Какие свойства у видимого излучения

Вы окружены электромагнитными волнами. Они везде! От света, который вы можете видеть, до ультрафиолета, проходящего через ваше окно от солнца. Даже если бы вы попробовали, вы не смогли бы избежать волн. Но опять же, зачем вам это нужно? Зачем чего-то избегать, если это можно применять? Что такое видимое излучение, кем и когда открыто? Как оно воздействует и где применяется?

Световые волны

Термин “световые волны” может использоваться по-разному разными людьми. Физики склонны небрежно использовать его на одном уровне с электромагнитными. Итак, в чем разница? Электромагнитные волны (или электромагнитное излучение) представляют собой волны, создаваемые колебательными магнитными и электрическими полями, и включают радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Как и все волны, они несут энергию, и эта энергия может быть очень высокой интенсивности (например, электромагнитные волны, которые мы получаем от солнца).

При взгляде на спектр видимого света синим концом электромагнитного спектра является высокая частота, высокая энергия и короткая длина волны. Красный конец электромагнитного спектра представляет собой низкочастотную, малую энергию и большую длину волны. Свет – это лишь часть электромагнитного спектра, часть, которую могут видеть наши глаза. Каковы сферы применения видимого излучения, кроме той, которая позволяет человеку видеть все вокруг?

Различные типы световых волн

Радиоволны находятся на красном конце электромагнитного спектра. Красный конец также является наименьшей энергией, самой низкой частотой и самой большой длиной волны. Радиоволны в основном используются в коммуникациях, для передачи сигналов от одного места к другому. Радиостанции используют радиоволны, как и сотовые телефоны, телевизоры и беспроводные сети. Из-за большой длины волны радиоволн они могут отскочить от ионосферы Земли, позволяя радиостанциям передавать свои радиопередачи на большие расстояния, не находясь в прямой видимости всех своих слушателей.

Микроволны являются ближайшими к красному концу спектра. Вероятно, вы можете догадаться, что микроволны используются в наших кухонных микроволновках для приготовления пищи. Они имеют достаточно высокую энергию, чтобы увеличить движение молекул в вашей пище, не ионизируя атомы. Это важно, потому что это означает, что пища будет только нагреваться, – ее химический состав останется прежним.

Инфракрасный имеет длину волны немного больше, чем наши глаза могут обнаружить. Тело человека имеет температуру, которая производит излучение в этой части спектра, и поэтому инфракрасные детекторы могут использоваться как камеры ночного видения. ИК-порт также используется пультом дистанционного управления для отправки сигналов на телевизоры и другое аудио- или видеооборудование.

Видимый свет – это часть электромагнитного спектра, который наши глаза могут обнаружить, и та часть, с которой мы больше всего знакомы в нашей повседневной жизни. Он считается находящимся в «середине» электромагнитного спектра, хотя это довольно произвольно.

Ультрафиолет (часто сокращается до УФ) направляется в синюю сторону электромагнитного спектра, который является высокоэнергетической и более короткой волновой стороной. Ультрафиолетовое излучение слишком короткое в длине волны, чтобы наши глаза могли его обнаружить. УФ-волны являются достаточно высокой энергией, поэтому они способны ионизировать атомы, разрушая молекулярные связи и даже молекулы ДНК. По этой причине УФ вызывает солнечный ожог и даже рак кожи. Большинство вредных ультрафиолетовых волн Солнца поглощается атмосферой (особенно азотом) и озоновым слоем, но достаточно большая его часть попадает на землю. Поэтому стоит быть осторожными и использовать солнцезащитный крем и солнечные очки.

Рентгеновское излучение имеет очень высокую энергию и подобно УФ может ионизировать атомы в теле и наносить урон. Однако на правильных длинах волн и в правильных количествах их можно использовать безопасно, не повреждая ткани тела, чтобы создать, например, снимки грудной клетки. Также рентгеновские телескопы полезны при исследовании астрофизики.

Что такое видимый свет и как его можно использовать?

