Yorug'likning turli effektlari

Yorug'likning turli effektlari

Vizual apparatimizning sezgirligi yorug'lik uchun juda katta. Yorug'lik hissini olish uchun, zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, qulay sharoitlarda sekundiga taxminan 10 -17 J yorug'lik energiyasi ko'zga tushishi kifoya qiladi, ya'ni. seziladigan yorug'likni rag'batlantirish uchun etarli quvvat 10 -17 vatt.

Ko'z yorug'lik mavjudligini qayd eta oladigan eng sezgir apparatlardan biridir. Yorug'likning kimyoviy ta'siri, ko'zning sezgir elementlariga ta'siriga o'xshash, yorug'likda turli xil ranglar yo'qolganda ("so'nayotgan kuyish") kuzatilishi mumkin. Kimyoviy o'zgarishlar yorug'lik nisbatan kam yorug'likka sezgir materiallar tomonidan so'rilganida kuzatiladi. Ammo ko'p yoki kamroq darajada yorug'lik har qanday tana tomonidan so'riladi, uni tanani isitish orqali aniqlash mumkin.

Yorug'lik so'rilganda jismlarning qizdirilishi yorug'lik energiyasini aniqlash va o'lchash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan eng umumiy va oson bajariladigan jarayondir.

Aniq kunlarda janubiy kengliklarda quyosh nuri tomonidan etkazib beriladigan energiya har bir m2 sirt uchun 1000 J / sek dan ko'proqni tashkil qiladi (shunday qilib, uyning tomiga o'rnatilgan tekis temir idish uning aholisini yozda issiq suv bilan ta'minlashi mumkin).

Yorug'lik ta'sirini ma'lum elektr hodisalarida ham topish mumkin. Shunday qilib, metall sirtining yoritilishi undan elektronlarning chiqarilishiga olib kelishi mumkin (fotoelektrik effekt). Ba'zi qurilmalar (masalan, fotoelement) yordamida yorug'lik ta'sirida paydo bo'ladigan elektr tokini osongina kuzatish mumkin (agar kichkina uyning tomini bunday fotoelementda ishlatiladigan modda bilan yopish mumkin bo'lsa, u holda) aniq kunda bir necha kilovatt yorug'lik energiyasi tufayli elektr tokini olish mumkin edi).

Nihoyat, yorug'likning bevosita mexanik ta'siri ham kuzatiladi. U yorug'likni aks ettiruvchi yoki yutuvchi jism yuzasida yorug'lik bosimida o'zini namoyon qiladi. Bu jismga engil harakatlanuvchi qanot ko'rinishini berib, unga tushayotgan yorug'lik ta'sirida bu qanotning aylanishini aniqlash mumkin edi. Bu tajriba birinchi marta P.N. Lebedev 1900 yilda Moskvada. Hisoblash shuni ko'rsatadiki, aniq kunlarda 1 m 2 o'lchamdagi oyna yuzasiga tushayotgan Quyosh nuri unga atigi 4 mkN kuch bilan ta'sir qiladi (garchi zamonaviy lazerlar energiyani jamlashda imkon beradi). kichik sirt ustida 10 6 atm engil bosim olish.

Shunday qilib, bu misollarning barchasi yorug'lik nurlanishida energiya mavjudligi haqida gapiradi, uning o'zgarishi tasvirlangan barcha hodisalarda uchraydi.

Har bir inson, albatta, yog 'yoki yog'li dog'lar bilan qoplangan bo'lsa, suvda rangli chiziqlar, chiroyli toshqinlarni ko'rdi. Ushbu rang bantlarining g'alati joylashuviga e'tibor qaratiladi va to'lib toshadi, ya'ni. kuzatuvchining boshini aylantirganda ranglarni o'zgartirish, ayniqsa. Xuddi shu tabiat sovun pufagi yuzasida toshib ketadi.

