7 июл. 2011 г.

[Наука] Искусственные и естественные источники света

Велика роль света в жизни человека. Более того, невозможно представить себе жизнь без света. Все живые организмы и растения, окружающие нас, развиваются под животворным влиянием света и сопутствующих ему ультрафиолетовых (биологически активных) и инфракрасных (тепловых) излучений. Без света живые организмы и растения погибают.

Свет дает нам возможность видеть и изучать все окружающее нас на Земле, а также многое находящееся вне Земли в беспредельном мировом пространстве. Так, только наблюдая свет, излучаемый солнцем и звездами, мы можем судить об их температуре, скорости их движения, а также об их составе, т. е. о веществах, из которых они состоят.

Свет дает нам возможность проникать в тайны строения вещества. Благодаря свету при помощи оптических и электронных микроскопов было обнаружено клеточное строение растительных и животных организмов, были открыты бактерии и вирусы и изучены методы борьбы с ними.

Таким образом, с помощью света человек все глубже и глубже познает природу, все больше расширяет границы своего познания.

Мы ощущаем свет при помощи органа зрения — глаза. И ощущаем мы не только свет, но и цвет. Мы не только видим освещенные или светящиеся окружающие нас предметы, но и можем судить об их окраске.

Свойство глаза — не только видеть окружающие нас предметы и явления, но и ощущать их цвет — дает нам возможность наблюдать неисчерпаемые богатства красок природы и воспроизводить, цвета, нужные нам в разных областях жизни и деятельности.

С начала существования человечества люди знали лишь естественный свет Солнца, Луны и звезд. Настало время, и люди научились самостоятельно добывать огонь. Костер был первым искусственным источником света и одновременно источником тепла. Тысячелетиями исчисляется время совершенствования искусственных источников света от костра до электрических источников света, которыми мы пользуемся в настоящее время.

Впервые электрический источник света был создан выдающимся русским ученым акад. В. В. Петровым. В 1802 г. он открыл явление электрической дуги, образующейся между двумя угольными стержнями при прохождении по ним электрического тока. Электрическая дуга, впервые полученная акад. В. В. Петровым, должна по праву называться дугой Петрова. Это открытие послужило толчком к работам по созданию электрических источников света.

Выдающаяся роль в деле создания электрических источников света принадлежит талантливым русским изобретателям П. Н. Яблочкову, А. Н. Лодыгину и В. Н. Чиколеву.

Искусственные источники света прочно вошли в жизнь человека. Они дают возможность человеку не прекращать своей производственной и культурной деятельности в вечерние часы, когда отсутствует естественный (солнечный) свет.

Еще в древние времена, на заре возникновения научной мысли, возник вопрос о том, что такое свет. Древнегреческими учеными была высказана гипотеза о так называемых глазных лучах, исходившая из предположения, что глаза испускают лучи, которые ощупывают необходимые предметы, чтобы узнать их. Наличие свечения глаз у некоторых животных эти ученые считали доказательством существования глазных лучей. Против существования глазных лучей уже в Древней Греции высказывались такие ученые, как Аристотель и Демокрит, считавшие, что свет исходит из самих тел, которые мы видим.

Гипотеза о глазных лучах господствовала в течение многих столетий. Так, в XVI столетии французский ученый Декарт писал: «Подобно тому, как в темноте мы ощупываем перед собой предметы тростью, так днем мы ощупываем их лучами, исходящими из глаз». Мы и сейчас иногда применяем выражения: «глаза сверкнули», «глаза сияют» и т. д., которые, очевидно, связаны с представлениями о природе света, существовавшими у древних народов.

В конце XVII столетия были предложены две теории, совершенно по-разному трактовавшие сущность и распространение света.

Теория Ньютона предлагала рассматривать луч света как поток материальных частиц — корпускул, которые излучаются светящимся телом и, попадая в глаз, вызывают ощущение света.
Эта теория, носившая название корпускулярной, имела большое распространение. Вторая теория, развитая Гюйгенсом, носившая название волновой теории света, исходила из того предположения, что вся Вселенная заполнена идеально упругой средой, называемой эфиром. С появлением в некоторой точке эфира источника света частицы эфира начинают совершать быстрые колебания. Эти колебания подобны тем, какие получаются при раскачивании веревки, привязанной одним своим концом к неподвижному предмету (рис. 1). Являясь центром упругой деформации, каждая колеблющаяся частица эфира приводит в колебание соседнюю частицу, а последняя — следующую и т. д. Распространение этих колебаний в эфире и представляет собой луч света. Каждая частица эфира на всем протяжении светового луча совершает колебания в плоскости, перпендикулярной распространению луча света. В каждый момент времени колеблющиеся частицы, совершающие колебания, располагаются так, что в совокупности образуют кривую линию, напоминающую собой ряд волн (рис. 2). В результате вдоль луча бегут волны, причем процесс их распространения совершается с колоссальной скоростью: 300000 км/с.

Подобный процесс распространения волн, но, конечно, не с такой большой скоростью, можно наблюдать, если на поверхность неподвижной воды бросить какой-либо предмет, например щепку. От места ее падения во все стороны будут расходиться волны.
Нам будет казаться, что волны бегут, но щепка, находящаяся на воде, будет совершать движение вверх и вниз, не сдвигаясь с места, и этим показывать направление колебания частиц воды.
В примерах с веревкой и водой мы наблюдаем колебания частиц веревки и воды, совершающиеся поперек движения волны; такие колебания называются поперечными. Согласно представлениям волновой теории света световые волны являются также поперечными.