Каково применение видимого излучения? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала дать определение этому термину. Видимый свет – это электромагнитное излучение, вызванное фотонами, поражающими поверхность и поглощаемыми электронами материала, при этом излучается цвет, который имеет наименьшую скорость поглощения. Например, огнетушители красные, потому что частицы краски поглощают зеленую частоту лучше, чем красную.

340-750 нм – длина волны видимого спектра. Благодаря этим знаниям можно создавать диоды, которые излучают свет на определенных частотах. Одним из применений видимого света является светофор. Видимый свет – любая электромагнитная волна (или фотон как квантовый эквивалент), которая лежит в области синего и красного цветов спектра. Он имеет множество применений. Видимый свет используется как источник света, который можно увидеть человеческим глазом. Это лазеры, свободная космическая связь, оружие, сигнализация, освещение.

Он также используется в качестве сигнатурной эмиссии некоторых атомных и химических реакций, позволяя идентифицировать присутствие различных материалов, поэтому используется в судебной экспертизе и медицине. Видимый свет – это электромагнитное излучение в диапазоне частот от 430 до 770 ТГц, соответствующее длинам волн от 390 до 700 нм. Это диапазон электромагнитного излучения, который может быть получен глазами животных и человека. Эволюция, вероятно, оборудовала животных органом для получения этого диапазона излучения. Видимый свет представляет собой максимальную интенсивность солнечного излучения, и он довольно коротковолновой. Также он не повреждает живые клетки, в отличие от, например, УФ, рентгеновских или гамма-лучей.

Видимый свет – это электромагнитная волна

Обычно наблюдаемый свет представляет собой комбинацию различных цветных световых волн. Эти разные цвета света обусловлены разными частотами света. Видимый свет имеет много применений в оптике, материаловедении, конденсированном веществе, лазерных науках, разных отраслях промышленности, которые используют этот свет для экспериментов и каждый день. Примерами являются экраны проекторов, лазерный луч, используемый в шоу, или указатель, камера и так далее.

Свет – это часть электромагнитного спектра, к которому чувствительны наши глаза. Главное применение видимого света – это способность видеть вещи своими глазами. Излучение спектра передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Этот спектр классически разделен на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Наши глаза могут обнаружить только крошечную часть электромагнитного спектра, называемую видимым светом.

Так работают лампочки: электрический ток нагревает ламповую нить примерно до 3000 градусов, и она светится горячим светом. Поверхность Солнца составляет около 5600 градусов и выделяет много света. Белый свет фактически состоит из целого ряда цветов, смешанных друг с другом. Это можно увидеть, если пропустить белый свет через стеклянную призму. Компакт-диски считываются лазерным излучением. Лазеры используются в компакт-дисках и DVD-плеерах, где свет отражается от крошечных ямок на диске, при этом происходит преобразование в звук или данные. Лазеры также используются в лазерных принтерах и в системах прицеливания самолетов.

Опасности видимого света

Видимые световые волны – единственные электромагнитные волны, которые может увидеть человеческий глаз. Люди видят их как цвета радуги, каждый из которых имеет свою длину волны. Красный имеет самую длинную, а фиолетовый – самую короткую. Когда все волны видны вместе, они создают белый свет. Конусы в глазах являются приемниками для этих крошечных волн видимого света. Солнце является естественным источником видимых световых волн, и глаза видят отражение этого солнечного света от окружающих объектов. Цвет объекта, который видит человек, это цвет отраженного света. Все остальные цвета поглощаются.

Слишком большое излучение может повредить сетчатку глаза. Это может произойти, если вы посмотрите на что-то очень яркое, например на Солнце. Хотя повреждение можно вылечить, но если воздействие видимого излучения является сильным и постоянным, это может иметь необратимые последствия.

Видимое излучение: источники, свойства, применение

Лампочки – еще один источник видимых световых волн. А еще лазеры. Кто их открыл? Альберт Эйнштейн (1917) предложил механизм стимулированного излучения – принцип действия лазера. Открытие спонтанного излучения Эйнштейна (процесс, происходящий в атомах) побудило его развить идею стимуляции светодиодов. В 1950-х годах исследователи предложили конструкции для устройства, которое стимулировало бы излучение для усиления света. Первый лазер был построен Теодором М. Майманом В 1960 году.