Ushbu misollardagi ranglarning xilma-xilligi biz oq nurda kuzatayotganimiz bilan bog'liq. Keling, yorug'lik yo'liga bir nechta rangli shisha qo'yamiz va biz rangli chiziqlar o'rniga qorong'u bo'shliqlar bilan ajratilgan katta yoki kichik yorqinlikdagi bir xil rangdagi bantlar kuzatilishiga ishonch hosil qilamiz. Chiziqlarning shakli va joylashuvi o'zgarmaydi. Misol uchun, agar biz yashil oynadan foydalansak, oq yorug'lik bilan yoritilganda yashil rangga ega bo'lgan chiziqlar deyarli o'zgarmaydi va qizil chiziqlar qora rangga aylanadi. Agar bitta rangli yorug'lik sifatida unga kiritilgan osh tuzidagi asbest bo'lagi bilan yondirgichning alangasini olsak, natriy bug'ining nurlanishi tufayli sariq rangga ega bo'lsak, bu hodisa yanada aniqroq bo'ladi. olovga; bu rang juda bir xil. Ushbu yorug'likda siz asta-sekin chuqur qora rangga aylangan yorqin sariq chiziqlar rasmini kuzatishingiz mumkin. Shunday qilib, rasm kuzatuvchining ko'ziga juda ko'p yorug'lik yuboradigan o'zgaruvchan yorug'lik chiziqlaridan (maksima) va kuzatuvchiga yorug'lik tushmaydigan qorong'u chiziqlardan (minimal) iborat.

Ushbu tajribalarda biz 1-bobda tasvirlangan to'lqin interferensiyasi deb ataladigan hodisalarga o'xshash hodisalarni ko'ramiz. U erda energiyani qayta taqsimlash uchun ikkita to'lqinning superpozitsiyasi, ya'ni sharoitlar ko'rsatilgan. energiya maksimal va minimal hosil bo'lishiga. Bizning optik tajribalarimizda biz energiyaning qayta taqsimlanishini ham ko'ramiz, buning natijasida bir xil yorug'lik o'rniga qorong'u joylar (minimumlar) va yorug'lik kuchaygan hududlar (maksima) hosil bo'ladi. Shunday qilib, bu tajribalarda yorug'likning aralashish qobiliyati, ya'ni. yorug'lik hodisalarining to'lqinli tabiati kashf qilindi. Turli xil ranglar uchun maksimal turli joylarda sodir bo'lishi turli xil ranglarning turli to'lqin uzunliklariga mos kelishini ko'rsatadi (4-bobga qarang).

Yorug'lik to'lqinlarining tabiati haqidagi savolga javob yorug'lik hodisalarining xususiyatlari bo'yicha uzoq davom etgan kuzatishlar asosida olingan. Shu bilan birga, odatda bo'lgani kabi, yorug'likning tabiati haqidagi fikr yangi ma'lumotlar va ma'lumotlar to'planishi bilan o'zgardi.

Yorug'likning tabiati haqidagi to'lqin g'oyalari 17-asrda paydo bo'lgan. H. Gyuygens va 18-asr davomida qo'llab-quvvatlangan. L. Eyler, M.V. Lomonosov va V. Franklin. Biroq, bu davr mobaynida yorug'lik haqidagi korpuskulyar g'oyalar eng oqilona bo'lib qoldi , unga ko'ra yorug'lik tez uchadigan zarralar oqimiga o'xshatildi (I. Nyuton).

Matematika professori sifatida Nyuton o'z tadqiqotlarining ko'p qismini optikaga bag'ishladi. Nur va uning xossalari ko'p asrlar davomida tabiatshunoslarning diqqat markazida bo'lib kelgan. Va 17-asrda bu qiziqishga yana bir muhim holat qo'shildi. 15-asrning o'rtalarida paydo bo'lgan matbaa san'ati uzoq vaqt davomida asosan qora va oq bo'lib qoldi, garchi 1450 yilda nemis bosma ixtirochi Iogannes Gutenberg tomonidan amalga oshirilgan Bibliyaning birinchi nashrida ba'zi narsalar mavjud edi. ikki rangda qilingan bosh harflar. 16-asr davomida ko'plab usta printerlar turli xil ranglarni aralashtirish orqali turli xil ranglarni olishga harakat qilishdi. Ma'lum bo'lishicha, faqat 4 ta siyoh: 3 ta rangli va qora ishlatilsa, bosib chiqarishning asosiy ehtiyojlari qoplanadi. Mashhur ingliz fizigi va kimyogari Robert Boyl (1627-1691) bosib chiqarish uchun 4 ta rangli siyoh yetarli ekanligini bilar edi va ularning sonini 3 tagacha qisqartirish mumkinligiga ishonch hosil qilgan (keyinchalik bu noto‘g‘ri bo‘lib chiqdi).

