В КАКОЙ СТЕПЕНИ УЧЕНЫЕ СМОГЛИ ПРЕДСТАВИТЬ ПРИРОДУ СВЕТА В НАЧАЛЕ 19 ВЕКА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И КАКОВЫ БЫЛИ КЛЮЧЕВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ПОНИМАНИИ СВЕТА В ЭТОТ ПЕРИОД

У этого термина существуют и другие значения, см. Свет (значения).

Спектр света — часть спектра электромагнитного излучения

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

Также, особенно в теоретической физике, термин свет может иногда выступать просто синонимом термина электромагнитное излучение, независимо от его частоты, особенно когда конкретизация не важна, а хотят, например, использовать более короткое слово.

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 (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 мая 2017 года; проверки требуют 6 правок.

Волнова́я тео́рия све́та — одна из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна, от длины которой зависит цвет видимого нами света.

Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

1. В виде каких волн ученые представляли себе свет в начале 19 в.?

В виде упругих волн, подобно звуковым.

В начале 19 в. была подтверждена гипотеза о волновой природе света.
В то время ни о каких волнах, кроме механических, ещё не знали.
Поэтому ученые считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.

2. Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира?

В начале 19 в. ученые считали, что свет — это упругая волна.
Но упругие волны могут возникать только в веществе.
Однако свет от звёзд доходит до нас через безвоздушное пространства, где нет вещества.
Тогда ученые выдвинули гипотезу о том, что всё мировое пространство заполнено невидимой упругой средой — светоносным эфиром.
Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

3. Какое предположение о природе света было сделано Максвеллом? Какие общие свойства света и электромагнитных волн явились основанием для такого предположения?

Во второй половине 19 в. Максвелл предположил:

Так как световые и электромагнитные волны являются поперечными и обладают одинаковой скоростью распространения, то свет является частным случаем проявления электромагнитных волн.

4. Как называется частица электромагнитного излучения?

Частица электромагнитного излучения называется фотоном.

В 1905 г. физик Альберт Эйнштейн выдвинул идею, что электромагнитные волны можно рассматривать как поток квантов излучения.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном.
Фотон — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в том числе света).
Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Следующая страница — смотреть

Основные законы
оптики известны еще с древних веков.
Так, Платон (430 г. до н. э.) установил закон
прямолинейного распространения и закон
отражения света. Аристо­тель (350 г. до
н. э.) и Птоломей изучали преломление
света. Первые представления о природе
света возникли у древних греков и
египтян, которые в дальнейшем, по мере
изобретения и усовершенствования
различных оптических инструментов,
например параболических зеркал (XIII в.),
фотоаппарата и микроскопа (XVI в.),
зрительной трубы (XVII в.), развивались и
трансформировались. В конце XVII в. на
основе многовекового опыта и развития
представлений о свете возникли две
теориисвета:корпускулярная(И.
Ньютон) иволновая(Р. Гук и X. Гюйгенс).

Согласно
корпускулярной теории (теории истечения),
свет представляет собой поток частиц
(корпускул), испускаемых светящимися
телами и летящих по прямолиней­ным
траекториям. Движение световых корпускул
Ньютон подчинил сформулирован­ным
им законам механики. Так, отражение
света понималось аналогично отражению
упругого шарика при ударе о плоскость,
где также соблюдается закон равенства
углов падения в отражения. Преломление
света Ньютон объяснял притяжением
корпускул преломляющей средой, в
результате чего скорость корпускул
меняется при переходе из одной среды в
другую. Из теории Ньютона следовало
постоянство синуса угла падения i1к синусу угла преломления
i2:

Согласно волновой
теории, развитой на основе аналогии
оптических и акустических явлений, свет
представляет собой упругую волну,
распространяющуюся в особой среде —
эфире. Эфир заполняет все мировое
пространство, пронизывает все тела и
обладает механическими свойствами —
упругостью и плотностью. Согласно
Гюй­генсу, большая скорость
распространения света обусловлена
особыми свойствами эфира.

Волновая теория
основывается на принципе
Гюйгенса: каждая точка, до которой
доходит волна, служит центром вторичных
волн, а огибающая этих воли дает положе­ние
волнового фронта в следующий момент
времени. Напомним, что волновым фронтом
называется геометрическое место точек,
до которых доходят колебания к моменту
времени t. Принцип Гюйгенса позволяет анализировать
распространение света и вывести законы
отражения и преломления.