Как производится лазер?

Искусственный процесс включает в себя следующее:

• Источник энергии.
• Активная среда.
• Оптическая полость.

Активная среда поглощает энергию из источника, сохраняет ее и высвобождает ее как свет. Что-то из этого света запускает другие атомы, чтобы высвободить их энергию, поэтому к запущенному добавляется еще больше света. Зеркала в конце оптической полости отражают свет обратно в активную среду, и процесс начинается снова, заставляя свет усиливаться и вызывая его часть в виде узкого луча – лазера. Для увеличения светового излучения в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем было изначально. Это называется инверсией данных. Это состояние не происходит при нормальных условиях. Поэтому этому процессу должны помочь искусственные технологии, а не природа.

Лекарственное средство

Применение видимого излучения в медицине – это обычное дело. Лазеры используются в микрохирургических процедурах, таких как выполнение небольших точных разрезов, операций на печени и капиллярной хирургии, что приводит к небольшой потере крови. Лазеры также используются в офтальмологии (удаление катаракты и коррекция зрения), дерматологии (удаление татуировок и шрамов), стоматологии (очищение полости), онкологии (лечение рака кожи).

Какой можно привести пример применения видимого излучения в медицине? Светотерапия также используется для облегчения сезонного аффективного расстройства, регулирует ваши внутренние биологические часы (суточные ритмы) и влияет на настроение. Терапевтическое применение света и цвета также исследуется во многих больницах и исследовательских центрах по всему миру. Результаты пока показывают, что полный спектр, ультрафиолетовый, цветной и лазерный свет могут иметь терапевтическое значение для ряда условий – от хронической боли и депрессии до иммунных расстройств.

Видимое излучение: кем и когда открыто?

Первым объяснил возникновение спектра (этот термин был употреблен впервые в 1671 году) видимого излучения Исаак Ньютон в своем труде «Оптика» и Иоганн Гете в своей работе «Теория цветов». Что такое видимое излучение? Кем и когда открыто? Также похожими исследованиями занимался Роджер Бэкон, который наблюдал за спектром в стакане воды задолго до Ньютона и Гете.

Применение в жизни видимого излучения дает возможность видеть что-либо вообще. Свет движется, как волна, отскакивая от объектов, чтобы люди могли их видеть. Без этого все были бы в полной темноте. Но в физике свет может относиться к любой электромагнитной волне: радиоволнам, микроволнам, инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому, рентгеновскому излучению или гамма-лучам.

Диапазон видимого света — самый узкий во всем спектре. Длина волны в нем меняется менее чем в два раза. На видимый свет приходится максимум излучения в спектре Солнца. Наши глаза в ходе эволюции адаптировались к его свету и способны воспринимать излучение только в этом узком участке спектра. Почти все астрономические наблюдения до середины XX века велись в видимом свете. Основной источник видимого света в космосе — звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет. На Земле применяются также нетепловые источники света, например, флюоресцентные лампы и полупроводниковые светодиоды.

Для сбора света от слабых космических источников используются зеркала и линзы. Приемниками видимого света служат сетчатка глаза, фотопленка, применяемые в цифровых фотоаппаратах полупроводниковые кристаллы (ПЗС-матрицы), фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Принцип действия приемников основан на том, что энергии кванта видимого света достаточно, чтобы спровоцировать химическую реакцию в специально подобранном веществе или выбить из вещества свободный электрон. Затем по концентрации продуктов реакции или по величине освободившегося заряда определяется количество поступившего света.

Источники

Комета Хейла-Боппа

Одна из самых ярких комет конца XX века. Она была открыта в 1995 году, когда находилась еще за орбитой Юпитера. Это рекордное расстояние для обнаружения новой кометы. Прошла перигелий 1 апреля 1997 года, а в конце мая достигла максимального блеска — около нулевой звездной величины. Всего комета оставалась видимой невооруженным глазом в течение 18,5 месяцев — вдвое больше прежнего рекорда, установленного великой кометой 1811 года. На снимке видны два хвоста кометы — пылевой и газовый. Давление солнечного излучения направляет их прочь от Солнца.