Boyl hali Nyuton Vulstorp tanhosi yillarida erishgan xulosaga kela olmadi, oq yorug'lik kamalakning barcha ranglarining aralashmasidir va prizma yorug'likni rang bermaydi, faqat uning tarkibiy qismlariga parchalaydi. Biroq, u, masalan, sirtning ranglanishi yorug'lik xossalari emas, balki uning o'ziga xos xususiyatlari natijasida paydo bo'lishini ta'kidlab, shunday xulosaga keldi. Shunday qilib, qora tana shunchaki unga tushadigan barcha yorug'likni o'zlashtiradi. Boyl buni qora qo'lqopdagi qo'l quyoshda oq qo'ldan ko'ra ko'proq isishi bilan isbotladi.

Nyuton Boylning tajribalari haqida ko'p o'ylagan. U har xil shakldagi 2 prizma va diafragmadan iborat optik eksperimental qurilma yasay oldi. Uning yordami bilan olim shuni ko'rsatdiki, agar prizma tomonidan parchalangan spektrdan ma'lum bir rangdagi nurlar kesilib , boshqa prizmaga yo'naltirilsa, u hech qanday tarzda uni o'zgartirmaydi.

Ushbu va shunga o'xshash tajribalar natijalariga asoslanib, Nyuton o'zining rang va yorug'lik nazariyasini yaratishga urinib ko'rdi, bu yorug'lik "bosim" deb da'vo qilgan Dekartning fikriga qarshi chiqdi. (Nyutonning o'zi yorug'lik "tana" ekanligiga ishongan.) Agar yorug'lik bosim bo'lsa, odamlar kunduzi kabi tunda ham yaxshi ko'rishadi va ehtimol undan ham yaxshiroq ko'rishadi. To'g'ri, Nyutonning bunday bayonotga bergan izohi juda noaniq. U o'zining "Yorug'lik va ranglarning yangi nazariyasi" memuarida o'z fikrlarini bayon qildi va uni 1672 yil 6 fevralda London Qirollik jamiyatiga taqdim etdi. Uning ko'p a'zolari olimning xulosalariga va birinchi navbatda yorug'likning "tanaviy" xususiyatlariga taalluqli bo'lgan xulosalarga qo'shilmadilar. Robert Guk va Kristian Gyuygens Nyutonning tajribalarini bir xil darajada boshqacha tushuntirish mumkinligini ko'rsatdilar, garchi ular uning asosiy tezisini qabul qilishgan: oq yorug'lik oddiy emas, balki kamalakning barcha ranglarining nurlarining teng qismlarga aralashmasidir.

Ular bilan bahslashar ekan, Nyuton o'z mudofaasini memuarda "Yorug'lik - bu tanadir" degan so'nggi ibora yo'qligiga asosladi, lekin faqat taxmin: "Yorug'lik, ehtimol, tanadir". U to'lqinlar nazariyasining qiyinchiliklarini mohirona ko'rsatdi; ular orasida, uning fikricha, eng qiyini yorug'likning to'g'ri chiziqli tarqalishini tushuntirish edi. Nyuton hatto yorug'likning to'lqin xususiyatlarini korpuskulyar xususiyatlar bilan birlashtirgan murosani taklif qildi, bu nozik plyonkalar ranglarining kelib chiqishi to'lqin xususiyatlariga asoslangan holda qanchalik yaxshi tushuntirilishi mumkinligini ko'rsatdi. (Yorug'lik va rang o'rtasidagi munosabatlar haqida ko'proq ma'lumot olish uchun 5-bobga qarang.)

