Про природу світла люди почали замислюватися вже в далекій давнині. Поступово протягом багатьох століть з розрізнених спостережень склалася струнка теорія. У поточний історичний момент сформульовані основні закони, якими людина керується у своїй діяльності.
Історичний екскурс
Сьогодні кожна дитина старшого шкільного віку, яка виявляє інтерес до навколишнього дійсності, знає, що таке світло, і яку природу вона має. У школах і коледжах лабораторії оснащені обладнанням, що дозволяє побачити підтвердження тим законам, які сформульовані в підручниках. Щоб вийти на такий рівень розуміння і уявлення, людству довелося пройти довгий і важкий шлях пізнання. Пробитися крізь догматизм і мракобісся.
У стародавньому Єгипті вважали, що навколишні предмети випускають власне зображення. Потрапляючи в очі людей, випромінювання формує у них відповідне зображення. Давньогрецький вчений Арістотель представляв картину світу інакше. Це людина, її око є джерелом променів, якими він "відчупує" предмет. Сьогодні судження подібного роду викликає поблажливу посмішку. Фундаментальне вивчення фізичної природи світла почалося в рамках загального розвитку науки.
До початку вісімнадцятого століття наука накопичила достатній обсяг знань і спостережень, щоб сформулювати основні поняття про те, яку природу має світло. Погляд християнина Гюйгенса полягав у тому, що випромінювання поширюється в просторі хвилеподібно. Знаменитий і шанований Ісаак Ньютон дійшов висновку, що світло це не хвиля, а потік найдрібніших частинок. Ці частинки він назвав корпускулами. На той момент наукова спільнота прийняла корпускулярну теорію про світло.
На основі цього постулату легко уявити з чого складається світло. Вчені та експериментатори майже двісті років вивчали властивості світла у видимій частині спектру. До середини 19-го століття у фізиці як науці, з 'явилися інші уявлення про те, що таке світло. Закон електромагнітного поля, який сформулював шотландський вчений Джеймс Максвелл, гармонійно поєднав ідеї Гюйгенса і Ньютона. По суті світло це хвиля і частинка одночасно. За одиницю вимірювання світлового потоку прийняли квант електромагнітного випромінювання або іншим словом - фотон.
Закони класичної оптики
Фундаментальні дослідження світла в природі дозволили накопичити достатню інформацію, і сформулювати основні закони, які пояснюють властивості світлового потоку. Серед них є такі явища:
- Прямолінійне поширення променя в однорідному середовищі;
- Відображення променя від непрозорої поверхні;
- Переломлення потоку на кордоні двох неоднорідних середовищ.
У своєму вченні про світло Ньютон пояснював наявність різнокольорових променів присутністю в них відповідних частинок.
Дію закону переломлення можна спостерігати в побутових умовах. Для цього не потрібне спеціальне обладнання. Досить у сонячний день поставити на сонці скляну склянку, наповнену водою, і помістити в неї чайну ложечку. При переході з одного середовища в іншу, більш щільну, частинки змінюють траєкторію руху. В результаті зміни траєкторії, ложечка в склянці представляється викривленою. Так пояснює це явище Ісаак Ньютон.
У рамках квантової теорії цей ефект пояснюється зміною довжини хвилі. Коли промінь світла потрапляє в більш щільне середовище, швидкість його поширення зменшується. Таке відбувається, коли світловий потік переходить з повітря у воду. І навпаки, швидкість потоку збільшується при переході з води в повітря. Цей фундаментальний закон використовується в приладах, які застосовуються для визначення щільності технічних рідин.
У природі ефект заломлення світлового потоку всі бажаючі можуть побачити влітку після дощу. Семиколірна веселка над горизонтом виникає в результаті заломлення сонячного світла. Світло проходить через щільні шари атмосфери, в яких накопичилися дрібнодисперсні водяні пари. Зі шкільного курсу оптики відомо, що біле світло поділяється на сім складових. Ці кольори легко запам 'ятати - червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.
Закон відображення сформульований ще стародавніми мислителями. Використовуючи декілька формул, спостерігач може визначити зміну напрямку світлового потоку після зустрічі з віддзеркалювальною поверхнею. Падаючий і відбитий світловий потік знаходяться в одній площині. Кут падіння променя дорівнює кутові відображення. Ці властивості світла використовуються в мікроскопах і дзеркальних фотоапаратах.
Закон прямолінійного поширення свідчить, що в однорідному середовищі видиме світло поширюється по прямій лінії. Прикладом однорідних середовищ можуть бути повітря, вода, олія. Якщо на лінії поширення променя помістити предмет, то виникне тінь від цього предмета. У неоднорідному середовищі напрямок потоку фотонів змінюється. Частина поглинається середовищем, частина змінює вектор руху.
Джерела світла
Протягом усієї історії свого розвитку людство користується природними і штучними джерелами світла. До числа природних прийнято відносити такі джерела:
- Сонце;
- Місяць і зірки;
- Деякі представники флори і фауни.
Деякі фахівці відносять до цієї категорії вогонь, який присутній у багатті, печі, каміні. Північне сяйво, яке спостерігається в Арктичних широтах, теж входить до переліку.
Важливо зазначити, що природа світла у перерахованих "світил" різна. Коли електрон в структурі атома, переходить з високої орбіти на низьку, в навколишній простір виділяється фотон. Саме цей механізм лежить в основі виникнення сонячного світла. На Сонці тривалий час зберігається температура вище шести тисяч градусів. Потік фотонів "відривається" від своїх атомів і спрямовується в космічний простір. Приблизно 35% цього потоку потрапляють на Землю.
Місяць не випускає фотонів. Це небесне тіло тільки відображає світло, що потрапило на поверхню. Тому місячне освітлення не приносить тепла, як сонячне. Властивість деяких живих організмів і рослин випускати кванти світла придбано ними внаслідок тривалої еволюції. Світляк у нічній темряві привертає до себе комах для їжі. Людина не має таких здібностей і для підвищення комфорту використовує штучне освітлення.
Ще сто п 'ятдесят років тому велике поширення мали свічки, лампи, промені і смолоскипи. Населення землі, в своїй більшості, використовувало одне джерело світла - відкритий вогонь. Властивості світла цікавили інженерів і вчених. Вивчення хвильової природи світла призвело до важливих винаходів. В ужитку з 'явилися електричні лампи розжарювання. В останні роки на ринку представлені освітлювальні прилади на базі світлодіодів.
Важливі властивості світла
Хвиля світла в оптичному діапазоні сприймається очима людини. Діапазон сприйняття невеликий, від 370 до 790 нм. Якщо частота коливання нижче цього показника, то ультрафіолетове випромінювання "осідає" на шкірі у вигляді засмаги. Короткохвильові випромінювачі використовуються в солярії для догляду за шкірою в зимовий період. Інфрачервоне випромінювання, частота якого за межами верхньої межі, відчувається як тепло. Практика останніх років підтвердила переваги інфрачервоних обігрівачів перед електричними.
Людина сприймає навколишній світ завдяки здатності своїх очей сприймати електромагнітні хвилі. Сітківка ока має здатність вловлювати фотони і зраджувати отриману інформацію для обробки в певні ділянки мозку. Цей факт свідчить про те, що люди є частиною навколишньої природи.