Что такое свет и откуда он берется?

Введение — Что такое свет?

Мы, неученые, считаем само собой разумеющимся, что свет — это просто свет, и почти не задумываемся о том, откуда он берется и как его производят. Так что если ваша работа связана со светом, освещением или даже выращиванием растений в закрытых помещениях, мы решили, что вам будет интересно узнать об этом.

Эта статья приоткрывает завесу над вопросом «Что такое свет?».

1. Происхождение света: Естественные и искусственные источники
2. Свет — это высвобождение энергии
3. Как создается свет? От электронов к фотонам
4. Электроны не остаются на более высокой орбите, даже при постоянном электричестве.
5. Классический и квантовый взгляд на электроны (глубокое погружение).
6. Заключение — Раздвигаем занавески на тему «Что такое свет».

Свет — это высвобождение энергии

Одним словом, фотоны света, излучаемые источником света (например, лампой накаливания), — это просто выделение энергии. Чтобы объяснить это, приведем аналогию с защелкивающейся резинкой.

Допустим, вы прикладываете физическую энергию, чтобы растянуть резинку. При этом энергия передается материалу резинки в виде потенциальной энергии. Когда вы отпускаете один конец, резинка быстро сжимается, и вы слышите SNAP! Щелчок — это потенциальная энергия, высвобождающаяся в виде звука.

Начнем с электрона на его естественной низкой орбите (рис. 4-а).

Когда вы приложите к лампочке энергию или электричество, электрон в атоме нити накаливания перейдет на более высокую орбиту и получит потенциальную энергию (рис. 4-b).

Когда электрон вернется в свое нижнее или естественное состояние (рис. 4-c), он выделит энергию — но вместо звука он выпустит фотон света.

Следовательно, свет — это просто высвобождение энергии. И хотя другие типы ламп (светодиодные, флуоресцентные и т. д.) отличаются друг от друга во многих отношениях, они все равно имеют один и тот же конечный результат — излучение фотонов света за счет того, что электроны переходят с более высоких орбиталей или состояний на более низкие.

Электроны не остаются на более высокой орбите даже при постоянном электричестве.

Почему бы электронам не продолжать оставаться на более высокой орбите — ведь постоянное электричество подается непрерывно.

Электроны на высокой орбите похожи на человека на высокой проволоке (туго натянутом канате). Они всегда находятся в очень шатком, нестабильном состоянии, и им легко сойти с высокой орбиты. Но почему электроны нестабильны в этом состоянии?

Физика и квантовая механика

Короче говоря, субатомные частицы, такие как электроны, очень странные. Они живут в мире очень малого, в мире квантовой механики. Это означает, что вещи ведут себя не так, как в нашем земном мире, где мы осязаем, слышим, видим и обоняем.

Само существование электрона в любой точке времени неопределенно, что делает его положение на проволоке шатким. Поэтому они легко падают и испускают фотон света.

Под действием постоянного электричества следующий электрон поднимается в более высокое состояние и вскоре падает — и именно этот непрерывный подъем и падение миллиардов электронов дает нам поток света от лампочки.

Классический и квантовый взгляд на электроны (глубокое погружение).

Кто-то возразит, что мое классическое описание атома, ядра и вращающихся электронов неточно. Я соглашусь, но именно так до сих пор преподают в классах, чтобы помочь студентам «облегчить» изучение сложных предметов физики и химии.

В квантовом мире электрон существует как электронное облако. Из этого следует, что электрон постоянно появляется и исчезает вокруг ядра, но никогда не находится в одном месте, если его не наблюдать.

Не волнуйтесь, если вы не поняли — даже наши самые талантливые ученые еще не до конца разгадали Квантовую механику. Но именно поэтому электроны остаются странными, и именно поэтому их положение во времени и пространстве всегда будет неустойчивым.

Свет — это и частица, и волна

Легко воспринимать свет как частицы из-за его поведения: Он отскакивает от стен и зеркал, как теннисный мяч. Хотя мы не видим частицы света, по их поведению мы делаем вывод, что они есть.

Свет, в то же время, тоже является волной, но не потому, что мы можем видеть свет как водянистые волны, а из-за поведения. Был проведен знаменитый эксперимент «Двойная щель», в котором свет пропускали через две щели, и результат оказался удивительно похож на то, как волны воды проходят через те же две щели. Поскольку свет ведет себя и как частица, и как волна, было решено, что свет — это и то, и другое.

Использование спектрометра для различения частиц и волн

Светомер может измерять и видеть как частицы, так и волны света. Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Спектрометр или измеритель освещенности может измерить количество фотонов, поступающих от света, измеряя LUX или PPFD (лампы для выращивания). Чем выше LUX, тем больше фотонов попадает на квадратный метр.

Спектрометр — это сложный измеритель света, который также может измерять волны, и эти волны имеют частоту, связанную с определенным цветом. Синие цвета имеют более короткую частоту, а красные — более длинную.

Каждый фотон имеет соответствующую длину волны, которая определяет его цвет, а спектр, снятый спектрометром, может показать относительное количество фотонов для каждого видимого цвета в свете.

Рис. 11 Синие цвета имеют более короткие частоты, красные — более длинные

Заключение — Раздвигаем занавески на тему «Что такое свет».

Свет — это высвобождение энергии, подобно тому, как щелкает резинка. Вы должны понимать орбитальные электроны, которые переходят в более высокое состояние. Из-за неопределенности своего существования электроны легко возвращаются в свое естественное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов. Непрерывное движение миллиардов электронов вверх и вниз создает поток света, который мы уже не воспринимаем как нечто само собой разумеющееся.

Каждый может стать ученым!