Выведем законы
отражения и преломления света, исходя
из принципа Гюйгенса. Пусть на границу
раздела двух сред падает плоская волна
(фронт волны — плоскость AВ),распространя­ющаяся вдоль направленияI(рис. 243). Когда фронт
волны достигнет отражающей поверхности
в точкеA,эта точка
начнет излучать вторичную волну. Для
прохождения волной расстоянияВС
требуется время t=BC/v. За это же время фронт вторичной волны
достигнет точек полусферы, радиус
ADкоторой равен
vt=BC. Положение фронта отраженной волны в
этот момент времени в соответствии с
принципом Гюйгенса задается плоскостью
DC,а направление
распространения этой волны — лучомII. Из равенства треугольниковAВСиADСвытекает
закон отражения: угол
отражения i’1,
равен углу падения i1.

Для вывода закона
преломления предположим, что плоская
волна (фронт волны — плоскость AВ),распространяющаяся в вакууме вдоль
направленияI
со скоростью светас, падает на
границу раздела со средой, в которой
скорость ее распространения равнаv
(рис. 244). Пусть время прохождения
волной путиВСравноt. Тогда BC=ct. За это же время фронт волны, возбужда­емый
точкойAв среде со
скоростьюv, достигнет
точек полусферы, радиус которой
AD=vt.
Положение фронта преломленной
волны в этот момент времени в соответствии
с принципом Гюйгенса
задается плоскостью DC,а направление ее распространения —
лучомIII. Из рис. 244
следует, что AC=BC/sini1=AD/sini2,т. е. ct/sini1=vt/sini2c,
откуда

Сравнивая выражения
(170.2) и (170.1), видим, что волновая теория
приводит к выводу, отличному от вывода
теории Ньютона. По теории Гюйгенса,
v<c,т. е. скорость распространения
света в среде должна быть всегда меньше
скорости его распространения в вакууме.

Таким образом, к
началу XVIII в. существовало два
противоположных подхода к объяснению
природы света: корпускулярная теория
Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе
эти теории объясняли прямолинейное
распространение света, законы отражения
и преломления. X VIII век стал веком борьбы
этих теорий. Эксперименталь­ное
доказательство справедливости волновой
теории было получено в 1851 г., когда Э.
Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил
скорость распространения света в воде
и получил значение, соответствующее
формуле (170.2). К началу XIX столетия
корпускулярная теория была полностью
отвергнута и восторжествовала волновая
теория. Большая заслуга в этом отношении
принадлежит английскому физику Т. Юнгу,
исследовавшему явления дифракции и
интерференции, и французскому физи­ку
О. Френелю (1788—1827), дополнившему принцип
Гюйгенса и объяснившему эти явления.

Несмотря на
признание волновой теории, она обладала
целым рядом недостатков. Например,
явления интерференции, дифракции и
поляризации могли быть объяснены только
в том случае, если световые волны считать
поперечными. С другой стороны, если
световые волны — поперечные, то их
носитель — эфир — должен обладать
свой­ствами твердых тел. Попытка же
наделить эфир свойствами твердого тела
успеха не имела, так как эфир не оказывает
заметного воздействия на движущиеся в
нем тела. Далее эксперименты показали,
что скорость распространения света в
разных средах различна, поэтому эфир
должен обладать в разных средах различными
свойствами. Теория Гюйгенса не могла
объяснить также физической природы
наличия разных цветов.

Наука о свете
накапливала экспериментальные данные,
свидетельствующие о взаимосвязи
световых, электрических и магнитных
явлений, что позволило Максвеллу в 70-х
годах прошлого столетия создать
электромагнитную теорию света (см. §
139). Согласно электромагнитной теории
Максвелла (см. (162.3)),

где с и
v —соответственно
скорости распространения света в вакууме
и в среде с диэлектрической проницаемостьюи магнитной
проницаемостью. Это соотноше­ние связывает оптические,
электрические и магнитные постоянные
вещества. По Макс­веллу, 
и 
—величины, не зависящие от длины
волны света, поэтому электромагнит­ная
теория не могла объяснить явление
дисперсии (зависимость показателя
преломле­ния от длины волны). Эта
трудность была преодолена в конце
XIXв. Лоренцем, предложившимэлектронную
теорию, согласно которой диэлектрическая
проницае­мостьзависит от длины волны падающего света.
Теория Лоренца ввела представле­ние
об электронах, колеблющихся внутри
атома, и позволила объяснить явления
испускания и поглощения света веществом.