Планета Сатурн

Вторая по величине планета Солнечной системы. Относится к классу газовых гигантов. Снимок сделан межпланетной станцией «Кассини», которая с 2004 года ведет исследования в системе Сатурна. В конце XX века системы колец обнаружены у всех планет-гигантов — от Юпитера до Нептуна, но только у Сатурна они легко доступны наблюдению даже в небольшой любительский телескоп.

Солнечные пятна

Области пониженной температуры на видимой поверхности Солнца. Их температура 4300–4800 К — примерно на полторы тысячи градусов ниже, чем на остальной поверхности Солнца. Из-за этого их яркость в 2–4 раза ниже, что по контрасту создает впечатление черных пятен. Пятна возникают, когда магнитное поле замедляет конвекцию и тем самым вынос тепла в верхних слоях вещества Солнца. Они живут от нескольких часов до нескольких месяцев. Число пятен служит индикатором активности Солнца. Наблюдая пятна на протяжении нескольких дней, легко заметить вращение Солнца. Снимок сделан любительским телескопом.

Внимание! Ни в коем случае нельзя смотреть на Солнце в телескоп или другой оптический прибор без специальных защитных фильтров. При использовании фильтров их следует надежно крепить перед объективом, а не у окуляра инструмента, где фильтр может повредиться из-за перегрева. В любом случае безопаснее наблюдать проекцию изображения Солнца на лист бумаги за окуляром телескопа.

Рассеянное звездное скопление Плеяды

Содержит около 3 тысяч звезд, из которых семь видны невооруженным глазом. Скопление имеет поперечник 13 световых лет и расположено в 400 световых годах от Земли. Рассеянные скопления образуются при сжатии космических газопылевых облаков под действием самогравитации (притяжения одних частей облака к другим). В ходе сжатия облако дробится на части, из которых формируются отдельные звезды. Эти звезды слабо связаны между собой гравитацией, и со временем такие скопления рассеиваются.

Спиральная галактика M51

Спиральная галактика, диск которой мы наблюдаем плашмя, известная также под названием Водоворот. Расположена на расстоянии около 37 млн световых лет. Ее диаметр составляет около 100 тысяч световых лет. У конца одной из спиральных ветвей располагается галактика-компаньон.

Обозначение M51 относится ко всей паре в целом. По отдельности основная галактика и ее компаньон обозначаются NGC 5194 и 5195. Гравитационное взаимодействие с компаньоном уплотняет газ в близких к нему участках спиралей, что ускоряет звездообразование. Взаимодействие — типичное явление в мире галактик. Галактика доступна для наблюдения в небольшой любительский телескоп.

Приемники

Визуальные наблюдения

В профессиональной астрономии визуальные наблюдения больше не применяются. Лет 20 назад их полностью вытеснили цифровая фотография, фотометрия, спектрометрия и компьютерная обработка данных.

Однако романтика визуальных наблюдений по-прежнему вдохновляет любителей астрономии. Невооруженному глазу доступны Солнце, Луна, пять планет, около 6 тысяч звезд и четыре галактики — Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы облака. Эпизодически появляются видимые глазом кометы и астероиды.

Практически каждую ночь можно наблюдать сгорающие в атмосфере космические песчинки — метеоры, а также неторопливо ползущие по небу искусственные спутники Земли. В высоких широтах наблюдаются полярные сияния, в низких при благоприятных условиях виден призрачный зодиакальный свет — освещенная Солнцем космическая пыль. И всё это разнообразие наблюдается в крайне узком спектральном диапазоне, который почти в тысячу раз уже инфракрасного диапазона.

В бинокль видно в десятки раз больше звезд и множество туманных объектов. Любительскому телескопу доступно в тысячи раз больше звезд, детали на поверхности планет, их спутники, а также сотни туманностей и галактик. Но при этом поле зрения у телескопа значительно меньше, и для успешных наблюдений его надо надежно закрепить, а еще лучше медленно поворачивать вслед за вращением неба.

