2.2.4. Основы светотехники Основы теории света

В настоящее время существует две теории света: волновая и корпускулярная.

Волновая теория. Свет – узкая часть широкого спектра электромагнитных колебаний (табл. 4). Эта часть электромагнитных колебаний вызывает у нас зрительные ощущения – видимый свет. Природу электромагнитных излучений рассмотрим на модели атома как планетарной системы – множество электронов, вращающихся по орбитам вокруг центра – ядра. Это состояние довольно устойчиво, но давайте попробуем применить внешнее воздействие – нагреем его или будем бомбардировать другими электронами. В результате электроны внутренних орбит будут стремиться перейти на орбиты более высокого уровня, запасая энергию как потенциальную. Когда электроны возвращаются на предыдущие, более низкие орбиты, они излучают ранее запасенную энергию. Переход электрона с одной, более высокой орбиты на другую, с более низкой энергией, ведет к испусканию излучения в виде отдельного кванта энергии (рис. 65).

Таблица 4

Спектр электромагнитных волн

Вид волны	Длина волны
Низкочастотные электрические колебания	> 100 км
Радиоволны:	100 км – 1 мм
мириаметровые	100 км – 10 км
километровые (низкие частоты)	10 км – 1 км
гексаметровые (средние частоты)	1 км – 100 м
декаметровые (высокие частоты)	100 м – 10 м
метровые	10 м – 1 м
дециметровые	1 м – 10 см
сантиметровые	10 см – 1 см
миллиметровые	1 см – 1 мм
децимиллиметровые	1 мм – 0,1 мм
Инфракрасное излучение	2 мм – 760 нм
Видимое излучение (свет)	760 нм – 380 нм
Ультрафиолетовое излучение	380 нм – 3 нм
Рентгеновское излучение	10 нм – 10 пм
Гамма-излучение	< 10 пм

Колеблющийся электрон, переходящий попеременно с одной орбиты на другую, порождает электромагнитную волну (рис. 66). Длина волны зависит от частоты колебания. Энергия пропорциональна частоте: когда энергия становится больше, длина волны становится короче (рис. 67). Спектр электромагнитных волн простирается от очень коротких волн гамма-лучей с высокой энергией к длинным радиоволнам. Человеческий глаз видит лишь крошечный диапазон этого спектра в интервале от 380 нм до 760 нм (1 нм = 10^-9 м). Этот участок спектра мы называем светом.

Рис. 65. Планетарная модель атома	Рис. 66. Колебание электрона
Рис. 67. Схема образования электромагнитного излучения	Рис. 68. Разложение белого света призмой

Белый свет – это сумма электромагнитных колебаний из множества вплотную примыкающих частот, занимающих диапазон от 380 нм до 760 нм. Длины волн этого спектра связаны с нашими ощущениями о цвете:

– от 400 нм до 500 нм воспринимаются нами как оттенки сине-фиолетового, переходящие в синий и далее – в голубой;

– от 500 нм до 600 нм – как оттенки от сине-зеленого, через зеленый переходящие в желто-зеленый;

– от 600 нм до 700 нм – как оттенки перехода желтого и оранжевого в красный и далее – в темно-красный (рис. 68).

Амплитуда колебаний волн связана с интенсивностью излучения – яркостью. Более короткие волны связаны с более высокими частотами.

К

Рис. 69. Образование квантов света

орпускулярная теория рассматривает свет как частицы энергии, называемые квантами, или фотонами. Ядро атома состоит из сравнительно тяжелого положительно заряженного протона и незаряженного нейтрона. Отрицательно заряженные частицы – электроны (примерно 1/2000 от массы протона) находятся на довольно удаленных орбитах вокруг ядра. При некоторых состояниях протон может терять свой заряд и превращаться в нейтрон – это называется бета-распад, при этом образуются две легкие частицы: нейтрино и позитрон (положительно заряженный электрон). Если позитрон встречает на своем пути отрицательно заряженный электрон, они нейтрализуют друг друга. Процесс заканчивается образованием двух фотонов (квантов света) и носит название аннигиляция (лат. annihilatio – уничтожение, исчезновение) (рис. 69). Когда электромагнитное излучение попадает в поле атомного ядра, то снова может образовать пару «электрон и позитрон».

Фотон обладает следующими свойствами:

– является электрически нейтральной частицей, т. е. его заряд равен нулю;

– скорость равна скорости света в вакууме (300 000 км/с);

– энергия пропорциональна частоте электромагнитного излучения;

– масса равна нулю.

Фотоны – это кванты электромагнитного излучения, обладающие одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, наличие которых приводит к тому, что свету оказываются присущи как свойства непрерывных электромагнитных волн, так и свойства отдельных частиц.

В современной физике эти две теории применяются одновременно: корпускулярная теория хорошо объясняет процесс образования квантов, а также связанных с ними процессов, а волновая теория – явления распространения света как волновых колебаний.

Тепловые источники. Нагретое тело состоит из множества атомов, каждый из которых ведет себя подобно вибратору – источнику электромагнитных колебаний. Разные атомы колеблются с различными частотами. Поэтому излучение нагретого тела содержит волны всевозможных частот.

Если мы нагреем любое твердое тело, то при достижении определенной температуры оно начнет испускать свет (независимо от природы материала). Цвет испускаемого света зависит от температуры и не зависит от вещества (табл. 5).

Тепловым источником излучения является солнце, костер, свеча, спичка, лампа накаливания и пр.

Таблица 5

Соотношение температуры и цвета испускаемого света

Цвет излучения	Температура, С	Температура, К
Красное свечение	600	873
Оранжевое свечение	1100	1373
Белое свечение	1300	1573
Белый свет	2973	3200

Нетепловые источники. Такие источники света часто называют источниками «холодного света», поскольку свет получается без существенного повышения температуры. Свечение, не вызываемое нагреванием тела, называется люминесценцией. Люминесценция возникает при переходе электрона в атоме с более удаленной орбиты на более близкую к ядру. Существует несколько видов люминесценции, различаемых по способу ее возбуждения:

– электролюминесценция возникает при электрическом возбуждении. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают неупругие соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением;

– хемилюминесценция возникает в результате некоторых химических реакций;

– флюоресценция возникает при возбуждении более коротковолновым электромагнитным излучением или потоком частиц (электронов, протонов, -частиц и др.);

– фосфоресценция – флюоресценция имеет вид зависящего от температуры послесвечения, возникающего после прекращения облучения. Возбужденное состояние центров люминесценции сохраняется сравнительно долго – от 10^-4 с до десятков минут.

На явлении люминесценции основана работа ламп дневного света. Это лампы низкого давления в форме трубок, внутренняя поверхность которых покрыта люминофорами – веществами, способными светиться под действием ультрафиолетового излучения ртутных паров. Флюоресцирующее покрытие преобразовывает короткие ультрафиолетовые волны в более длинные волны, которые мы воспринимаем в видимой зоне спектра. Современные импульсные лампы используют принцип электролюминесценции. Электролюминесценция используется в неоновых трубках, применяемых для создания светящихся надписей и рекламных целей. Северное сияние также проявление электролюминесценции.