Несмотря на огромные
успехи электромагнитной теории Максвелла
и электронной теории Лоренца, они были
несколько противоречивы и при их
применении встречался ряд затруднений.
Обе теории основывались на гипотезе об
эфире, только «упругий эфир» был заменен
«эфиром электромагнитным» (теория
Максвелла) или «неподвижным эфиром»
(теория Лоренца). Теория Максвелла не
смогла объ­яснить процессов испускания
и поглощения света, фотоэлектрического
эффекта, комптоновского рассеяния и т.
д. Теория Лоренца, в свою очередь, не
смогла объяснить многие явления,
связанные с взаимодействием света с
веществом, в ча­стности вопрос о
распределении энергии по длинам волн
при тепловом излучении черного тела.

Перечисленные
затруднения и противоречия были
преодолены благодаря смелой гипотезе
(1900) немецкого физика М. Планка (1858—1947),
согласно которой излучение и поглощение
света происходит не непрерывно, а
дискретно, т. е. определенными порциями
(квантами), энергия которых определяется
частотой :

где h
—постоянная Планка.

Теория Планка не
нуждалась в понятии об эфире. Она
объяснила тепловое излуче­ние черного
тела. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую
теорию света, согласно которой не
толькоизлучениесвета, но и егораспространениепроисходит в видепотока световых квантов — фотонов,
энергия которых определяется соотношением
(170.3), а масса

Квантовые
представления о свете хорошо согласуются
с законами излучения и поглощения света,
законами взаимодействия света с
веществом. Однако как с помо­щью этих
представлений объяснить такие хорошо
изученные явления, как интерферен­ция,
дифракция и поляризация света? Эти
явления легко объясняются на основе
волновых представлений. Все многообразие
изученных свойств и законов распрост­ранения
света, его взаимодействия с веществом
показывает, что свет имеет сложную
природу. Он представляет собой единство
противоположных видов движения —корпускулярного (квантового)иволнового (электромагнитного).
Длительный путь развития привел к
современным представлениям одвойственной
корпускулярно-волновой природе света.
Выражения (170.3) и (170.4) связывают
корпускулярные характеристики излуче­ния
— массу и энергию кванта — с волновыми
— частотой колебаний и длиной вол­ны.
Таким образом, свет представляет собойединство дискретности и непрерыв­ности.

Соседние файлы в папке книги

Основные
законы оптики известны еще с древних
веков. Так, Платон (430 г. до н. э.) установил
закон прямолинейного распространения
и закон отражения света. Аристотель
(350 г. до н. э.) и Птоломей изучали преломление
света. Первые представления о природе
света возникли у древних греков и
египтян, которые в дальнейшем, по мере
изобретения и усовершенствования
различных оптических инструментов,
например параболических зеркал (XIII в.),
фотоаппарата и микроскопа (XVI в.),
зрительной трубы (XVII в.),
развивались и трансформировались. В
конце XVII в.
на основе многовекового опыта и развития
представлений о свете возникли две
теории света: корпускулярная (И. Ньютон)
и волновая (Р. Гук и X.
Гюйгенс).

Согласно
корпускулярной теории (теории истечения),
свет представляет собой поток частиц
(корпускул), испускаемых светящимися
телами и летящих по прямолинейным
траекториям. Движение световых корпускул
Ньютон подчинил сформулированным им
законам механики. Так, отражение света
понималось аналогично отражению упругого
шарика при ударе о плоскость, где также
соблюдается закон равенства углов
падения и отражения. Преломление света
Ньютон объяснял притяжением корпускул
преломляющей средой, в результате чего
скорость корпускул меняется при переходе
из одной среды в другую. Из теории Ньютона
следовало постоянство синуса угла
падения i1,
к синусу угла преломления i2:

Согласно
волновой теории, развитой на основе
аналогии оптических и акустических
явлений, свет представляет собой упругую
волну, распространяющуюся в особой
среде — эфире. Эфир заполняет все мировое
пространство, пронизывает все тела и
обладает механическими свойствами —
упругостью и плотностью. Согласно
Гюйгенсу, большая скорость распространения
света обусловлена особыми свойствами
эфира.

