Видимый свет: источники, длина волны, применение

Излучение видимого света играет ключевую роль в нашей жизни. Благодаря ему мы можем видеть окружающий мир, фотосинтезирующие организмы могут вырабатывать кислород, а растения - питательные вещества. Но что же представляет собой этот «волшебный» диапазон электромагнитных волн? Давайте разберемся!

1. Что такое видимый свет?

Видимый свет - это электромагнитные волны в диапазоне примерно от 380 до 780 нанометров. Этот диапазон длин волн воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительные ощущения различных цветов - от фиолетового до красного.

Видимое излучение также называют светом в узком смысле этого слова. Оно занимает лишь малую часть в общем спектре электромагнитных волн.

Частоты видимого света лежат в пределах примерно от 400 до 790 терагерц. Наибольшая чувствительность человеческого глаза приходится на зеленую область спектра с максимумом 555 нанометров (540 терагерц).

2. Свойства видимого света

Как и любые электромагнитные волны, видимый свет обладает дуализмом свойств. С одной стороны, он проявляет волновые свойства:

• дифракция - огибание препятствий;
• интерференция - наложение и усиление/ослабление волн.

С другой стороны, свет демонстрирует и корпускулярные (частичные) свойства, будучи потоком отдельных квантов - фотонов. У фотонов нет массы покоя, они могут двигаться только со скоростью света в вакууме, равной 300 000 км/с.

При распространении в веществе видимый свет замедляется, испытывает преломление и отражение на границе раздела сред. Он может поглощаться веществом, а также рассеиваться в нем.

3. Строение глаза и цветовое зрение

Способность человека различать цвета обусловлена наличием в сетчатке глаза трех типов светочувствительных рецепторов - колбочек. Каждый тип колбочек максимально чувствителен к красному, зеленому или синему свету.

В зависимости от соотношения сигналов от разных колбочек в мозге формируется цветовое зрительное ощущение. Этот принцип называется

аддитивным смешением цветов

. Например, сложение красного и зеленого дает ощущение желтого цвета.

Некоторые животные, в отличие от человека, способны видеть видимый свет в расширенном диапазоне - например, ультрафиолетовое излучение. Это помогает им лучше ориентироваться в окружающей среде.

4. История изучения видимого света

Первые научные представления о природе видимого света появились в трудах античных ученых, таких как Аристотель. Английский философ Роджер Бэкон еще в XIII веке наблюдал оптический спектр, пропуская солнечный свет через стеклянный шар, наполненный водой.

В XVII веке Исаак Ньютон провел ряд фундаментальных опытов, доказавших сложный состав белого света. Он впервые описал явление дисперсии видимого света в призме и разложил его в спектр цветов.

Однако Ньютон ошибочно полагал, что разные цвета соответствуют частицам (видимого света), движущимся с разными скоростями. Правильную волновую теорию света предложил в начале XIX века английский физик Томас Юнг, а также Августин Френель во Франции.

5. Первые измерения длин волн

В начале XIX века английский физик Томас Юнг представил значения длин волн для разных цветов видимого света, основанные на данных Исаака Ньютона. Эти величины, выраженные во французских дюймах, с точностью до единиц совпадают с современными значениями, если перевести их в нанометры.

Еще более точные измерения длины волны видимого света провел в 1821 году немецкий оптик Йозеф Фраунгофер. Он использовал для этого дифракционную решетку и солнечный свет. Погрешность его данных также составляла лишь несколько нанометров.

6. Естественные источники

К естественным источникам видимого света относятся Солнце, другие звезды, молнии в атмосфере, полярные сияния и некоторые светящиеся минералы. Наиболее ярким и важным источником видимого излучения для Земли является ее звезда - Солнце.

Солнечный свет имеет практически идеальный спектр белого цвета с максимумом видимой области 555 нм. Яркость Солнца превосходит все другие естественные источники видимого света на много порядков.

7. Искусственные источники освещения

Человек изобрел множество искусственных источников видимого света - от первобытного костра или масляных светильников до современных люминесцентных и светодиодных ламп. По сравнению с Солнцем они гораздо слабее и обычно излучают свет небелого оттенка.

Основной механизм излучения видимого света в лампах накаливания и галогенных лампах - нагрев вольфрамовой нити проходящим по ней электрическим током. В люминесцентных лампах происходит газовый электрический разряд с излучением ультрафиолета, который затем преобразуется в видимый свет люминофором.

8. Применение видимого света

Применение видимого света чрезвычайно разнообразно. В первую очередь, это зрительное восприятие человеком и животными окружающего мира. Кроме того, видимый свет необходим для фотосинтеза растений.

В технике видимое излучение используется в осветительных и оптических приборах, средствах отображения информации, лазерах, волоконно-оптической связи и многих других устройствах.

Перспективными направлениями применения видимого света являются оптоэлектроника, голография, фотодинамическая терапия в медицине.

9. Светодиоды как источники света

В последние десятилетия широкое распространение в качестве источников света получили светодиоды (LED). Их преимуществами являются высокая энергоэффективность, долгий срок службы, компактные размеры и устойчивость к вибрациям.

Светодиод генерирует излучение за счет инжекционной электролюминесценции полупроводников. Подбором состава полупроводников можно получать светодиоды, излучающие видимый свет практически любой длины волны и цветности.

10. Преломление и дисперсия света

При переходе луча из одной оптической среды в другую происходит изменение направления его распространения - явление преломления света. Угол преломления зависит от соотношения показателей преломления сред.

Показатель преломления вещества также зависит от длины волны падающего света. Это явление называется дисперсией и приводит к разложению белого света на составляющие его цвета при прохождении через призму.

11. Видимый свет и фотосинтез

Фотосинтезирующие организмы, в особенности растения, критически зависят от видимого солнечного излучения. Поглощая кванты света, хлорофилл и другие пигменты растений запускают процесс преобразования углекислого газа и воды в органические вещества.

Видимый свет в диапазоне от 400 до 700 нм имеет наибольшую эффективность для фотосинтеза. Именно благодаря этому процессу атмосфера Земли обогащается кислородом, а из растений мы получаем пищу и сырье.

12. Вред видимого света для зрения

Несмотря на полезные функции, избыточное воздействие видимого света может нанести вред зрению человека и животных. Длительное воздействие яркого света вызывает окислительный стресс в тканях глаза.

Ультрафиолетовая составляющая солнечного света наиболее опасна, поскольку обладает высокой энергией фотонов. В результате может развиться фотоофтальмия или фотокератит.

Поэтому важно использовать средства защиты для глаз - солнцезащитные очки, шляпы и зонты при длительном нахождении на ярком солнце.