Любительский телескоп

В современном мире любительская астрономия стала увлекательным и престижным хобби. Ряд фирм, таких как Meade и Celestron, производят телескопы специально для любителей. Простейшие инструменты с диаметром объектива от 50–70 мм стоят 200–500 долларов, самые крупные с диаметром 350–400 мм сравнимы по стоимости с престижным автомобилем и требуют стационарной установки на бетонном фундаменте под куполом. В умелых руках такие инструменты вполне могут дать вклад в большую науку.

Самые популярные в мире любительские телескопы имеют диаметр около 200 мм и построены по оптической схеме, изобретенной советским оптиком Максутовым. Они имеют короткую трубу, которую обычно устанавливают на вилочной монтировке и снабжают компьютером для автоматического наведения на различные объекты по их небесным координатам. Именно такой инструмент показан на плакате.

24-метровый телескоп «Магеллан» (строящийся)

В 1975 году в СССР построили 6-метровый телескоп БТА. Чтобы главное зеркало телескопа не деформировалось, его сделали толщиной около метра. Казалось, что дальше увеличивать размеры зеркал невозможно. Однако выход был найден. Зеркала стали делать относительно тонкими (15–25 см) и разгружать на множество опор, положением которых управляет компьютер. Возможность изгибать зеркала, гибко подстраивая их форму, позволила построить телескопы диаметром до 8 метров.

Но и на этом астрономы не остановились. На самых крупных инструментах зеркала делят на сегменты, совмещая положение частей с точностью до сотых долей микрона. Так устроены крупнейшие в мире 10-метровые телескопы Кека. Следующим шагом станет американский телескоп «Магеллан», в котором будет 7 зеркал, каждое диаметром 8 метров. Вместе они будут работать как 24-метровый телескоп. А в Европейском Союзе началась работа над еще более амбициозным проектом — телескопом диаметром 42 метра.

Главным препятствием для реализации возможностей таких инструментов становится земная атмосфера, турбулентность которой искажает изображение. Для компенсации помех, за состоянием атмосферы постоянно наблюдает специальная аппаратура и на ходу изгибает зеркало телескопа так, чтобы компенсировать искажения. Эта технология называется адаптивной оптикой.

Схема оптического телескопа-рефлектора

Телескоп выполняет две задачи: собрать как можно больше света слабого источника и различить как можно более мелкие его детали. Светособирающая способность телескопа определяется площадью главного зеркала, разрешающая способность — его диаметром. Именно поэтому астрономы стремятся построить как можно более крупные телескопы.

У небольших телескопов в качестве объектива может использоваться собирающая линза (телескоп-рефрактор), но чаще применяется вогнутое параболическое зеркало (телескоп-рефлектор). Главная функция объектива — построить изображение наблюдаемых источников в фокальной плоскости телескопа, где располагают фотокамеру или другое оборудование. В любительских телескопах для визуальных наблюдений позади фокальной плоскости ставят окуляр, представляющий собой, по сути, сильную лупу, в которую рассматривается созданное объективом изображение.

Однако у рефлектора фокальная плоскость находится перед зеркалом, что не всегда удобно при наблюдениях. Используют разные приемы, чтобы вывести пучок света за пределы тубы телескопа. В системе Ньютона для этого используется диагональное зеркало. В более сложной системе Кассегрена (на плакате) напротив главного зеркала ставят вторичное выпуклое зеркало в форме гиперболоида вращения. Оно отражает пучок назад, где он выходит через отверстие в центре главного зеркала. В системе Максутова на переднем конце трубы телескопа ставят тонкую выпукло-вогнутую линзу. Она не только предохраняет зеркала телескопа от повреждения, но и позволяет сделать главное зеркало не параболическим, а сферическим, что намного дешевле в изготовлении.

Космический телескоп «Хаббл»

Самый крупный орбитальный оптический телескоп. Диаметр его главного зеркала составляет 2,4 метра. Выведен на орбиту в 1991 году. Может вести наблюдения в видимом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Единственный космический телескоп, который посещали астронавты для ремонта и обслуживания.