Следует указать на то, что существуют и продольные волны, т. е. такие, в которых колеблющиеся частицы совершают колебания вдоль направления движения волны — вперед и назад. К продольным колебаниям относятся, например, звуковые колебания.

Расстояние между вершинами или гребнями двух соседних волн носит название длины волны. Длина волны выражается единицами длины — метрами, сантиметрами, миллиметрами, микрометрами. Для измерения длин волн света пользуются единицей длины, называемой нанометр (нм). Один нанометр равен миллионной доле миллиметра (1 нм = 0,001 мкм = 0,000001 мм).

Волновая теория света блестяще объяснила целый ряд необъяснимых до нее световых явлений и получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была отвергнута.

В середине XIX

Энергия излучения солнца, звезд, искусственных источников света воздействует на светочувствительные элементы глаза и вызывает световые и цветовые ощущения. Энергия излучения передающих радиостанций, рентгеновских трубок, ультрафиолетовых и инфракрасных излучений не вызывает у нас зрительных ощущений, но некоторые из них производят на организм человека иное действие. Ультрафиолетовые излучения вызывают покраснение кожи (эритему), инфракрасные излучения — нагревание. В первом случае мы имеем дело с видимыми излучениями (светом), а во втором — с невидимыми излучениями.

Различные виды энергии излучения образуют спектр электромагнитных колебаний (рис. 3), из которого видно, что длина волны электромагнитных колебаний может составлять от миллионных долей нанометра (космические лучи) до нескольких километров (длинноволновые излучения радиостанций).
Излучения, имеющие длины волн в пределах 380—770 нм, действуя на глаз, вызывают у нас световые ощущения — это видимые излучения (свет). Каждой длине волны видимого излучения соответствует свой цвет. Таким образом, видимые излучения занимают ничтожную часть в спектре электромагнитных излучений. На рис. 4 графически представлены волны, соответствующие различным цветам, при увеличении их размера приблизительно в 25 000 раз.
Фиолетовые лучи имеют наименьшую длину волны, а красные — наибольшую.
Электромагнитная теория света не только разрешила ряд вопросов, которые не были решены волновой теорией света, но также предсказала ряд новых явлений, связанных с электромагнитными колебаниями. В 1900 г. знаменитым русским физиком П. Н. Лебедевым было обнаружено и измерено световое давление (давление света), предсказанное электромагнитной теорией света. Развитие электромагнитной теории привело к открытию радио в 1895 г. гениальным русским ученым-изобретателем А. С. Поповым.

Дальнейшее развитие физики позволило открыть ряд новых явлений, связанных со светом, которым электромагнитная теория света не смогла найти объяснения.

В XX столетии на основании ряда экспериментальных исследований выдающийся немецкий физик М. Планк пришел к мысли, что излучение и поглощение света происходят не непрерывно, как это полагали согласно волновой и электромагнитной теориям света, а отдельным порциями. Эти порции света получили наименование квантов света, или фотонов, а вся теория была названа квантовой теорией света. Согласно этой теории свет представляет собой совокупность мельчайших материальных частиц — фотонов, движущихся с колоссальной скоростью (300 ООО км/с) и несущих конечное количество энергии.

«Свет, — говорил выдающийся советский ученый акад. С. И. Вавилов, — одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого. Наши привычные понятия не в состоянии полностью охватить реальность, у нас для этого еще не хватает сейчас ни слов, ни образов».

Для понимания дальнейших глав достаточно иметь представление о длине волны света, которая определяет его цвет.

Как естественные, так и искусственные источники света имеют определенную световую мощность, т. е. количество света, излучаемого ими в единицу времени. Световая мощность носит название светового потока (световым потоком называют величину, пропорциональную потоку излучения, оцененному с учетом относительной спектральной чувствительности глаза). Единицей светового потока является люмен (лм). Лампочка от карманного фонаря обладает световым потоком около 4 лм, осветительная лампа накаливания мощностью 100 Вт, 220 В — 1250 лм, а люминесцентная лампа мощностью 80 Вт белого света типа ЛБ80 — 5220 лм. Чем больший световой поток излучает источник света на единицу мощности, тем более экономичным он является. Отношение светового потока источника света к его мощности носит название световой отдачи, которая выражается в люменах на ватт (лм/Вт). Приведенная выше лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световую отдачу 13,5 лм/Вт, а люминесцентная лампа мощностью 80 Вт — 65 лм/Вт.

Поверхности или тела оказываются освещенными в результате того, что на них падает световой поток источников света. Степень освещения поверхности характеризуется освещенностью, которая определяется отношением светового потока к площади поверхности, на которую он падает. Единицей освещенности является люкс (лк). Это освещенность поверхности площадью в 1 м2 световым потоком в 1 лм при равномерном ее освещении. Чем больше световой поток, приходящийся на единицу освещаемой поверхности, тем больше ее освещенность. Освещенность на уровне Земли в летний солнечный полдень составляет 100 000 лк, при полной луне в безоблачную ночь 0,2 лк, а в безлунную звездную ночь О,002 лк.



0 коммент.:

Отправить комментарий

Понравился блог или статья? Поделить с друзьями в социальных сетях!
Twitter Delicious Facebook Digg Stumbleupon Favorites More