Faqat 19-asrning boshlarida yorug'likning to'lqinli tabiati O. Fresnel va T. Yungning asarlari bilan ishonchli tarzda isbotlangan. Bunday holda, bu to'lqinlar ma'lum darajada akustik hodisalarni keltirib chiqaradigan to'lqinlarga o'xshash elastik to'lqinlarga o'xshatilgan. Biroq, ikkita muhim xususiyat yorug'lik to'lqinlarini tovush to'lqinlaridan ajratib turadi.

Birinchidan, yorug'lik havo yoki boshqa muhit chiqarilgan kosmosda tarqaladi, tovush esa vakuumda tarqala olmaydi. Yorug'likning vakuumda tarqalishini havo evakuatsiya qilinadigan cho'g'lanma elektr lampalarida kuzatish mumkin. Yorug'likning vakuumda tarqalish qobiliyatining yana bir dalili - eng ilg'or vakuum qurilmalariga qaraganda (zamonaviy ma'lumotlarga ko'ra, yulduzlararo) hajm birligida kamroq materiyani o'z ichiga olgan ulkan bo'shliqlar bilan bizdan ajratilgan Quyosh va yulduzlarning yorug'ligini kuzatish. kosmosda o'rtacha 1 sm 3 ga taxminan 1 atom to'g'ri keladi , eng ehtiyotkorlik bilan evakuatsiya qilingan vakuum qurilmalarida esa 1 sm 3 da kamida 10 8 atom yoki molekula mavjud ).

Ikkinchidan, yorug'lik to'lqinlarining tovush to'lqinlari bilan solishtirganda o'ziga xos xususiyati ularning tarqalishining ulkan tezligidir.

2.1.1-kichik bo'limda yorug'likning turli ko'rinishlari ko'rib chiqilib, u o'zi bilan energiya olib yurishini ko'rsatdi. Shuning uchun yorug'lik energiyasi qanchalik tez tarqaladi degan savol ham tabiiydir. Bu savolga javob berishga urinishlar uzoq vaqtdan beri qilingan. Shunday qilib, hatto G. Galiley (1607) ham quyidagi oddiy tajriba yordamida yorug'likning tarqalish tezligini aniqlashga harakat qildi. Bir-biridan L masofada joylashgan va bir xil yaxshi sozlangan soatlar bilan jihozlangan ikkita kuzatuvchi A va B ni tasavvur qiling . Agar A kuzatuvchisi bir lahzada yorug'lik signalini yuborsa (masalan, fonarning qopqog'ini tezda ochsa) va kuzatuvchi B bu signalni ko'rgan vaqtni soati bilan belgilasa, u holda T vaqtini aniqlash mumkin bo'ladi. yorug'lik bu yo'lni L , va shuning uchun yorug'lik tezligini aniqlash uchun S= L /T.

Ikkinchi kuzatuvchi o'rniga oyna qo'yilsa, tajribani sezilarli darajada soddalashtirish va yaxshilash mumkin. Chiroqni ochgan kuzatuvchi, shuningdek, ko'zgudan aks ettirilgan yorug'lik signali unga qaytib kelgan momentni ham qayd etadi , ya'ni. yo'lni 2 L bosib o'tadi . Bu. Faqat bitta soat yordamida yorug'lik tezligini aniqlash mumkin edi. Ammo Galileyning birinchi va ikkinchi versiyadagi tajribasi aniq natijalarni bermadi. Tabiiyki, chiqish va signalning kelishi momentini ro'yxatga olish ba'zi xatolar bilan amalga oshiriladi. Yorug'lik tezligi shunchalik yuqori bo'lib chiqdiki, yorug'likning A va B nuqtalarini olib tashlash mumkin bo'lgan nisbatan kichik masofalarni bosib o'tish vaqti ko'rsatilgan xatolardan sezilarli darajada kam edi. Shuning uchun tubdan to'g'ri o'tkazilgan tajriba qoniqarli natijalarni bermadi. Kerakli mumkin bo'lgan yaxshilanishlar - L masofasining sezilarli darajada oshishi yoki o'lchov aniqligining kuchli oshishi - keyinchalik kiritildi va ijobiy natijalar berdi.