Волновая
теория основывается на принципе
Гюйгенса: каждая
точка, до которой доходит волна, служит
центром вторичных волн, а огибающая
этих волн дает положение волнового
фронта в следующий момент времени.
Напомним, что волновым фронтом называется
геометрическое место точек, до которых
доходят колебания к моменту времени t. Принцип
Гюйгенса позволяет анализировать
распространение света и вывести законы
отражения и преломления.

Выведем
законы отражения и преломления света,
исходя из принципа Гюйгенса. Пусть на
границу раздела двух сред падает плоская
волна (фронт волны — плоскость AS), распространяющаяся
вдоль направления I (рис.
243). Когда фронт волны достигнет отражающей
поверхности в точке А, эта
точка начнет излучать вторичную волну.
Для прохождения волной расстояния ВС требуется
время t = BC/v. За
это же время фронт вторичной волны
достигнет точек полусферы, радиус AD которой
равен vt = BC. Положение
фронта отраженной волны в этот момент
времени в соответствии с принципом
Гюйгенса задается плоскостью DC, а
направление распространения этой волны
— лучом II.
Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает
закон отражения: угол отражения i1  равен
углу
падения i1.

Для
вывода закона преломления предположим,
что плоская волна (фронт волны —
плоскость AS),распространяющаяся
в вакууме вдоль направления /со скоростью
света с, падает на границу раздела со
средой, в которой скорость ее распространения
равна v (рис.
244).

Пусть
время прохождения волной пути ВС равно t.
Тогда BС
= сt.
За это же время фронт волны, возбуждаемый
точкой А в
среде со скоростью v,
достигнет точек полусферы, радиус
которой AD = vt. Положение
фронта преломленной волны в этот момент
времени в соответствии с принципом
Гюйгенса задается плоскостью DC,
а направление ее распространения —
лучом III.
Из
рис.
244 следует,
что AC = BC/sin i1 = AD/sin i1, т.
е. ct/sin i1 = vt/sin i2,
откуда

Сравнивая
выражения (170.2) и (170.1), видим, что волновая
теория приводит к выводу, отличному от
вывода теории Ньютона. По теории
Гюйгенса, v < c, т.
е. скорость распространения света в
среде должна быть всегда меньше скорости
его распространения в вакууме.

Таким
образом, к началу XVIII в.
существовало два противоположных
подхода к объяснению природы света:
корпускулярная теория Ньютона и волновая
теория Гюйгенса. Обе эти теории объясняли
прямолинейное распространение света,
законы отражения и преломления. XVIII век
стал веком борьбы этих теорий.
Экспериментальное доказательство
справедливости волновой теории было
получено в 18S1
г., когда Э. Фуко (и независимо от него
А. Физо) измерил скорость распространения
света в воде и получил значение,
соответствующее формуле (170.2). К
началу XIXстолетия
корпускулярная теория была полностью
отвергнута и восторжествовала волновая
теория. Большая заслуга в этом отношении
принадлежит английскому физику Т. Юнгу,
исследовавшему явления дифракции и
интерференции, и французскому физику
О. Френелю (1788-1827), дополнившему принцип
Гюйгенса и объяснившему эти явления.

Несмотря
на признание волновой теории, она
обладала целым рядом недостатков.
Например, явления интерференции,
дифракции и поляризации могли быть
объяснены только в том случае, если
световые волны считать поперечными. С
другой стороны, если световые волны —
поперечные, то их носитель — эфир — должен
обладать свойствами твердых тел. Попытка
же наделить эфир свойствами твердого
тела успеха не имела, так как эфир не
оказывает заметного воздействия на
движущиеся в нем тела. Далее эксперименты
показали, что скорость распространения
света в разных средах различна, поэтому
эфир должен обладать в разных средах
различными свойствами. Теория Гюйгенса
не могла объяснить также физической
природы наличия разных цветов.

