Часть 9. Физика света. Общие положения.

С точки зрения физики – свет, это  электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом. Под понятием свет, понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Наряду с «видимым светом», существует «невидимый свет»:   ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 740 нанометров, что соответствует частотам от 790 до 405 терагерц, соответственно.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой.

Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения - его спектральным составом.

Часто свет распространяется в какой либо среде –в веществе.

Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления (см.ниже), действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае — от времени и координаты); в анизотропных средах, где распространение света зависит от направления, показатель преломления представляется в виде тензора.

Те́нзор (от лат. tensus, «напряженный») — объект линейной алгебры, линейно преобразующий элементы одного линейного пространства в элементы другого. Частными случаями тензоров являются скаляры, векторы, билинейные формы и т. п. Термин «тензор» также часто служит сокращением для термина «тензорное поле», изучением которых занимается тензорное исчисление.

Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Скорость света в вакууме с = 299 792 458 м/с . С точки зрения современной физики, это предельная скорость перемещения любого физического тела.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т.н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.

Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380—760 нм (от фиолетового до красного).

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе. Теоретически, «остановленный свет» перестаёт быть светом.

Оптические свойства света.

Преломление.

Явление, при котором меняется направление распространения луча света, когда он переходит из одной среды в другую, как например, из вакуума или воздуха в такую другую среду, как стекло или вода или наоборот.

Показатель преломления.

  Численное значение, указывающее на степень преломления среды и выраженное формулой n=sin i/sin r. "n" это константа, не связанная с углом падения светового луча указывающая на показатель преломления преломляющей среды по сравнению со средой, из которой исходит луч. 

Для обычного оптического стекла "n" , как правило, обозначает показатель преломления

стекла по отношению к воздуху.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является нормальным к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света.

Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как например: в линзах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Дисперсия 

Явление, при котором оптические характеристики среды меняются в зависимости от длины волны светового луча, проходящего через среду. Когда свет поступает в линзу или призму, характеристики дисперсии линзы или призмы вызывают изменения показателя преломления в зависимости от длины волны, в результате чего свет рассеивается. Иногда это явление называют также цветовой дисперсией. 

Отражение .

Отражение отличается от преломления тем, что представляет собой явление, ведущее к тому, что часть света, падающего на стекло или на другую среду, отделяется и идет в совершенно новом направлении. Направление движения одинаково, независимо от длины волны. Когда свет попадает в линзу, не имеющую противоотражательного покрытия, и выходит из нее, то приблизительно 5% света отражается на границу между стеклом и воздухом. Количество отраженного света зависит от показателя преломления стеклянного материала.

  Дифракция .

Явление, при котором световые волны попадают в район тени от объекта. В случае с объективом светового прибора или фото-видеокамеры экспозиция часто регулируется путем изменения размера диафрагмы( отверстия для прохождения света) объектива (апертуры), чтобы отрегулировать количество света, проходящего через объектив. Дифракция в фотообъективе происходит при малых диафрагмах, когда ребра диафрагмы мешают прохождению световых волн по прямой линии, в результате чего лучи света проходят близко к ребрам диафрагмы, огибая эти ребра на пути через диафрагму. Дифракция вызывает уменьшение контрастности и разрешающей способности изображения, в результате чего получается неконтрастное изображение. Хотя дифракция имеет тенденцию появляться тогда, когда диаметр диафрагмы меньше определенного размера, на самом деле она зависит не только от диаметра диафрагмы, но и от различных факторов, таких, как длинна волны света, фокусное расстояние и светосила объектива.