Daniyalik astronom Olaf Römerning (1644-1710) 1675 yilda taklif qilingan usuli astronom shug'ullanadigan ulkan masofalardan foydalangan. Yupiter sun'iy yo'ldoshining tutilishi A nuqtadan chiqadigan yorug'lik signali bo'lib xizmat qildi; Yerdagi kuzatuvchi tutilish momentini qayd etdi. Sun'iy yo'ldoshning Yupiterga eng yaqin orbitasi 1 3/4 ni tashkil qiladi kunlar, ya'ni. uning tutilishi juda tez-tez uchraydi. Römer tutilishlar muntazam kuzatilmaganligini aniqladi . Agar, masalan, Yerning 3 1 pozitsiyasidan boshlab , biz kutilayotgan tutilish momentlarini oldindan hisoblab chiqsak va taxminan ½ yil ichida Yerning holatida kuzatuvlar olib borsak (Yupiterning aylanish davri taxminan 12 marta. Shunday qilib, 10 1 , 10 2 , 10 3 oraliqlari taxminan yarim yil oralig'ida bo'ladi), keyin tutilish momenti hisoblangan vaqtga nisbatan deyarli 16 daqiqaga kech bo'lib chiqadi. Biroq, xuddi shu hisob-kitoblar to'g'ri natijani beradi, agar kuzatishlar yana Yerning Z 3 pozitsiyasi vaqtida amalga oshirilsa , ya'ni. yana olti oydan keyin.

Roemer bu hodisalarga oddiy izoh berdi: yorug'lik Yer orbitasining diametriga teng bo'lgan qo'shimcha masofani bosib o'tishi uchun zarur bo'lgan vaqtni hisobga olish kerak. Bu qo'shimcha masofa, zamonaviy o'lchovlarga ko'ra, 2,99x10 8 km, qo'shimcha vaqt 966,4 s, shuning uchun C yorug'lik tezligi taxminan 300 000 km / s ni tashkil qiladi. Römerning o'zi C yorug'lik tezligi uchun 215 000 km/s qiymatini topdi.

A va B nuqtalari orasidagi katta masofalarga murojaat qilmasdan yorug'lik tezligini aniqlashning yana bir necha baravar aniqroq usuli fransuz fizigi Léon Fuko (1819-1868) tomonidan taklif qilingan. Uning usuli aylanuvchi oyna usuli deb ataladi. Ushbu oyna yordamida Fuko tomonidan aniqlangan yorug'lik tezligi 296 000 km / s ni tashkil qiladi. Va shuningdek, yorug'lik yo'liga suv bilan quvur qo'yib, u suvdagi yorug'lik tezligini o'lchashga muvaffaq bo'ldi va H. Gyuygensning g'oyalariga muvofiq havoga qaraganda 4/3 baravar kam qiymat oldi .

Amerikalik fizik Albert Mishelson (1852-1931) aylanuvchi oyna usuliga bir qator ajoyib yaxshilanishlarni kiritish orqali yorug'lik tezligini aniqlashning aniqligini sezilarli darajada yaxshiladi. Uning taʼriflariga koʻra (1927) S=299796 km/s.

O'shandan beri bu raqam aniqlangan. Shunday qilib, 1973 yilda fan va texnikaning raqamli ma'lumotlari bo'yicha Xalqaro qo'mitasining Bosh Assambleyasining barcha ma'lum bo'lgan eksperimental ma'lumotlarni jamlagan qarori bilan yorug'likning vakuumdagi tezligi 299792458±1,2 m / s ga teng deb hisoblanadi. .

