це кванти з ? від 380 до 780 нанометрів (нм).

Частота світлового випромінювання – це кількість хвиль, що укладаються в одиницю часу (секунду). Дана характеристика скоріше тимчасова, ніж просторова. Вона позначається грецьким символом ? або латинською літерою f .

Амплітуда електромагнітного коливання – це висота максимумів і мінімумів коливання. У загальному випадку показує напруженість електричного і магнітного полів, які згинаються у взаємно перпендикулярних площинах.

Маса частинки – причина того, що у світла є імпульс. Ця характеристика підтверджує: квант електромагнітного поля (називається фотон) – це частинка! Правда, не варто забувати, що маса спокою у неї дорівнює нулю, а це означає, що вона існує тільки в русі.

Частота і довжина хвилі світла пов'язана співвідношенням ?? = c, де c – швидкість світла у вакуумі. Чим нижче довжина хвилі і вище частота, тим вище енергія хвилі.

Одна чи багато?

Якщо ми розглянемо один фотон, то він буде володіти всіма описаними вище характеристиками. Але є ефекти і величини, які виникають, тільки якщо мова йде про масовий ефект. Наприклад, будь-яка людина знає: на заході інтенсивність сонячного світла менше. В цей час на диск центрального світила можна спокійно дивитися незахищеними очима. Тоді як на сонце в зеніті навіть поглянути небезпечно – можна короткочасно осліпнути і втратити орієнтацію в просторі. І причина тому – кривизна нашої планети. Чим нижче сідає сонце, тим більш товстий шар атмосфери проходять його промені, і тим більше їх поглинається. На поверхню землі при цьому потрапляє все менше і менше фотонів. Це явище можна описати зміною потужності світлового випромінювання.

Світловий потік і людське око

При цьому світловий потік – це цілком конкретний фізичний термін. І зараз ми розкриємо його значення. Чим більше фотонів падає на квадратний метр площі за одиницю часу, тим більше потужність потоку випромінювання. Якщо кількість квантів світла фіксує неупереджена машина, вона покаже правильне з точки зору фізики значення. Але у людського ока є максимум, який він бачить добре, а всі інші частоти зір вловлює гірше. Тобто червоних і фіолетових фотонів люди бачать менше, ніж їх падає на поверхню, а от зелені сприймаються краще. Так от, світловий потік – це потік випромінювання, в який внесена поправка на спектральну чутливість ока.

Ядерний реактор і вибух

У будь-якої науки є зворотна, темна сторона. Як тільки було винайдено механічний блок, його стали використовувати для створення метальних машин. Як тільки хіміки просунулися у вивченні матерії, їх знання стали використовувати проти людей. І атом підвищив потужність людських бойових можливостей до повного знищення себе і планети. Як відомо, сильна реакція – джерело безлічі видів частинок і випромінювань. Навіть дуже чиста хімічна радіоактивна речовина виробляє нейтрони, альфа-, бета-, гама-випромінювання, а також електромагнітні хвилі всіх діапазонів. Світлове випромінювання вибуху вражає набагато сильніше безпосередньо ударної хвилі. Опіки довго лікуються і залишають шрами. Більш серйозні пошкодження живої матерії приносить тільки радіоактивний компонент цього акта нелюдяності, вибуху атомної бомби.