Телескопу имени Хаббла астрономия обязана десятками открытий. В числе прочего он позволил увидеть, как выглядели галактики в эпоху их зарождения около 13 млрд лет назад. В настоящее время на смену телескопу Хаббла создается космический телескоп нового поколения — James Webb Space Telescope (JWST) диаметром 6,5 метров, который планируется вывести в космос в 2013 году. Правда, работать он будет не в видимом диапазоне, а в ближнем и среднем инфракрасном.

Обзоры неба

Всё небо в видимом диапазоне

Здесь вновь отчетливо видна плоскость нашей Галактики — Млечного Пути. Ее свечение складывается из света сотен миллиардов звезд и туманностей. Также хорошо заметны темные волокна пылевых облаков, которые заслоняют от нас часть света звезд в галактической плоскости.

Туманные образования в нижней половине обзора — Большое и Малое Магеллановы облака, спутники нашей Галактики. Яркие звезды, которые кажутся нам основными объектами на небе, на такой мелкомасштабной карте практически незаметны.

Небо в линии водорода H-альфа, 656 нм

Спектральная линия H-альфа соответствует переходу электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй.

Это первая линия так называемой серии Бальмера, которая вся состоит из переходов с разных более высоких уровней на второй. Имеются аналогичные серии переходов на первый уровень (серия Лаймана), на третий уровень (серия Пашена) и на другие уровни. Отличительная особенность серии Бальмера состоит в том, что она практически целиком располагается в видимом диапазоне, что значительно облегчает наблюдения. В частности, линия H-альфа приходится на красный участок спектра.

Излучение в этой линии возникает в разреженных космических облаках атомарного водорода. Атомы в них возбуждаются ультрафиолетовым излучением горячих звезд, а потом отдают энергию, переходя на более низкие уровни. Выделяя при помощи фильтров линию H-альфа, можно целенаправленно наблюдать распределение нейтрального водорода.

Обзор неба в линии H-альфа показывает распределение газа в нашей Галактике. На нем видны крупные пузыри газа вокруг областей активного звездообразования.

Земное применение

Микроскоп

При рассматривании предметов на расстоянии ясного зрения (25 см) человек может различить детали величиной около 0,1 мм (угловое разрешение глаза порядка одной угловой минуты 1′ = 2,3×10-4 рад). Чтобы увидеть более мелкие детали, смотреть надо с меньшего расстояния, но на расстояние менее 10 см глазу очень трудно настроиться.

Добиться этого можно, используя лупу, оптическая сила которой добавляется к оптической силе хрусталика. Но и в этом случае предел увеличения составляет примерно 25х, т. к. размер такой сильной лупы становится очень маленьким и размещать ее приходится близко к образцу. Фактически такая лупа становится объективом микроскопа. Смотреть в него глазом очень неудобно, но можно поступить иначе.

Тщательно отрегулировав расстояние от объектива до предмета, можно получить на некотором отдалении позади объектива его увеличенный образ. Поместив за ним другую лупу и рассматривая в нее построенный объективом образ, можно добиться увеличения в сотни и даже более тысячи раз.

Однако увеличения заметно более 1000 раз не имеют практического смысла, поскольку волновая природа света не позволяет рассмотреть детали размером меньше длины волны (400–700 нм). При увеличении в 2000 раз такие детали видны как миллиметровое деление на линейке, которую вы держите в руках.

Дальнейшее повышение увеличения не откроет вам новых подробностей. Чтобы увидеть детали с большим разрешением, требуются рентгеновские лучи с меньшей длиной волны или вообще потоки электронов, у которых (согласно квантовой механике) длина волны меньше. Также можно применять механический щуп с очень точной системой наводки — так называемый сканирующий микроскоп.

Лампа накаливания

Испускает видимый свет и инфракрасное излучение за счет нагрева электрическим током помещенной в вакуум вольфрамовой спирали. Спектр излучения очень близок к чернотельному с температурой около 2000 К.

При такой температуре максимум излучения приходится на ближнюю инфракрасную область и потому расходуется бесполезно для целей освещения. Существенно поднять температуру не удается, поскольку при этом спираль быстро выходит из строя. Поэтому лампы накаливания оказываются неэкономичным осветительным прибором. Лампы дневного света значительно эффективнее преобразуют электроэнергию в свет.

Далее: Инфракрасный диапазон