Biroq, astronomik miqyosda bu tezlik unchalik katta emas. Shunday qilib, yorug'lik Quyoshdan Yerga taxminan 8 daqiqa, eng yaqin yulduzdan esa taxminan 4 yil davomida tarqaladi. Bir yilda yorug'lik taxminan 10-13 km masofani bosib o'tadi. Bu qiymat katta astronomik masofalar uchun uzunlik birligi sifatida qulayligini isbotlaydi; Bu yorug'lik yili deb ataladi .

Ushbu birlik bilan birga astronomlar parsekdan foydalanadilar . Parsek (ya'ni, parallaks sekund) - er orbitasining radiusi (150 million km) 1  burchak ostida ko'rinadigan masofa . Parsek taxminan 3 1/4 yorug'lik yili .

Yorug'likning ulkan tezligi optik hodisalarni 19-asrning birinchi choragida ma'lum bo'lgan boshqa barcha hodisalardan ajratib turdi. Taxminan yarim asr o'tgach, J. Maksvell nazariy mulohazalar asosida har qanday elektromagnit buzilish shunday tezlik bilan tarqalishi kerakligini aniqladi (3-bobga qarang). Bir muncha vaqt o'tgach, H. Gerts eksperimental ravishda elektromagnit to'lqinlarni ishlab chiqardi, ularning tarqalish tezligi haqiqatda yorug'likning tarqalish tezligiga teng bo'lib chiqdi.

Keyingi tadqiqotlar va birinchi navbatda, P.N. O'sha vaqt uchun eng qisqa elektromagnit to'lqinlarni (6 mm) olgan Lebedev elektromagnit to'lqinlarning barcha asosiy xususiyatlari (3-bobga qarang) yorug'lik to'lqinlarining xususiyatlariga mos kelishi aniqlandi. Bu muhim faktlarning barchasi yorug'lik to'lqinlarining elektromagnit to'lqinlar ekanligi haqidagi fikrga olib keldi , ular radiotexnikada keng tarqalgan to'lqinlardan juda kichik uzunligi, mikrometrdan kamligi bilan farq qiladi (4-bobga qarang).

Yorug'lik to'lqinlarining elektromagnit tabiati yoritilgan metallar tomonidan elektronlarning emissiyasini tushuntiradi, ya'ni. fotoeffekt.Yorug'lik va elektromagnit jarayonlar o'rtasidagi bog'liqlikni ochib beruvchi yana bir qancha hodisalar mavjud. Yorqin jismlar (masalan, Quyosh) elektromagnit (birlamchi) to'lqinlarni chiqaradi. Ba'zi bir jismga tushib, bunday birlamchi to'lqin ikkilamchi elektromagnit to'lqinlarning manbalariga aylanadigan elektronlarning majburiy tebranishlarini keltirib chiqaradi. Biz ko'rib turgan yorug'lik hodisalarining xilma-xilligi, ob'ektlarning barcha ranglari va konturlari birlamchi va ikkilamchi to'lqinlarning superpozitsiyasi (superpozitsiyasi). Yorug'lik to'lqinlari hodisalarining ko'pgina xususiyatlari eng xilma-xil tabiatdagi to'lqin jarayonlari uchun o'xshash bo'lib chiqadi, shuning uchun kelajakda geometrik, shuningdek, fizik optikaning ba'zi asosiy tushunchalari bilan tanishib, biz to'lqinlar haqidagi ma'lumotlardan foydalanamiz. 1-bob.

20-asrda yangi eksperimental ma'lumotlarning to'planishi yorug'lik to'lqin xossalari bilan bir qatorda, 7-bobda muhokama qilinadigan korpuskulyar xususiyatlarga (yorug'lik kvantlari yoki fotonlarga) ham ega degan xulosaga keldi.

Hozirgi vaqtda kvant nazariyasi yorug'likning to'lqin va korpuskulyar tushunchalarini elektronlar, atomlar va boshqa zarrachalarning to'lqin va korpuskulyar tushunchalarini birlashtirgani kabi bir butunga birlashtiradi.