Наука
о свете накапливала экспериментальные
данные, свидетельствующие о взаимосвязи
световых, электрических и магнитных
явлений, что позволило Максвеллу в 70-х
годах прошлого столетия создать
электромагнитную теорию света (см. §
139). Согласно электромагнитной теории
Максвелла (см. (162.3)),

где
с и v —
соответственно скорости распространения
света в вакууме и в среде с диэлектрической
проницаемостью  и магнитной
проницаемостью . Это
соотношение связывает оптические,
электрические и магнитные постоянные
вещества. По Максвеллу, е и и —
величины, не зависящие от длины волны
света, поэтому электромагнитная теория
не могла объяснить явление дисперсии
(зависимость показателя преломления
от длины волны). Эта трудность была
преодолена в конце XIX в.
Лоренцем, предложившим электронную
теорию, согласно которой диэлектрическая
проницаемость е зависит от длины волны
падающего света. Теория Лоренца ввела
представление об электронах, колеблющихся
внутри атома, в позволила объяснить
явления испускания и поглощения света
веществом.

Несмотря
на огромные успехи электромагнитной
теории Максвелла и электронной теории
Лоренца, они были несколько противоречивы
и при их применении встречался ряд
затруднений. Обе теории основывались
на гипотезе об эфире, только «упругий
эфир» был заменен «эфиром электромагнитным»
(теория Максвелла) или «неподвижным
эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла
не смогла объяснить процессов испускания
и поглощения света, фотоэлектрического
эффекта, комптоновского рассеяния и т.
д. Теория Лоренца, в свою очередь, не
смогла объяснить многие явления,
связанные с взаимодействием света с
веществом, в частности вопрос о
распределении энергии по длинам волн
при тепловом излучении черного тела.

Перечисленные
затруднения и противоречия были
преодолены благодаря смелой гипотезе
(1900) немецкого физика М. Планка (1858-1947),
согласно которой излучение и поглощение
света происходит не непрерывно, а
дискретно, т. е. определенными порциями
(квантами), энергия которых определяется
частотой v:

где h —
постоянная Планка. Теория Планка не
нуждалась в понятии об эфире. Она
объяснила тепловое излучение черного
тела. Эйнштейн в 190S г.
создал квантовую теорию света, согласно
которой не только излучение света,
но и его распространениепроисходит
в виде потока световых квантов — фотонов,
энергия которых определяется соотношением
(170.3), а масса

Квантовые
представления о свете хорошо согласуются
с законами излучения и поглощения света,
законами взаимодействия света с
веществом. Однако как с помощью этих
представлений объяснить такие хорошо
изученные явления, как интерференция,
дифракция и поляризация света? Эти
явления легко объясняются на основе
волновых представлений. Все многообразие
изученных свойств и законов распространения
света, его взаимодействия с веществом
показывает, что свет имеет сложную
природу. Он представляет собой единство
противоположных видов движения —
корпускулярного (квантового) и волнового
(электромагнитного). Длительный путь
развития привел к современным
представлениям о двойственной
корпускулярно-волновой природе света.
Выражения (170.3) и (170.4) связывают
корпускулярные характеристики излучения
— массу и энергию кванта — с волновыми —
частотой колебаний и длиной волны. Таким
образом, свет представляет собой единство
дискретности и непрерывности.

Радиометрия и световые измерения

Спектральные зависимости относительной чувствительности человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения

В качестве единиц измерения световых величин используются особые световые единицы, они базируются на единице силы света «кандела», являющейся одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).

В общем случае, когда ограничений на распределение энергии излучения по спектру не накладывается, это соотношение приобретает вид:

где  — спектральная плотность энергетической величины , определяемая как отношение величины , приходящейся на малый спектральный интервал, заключённый между и , к ширине этого интервала. Связь световой величины, характеризующей излучение, с соответствующей ей энергетической величиной, выражают также, используя понятие световая эффективность излучения.

Световые величины относятся к классу редуцированных фотометрических величин, к которому принадлежат и другие системы фотометрических величин. Однако, только световые величины узаконены в рамках СИ и только для них в СИ определены специальные единицы измерений.

Другой — более точный — способ измерения скорости света применил француз Ипполит Физо в 1849 году. Физо направил луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который проходил от источника к зеркалу и затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определённой скорости вращения луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света, — было получено значение в 313 000 000 м/с.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 от скорости света в вакууме. Снижение скорости света при прохождении вещества, как полагают, происходит не от фактического замедления фотонов, а от их поглощения и переизлучения частицами вещества.

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с

Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется главным образом частотой света, а для сложного излучения — его спектральным составом.

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

Скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с (точно).

Свет на границе между средами испытывает преломление и/или отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается и рассеивается веществом. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, 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 есть скалярная функция (в общем случае — от времени и координаты). В анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света — оптическая дисперсия — приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью, благодаря чему возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т. н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрической составляющей электромагнитной волны. У эллиптически (в частности циркулярно) поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, «вращается» по или против часовой стрелки.

Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайной поляризацией. 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 (см. 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 отражает тот факт, 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) включительно.

История теорий света в хронологическом порядке

В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз, и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц. Однако общего признания взгляды Лукреция на природу света не получили.

Птолемей (около II века) в своей книге «Оптика» описал преломление света.

Корпускулярная и волновая теории света

Начиная с XVII века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий.

Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук, предположивший и то, что свет является поперечной волной, и Христиан Гюйгенс, давший правильную теорию отражения и преломления света исходя из его волновой природы. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в особой среде — эфире. Несколько раньше Гримальди открыл интерференцию и дифракцию света, объясняя их с помощью идеи волн, хотя в не слишком ясном и чистом виде, также предположив и связь цвета с волновыми свойствами света.

Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон.

В начале XIX века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В то же время опыты Малюса и Био с поляризацией дали, как казалось тогда, убедительные свидетельства в пользу корпускулярной теории и против волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию света можно объяснить и с волновой точки зрения, если предположить, что свет представляет собой поперечные волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в заметке для Академии наук Огюстен Френель.

После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце XIX века, когда опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.

Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно чёрного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

С развитием квантовой механики стало развиваться и понимание того, что вещество (частицы) также имеют волновую природу и во многом подобны свету.

В современной фундаментальной физике (см. например #Квантовая электродинамика) свет и «материальные частицы» рассматриваются по сути равноправно — как квантовые поля (хотя и разных типов, имеющих некоторые существенные различия). Корпускулярный (в основном представленный техникой интегралов по траекториям) и волновой подход в современном виде являются скорее разными техническими подходами или представлениями в рамках одной картины.

Свет в специальной теории относительности

Наибольшие колебания эфира дают ощущение красного цвета, наименьшие и наиболее короткие — фиолетового, а промежуточные — промежуточных цветов.

В некоторой степени корпускулярная теория света возродилась в XX веке, когда были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удалось. Это — давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В настоящее время свет рассматривается как волна и поток частиц одновременно. Частицы света получили специальное название. Макс Планк назвал их световыми квантами (1900), а Гилберт Льюис — фотонами (1926). Оба этих названия используют до сих пор.

Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр с максимумом, положение которого определяется температурой источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела, нагретого до примерно , причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:

В прикладных науках важна точная характеристика спектра источника света. Особенно важны следующие типы источников:

Указанные источники имеют разную цветовую температуру.

Лампы дневного света, выпускаемые промышленностью, испускают излучение с различным спектральным составом, в том числе:

Восприятие света глазом

Нормированные спектральные зависимости чувствительности колбочек трёх типов. Пунктиром показана светочувствительность палочек

Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету и функционируют в условиях низкой освещённости, отвечая тем самым за ночное зрение. Однако спектральная зависимость чувствительности у всех палочек одинакова, поэтому палочки не могут обеспечить способность различать цвета. Соответственно, изображение, получаемое с их помощью, бывает только чёрно-белым.

Колбочки имеют относительно низкую чувствительность к воздействию света и обусловливают механизм дневного зрения, действующий только при высоких уровнях освещённости. В то же время, в отличие от палочек, в сетчатке глаза человека имеется не один, а три типа колбочек, отличающихся друг от друга расположением максимумов их спектральных распределений чувствительности. Вследствие этого колбочки поставляют информацию не только об интенсивности света, но и о его спектральном составе. Благодаря такой информации у человека и возникают цветовые ощущения.

Спектральный состав света однозначно определяет его цвет, воспринимаемый человеком. Обратное утверждение, однако, неверно: один и тот же цвет может быть получен различными способами. В случае монохроматического света ситуация упрощается: соответствие между длиной волны света и его цветом становится взаимнооднозначным. Данные о таком соответствии представлены в таблице.

Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов

Оптические свойства света

Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние, позволяют пролить свет на природу света.

Пример преломления света. Трубочка для коктейля кажется изогнутой из-за преломления света на границе между жидкостью и воздухом

Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса:

где  — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде,  — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а и  — показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом для вакуума и в случае прозрачных сред.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если свет падает на границу не перпендикулярно ей, то изменение длины волны приводит к изменению направления его распространения. 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 лупах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.